Утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования в производстве топливных брикетов

Фетисов, Дмитрий Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования в производстве топливных брикетов
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования в производстве топливных брикетов"

На правах рукописи

ФЕТИСОВ Дмитрий Дмитриевич

УТИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕШЛАМОВ И ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2013

1 з '""і ¿¡лз

005061721

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова" на кафедре "Промышленная экология".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Свергузова Светлана Васильевна.

Официальные оппоненты: Ольшанская Любовь Николаевна,

доктор химических наук, профессор, Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующая кафедрой «Экология и охрана окружающей среды»; Фоменко Александра Ивановна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», заведующая кафедрой «Ресурсосберегающие и химические технологии».

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет», г. Казань.

Защита состоится 25 июня 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, д. 1а/11, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан 22 мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодный объем образования нефтешламов в России достигает 10 млн. тонн, при этом объём использования и утилизации этих отходов составляет не более 10 %.

Технологии утилизации нефтешламов, основанные на деструктивных методах, не позволяют в полной мере использовать нефтесодержащие отходы в хозяйственной деятельности.

В тоже время, отходы деревообрабатывающей промышленности - древесные опилки, составляют не менее 40 % от всего объема производства (45 млн. м3) или около 40 млн. тонн условного топлива в год, а эффективность их использования не превышает 48 %.

Поэтому комплексная утилизация нефтешламов и древесных опилок лиственных пород путём получения топливных брикетов, является актуальной задачей, имеет научную новизну и большую практическую значимость, так как позволяет сэкономить энергоресурсы и обеспечить топливом труднодоступные районы.

Цель работы: комплексная утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования их в производстве топливных брикетов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Исследовать механизм структурообразования топливного материала на основе асфальто-смоло-парафиновых отложений и отходов деревообработки для получения древесно-шламовых топливных брикетов.

2. Исследовать совокупное влияние различных факторов при формировании древесно-шламовых топливных брикетов: давления прессования, содержания в шихте связующего, размера опилок, температуры прессования. Разработать математические модели, описывающие процесс брикетирования древесно-нефтешламовых композиций.

3. Предложить состав топливных брикетов с максимальным использованием асфальто-смоло-парафиновых отложений в качестве связующего. Изучить свойства и теплотехнические характеристики полученного материала.

4. Разработать технологическую схему и выбрать оборудование для получения топливных брикетов с нефтешламовым связующим - наполнителем. Провести опытно-промышленные испытания предлагаемых технических решений для брикетирования древесно-нефтешламовой смеси и разработать рекомендации по их использованию в системе управления отходами производства в нефтегазовой и нефтехимической промышленности.

5. Установить зависимости выходных параметров топливных брикетов от коэффициента предварительного уплотнения шихты, зазора между валками пресса и зависимость производительности пресса от частоты вращения валков.

6. Провести эколого-экономическую оценку предложенных технических и технологических решений.

Объекты исследования - нефтешламы ООО "Газпром переработка" и ОАО "Газпром нефтехим Салават", содержащие асфальто-смоло-парафиновые отложения; опилки лиственных пород деревьев деревообрабатывающих производств

Тюменской области, а также материалы и продукты, полученные на их основе (древесно-шламовые топливные брикеты).

Предмет исследования — технология переработки (утилизации) асфальто-смоло-парафиновых отложений и древесных опилок в древесно-шламовые топливные брикеты.

Методы исследования: для решения поставленных задач использовали комплекс лабораторных и производственных методов, методы математической статистики. Лабораторные методы: рентгенофазовый и дифференциально-термический анализ; УК-спекгроскопия, электронная микроскопия, традиционные химические и физико-химические методы для исследования структуры и свойств древесных опилок, биотестирование. Производственные методы: гравиметрический, хроматографические, фотоколориметрический методы анализа, традиционные химические и физико-химические методы для исследования структуры и свойств сырья и материалов, используемых в нефтеперерабатывающей и топливной промышленности.

Научная новизна работы.

1. Впервые научно обоснована и экспериментально доказана возможность использования асфальто-смоло-парафиновых отложений из добываемого природного газового конденсата для производства древесно-шламовых топливных брикетов благодаря наличию у них клеящих и когезионных свойств, характерных для нефтесвязующих. Исследованы механизмы структурообразования топливного материала на основе асфальто-смоло-парафиновых отложений и отходов деревообработки.

2. Получены математические модели процесса брикетирования древесно-шламовых отходов в виде уравнений регрессии, учитывающие совокупное влияние различных факторов: давления прессования (Р), содержания в шихте связующего (Ссв), размера опилок (с1), температуры прессования (().

3. Установлены рациональные диапазоны варьирования технологических параметров процесса брикетирования: давления прессования, размера частиц древесных опилок, температуры смешивания и прессования шихты, а также варьирования состава брикетированного топлива - соотношение в % по массе: асфальто-смоло-парафиновые отложения / древесные опилки.

4. Исследован процесс формования шихты в валковом прессе. Установлены зависимости выходных параметров: прочности (стсж) и плотности (р) топливных брикетов от коэффициента предварительного уплотнения шихты, зазора между валками пресса, а также зависимость производительности пресса от частоты вращения валков.

5. Определена степень токсичности полученных топливных брикетов для биологических объектов.

Практическая значимость работы.

1. Разработана ресурсосберегающая технология получения топливных брикетов с нефтешламовым связующим, подготовлены рекомендации по её использованию в системе управления отходами производства в нефтехимической промышленности.

2. Разработаны способ и устройство по брикетированию смесей древесных опилок лиственных пород и асфальто-смоло-парафиновых отложений для получения древесно-шламовых топливных брикетов.

Данное устройство запатентовано (патент на изобретение № 2473421 от 07.09.2011). При испытаниях в условиях научно-производственной лаборатории Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова устройство показало высокие эксплуатационные характеристики: равномерное питание валкового пресса шихтой с низкой насыпной массой (ро =300-350 кг/м3), обеспечение заданного коэффициента предварительного уплотнения шихты (Ку1ь =р, /р0), реализация термоподогрева процесса брикетирования, Г=45-60 °С; стабильные показатели значений прочности и плотности брикетов постоянной геометрической формы и размеров, обеспечение надежного выхода спрессованных брикетов из формующих элементов при достаточно высокой адгезии шихты к металлу.

