Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений"

На правах рукописи

Медведев Андрей Витальевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПИРОЛИЗНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД ГОРОДСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2003 г.

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шантарин В.Д.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

Ганяев В.П. кандидат технических наук

Губарева H.H.

Ведущее предприятие:

ОАО "Нефтегазпроекг"

Зашита диссертации состоится ° 2003 г в 3 -ЗОцас. на

заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Автореферат разослан "3 "__2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор ____ИГ^» С.И. Челомбитко

-А

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. С ростом численности населения планеты возрастают масштабы производственной деятельности, в связи с чем проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной задачей, и решение ее имеет большое значение в предотвращении деградации окружающей природной среды. В настоящее время использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий относится к основным принципам государственной политики в области обращения с отходами.

Объем сброса загрязненных сточных вод составил по отрасли ЖКХ в целом 12,8 мрд. м3 в год. В связи с этим в большую проблему в настоящее время вылились вопросы утилизации осадков сточных вод, так как с повышением требований к охране водоемов количество задерживаемых осадков на очистных станциях значительно увеличилось. В то же время вопросы, связанные с обработкой осадков, и, тем более, с их использованием, не решаются вообще.

Из образующихся ежегодно около 80 млн. м3 осадков утилизируется не более 3%, остальные осадки складируются на иловых площадках. Причиной такого положения является несоответствие между существующими мощностями по очистке городских сточных вод и обработке осадков.

Только при утилизации осадков и использовании очищенных сточных вод возможно создание безотходных и, во многих случаях, самоокупаемых очистных комплексов, которые обеспечивали бы радикальное решение проблемы охраны природной среды. Таким образом, актуальность проблемы не вызывает сомнения.

I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

i библиотека

I С.ПетербУрт

{ 09

Целью работы является разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод, позволяющего сокращать объемы их накопления, с получением в качестве продуктов переработки топливных компонентов, и оценка эффективности применения данного метода на очистных сооружениях.

Задачи исследований

1. Разработка методики утилизации осадков сточных вод и определения оптимальных параметров технологии.

2. Разработка конструкции лабораторной установки, позволяющей реализовать метод электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод.

3. Выполнение расчегао-теоретических и опьггно-экспериментальных исследований процесса утилизации с определением технологических параметров и энергетической эффективности предложенного метода в лабораторной установке с использованием элеюродугового способа подвода тепла

Научная новизна заключается в следующем

1. Впервые предложен и исследован один из возможных способов утилизации осадков сточных вод пиролизным методом в реакторе с применением электродугового разряда при температуре 1300— 1400 °С.

2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки органосодержащих шламов (осадков сточных вод, нефтяных шламов) с применением электродугового нагревателя.

3. Адаптированы (для применения в отношении данного способа) методики определения параметров получаемого горючего газа на основе уравнений материального и теплового баланса в разрабатываемой установке при утапизации осадков сточных вод.

Достоверность результатов исследований подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетно-теоретических данных с экспериментальными и с результатами, полученными при полевых испытаниях пилотной установки.

Практическая значимость работы

Диссертация выполнена в рамках госбюджетной темы по программе, утвержденной Министерством образования Российской Федерации, по разделу «Экологические проблемы безопасной жизнедеятельности (фундаментальные исследования)». Исследования включены в план работы ученого совета «Экологический мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» Российского университета дружбы народов. На проведение исследований был получен грант губернатора Тюменской области по теме «Разработка энергосберегающей технологии утилизации твердых бытовых отходов». Разработанная методика позволила:

1) обосновать целесообразность электродугового нагрева осадков сточных вод без подачи воздуха, что дает возможность получения и последующего использования горючего газа для производства тепловой и электрической энергии;

2) обосновать параметры термической утилизации шламов, образующихся при очисгке сточных вод;

3) использовать полученные результаты исследований для расчетного анализа утилизации при концентрациях и физических параметрах, характерных для осадков сточных вод, образующихся при обработке на станциях очистки;

4) разработать технологическую схему и конструкцию опытно промышленной установки для утилизации шламов, содержащих органические соединения.

Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на:

- Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», ТюмГНГУ, г.Тюмень, 2000;

- У-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие», г.Москва, 2001;

- 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда», г.Тюмень, 2001;

- 7-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7-2001), г.Барнаул, 2001;

- Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия». Научные чтения «Белые ночи-2001», г.Санкт-Петербург, 2001;

- 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда», г.Тюмень, 2002;

- Научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки», посвященной 90-летию со дня рождения В. И. Муравленко, г. Тюмень, 2002;

- Второй Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», г.Тюмень, 2002;

- Международном семинаре «Экологический мониторинг в процессе добычи нефти и газа», г.Тюмень, 2002;

- Научном семинаре кафедры механики многофазных систем Тюменского государственного университета.

По результатам работы опубликовано семнадцать печатных работ, в том числе: методические указания к практической работе «Утилизация твердых бытовых отходов пирсшизным методом», получено свидетельство на полезную модель, оформлены две заявки на получение патента РФ.

Результаты исследований использовались при проектировании опытно-промышленной установки для утилизации нефтяных пшамов и нефтезагрязненных фунтов УУН-01.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 187 страниц, 25 рисунков, библиографию из 130 наименований.