Анализ опытной партии брикетов в лаборатории испытаний топлив и масел ОАО "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт" (ЛТиМ ОАО "ВТИ", Москва) позволил установить, что по теплотворной способности полученные брикеты превосходят бурые угли в 1,3 раза.

Внедрение результатов исследований. Технические разработки были испытаны в ООО "РЕЦИКЛ" и нашли применение в ООО "Газпром трансгаз Сургут" при очистке полостей магистральных газопроводов и технологического оборудования компрессорных станций, что подтверждено актом внедрения.

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов и бакалавров по направлению 280700 - Техносферная безопасность по дисциплинам "Переработка промышленных отходов", "Промышленная экология", "Экология", "Инженерное оборудование для переработки отходов".

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических исследований и анализа, достаточным объемом лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, выполненных по общепринятым методикам.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, организации экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировании выводов, написании статей и апробации материалов на конференциях различного уровня.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса брикетирования древесно-нефтешла-мовых отходов, рациональные области процесса брикетирования для варьирования технологических параметров.

2. Технологическая схема получения топливных брикетов с нефтешламо-вым связующим, устройство пресс-валкового агрегата, результаты опытно-промышленных испытаний предлагаемого технологического комплекса.

3. Зависимости выходных параметров (стсж, р) топливных брикетов от коэффициента предварительного уплотнения шихты, зазора между валками пресса и зависимость производительности пресса от частоты вращения валков.

4. Результаты испытаний партии опытных брикетов на теплотехнические, физико-химические и токсические свойства.

5. Эколого-экономическое обоснование предлагаемого способа утилизации асфальто-смоло-парафиновых отложений и древесных опилок в древесно-шламовые топливные брикеты.

Апробация работы. Основные результаты доложены на 7 международных и всероссийских конференциях и конгрессах: IV Международная научно-практическая конференция "Экология, образование, наука, промышленность и здоровье" (г. Белгород, 2011); II Международная научная конференция "Геосистемы, факторы развития, рациональное природопользование, методы управления" (г. Туапсе, 2011); III Международная научная конференция "Безопасность человека в современных условиях" (г. Харьков, 2011); XVI научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов "Проблемы развития газовой промышленности Сибири" ООО "ТюменНИИгипрогаз", (г. Тюмень, 2010); VI Всероссийская научно-практическая конференция "Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна" (г. Тюмень, 2009); VII конференция молодых специалистов организаций, осуществляющих виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-мансийского автономного округа — Югры (г. Ханты-Мансийск, 2007); V Международный конгресс по управлению отходами и природоохранными технологиями ВэйстТэк-2007 (Москва, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография, 12 статей в сборниках материалов конференций; получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу, 69 рисунков и фотографий, библиографический список из 232 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, отражены научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проанализирована научно-техническая и патентная литература по проблеме образования и накопления нефтешламовых отходов в добывающей, транспортирующей и перерабатывающей отраслях нефтегазового и нефтехимического производств. Приведены характеристики нефтешламов в соответствии с условиями и местами их образования, а также с учётом компонентного состава нефтесодержащих отходов.

Анализ данных многолетнего мониторинга природных территорий Западной Сибири позволил установить динамику негативного воздействия на окружающую среду предприятий нефтегазового и нефтехимического производств.

Обобщены сведения о различных технологиях обезвреживания нефтешла-мов с учётом международного опыта. Рассмотрены достоинства и недостатки наиболее распространенных способов утилизации нефтесодержащих отходов.

Рассмотрены особенности добываемых из нижнемеловых горизонтов газо-конденсатных и газонефтеконденсатных месторождений севера Тюменской области жидких углеводородов метано-нафтенового типа с преобладанием нормальных парафинов и изопарафинов, а также проблемы транспорта парафинистого сырья, свойства парафинов, механизм их отложения на стенках трубопровода в процессе транспортировки.

Во второй главе приведены физико-химические свойства объектов исследования - нефтешламов и древесных опилок лиственных пород, материалов и продуктов, полученных на их основе.

По результатам хроматографического анализа, представленным на рисунке 1, установлено, что в составе асфальто-смоло-парафиновых отложений содержание высокомолекулярных соединений составляет 95,5 %: из них на долю смолисто-асфальтеновых веществ приходится около 31 %, на долю бензиновой фракции, выкипающей при / до 200 °С - почти 46 %, массовая доля воды составляет ~ 3,8 %, механических примесей - 2,42 %, содержание серы ~ 1,3 %. Температура плавления асфальто-смоло-парафиновых отложений составляет 69,8 °С, плотность - 829 кг/м3, условная вязкость при 80 °С (ВУ80) - 3,5 условного градуса.

Я ІК 88 В

110 3.00 0.90 0.80 0.70 ОбО

0,50 ПОД

030:

Ц20

! и!'

ЇГ АН.

I 1 НІШ РІРР . г ' а и !'

ЛИ*-» .11 /іІ'Ши

аса а а з э з з з з

Рисунок 1 — Хроматограмма асфальто-смоло-парафиновых отложений

Исследован фракционный состав асфальто-смоло-парафиновых отложений. Определены основные физические характеристики фракций (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики фракций нефтешлама

Фракция, °С Выход, Показатель прелом 20 ления, п Относительная плотность, р20 Молекулярная

% масс. масса

Н.К.-200 45,98 1,4292 0,7760 142

200-300 9,40 1,4621 0,8504 189

300-400 15,13 1,4781 0,8767 266

400-495 11,96 1,4927 0,8930 338

>495 17,53

Сравнительный анализ составов нефтесвязующего, используемого в настоящее время в промышленности, и асфальто-смоло-парафиновых отложений, показал близость их параметров, что позволило предположить наличие у асфальто-смоло-парафиновых отложений коллоидно-химических свойств (клеящих и ко-гезионных способностей), характерных для нефтесвязующих. Высокое содержание в асфальто-смоло-парафиновых отложениях нефтепродуктов, низкое содержание воды и механических примесей, наличие клеящей способности и адгезионных свойств позволили предположить возможность использования асфальто-смоло-парафиновых отложений в качестве нефтешламового связующего для изготовления древесно-шламовых брикетов.

Исходя из изученных физико-химических свойств асфальто-смоло-парафиновых отложений, диапазон температуры плавления нефтешламового связующего и смешивания его с опилками лежал в интервале г=50-70 °С, температура прессования составила ¿=35^0 °С.

Древесные опилки, используемые для получения топливных брикетов, имели размер частиц (2-3)-10'3 м, насыпную плотность - 140-160 кг/м3, влажность - 9,89 %, рН водной вытяжки - 6,92 и влагоемкость - 23,42 %.

В третьей главе приведены результаты исследований и их обсуждение. Выявлено, что на качественные характеристики спрессованных брикетов (опилки + асфальто-смоло-парафиновые отложения): механическую прочность на сжатие (стсж,МПа) и плотность (р, кг/м3) оказывают влияние: давление (Р, МПа) и скорость (V, м/с) прессования, условия формования (одностороннее или двухстороннее прессование, выдержка шихты под давлением), содержание нефтешламового связующего (С , %) и наполнителя - опилок, средний размер частиц последних (ё, мм), температурные условия (I, °С) формования шихты и др.

Предварительные исследования процесса прессования проводились на лабораторной установке валкового пресса. Испытания с целью подтверждения полученных результатов были проведены на стендовой установке.

Характер изменения прочности асж и плотности р спрессованных брикетов от факторов: Р, Ссв, с1, и / представлен на рисунке 2.

Результаты исследуемых зависимостей осж, р =ДР, <1, Ссв, /) показали, что при Ссв=28 %, (¡=1,2-10° м, /=46 °С (рисунок 2, а) и изменении давления прессования от 5 до 20 МПа наблюдалось увеличение прочности брикетов с стсж =0,6 МПа до <зсж=0,8 МПа, то есть примерно на 33 %. Это обусловлено повышением

площади контакта прессуемых частиц наполнителя, а, следовательно, ростом сил сцепления между ними. При дальнейшем увеличении давления прессования до Р=25 МПа существенных изменений асж не происходило.

ш ___—

600

500 ----

400

р.

"\MII-.

Рисунок 2 - Зависимость прочности <тсж и плотности р спрессованных брикетов от: а-давления прессования Р при Сс>=28 %, с/=1,2" 10"' м, /=46 °С ; б-диаметра частиц наполнителя Ыпри Ссв=28 %, Р= 15 МПа, /=46 °С; в - содержания связующего Са при Р= 15 МПа, ск= 1,2 • 10"3 м, <=46 °С; г - температуры нагрева I при С в=28 %, Р= 15 МПа, с£= 1,2 ■ 10"' м

Увеличение среднего размера частиц наполнителя с (1= 0,2-\0~3 до с1=2,2■ 10"3м (рисунок 2,6) при /»=15 МПа, С.в=28 %, 1=46 °С приводило к снижению прочности спрессованных тел с стсж «1 МПа (при й=2,2-10"3 м) до асж «0,6 МПа (при ¿=2,2-10"3 м), то есть примерно на 40 %, что свидетельствует о существенном ухудшении качества материала.

Снижение плотности спрессованных брикетов при увеличении среднего диаметра частиц наполнителя (рисунок 2, б) и значениях ,Р=15 МПа, Ссв=28 %, 7=46 °С обусловлено менее благоприятными условиями упаковки более крупных частиц, с1с=2,2• 10"3м (р =700 кг/м3) чем мелких, ¿ср=0,2- 10"3м (р=780 кг/м3).

Изменение содержания связующего в прессуемой шихте (рисунок 2, в) показало, что при Р= 15 МПа, сН1,2 • 10 3 м, Г=46 °С с увеличением содержания связующего от 7 % до 20 % прочность брикетов существенно не изменялась, асж =0,75 МПа. Это обусловлено отсутствием должного покрытия поверхности частиц наполнителя связующим, что не обеспечило, соответственно, достаточных сил сцепления между ними.

При увеличении содержания связующего до 42 % прочность возрастает в 1,5 раза - до 1,15 МПа, то есть при этом достигается необходимая площадь покрытия поверхности частиц наполнителя связующим и создаются наиболее благоприятные условия для формования брикетов.

Повышение прочности брикетов при содержании в них нефтешламового связующего от 20 до 42 % объясняется образованием на поверхности опилок клеевой пленки оптимальной толщины за счет адгезионного взаимодействия частиц и их слипания.

Нагрев нефтешламового связующего приводит к улучшению пластичности смеси в процессе прессования, что, в свою очередь, способствует более равномерному распределению давления по всему объему (рисунок 2, г). При этом эффективнее происходит заполнение пустот структурного каркаса брикетов объемным слоем связующего.

При оказании давления на формуемые объекты (опилки и нефтешламовое связующее) процесс протекает в несколько стадий (рисунок 3). В момент соприкосновения разобщенных вторичных ассоциатов связь между ними осуществляется исключительно за счет аутогезионных контактов по объемному слою связующего. С увеличением значения Р прочность спрессованных брикетов асж закономерно возрастает.

Рисунок 3 - Отдельные стадии уплотнения шихты при прессовании: а - начальная фаза прессования; б - контактирование по адсорбционным слоям пленки связующего; в - конечная фаза прессования

По результатам исследования выявлены наиболее значимые параметры, влияющие на технологические условия подготовки шихты и её прессования с диапазоном варьирования: Р={ 5-25) МПа; ¿¿=(0,2-2,2)- Ю"3 м; Сс=1-42 %; /=22-70 °С.

Для изучения совокупного влияния вышеуказанных параметров (Р, с/, Ссв, /) на выходные характеристики спрессованных тел (асж, р) был применен четы-рехфакторный эксперимент: асж, р =ДР, Ссв, I). В качестве выходных параметров спрессованных тел были приняты механическая прочность брикетов на сжатие (стсж =0,8-1,15 МПа) и их плотность (р =700-780 кг/м3).