Автор выражает благодарность за научное руководство доктору технических наук, профессору Шантарину Владиславу Дмитриевичу, а также всем коллегам, которые консультировали, оказывали содействие и помощь в выполнении и оформлении данной работы. Отдельная благодарность Ивлеву Павлу Петровичу и Швецову Владимиру Дмитриевичу.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и основные задачи.

Глава 1. «Проблема утилизации сточных вод городских очистных сооружений и пути ее решения» посвящена аналитическому обзору по теме диссертационной работы.

В первом подразделе: «Методы утилизации осадков городских сточных вод» рассмотрены существующие общие методы и технологии использования и утилизации осадков. Приведены данные по объемам образования осадков и основным направлениям их уничтожения. Рассмотрены возможные способы использования шламов от очистки сточных вод в сельском хозяйстве в качестве удобрения, для получения компоста и для рекультивирования земель. Проанализированы технологии

утилизации осадков сточных вод (ОСВ) с применением различных температурных режимов: тепловая обработка, сжигание, замораживание. Изучены исследования и научно-технические разработки по использованию и обработке осадков: Шванской А.П., Семисотовой JI.B., Сухановой Л.И., Евилевича А.З., Туровского И.С., Мюррея Ч., Билдингмайера В., Мищенко Н.Ф., Волчека Ю.К., Воробьевой Р.П., Песенсона И.Б., Мелса А., Бернадинера М.Н. и др. ученых. Анализ рассмотренных методов показал, что существующие в настоящее время технологии позволяют решить проблему утилизации ОСВ лишь частично, при этом их использование зачастую сопровождается множеством негативных последствий.

Во втором подразделе: «Пиролизные методы утилизации осадков» изучена возможность утилизации ОСВ путем нагрева их в условиях недостатка воздуха. Рассмотрены различные виды пиролизной утилизации осадков, состав и соотношение продуктов пиролиза, представлены данные о возможных технологических и технических решениях осуществления процесса, разработанные как отечественными, так и зарубежными исследователями - Бредшнейдером К., Поповой Н.М., Раковским Е.В., Шантариным В.Д., Смирновым О.В., Антипьевым В.Н., Налобиной Е.В., и др.

Однако отмечается, что, несмотря на имеющийся объем исследований в данной области в нашей стране, данные о промышленном применении метода пиролизной переработки осадков сточных вод отдельно или в смеси с другими отходами с целью получения товарной продукции отсутствуют.

В третьем подразделе: «Зарубежные технологии пиролиза органических отходов» приведены разработки фирм «Andco», «Carborundum», «Union Carbide», «Urban Research», «Nippon Steel» , «Pollution Control» , «Mótala Verkstad» , «Lurgi Umwelt GMBH» и др.

Рассмотрены технологии пиролизной утилизации осадков сточных вод, твердых бытовых отходов, совместной их утилизации. Представлены общие конструктивные и технологические особенности линий по переработке органосодержащих отходов: «Тогах», «Ригох», «Destrugas» - в вертикальных шахтных агрегатах; «Landgrad», «Goldshofe», «Occidental Flash Pyrolysis» - во вращающейся барабанной печи; «Ругох Process», «ЕЬага» - с использованием псевдоожиженного слоя.

В четвертом подразделе: «Характеристика очистных сооружений г.Тюмени» приведены данные по объемам образования сточных вод по г.Тюмени, количеству выделяемых из них осадков. Кратко рассмотрены технологическое оборудование и процесс очистки и обработки сточных вод.

Выполненный в первом разделе аналитический обзор опубликованных работ по проблемам утилизации осадков городских сточных вод позволил сформулировать основные задачи, решаемые в данной работе.

В главе 2 «Основы процесса пиролиза осадков сточных вод» рассмотрены теоретические основы процесса пиролиза ОСВ, приводится разработанная при участии автора технология утилизации шламов, имеющих высокое содержание минеральной составляющей, представлена установка с электродуговым нагревателем, методика, использованная для анализа расчета материального и теплового баланса процессов.

В первом подразделе: «Особенности термического разложения органической составляющей осадков сточных вод» приведены данные по исследованию элементного состава ОСВ, состоящих на 50 % и более из клетчатки, что позволяет сделать заключение и предложить схему разложения осадков путем пиролиза, описываемую по аналогии с протеканием процесса термической деструкции целлюлозы: дегидратация и последующий разрыв связей углерод - кислород в кольцах или между ними.

Второй подраздел: «Метод и установка пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений» посвящен разработке способа и устройства для термической переработки ОСВ. Целью разработки данной установки является необходимость обеспечения надежного процесса утилизации органических загрязнений шламов от очистки сточных вод. Предложенный способ позволяет совместить в себе достоинства печи с «псевдоожиженным» слоем и электродуговой печи косвенного действия и получать в качестве основного продукта переработки горючий газ с низшей теплотворной способностью в 10 - 15 МДж/м3.

Установка включает в себя в качестве основного элемента пиролизный реактор с элекгродуговым источником нагрева (см. рис. 1).

Рис. 1 Устройство пиролизного реактора.

Установка состоит из корпуса 1, который вместе с загрузочным 5 и разгрузочным 8 люками образует рабочий объем реактора, электродов 2 и 6, подключенных к выводам понижающего трансформатора, активаторного колеса 7, приводимого в .движение электродвигателем,

отбойных листов 3 и сетчатого фильтра 4, предназначенных для предварительной очистки газа от пылевых включений, а также других элементов. Проведенные исследования применения в качестве источника нагрева электродугового разряда позволили получить топологию температурных полей в поперечном сечении лабораторного реактора, представленную на рисунке 2.

Рис. 2 Приближенный вид изотерм температурного поля в поперечном сечении пиролизного реактора.

1-5 - соответственно при температурах 1300, 1125,980, 810 и 725 °С. (горизонтальными линиями обозначены электроды)

В третьем подразделе: «Технология производства работ на лабораторной установке» подробно рассмотрен технологический цикл проведения экспериментальных исследований по пиролизной утилизации ОСВ в лабораторной установке. Представлены преимущества переработки шламов с высоким содержанием минеральной составляющей в установке с электродуговым нагревом с совмещением технологии «псевдоожиженного» слоя.

В четвертом подразделе: «Материальный баланс процесса переработки осадков сточных вод» выполнен анализ материального

баланса при пиролизном разложении осадков. Его результаты представлены в таблице 1.

Представлены основные реакции газификации углерода, содержащегося в ОСВ. В качестве исходного материала для расчетов были приняты осадки с зольностью Ар = 0,533 от массы влажного зольного топлива и с относительной влажностью = 0,344 (данные

характеристики топлива приняты исходя из влажности и зольности реальных ОСВ, в дальнейшем принятых за исходный материал при проведении экспериментальных исследований). Элементный состав осадков принят по известным литературным данным в пересчете на органическое вещество. Последовательно вычислялись расходы элементов при протекании процесса пиролиза, константа равновесия реакции взаимодействия оксида углерода с водяным паром, масса горючей составляющей получаемого пиролизного газа, масса водяных паров в нем.

Таблица 1

Материальный баланс процесса утилизации осадков сточных вод

Показатель Значение

I. Расход:

Масса влажного зольного топлива (т(Т)м,г, г) 400

Масса сухого атмосферного воздуха (ш(Ь), г) 11,1

СУММА: 411,1

И. Приход:

Масса образующегося сухого газа (т(ГГ)', г) 79,3

Масса влаги в газе (т(Н20)', г) 114,9

Масса золы топлива (ш(7)т, г) 213,2

Масса сажи (углерода) - (т(С)прш\ г) 2,7

СУММА: 410,1

Анализ баланса масс на входе и на выходе из пиролизного реактора показал, что отклонение составляет 0,25 % (см. данные табл. 1).

В пятом подразделе: «Расчет теплового режима пиролиза осадков сточных вод» проведен анализ теплового баланса и оценен тепловой коэффициент полезного действия пиролизного реактора. В основу теплового баланса процесса пиролиза положено равенство теплоты, подведенной от электродугового источника, с учетом потерь и затрат тепла на поддержание процесса пиролиза. Тепловой коэффициент полезного , действия реактора определяется, как отношение низшей теплотворной

»} способности получаемого пиролизного газа с учетом теплоты испарения

воды в процессе пиролиза, к сумме теплотворной способности ОСВ, как твердого топлива, и тепла, подводимого в реактор нагревателем. При этом коэффициент полезного действия пиролизного реактора (теоретический) составил г| = 0,67.

В главе 3 «Исследование возможности применения метода пиролиза для утилизации осадков сточных вод» представлен анализ результатов исследования процесса пиролизной утилизации осадков на установке с электродуговым нагревом, а также результаты экспериментального изучения состава газообразных и жидких продуктов утилизации и твердого остатка, оценена эффективность пиролизного метода утилизации.

В первом подразделе: «Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации» рассмотрено влияние на протекание ) процесса режимов работы самой установки и свойств перерабатываемого

материала.

Исследования, направленные на изучение возможности переработки осадков данным пиролизным методом, выполнялись последовательно, по стадиям. Итогом работы на каждом этапе является получение конкретных результатов относительно оптимизации параметров процесса.

Этап I. Определение оптимальных энергетических параметров процесса переработки. По результатам исследований построена

зависимость объема выхода газа от силы тока дугового разряда (см. рис. 3). Рассматривая ее можно отметить тот факт, что при данной конструкции лабораторной установки выход газа значительно увеличивается при изменении силы дуги в пределах от 100 до 200 А. Дальнейшее же ее увеличение не приводит к существенному изменению уровня выхода газа.

100 125 150 175 200 225 | д

Рис. 3 Зависимость объема выделившегося газа (V) от силы тока дугового разряда (I)

Удельный выход газовой фазы (отношение объема получаемого газа к исходной массе утилизируемого материала) в течение первых десяти минут может быть определен в зависимости от длительности эксперимента (г, с) из следующего выражения:

к-т0-7

V =■

У уд

м

(1)

где Vyd - удельный выход пиролизного газа, дм /г;

к - коэффициент, определяемый силой тока дугового разряда (к = при I = 100А; к = 13 при I = 150А;

С ' С •

к = 18 при I = 200А; к =19 при 1 = 250А);

С ' С '

М - исходная масса утилизируемого материала, г.

Этап И. Изучение влияния на процесс утилизации его длительности.

Определялась необходимая продолжительность утилизации, при которой обеспечивается степень переработки органической части осадков, близкая к 100 %, то есть уровень выхода газа должен приблизиться к значению объема газа, выделяемого от сгорания электродов (см. рис. 4). Опираясь на полученные данные можно утверждать, что степень утилизации, равная 100 % (при М = 400 г), достигается через 45 -г- 50 минут эксперимента. Это подтверждается и анализом твердого остатка после утилизации.