Получены уравнения регрессии для определения, соответственно, прочности брикетов на сжатие асж и их плотности р, адекватно описывающие процесс формования брикетов:

сгсж =0,775+0,039х1+0,092* 2-0,081х3+0,017х4-0,008x^3+0,008*, л; 4-0,014хЛ+0,032;сЛ-0,032х3;с4-0,024*^+0,038*22+0,006д:32-0,009*42;

р=712,8+28,9*,+67,9х,-17,2л:3+3,5х4+12,8х,л:2-6,3x^-13,6х3х3-12,8.x,2-8,6х22+6,Ц2-7,4х42.

Для подтверждения вышеуказанных закономерностей проведён анализ графических зависимостей (рисунок 4), построенных по полученным уравнениям регрессии в натуральном виде, при изменяющихся параметрах - ссж =ЛР, Са).

Установлено, что с увеличением содержания Ссв величины стсж возрастали (рисунок 4, а). При Р=20 МПа, ¿=1,2-103 м и /=46 °С значение осж составило 1,13 МПа. При аналогичных условиях, но при Ссв=7 % величина ссж=0,76 МПа, то есть оказалась в 1,5 раза меньше, что обусловлено недостаточным покрытием связующим поверхности частиц наполнителя. Указанную закономерность наглядно подтверждает графическая зависимость (рисунок 4, б) асж =ДСсв) при Р=5-25 МПа и <¿=1,2- Ю-3 м, /=46 °С.

а - давления прессования Р при изменяющемся параметре Ссв; б-содержания нефтешламового связующего Ссв при изменяющемся параметре Р

Увеличение содержания связующего и уменьшение его вязкости обеспечили более благоприятные условия для адгезионного и аутогезионного взаимодействия в системе: "связующее - наполнитель", что, в конечном итоге, способствовало росту прочности объемного каркаса спрессованных брикетов. Напротив, увеличение размеров частиц наполнителя при различных давлениях прессования брикетов приводило к снижению их прочности (рисунок 5). Аналогичные закономерности характерны и дня зависимости асж =/с/) при Р, /=сопз1, Ссв=(7-42) % (рисунок 5, а).

Для всех значений ¿=(0,2-2,2)-Ю"3 м наибольшее значение асж достигалось при Сс1=24 %. Причем для смесей, наиболее насыщенных связующим (Ссв=36—42 %), разброс значений стсж оказался шире, чем для смесей с меньшим содержанием связующего (Ссв=7-28 %).

О, МП 0.9 0.8 0.' 0.« 0.5

0.4

ол 02

0.1 о

! 1 \

■

1 ■ ! ! ! 1......

! 1 1 1 ! 1

-»-Р-10 -+-р*15 —Р«20 -♦■Р-25

Рисунок 5-Графическиезависимости прочности спрессованных брикетов асж от: а - размеров частиц наполнителя с! при изменяющемся параметре Р; б-температуры прессуемой шихты I при изменяющемся параметре Р

Общие закономерности проявляются в следующем. Для получения максимального значения осж необходимо использовать нефтешламовое связующее, нагретое до температуры /=45-70 °С (рисунок 5, б). Чем выше дисперсность прессуемой смеси, тем выше должна быть температура нефтешламового связующего, обеспечивающая его меньшую вязкость и лучшие условия гомогенизации смеси (равномерное покрытие частиц наполнителя связующим).

Немаловажной характеристикой спрессованных тел является их плотность, определяющая при заданных геометрических размерах брикетов массу, прочность, теплопроводность, эффективность горения (при термическом способе утилизации отходов) и другие показатели.

Проведенные исследования и полученные по уравнению регрессии графические зависимости (рисунки 6, 7) позволили установить функциональную связь р =ЛР, с1, Ссв, /) при изменяющихся входных параметрах.

Рост плотности спрессованных брикетов до Р=20 МПа при возрастающих температурах шихты (/=22—70 °С) обусловлен более благоприятными условиями перераспределения нефтешламового связующего с уменьшающейся вязкостью среди частиц наполнителя, как в процессе смешивания материала, так и при его прессовании. Это создает необходимые условия для наиболее плотной упаковки частиц наполнителя и повышения плотности брикетов в целом. Наибольшие значения плотности брикетов (р « 730 кг/м3), спрессованных при условиях: Р=20 МПа, Сс= 28 % и ¿=1,2-10"3м, достигаются при /=46 °С, наименьшие (р»690кг/м3) - при /=22 °С (рисунок 6, а).

Увеличение содержания связующего при различных температурах прессуемой шихты способствовало увеличению плотности брикетов (рисунок б, б).

Максимальная плотность спрессованных тел достигалась при содержании связующего Ссв=42 % и температуре смеси /=46 °С - ртах и 810 кг/м3 (Р=15 МПа, ¿=1,2-10"3 м).

Анализ графической зависимости (рисунок 7, а) р =/(^0 ПРИ ^=(5-25) МПа и Ссв=28 % и /=46 °С показал, что наблюдается установленная ранее закономерность снижения плотности спрессованных брикетов при увеличении размеров частиц наполнителя от с1= 0,2-10"3 м до с!=2,2 ■ 10"3 м.

С увеличением температуры прессуемой шихты (рисунок 7, б) при всех давлениях её прессования наблюдается прирост плотности брикетов с постепенным "насыщением" кривых р =Л() и даже некоторым уменьшением значений с при /=70 °С. Последнее может быть объяснено повышением текучести нефтешламового связующего (снижением вязкости) при /=70 °С и дополнительным гидравлическим сопротивлением уплотнению несжимаемого нефтешламового связующего.

р,кг/мЗ 750 730 710 690 670 650 630 610 590' 570 ] 550

! ! 1

ш 1 ------ --------- ------

1 I

4-1-22 нИ-ЗД -«-46 —1-58 -»-1-70 |

25 Р, МП»

Рисунок 6 - Графические зависимости плотности спрессованных брикетов р от:

а - давления прессования Р при изменяющемся параметре г; б — содержания нефтешламового связующего Сс> при изменяющемся параметре /

Рисунок 7 - Графические зависимости плотности спрессованных брикетов р от: а - размеров частиц наполнителя <1 при изменяющемся параметре Сс>; б - температуры прессуемой шихты / при изменяющемся параметре С

Графические зависимости стсж, р=/(Л Ссв, с1,1) подтверждают установленные ранее закономерности, а также указывают рациональные области варьирования параметров для изготовления древесно-шламовых топливных брикетов.