V,

дм3/мин

12

8 4

0

00 00 1000 20:00 30.00 40 00 50.С

Т, мин

Рис. 4 Зависимость скорости выделения газа (у) по времени (т)

Анализ полученных данных позволяет принять в качестве рабочей продолжительности протекания процесса утилизации т, равной 10 минутам. Это объясняется тем, что при протекании процесса переработки за 10 минут выделяется объем газа V, равный приблизительно 100 дм3, что сравнимо с производительностью реактора по газу за последующие 40 мин. Тогда как в последнем случае удельные затраты энергии на переработку единицы массы вещества повышаются более чем в 3 раза.

, 1 1 ** -»-газ, образующим \ —»—Газ, образующий 1 1 юя при пиролизе осадков ся при работе электродов

\ ч.

ч,.....

Этап III. Исследование воздействия, которое оказывает на процесс переработки влажность утилизируемого осадка. Для исследования были взяты осадки с относительной влажностью W = 0; 10; 20; 34,4; 40 и 50 %. Принятое значение величины влажности пробы осадка в 34,4 % объясняется реальным значением влажности осадков сточных вод в отобранных пробах.

По результатам экспериментов были получены зависимости выхода газа и жидкой фазы от влажности исходного сырья (см. рис. 5). Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что наибольший эффект достигается при пиролизной утилизации ОСВ с относительной влажностью до 23 - 25 %.

Рис. 5 Зависимость объема газа (V), выделившегося за время эксперимента и массы жидкой фазы (ш) от влажности исходного материала (XV).

Отмечается снижение теплотворной способности получаемого газа от влажности исходного сырья, которое может быть найдено из следующего соотношения:

/

АН ° = АН °и - к-¡V2 у (2)

где W - влажность исходного сырья, % (масс.);

к - переводной коэффициент,

кДж

м1 -(%умасс.)2'

А- низшая теплотворная способность пиролизного газа, кДж/м3;

АН Ц = 12200 кДж/м3 - минимальная теплотворная способность пиролизного газа, получаемого при переработке ОСВ с влажностью У/ = 0% (масс.).

Этап IV. Определение влияния на протекание процесса избыточного давления в реакторе. Исследования на этом этапе проводились при избыточном давлении: ДР = 0,025; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. Отмечено, что с увеличением избыточного давления увеличивается степень выхода газа (объем газа приходящийся на единицу массы переработанного материала) и происходит снижение удельных энергозатрат на получение единицы объема газа (см. рис. 6).

у/дм,-

дм3/г

1,0

0,8

0,6

♦ . . 1 " " * - ^

' - . . _

г Степень выхода газа - - - Затраты энергии на получение 1 дмЗ

N/V, кВт-ч/дм5

0,011

0,010 0,009 0,008 0,007 0,006

0,1

0,2

03 ДР, МПа

Рис. 6 Зависимость степени выхода газа (V/ДМ) и удельные затраты энергии (N/V) от избыточного давления в реакторе ДР

Для определения удельного выхода газа в зависимости от изменения избыточного давления в реакторе может быть использована следующая эмпирическая формула:

_ ¿-(1080 -Д/"-3) " М

где к - переводной коэффициент, д"*- ,;

(МПа)'

АР - избыточное давление в реакторе, МПа.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что предлагаемый метод с осуществлением его на лабораторной установке обладает наибольшей эффективностью при утилизации осадков сточных вод с относительной влажностью до 25 % при работе с электродуговым разрядом силой тока 200 А и напряжением 23 В. Кроме того, эффективность утилизации (выход газа, полнота переработки) повышается за счет повышения избыточного давления в реакторе.

Второй подраздел: «Исследование продуктов, образующихся в результате пиролизной утилизации осадков сточных вод», посвящен анализу состава продуктов пиролиза. Как показали исследования полученный газ имеет следующий состав (% об.): водород - 51,68, монооксид углерода - 41,05, углекислый газ - 4,50, метан - 2,41, этан -0,27, пропан - 0,08, другие газы - 0,01. Что соответствует данным, полученным при термохимическом анализе. В составе смеси газа не обнаружены кислород, сероводород и оксиды азота.

Из результатов анализа газообразных продуктов следует, что данный способ пиролизной утилизации ОСВ позволяет получить в качестве конечного продукта переработки газовое топливо с теплотворной способностью порядка 11 - 12 МДж/м3. Анализ остаточного содержания тяжелых металлов в конечном твердом остатке показывает, что выброса с газом элементов не происходит (см. табл. 2), то есть они остаются в твердом остатке.

Таблица 2

Элементный состав твердого остатка

Элемент Содержание элементов (мг/100г)

Осадки до переработки Твердый остаток

Ре 6000 8000

А1 1400 1500

Бг 15 36

Си 2 1,5

РЬ 0,2 0,3

N1 0,7 0,9

МЙ 300 350

Со 0,5 0,8

Мо 0,4 0,4

V 6,7 7,9

Т1 300 350

Сг 10 12

0,002 0,002

Третий подраздел: «Анализ эффективности применения рассматриваемого пиролизного метода для утилизации осадков сточных вод» включает в себя сравнительный анализ затрат энергии на процесс утилизации, возможный тепловой эффект от применения получаемого горючего газа в качестве топлива и определение КПД перевода электрической энергии в тепловую в предлагаемом реакторе. Исходя из расчетных значений, основывающихся на полученных экспериментальных данных, можно отметить, что затратная часть процесса пиролиза превышает доходную. КПД перевода электрической энергии в тепловую составляет 0,9.

В главе 4 «Промышленное внедрение метода высокотемпературной утилизации органосодержащих шламов» рассмотрены вопросы возможности применения данного метода в промышленных масштабах. Проект установки для утилизации нефтешламов (УУН - 01) был разработан на кафедре промышленной экологии при участии автора. В связи с тем, что по консистенции и физическим параметрам

утилизируемые на ней шламы близки к шламам, образующимся при очистке сточных вод (с меньшим значением влажности и большим содержанием органического вещества), правомерно говорить о возможности применения данной установки при утилизации осадков сточных вод.

В первом подразделе: «Устройство узлов и агрегатов»

представлен общий вид установки и дано краткое описание ее конструкции. Основным рабочим элементом установки является пиролизная камера (реактор), предназначенная для высоко-температурной переработки нефтяных шламов и представляющая собой и - образную трубу с внутренним диаметром 205 мм. На пути движения шлама внутри пиролизной камеры установлены две пары электродов, подключенные к выводу понижающих трансформаторов, при помощи которых осуществляется поддержание необходимого температурного режима по всему объему пиролизной камеры.

Второй подраздел: «Работа установки» посвящен описанию технологического процесса утилизации органосодержащих шламов на установке УУН - 01. Представлена принципиальная схема установки (см. рис. 7). Подача отходов в пиролизный реактор 2, где происходит газификация их органической составляющей за счет высокого значения температуры, поддерживаемого электрической дугой, возникающей между двумя парами электродов, подключенных к выводам понижающего трансформатора, осуществляется системой подачи 1. Из реактора газ в смеси с минеральной составляющей за счет избыточного давления через инжектор 3 вдувается в камеру дожига 4, в которой и происходит его сжигание. Затем в циклонах 5 происходит выделение из дымовых газов твердых минеральных включений, которые выносятся в отвал. Отработанные газы, пройдя очистку в нейтрализаторе б, выбрасываются в атмосферу.

Дымовой выброс |

Рис. 7 Принципиальная схема установки для утилизации нефтешламов УУН - 01.

В третьем подразделе: «Мероприятия по охране окружающей

среды» кратко описаны возможные нештатные ситуации при эксплуатации установки, последствия которых могут нести негативные воздействия на окружающую среду, а также рассмотрены мероприятия по их предотвращению.

В четвертом подразделе: «Оценка экологической эффективности установки для утилизации нефтешламов» представлены результаты расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

Из анализа расчета загрязнения атмосферы установкой утилизации нефтешламов следует, что влияние ее работы на атмосферу является незначительным, ни по одному из веществ не достигается величина 1,0 ПДК м.р. ни в одной точке расчетной площадки. На основании этого сделан вывод о том, что установка по утилизации нефтешламов оказывает нормативное воздействие на атмосферный воздух

В пятом подразделе: «Оценка экономической эффективности установки для утилизации нефтешламов» проведен сравнительный анализ экологических платежей за размещение 1 т нефтешлама до его переработки (нефтешлам П-го класса опасности) и платежей за размещение 1 т нефтешлама после его переработки (нефтешлам ГУ-го

класса опасности) в сумме со стоимостью платежей за загрязнение атмосферы при переработке 1 т нефтешлама. Расчеты показывают, что после переработки нефтешлама величина платежей за загрязнение окружающей природной среды уменьшается в 3 раза, что говорит о высоком экономическом эффекте, получаемом при применении установки по утилизации нефтешлама.

Основные выводы

По работе могут быть сделаны следующие выводы и сформулированы основные результаты:

1. Впервые разработана методика утилизации осадков городских очистных сооружений с получением в качестве конечного продукта переработки горючего газа на установке с элеюродуговым источником тепла.

2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки осадков сточных вод с применением электродугового нагревателя.

3. Проведен анализ материального и теплового баланса термического {изложения осадков сточных вод, который показал, что коэффициент полезного действия процесса пиролиза находится на уровне 0,65 - 0,70.

4. Анализ параметров процесса утилизации показал, что наибольшая эффективность достигается при утилизации осадков сточных вод влажностью до 20 - 25 %, при работе с электродуговым разрядом мощностью 1 кВт. При этом КПД процесса утилизации осадков может бьггь оценен в 25-30 %.

5. Предложена конструкция установки для утилизации нефтяных шламов УУН — 01, рассмотрена возможность использования этой установки для утилизации шламов от очистки сточных вод городских очистных сооружений.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Медведев A.B., Войченко A.A., Опарин В.В. и др. Пиролизный метод утилизации углеродсодержащих отходов // Всероссийская научная конференция «Геология и нефтегазоносность западно-сибирского мегабассейна» (Тезисы докладов. Часть 4). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2000 г. - С. 56-59.

2. Медведев A.B., Коровин И.О., Шантарин В.Д. Исследование оптимальных параметров процесса пиролиза органических отходов в установке с электродуговым нагревом // Материалы научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 г. - С. 156.

3. Медведев A.B., Шантарин В.Д., Коровин И.О. и др. Пиролизный метод утилизации углеродсодержащих отходов // 5-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Окружающая среда». (Сборник статей) -Тюмень: ТюмГУ, 2002 г. - С. 30-32.