Рисунок 8 - Зависимость прочности спрессованных брикетов стсж, МПа от:

а - давления прессования Р, МПа при различном содержании связующего Са, %;

6 - содержания связующего С , % при различном давлении прессования Р, МПа

Для получения значений асж =0,6-0,7 МПа рациональной областью значений параметров является: Р=15-20 МПа при Ссв=28 % и ?=46 °С; ¿/=1,2-103 м и температура смешивания шихты ¿=60-70 °С (рисунок 8).

Аналогично, при фиксированных значениях парных параметров с1, V, Ссв, с1, Ссв и изменении Р, Ссв; Р, с1\ Р, г можно получить необходимое значение плотности спрессованных брикетов.

Для установления рациональных условий брикетирования топливосодержа-щей смеси был разработан и изготовлен валковый пресс с различными формующими элементами: желобково-зубчатого и ячейкового типа, оснащенный устройством для предварительного уплотнения материала. Пресс состоит из трёх последовательно расположенных блоков. Первый обеспечивает первичное смешение, подпрессов-ку и равномерное распределение поступающей шихты. Второй блок уплотняет полученную смесь перед формованием. Процесс подачи шихты и плотность регулируется шиберными задвижками. Третий блок - съёмные формующие элементы.

При проведении исследований использовалась шихта следующего состава: содержание нефтешламового связующего Ссв=25^40 %; температура шихты 1= 60 °С; размеры частиц наполнителя £¿=(0,5-2,5)-10"3 м.

Анализ экспериментальных зависимостей, полученных с использованием валкового пресса, подтверждает установленные ранее закономерности изменения выходных параметров (осж и р) при варьировании коэффициента предварительного уплотнения К л, зазора между валками с1 (определяющими давление

ПО-0,2 ■ 0,2-0.4 по,4-0,6 ПО.6-0,8 10,8-1

00-02 ■ 0,2-0,4 00,4-0,6 ПО,6-0,8 «0,8-1 □ 1-1,2

прессования), содержания нефтешламового связующего С в, а также частоты вращения валков лв (скорости прессования).

На рисунке 9 представлены графические зависимости прочности стсж и плотности р спрессованных брикетов от коэффициента уплотнения шихты — К ; содержания нефтешламового связующего - Ссв; зазора между валками - с1 и частоты вращения валков - ив.

При использовании предварительного уплотнения шихты и ее последующего брикетирования в формующих элементах ячейкового и желобково-зубчато-го типа рост производительности соответствует увеличению частоты вращения валков (рисунок 9, б).

Рисунок 9 - Зависимость прочности стсж и плотности р брикетов от:

а- коэффициента предварительного уплотнения шихты Кщ„, при пв= 6 об/мин, б =1,0-10"3 м, С„=40 %; б-частоты вращения валков л„ при 5 =1,0-10"3 м, Сс,=40 %,Кутт=1,8; линейная зависимость производительности валкового пресса (¿т от частоты вращения валков л, при указанных значениях параметров 6 , Са,Куп„; Д, А - формующие элементы желобково-зубчаггого типа; ■ - формующие элементы ячейкового типа

Для определения эксплуатационных характеристик топливных брикетов (хранение и транспортировка) в ходе исследований были установлены их следующие физико-механические свойства: водопоглощение - 6,43 %, зольность - 7,4 % и плотность - 0,73 г/см3.

Важной характеристикой топливосодержащих брикетов, влияющей на эффективность тепло-массообмена, является газопроницаемость слоя термообра-батываемого материала. Проведённые исследования влияния на газопроницаемость размеров сформованных тел, высоты слоя и других факторов (таблицы 2 и 3), свидетельствуют:

- сопротивление слоя сформованных тел (брикетов и гранул) представлено квадратичной зависимостью от скорости воздуха (скорость отнесена к полному сечению слоя);

— сопротивление слоя брикетов описывается линейной зависимостью от его высоты при различных скоростях движения воздуха.

Однако слой брикетов по газодинамическим характеристикам имеет преимущества по сравнению с гранулами. При одинаковой газопроницаемости высота слоя брикетов может быть принята больше, чем для гранул.

Таблица 2 — Зависимость сопротивления слоя брикетов от его высоты при различных скоростях воздушного потока

Высота слоя Сопротивление слоя брикетов (мм. вод. ст.) овальной и желобково-

брикетов, м зубчатой формы при скорости воздуха (н. м/с)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,1 3 5 И 18 31 2 4 8 13 20

0,2 7 10 18 28 44 5 8 15 22 34

0,3 9 14 23 35 54 7 12 18 28 44

0,4 12 18 30 47 66 10 16 24 37 56

0,5 16 23 37 56 77 12 20 30 44 68

0,6 20 28 43 67 89 15 25 36 54 80

Таблица 3 - Зависимость сопротивления слоя гранул от его высоты при различных скоростях воздушного потока

Высота слоя гранул, м Сопротивление слоя гранул (мм. вод. ст.) размером (10-12)- 10"3м прискорости воздуха(мм/с)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,1 10 17 30 46 65 6 10 17 27 36 4 6 12 19 28

0,15 13 22 36 53 74 10 16 25 37 52 7 8 16 24 35

0,16 15 24 39 58 80 12 18 27 40 55 8 10 18 27 39

0,17 16 26 42 62 85 13 20 30 42 58 9 12 20 30 42

0,18 17 28 45 66 90 14 21 32 45 61 10 14 22 33 45

0,19 19 30 48 70 96 15 22 34 47 64 11 16 25 36 48

0,20 21 33 50 73 100 16 24 36 50 66 12 18 27 39 52

В четвертой главе даны практические рекомендации по использованию результатов исследований процесса формования древесно-шламовых топливных брикетов, в том числе, представлены теплотехнические характеристики брикетированного топлива, полученные во Всероссийском теплотехническом научно-исследовательском институте (ОАО "ВТИ", Москва), которые показали, что низшая теплота сгорания ((?, ккал/кг) брикетированного топлива в пересчете на сухую массу составляет 7972 ккал/кг (таблица 4).