4. Шантарин В.Д., Медведев A.B., 'Гурков В.В. и др. Физико-химические основы термической схемы утилизации твердых бьповых отходов // Доклады 7-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7 -2001): В 2 ч. Ч. 1. - Томск: ТомГУ, 2001 г. - С. 93-94.

5. Коровин И.О., Медведев A.B., Багабиев Р.Р. и др. Методические указания к практической работе «Утилизация твердых бьповых отходов пиролизным методом» - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003 г. - 20 с.

6. Медведев A.B., Багабиев P.P., Коровин И.О. и др. Установка для переработки органических шламов с высоким содержанием минеральных компонентов // Известия ВУЗов, с. Нефть и газ. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2003 г. № 3. - С. 109 - 112.

11511 И«11 3 1 1 x

Подписано к печати^ (/6-0$ Р. Бум. писч. №1

Заказ № Уч. - изд. л. / л//

Формат 60x84 '/16 Усл. печ. л.

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Медведев, Андрей Витальевич

Введение

Глава 1. Проблема утилизации сточных вод городских очистных сооружений и пути ее решения

1.1 Методы утилизации осадков городских сточных вод

1.2 Пиролизные методы утилизации осадков

1.3 Зарубежные технологии пиролиза органических отходов

1.4 Характеристика очистных сооружений г. Тюмени 70 Выводы по главе I

Глава 2. Основы процесса пиролиза осадков сточных вод

2Л Особенности термического разложения органической составляющей осадков сточных вод

2.2 Метод и установка пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений

2.3 Технология производства работ на лабораторной установке

2.4 Материальный баланс переработки осадков сточных вод

2.5 Расчет теплового режима пиролиза осадков сточных вод ' 100 Выводы по главе II

Глава 3. Исследование возможности применения метода пиролиза для утилизации осадков сточных вод

3.1 Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации

3.2 Исследование продуктов, образующихся в результате пиролизной утилизации осадков сточных вод

3.2.1 Анализ образующихся газообразных продуктов

3.2.2 Анализ жидкой фазы

3.2.3 Анализ твердого остатка

3.3 Анализ эффективности применения рассматриваемого Г пиролизного метода для утилизации осадков сточных вод

Выводы по главе

Глава 4. Промышленное внедрение метода высокотемпературной утилизации органосодержащих шламов

4.1 Устройство узлов и агрегатов

4.2 Работа установки

4.3 Мероприятия по охране окружающей среды

4.4 Оценка экологической эффективности работы установки для утилизации нефтешламов

4.5 Оценка экономической эффективности работы установки для утилизации нефтешламов

Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений"

Актуальность работы. С ростом численности населения планеты возрастают масштабы производственной деятельности, поэтому проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной и решение ее имеет большое значение в улучшении окружающей природной среды.

В настоящее время использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий относится к основным принципам государственной политики в области обращения с отходами [36,93,103].

Проблема обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве в последнее время стала одной из главных во многих регионах страны.

В Российской Федерации централизованные системы водоснабжения имеют 1067 городов (98% от общего количества городов) и 1682 поселка городского типа (84%), около 34 тыс. сельских населенных пунктов (23%). Общая протяженность водоводов и уличных водопроводных сетей в населенных пунктах России составляет 445,9 тыс. км. Средний уровень удельного водопотребления по Российской Федерации на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды составляет 281 л на 1 жителя в сутки.

В связи с этим предприятия жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) являются основными источниками поступления (загрязненных) сточных вод в поверхностные водные объекты страны. На долю ЖКХ приходится 54 % объема сточных вод этой категории в целом по Российской Федерации.

В 1996 г. объем сброса загрязненных сточных вод составил по отрасли ЖКХ в целом 12071,83 млн. м3 . Наибольший объем сброса загрязненных сточных вод в отрасли имеют водопроводно-канализационные предприятия следующих городов: Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Челябинск, Самара, Екатеринбург, Красноярск, Омск, Саратов.

Мощность очистных сооружений канализации составляет 54,8 млн. м3/сут., протяженность канализационных сетей населенных пунктов достигла 110,8 тыс. км. Дефицит мощностей канализационных сооружений в настоящее время достигает около 9 млн. м3/сут. Наиболее остро он ощущается в Оренбургской, Саратовской, Тюменской областях, Республике Дагестан и др. Кроме того, 43 города и 732 поселка городского типа не имеют централизованных систем канализации.

Большую проблему в настоящее время представляют вопросы утилизации осадков сточных вод. С повышением требований к охране водоемов количество задерживаемых осадков на очистных станциях значительно увеличилось. Здесь следует отдать должное успехам в области технологии очистки сточных вод, позволяющим в необходимых случаях превращать самые грязные и экологически опасные стоки в водоисточники, пригодные для промышленных целей и даже для питьевых нужд.

В то же время в результате сложившейся диспропорции и недостаточного внимания к иловой проблеме хуже решаются вопросы, связанные с обработкой осадков и, тем более, с их использованием.

Из-за наличия загрязняющих веществ промышленного происхождения они не могут быть использованы в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Из образующихся ежегодно около 80 млн. м3 осадков, утилизируется не более 3%, остальные осадки складируются на иловых площадках. Причиной такого положения является несоответствие между существующими мощностями по очистке городских сточных вод и обработке осадков.