Таблица 4 - Результаты испытаний брикетированного топлива

Показатель качества Результат испытаний Метод испытания

на рабочую влажность на сухую массу 100/(100-\¥а) на сухую беззольную массу 100/(100-\¥а-Аг)

Влажность (\¥а), % 3,11 - - ГОСТ 2477

Зольность (Аг), % 2,36 2,42 - ГОСТ 1461

Выход летучих веществ (V), % 5,96 6,15 6,30 ГОСТ 6382

Низшая теплота сгорания (СМ, ккал/кг 7706,17 7972,24 8433,51 ГОСТ 21261

Показано, что брикетированное топливо по своим теплотехническим и физико-химическим характеристикам относится к классу низкокалорийных топ-лив и значительно превосходит бурый уголь (таблица 5).

Таблица 5 - Теплотехнические и физико-химические характеристики различных топлив _

Показатель качества Ед. изм. Топливо нефтяное для мартеновских печей Мазут марки 100 (вид II) Бурый уголь (Якутия) Брикетированное топливо

МП МП-1

Вязкость 80 °С, усл. градусы 10 9 0 0 5

Сера % 0,5 1 1 0,4 0,87

Вода % 0,8 0,8 1 8,27 3,11

Механических примесей % 1,5 1,5 1 0 1,46

Зольность % 0,3 0,3 0,05 14,8 2,36

Выделяемое количество теплоты кДж/кг 40460 40190 40530 0,0 35316,21

ккал/га- 9660 9600 9680 6700 8433,51

Полученные результаты позволили предложить технологическую схему производства древесно-шламовых брикетов на основе асфальто-смоло-парафиновых отложений (рисунок 10), состоящую из следующих производственных операций: подготовка древесных опилок (отсев крупных частиц, сушка); нагрев асфальто-смоло-парафиновых отложений до нужной температуры; дозировка компонентов брикетной шихты; смешивание компонентов шихты и охлаждение до температуры прессования; брикетирование топливосодержащей шихты при заданном Давлении прессования; охлаждение готовых брикетов с целью их скорейшего затвердевания; складирование и погрузка готовых брикетов.

Древесные опилки, освобожденные от крупных частиц, коры, стружек и так далее с размерами частиц 0,0012 м из бункера конвейером 1 подаются на распределительный скребковый конвейер 2. Далее питателем-забрасывателем из бункера 3 подаются в трубу-сушилку 4. В процессе сушки опилки подогреваются до 55-60 °С и через проходной сепаратор 5 направляются в бункер б. Из бункера 6 высушенные опилки выдаются в установленной пропорции в вихревой смеситель для контакта с предварительно разогретыми асфальто-смоло-парафиновы-ми отложениями при температуре 58-60 °С. Компоненты брикетной шихты смешиваются и разгружаются в охладительные шнеки 8. Все процессы (дозировка опилок и связующего, загрузка, смешивание и выгрузка шихты) в смесителе 7 автоматизированы. Брикетная смесь после охлаждения в шнеках до температуры 38 °С поступает в валковые прессы 9. Брикеты, выходящие из прессов, подвергаются отсеву от неспрессовавшейся мелочи на стационарном сите 10. Затем они поступают на охладительный ленточный конвейер П. Охлаждение брикетов производится на обеих ветвях конвейера. Для интенсификации процесса охлаж-

дения в летнее время предусмотрен дополнительный обдув брикетов воздухом. Охлажденные до температуры 30-35 °С брикеты транспортируются конвейером 12 к пункту погрузки или реверсивным конвейером 14 послойно загружаются в рампу 15. Выгрузка брикетов из рампы производится лопастным передвижным питателем 16 на конвейер 17. Далее брикеты проходят через стационарный колосниковый грохот 18 и конвейером-стрелой 19 укладываются в железнодорожные вагоны.

Провал труб-сушилок и неспрессовавшаяся мелочь конвейером 13 подаются на конвейер 20, куда одновременно поступает брикетная крошка с грохота 18. Далее смесь указанных продуктов направляется на распределительный скребковый конвейер 21, затем - в бункер брикетной крошки 6. Все процессы брикетного отделения автоматизированы. Управление производится с диспетчерского пункта.

Рисунок 10 - Технологическая схема брикетирования топливо-содержащей шихты с асфальто-смоло-парафиновыми отложениями: 1, 2, 11, 12, 13, 14, 17, 19, 20, 21 - конвейеры;

3 - бункер, 4 - труба-сушилка; 5 - сепаратор; 6 - бункер; 7 - смеситель; 8 - охладительные шнеки; 9 - валковый пресс; 10- сито; 15 - рампа; 16 - питатель; 18 - грохот

В пятой главе, посвященной эколого-экономическому анализу предлагаемого способа утилизации асфальто-смоло-парафиновых отложений, представлены результаты оценки возможного токсического воздействия брикетированного топлива на биологические объекты при попадании их в почву и воду в процессе хранения и транспортировки, проведено биотестирование водных вытяжек с использованием стандартных тест-объектов - в соответствии с СанПиН 2.1.7.573-96 "Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения" - Allium сера (лук-севок) и в соответствии с ПНД Ф Т* 14.1:2:3:4.298; ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.3-99; ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.4-99 "Методики для определения токсичности воды с использованием в качестве тест-объектов инфузорий и ракообразных" Daphnia manga straus - дафнии, обитающие в водных объектах.

При содержании в водном растворе более 30 % вытяжки, растворы оказывают на дафний токсическое действие.

При оценке токсичности растворов, содержащих вытяжку из топливных брикетов, с помощью тест-объекта Allium сера было установлено (рисунок 11), что с увеличением массовой доли вытяжки в питательном растворе длина отросших корней лука уменьшается. Так, в 10 % растворе длина корневой системы меньше на 40 % по сравнению с контролем, в 50 % растворе различия в длине корней составляют 65 %, а в 100 % вытяжке корни не отрастают вовсе в течение всего пери ода н аблю д ен ий.

Проведённый расчет экономического эффекта утилизации 5500 т/год ас-фальто-смоло-парафиновых отложений в качестве нефтешламового связующего в производстве топливных брикетов, показал, что доход от реализации производимых топливных брикетов достигнет 89607,00 тыс. руб., величина предотвращенного экологического ущерба от асфальто-смоло-парафиновых отложений может составить 7301,00 тыс. руб., при этом себестоимость получаемых топливных брикетов в 3,6 раза ниже стоимости бурых углей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Механизмом структурообразования топливных брикетов на основе асфальто-смоло-парафиновых отложений и отходов деревообработки является процесс прессования (брикетирования) - создание прочных связей между твёрдыми частицами (опилками) за счёт выявленных у асфальто-смоло-парафиновых отложений из добываемого природного газового конденсата и нефтешламов его переработки, клеящих и когезионных способностей, характерных для нефтесвязующих.

2. Получены математические модели процесса брикетирования древесно-шламовых композиций. Установлено совокупное влияние различных факторов на выходные параметры процесса брикетирования древесно-шламовых композиций - максимальную прочность асж, (0,68-1,2 МПа) и плотность р (0,680-0,850 кг/м3): давления прессования (Р) - 15-20 МПа, содержания в шихте связующего (Си) - 25^15 %, размера опилок (d) - 0,7—1,2-10 3 м, температуры смешивания шихты и прессования (t) - 46-70 °С.

3. Установлено, что рациональным составом топливного брикета, позволяющим максимально использовать асфальто-смоло-парафиновые отложения в качестве связующего без ущерба для потребительских качеств брикетов, является соотношение между нефтешламом и древесными опилками 40/60 в % по массе.

Содержание вытажхи в р-ре, % мае. ——7-ой день —•—14-ый день ——21-ый день

Рисунок 11 - Зависимость длины корневой системы от содержания вытяжки в растворе

Определены теплотехнические характеристики топливных брикетов, установлено: зольность брикетов составляет 7,4 %; водопоглощение - 6,4 %; средняя плотность - 0,73 кг/м3; низшая теплота сгорания на сухую беззольную массу -8972,24 ккал/кг, что на 12,36 % ниже теплотворной способности нефтяного топлива для мартеновских печей марки МП, и на 20,55 % выше теплотворной способности бурых углей Якутских месторождений.

Установлено, что при содержании в водном растворе 30 % загрязнителя — водной вытяжки топливных брикетов, растворы оказывают токсическое действие на биологические объекты.

4. Разработаны технологическая схема и технические средства для получения топливных брикетов с нефтешламовым связующим — наполнителем. Исследован процесс формования шихты в валковом прессе. Подготовлены рекомендации по использованию технологии брикетирования асфальто-смоло-парафиновых отложений в системе управления отходами производства в нефтегазовой и нефтехимической промышленности с целью получения и возможного использования низкокалорийных топлив.

5. Установлены зависимости прочности стсж, и плотности р брикетов от предварительного уплотнения шихты (/¡f ®2), зазора между валками 6 (1-2 мм), зависимость производительности Qm от частоты вращения валков яв, об/мин, подтверждена зависимость выходных параметров от содержания связующего Сс>=25-45 %.

6. Проведён расчет экономического эффекта при утилизации 5500 т ас-фальто-смоло-парафиновых отложений в качестве нефтешламового связующего в производстве топливных брикетов. Доход от реализации продукции составит 89607,00 тыс. руб., сумма предотвращенного экологического ущерба оценивается в 7301,00 тыс. руб. При этом по теплотворной способности полученные брикеты превосходят бурые угли на 20,55 %, а себестоимость топливных брикетов в 3,6 раза ниже, чем угольного топлива.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Фетисов, Д.Д. Влияние нефтегазовых комплексов на объекты окружающей среды [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. — 2011. — № 4. — С. 192-194.

2. Фетисов, Д.Д. Экологически чистый метод утилизации нефтеотходов [Текст] / Д.Д. Фетисов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2010. -№ 2. -С. 123-125.

3. Фетисов, Д.Д. Технологические комплексы и оборудование для переработки техногенных материалов [Текст] / С.Н. Глаголев, B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, И.Г. Шайхиев, В.И. Уральский, М.В. Севостьянов, Д.Д. Фетисов, Л.И. Шинкарев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 10. - С. 198-200.

4. Фетисов, Д.Д. Технические средства и технологии для комплексной утилизации изотропных и анизотропных техногенных материалов [Текст] / С.Н.

Глаголев, B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, В.И. Уральский, М.В. Севостья-нов, Д.Д. Фетисов, Ж.А. Сапронова, Л.И. Шинкарев / Экология и промышленность России. - 2012. - № 12. - С. 6-10.

Монография:

5. Фетисов, Д.Д., Утилизация нефтешламов при производстве топливо-содержащих брикетов [Текст]: Монография / C.B. Свергузова, B.C. Севостьянов, Д.Д. Фетисов, Л.И. Шинкарев. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - 152 с.

Патент:

6. Патент № 2473421 Российская Федерация. Способ формования техногенных материалов и пресс-валковый агрегат для его осуществления от 07.09.2011 / С.Н. Глаголев, B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, Л.И. Шинкарев, М.Н. Спирин, Д.Д. Фетисов, М.В. Севостьянов, Ж.А. Свергузова; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова". - № 2011136996/03; заявл. 07.09.2011; опубл. 27.01.2013, Бюл. № 3.

Публикации в других изданиях:

7. Фетисов, Д.Д. Топливные брикеты с использованием нефтешлама [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления: Материалы II Международной научно-практической конференции. - Туапсе, 2011. - С. 370-373.

8. Фетисов, Д.Д. Утилизация нефтеотходов - одно из условий сбалансированного природопользования [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Безопасность человека в современных условиях: Материалы III Международной конференции. - Харьков, 2011. - С. 50-52.

9. Фетисов, Д.Д. Нефтегазовые комплексы и окружающая среда [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Безопасность человека в современных условиях: Материалы III Международной конференции. - Харьков, 2011. - С. 82-84.

10. Фетисов, Д.Д. Прессвалковый агрегат для формования техногенных материалов с малой насыпной массой [Текст] / B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, М.В. Севостьянов, М.Н. Спирин, Л.И. Шинкарев, Д.Д. Фетисов// Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. - Ч. 1 - С. 125-129.

11. Фетисов, Д.Д. Исследование условий формования топливосодержащих отходов с нефтешламовым связующим [Текст] / B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, М.В. Севостьянов, В .А. Бабуков, Л.И. Шинкарев, Д.Д. Фетисов // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. - Ч. 1 - С. 130-135.