Только при утилизации осадков и использовании очищенных сточных вод возможно создание безотходных и во многих случаях самоокупаемых очистных комплексов, которые обеспечивали бы радикальное решение проблемы охраны природной среды. Таким образом актуальность не вызывает сомнения.

Разработка технических методов и средств безопасной утилизации хранения и захоронения отходов относится к области исследования специальности «Геоэкология».

Целью данной диссертационной работы является разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод, позволяющего сокращать объемы их накопления, с получением в качестве продуктов переработки топливных компонентов, и оценка эффективности применения данного метода на очистных сооружениях.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

1. Разработка методики утилизации осадков сточных вод и определения оптимальных параметров технологии.

2. Разработка конструкции лабораторной установки, позволяющей реализовать метод электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод.

3. Выполнение расчетно-теоретических и опытно-экспериментальных исследований процесса утилизации с определением технологических параметров и энергетической эффективности предложенного метода в лабораторной установке с использованием электродугового способа подвода тепла

Научная новизна заключается в следующем

1. Впервые предложен и исследован один из возможных способов утилизации осадков сточных вод пиролизным методом в реакторе с применением электродугового разряда при температуре 1300 1400 °С.

2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки органосодержащих шламов (осадков сточных вод, нефтяных шламов) с применением электродугового нагревателя.

3. Адаптированы (для применения в отношении данного способа) методики определения параметров получаемого горючего газа на основе уравнений материального и теплового баланса в разрабатываемой установке при утилизации осадков сточных вод.

Практическая значимость заключается:

- в обосновании целесообразности электродугового нагрева осадков сточных вод без подачи воздуха, что дает возможность получения и последующего использования генераторного газа для производства тепловой и электрической энергии;

- в обосновании параметров термической угализации шламов от очистки сточных вод;

- в использовании полученных результатов исследований для расчетного анализа утилизации при концентрациях и физических параметрах, характерных для осадков сточных вод, образующихся при обработке на станциях очистки;

- в разработке технологической схемы и конструкции опытно — промышленной установки для утилизации шламов содержащих органические соединения.

Лично автором

1. На основе анализа литературных источников и изучения актуальности проблемы утилизации осадков сточных вод сформулированы конкретные задачи исследования.

2. Собрана экспериментальная установка, подготовлена методика проведения эксперимента и обработаны результаты исследования по утилизации осадков от очистки сточных вод.

3. Изучены вопросы материального и теплового баланса в газогенераторах, выполнена оценка эффективности электродугового нагревателя, опытным путем проведен анализ состава получающегося пиролизного газа и сопутствующих продуктов переработки.

4. Принято участие в разработке и изготовлении опытно-промышленной установки для утилизации нефтяных шламов и нефтезагрязненных фунтов.

5. Сформулированы выводы по разделам и диссертации в целом, наравне с соавторами написаны совместные публикации.

На защиту выносится

1. Методика определения параметров пиролизной утилизации осадков сточных вод.

2. Установка позволяющая реализовать положения данной методики.

Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на:

- Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» ТюмГНГУ, г.Тюмень, 2000.

- V-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие», г.Москва, 2001.

- 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда». г.Тюмень, 2001.

- 7-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7-2001), г.Томск, 2001.

- Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия». Научные чтения «Белые ночи-2001», г.Санкт-Петербург, 2001.

- 5-ой Всероссийской научно-практической конференции -«Окружающая среда», г.Тюмень, 2002

- Научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки», посвященной 90-летию со дня рождения В. И. Муравленко, г. Тюмень, 2002.

- Второй Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», г.Тюмень, 2002.

- Международном семинаре «Экологический мониторинг в процессе добычи нефти и газа», г.Тюмень, 2002.

По результатам работы опубликовано семнадцать печатных работ, в том числе, методические указания к практической работе «Утилизация твердых бытовых отходов пиролизным методом», получено свидетельство на полезную модель, оформлены две заявки на изобретение и полезную модель.

Результаты исследований использовались при проектировании опытно-промышленной установки для утилизации нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов УУН-01.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 186 страниц, 25 рисунков, библиографию из 119 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Медведев, Андрей Витальевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

По результатам изложенных в данной главе исследований и разработок могут быть сделаны следующие выводы.

1 Разработан опытный образец установки, реализующий способ термического разложения нефтезагрязненных грунтов и шламов в промышленном масштабе; выполнен анализ ее работы. Рассмотрены конструктивные особенности установки, принцип ее действия и технология выполнения работ по утилизации нефтяных шламов.

2. Проведенная оценка класса опасности нефтешламов до и после их переработки выявила высокий экологический эффект от работы установки по утилизации нефтешлама - опасность отходов в результате их переработки понизилась со II до IV класса опасности. Таким образом, нефтешламы перешли из высокоопасных отходов в разряд малоопасных. Малоопасный переработанный шлам может применяться в условиях природных сред на уровне природного грунта - для планировки территорий, выравнивания грунтовых дорог, засыпки ям и т.д. Тогда как отходы II класса опасности нельзя размещать даже на полигонах твердых бытовых отходов.

3. Расчет рассеивания загрязняющих веществ, выделяемых в атмосферу при работе установки переработки нефтешламов, показал, что влияние данной установки на атмосферный воздух является нормативным и несопоставимо с ущербом от размещения отходов II класса опасности.

4. Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды показывает экономическую эффективность внедрения установки по утилизации нефтешламов - размер платежей за загрязнения окружающей среды после переработки отходов уменьшился в 3 раза по сравнению с платежами за отходы II класса опасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили провести комплексный расчетно-теоретический анализ, изучаемой энергосберегающей технологии, использующий экспериментальные данные. В данной работе разработаны и детально изучены следующие вопросы:

- разработана технологическая схема установки для пиролизной утилизации осадков сточных вод с получением в качестве продукта переработки горючего газа с возможностью его дальнейшего использования и конструкции реактора с электродуговым источником тепла, позволяющего реализовать этот метод утилизации;

- рассчитаны параметры материального баланса в установке с электродуговым нагревом;

- рассчитаны параметры теплового баланса в установке с электродуговым нагревом;

- рассчитаны параметры нагревательного электродугового устройства, обеспечивающего необходимую для утилизации осадков сточных вод тепловую мощность;

- определены коэффициенты полезного действия электродугового нагревателя и пиролизного реактора в целом;

- исследовано влияние на процесс утилизации осадков от очистки сточных вод свойств самих осадков и параметров работы пиролизного реактора;

- проведены анализы получаемого в процессе утилизации пиролизного газа и сопутствующих продуктов (жидкой фазы и твердого остатка);

- предложена технологическая схема и конструкция установки для утилизации шламов содержащих органические соединения.

По работе могут быть сделаны следующие выводы и сформулированы основные результаты:

1. Впервые разработана методика утилизации осадков городских очистных сооружений с получением в качестве конечного продукта переработки горючего газа на установке с электродуговым источником тепла.

2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки осадков сточных вод с применением электродугового нагревателя.

3. Проведен анализ материального и теплового баланса термического разложения осадков сточных вод, который показал, что коэффициент полезного действия процесса пиролиза находится на уровне 0,65 - 0,70.

4. Анализ параметров процесса утилизации показал, что наибольшая эффективность достигается при утилизации осадков сточных вод влажностью до 20 - 25 %, при работе с электродуговым разрядом мощностью 1 кВт. При этом КПД процесса утилизации осадков может быть оценен в 25-30 %.

5. Предложена конструкция установки для утилизации нефтяных шламов УУН - 01, рассмотрена возможность использования этой установки для утилизации шламов от очистки сточных вод городских очистных сооружений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Медведев, Андрей Витальевич, Тюмень

1. Алексеев Г. М., Петров В. Н., Шпильфогель П. В. Индустриальные методы санитарной очистки городов (Термическая переработка бытовых отходов и использование продуктов пиролиза). - JL: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 96 с.

2. Аппарат для обработки осадков природных и сточных вод: А.с. 1286245 СССР, МПК6 В 01 D 33/04 / Федоров А.И., Любарский В.М. и Доманский О.В. Опубл. 12.04.85. 1987, Бюл. № 4.

3. Базовые нормативы платы за выброс загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. 20.11.97 г.

4. Базовые нормативы платы за размещение отходов. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. 20.11.97 г.

5. Бандман А.Л., Гудзовский Г.А., Дубейковская Л.С. и др. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I — IV групп: Справочник. Под редакцией В.А. Филова. Л.: Химия, 1988. -512 с.

6. Беньямовский Д. Н. Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов. М.: Стройиздат, 1978. - 192 с.

7. Бернадинер М. Н., Минц М. С., Туровский И. С. Сжигание осадков сточных вод. М.: ГОСИНТИ, 1971. № 17-71. 50 с.

8. Бернадинер М. Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990. - 304 с.

9. Бернадинер М.Н., Минц М.С., Туровский И.С. Теплотехнические характеристики осадков сточных вод. М.: НИИТЭХИМ и ПО Техэнергопром, 1974.

10. Богатырев С.М. Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрения в условиях Курской области: Дис. . канд. с-х. наук: 11.00.11. Курск, 1999. — 94 с.

11. Бублиевский А.Ф. Расчет характеристик электрической дуги в канале // Исследование плазменных процессов и аппаратов. Минск: ИТМО им.

12. А.В. Лыкова АН БССР, 1991. с. 9 - 26.

13. Волчек Ю. К. Биотермическое обезвреживание осадков сточных вод итвердых бытовых отходов // Водоснабжение и санитарная техника. 1983. №9.-с. 36-38.

14. Воробьева Р. П., Давыдов А. С., Новикова Л. Ф. и др. Использование осадков сточных вод. // Агрохимические вести. 2000, № 6, с. 36-37.

15. Вредные вещества в промышленности. Органические вещества. Новые данные 1974 1984 гг. Справочник. Под общей ред. Э.Н. Левиной, И.Д. Гадаскиной. - Л.: Химия, 1985. - 464с.

16. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенопроизводные углеводороды: Справочник. А.Л. Бандман, Г.А. Войтенко, Н.В. Волкова и др. Под редакцией В.А. Филова. Л.: Химия, 1990. - 732 с.

17. Газификация твердого топлива. Труды III научно-технической конференции. М.: Гостоптехиздат, 1957. - 374 с.

18. Гамов В.И., Двинских С.В., Керин А.С. Обработка осадка поверхностного стока. М.: Стройиздат, 1991. - 427с.

19. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.

20. Гумен С.Г., Трухин Ю.А., Гоухберг М.С. Научно-технический прогресс в «Водоканале Санкт-Петербурга» // Тезисы докладов Третьего международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕХ-98, 1998. С. 426.20.