12. Фетисов, Д.Д. Брикетирование топливосодержащей шихты в прессвалко-вом агрегате с предварительным уплотнением материала [Текст] // B.C. Севостьянов, C.B. Свергузова, М.В. Севостьянов, Л.И. Шинкарев, Д.Д. Фетисов // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. - Ч. 1 - С. 136-143.

13. Фетисов Д.Д. Влияние состава композиционной смеси на прочность топливных гранул [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Экология: образова-

ние, наука, промышленность и здоровье: Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. - Ч. 1 - С. 198-199.

14. Фетисов Д.Д. Отходы нефте-и газопереработки как сырьё для получения топливных материалов [Текст] / Д.Д. Фетисов, C.B. Свергузова // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. - Ч. 1 - С. 200-203.

15. Фетисов, Д.Д. Твёрдые нефтесодержащие отходы как вторичное сырьё. Применение экологически безопасных технологий переработки нефтешламов [Текст] / Д.Д. Фетисов // Проблемы развития газовой промышленности Сибири: Сборник тезисов докладов XVI научно-практической конференции молодых ученых и специалистов ТюменНИИгипрогаза. — Тюмень, 2010. - С. 216—218.

16. Фетисов, Д.Д. Исследования по утилизации нефтешламов [Текст] / Д.Д. Фетисов // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна: Сборник докладов VI Всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень, 2009.-С. 157-160.

17. Фетисов, Д.Д. Утилизация нефтешлама с использованием установки пи-ролизного разложения отходов [Текст] / Д.Д. Фетисов, М.А. Драчёв // VII конференция молодых специалистов организаций, осуществляющих виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры: Сборник докладов. - Ханты-Мансийск, 2007. - С. 547-550.

18. Фетисов, Д.Д. Пиролизная утилизация нефтешламов [Текст] / Д.Д. Фетисов // 5 Международный конгресс по управлению отходами и природоохранными технологиями (ВэйстТэк-2007): Сборник докладов (Москва, 29 мая -1 июня 2007 г.). - Москва, 2007. - С. 155-156.

ФЕТИСОВ Дмитрий Дмитриевич

УТИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕШЛАМОВ И ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, H.H. Зосимовой

Сдано в производство 21.05.13. Формат 60x84 '/|6 Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 1,34. Уч.-изд. л. 1,35. Заказ № 2301. Тираж 100.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1*/11.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Фетисов, Дмитрий Дмитриевич, Пенза

ФГБОУ ВПО «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»

ФЕТИСОВ ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УТИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕШЛАМОВ И ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

На правах рукописи

04201360570

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Свергузова С.В.

ПЕНЗА-2013

Содержание

Введение.................................................................................. 5

1. Анализ состояния проблемы образования и накопления нефтешламовых отходов и способов их утилизации......................... 11

1.1. Условия образования и накопления нефтешламовых отходов...... 11

1.2. Экологический мониторинг поверхностных водных объектов в районах нефтегазодобычи (на примере Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО)....................................................................... 15

1.3. Особенности процесса отложения АСПО на линиях конденсатопровода Уренгой - Сургут и Сургутского ЗСК................. 21

1.3.1. Физические свойства нефти и нефтяных оторочек и конденсата ачимовских отложений............................................................. 23

1.3.2. Механизм отложения парафинов при транспортировке

тяжелого сырья...................................................................... 24

1.4. Состав и свойства нефтешламов............................................ 28

1.5. Состав и свойства АСПО..................................................... 32

1.6. Известные способы утилизации нефтешламов и АСПО............... 37

1.7. Обоснование возможности использования АСПО в качестве связующего при изготовлении древесно-шламовых топливных брикетов................................................................................ 48

1.7.1. Общие сведения о связующих............................................. 48

1.7.2. Физико-химические основы брикетирования АСПО

с древесными опилками............................................................ 52

1.7.3. Влияние структуры и свойств АСПО на процесс

брикетирования...................................................................... 56

Выводы по главе.................................................................... 62

2. Объекты и методы исследований............................................. 64

2.1. Объекты исследований........................................................ 64

2.2. Физико-химические свойства объектов исследований................. 64

2.3. Методы и методики исследований.......................................... 71

2.3.1. Моделирование технологического процесса формирования

топливосодержащих отходов и обработка результатов

экспериментов................................................................................................................................................71

2.3.2. Методики экспериментальных исследований..................................................74

2.3.3. Математическое планирование эксперимента при изучении процесса прессования топливосодержащих шихт......................................................77

2.3.4. Гранулометрический анализ. Определение гранулометрического состава опилок с использованием лазерного

анализатора частиц..................................................................................................................................80

2.3.5. Ситовой анализ..............................................................................................................................80

2.3.6. Влажность материала....................................................................................................................81

2.3.7. рН Водной вытяжки..................................................................................................................81

2.3.8. Определение насыпной плотности..............................................................................81

2.3.9. Определение истинной плотности....................................................................................81

2.3.10. Определение удельной поверхности......................................................................82

2.3.11. Минералогический состав................................................................................................82

2.3.12. Определение гигроскопической влаги опилок....................................................83

2.3.13. Определение водопоглощения брикетов............................................................83

2.3.14. Дифференциально-термический анализ АСПО..........................................84

2.3.15. Определение температуры текучести и застывания АСПО................84

2.3.16. Определение плотности АСПО..................................................................................85

2.3.17. Методика определения температуры плавления........................................85

2.3.18. Методика определения содержания воды..........................................................85

2.3.19. Определение механических примесей..................................................................86

2.3.20. Методика определения токсичности водной вытяжки брикетов.... 86

Выводы по главе..........................................................................................................................................86

3. Экспериментальные исследования условий формирования

древесно-шламовых топливных брикетов на основе АСПО..............................88

3.1. Изучение влияния технологических факторов на процесс формования топливосодержащих отходов..........................................................................88

3.2. Регрессионный анализ процесса формования отходов..................................96

3.3. Зависимость прочности брикетов от давления прессования

и содержания нефтесвязующих.................................................. 101

3.4. Зависимости прочности брикетов от размеров частиц наполнителя

и температуры шихты.............................................................. 104

3.5. Влияние давления прессования и содержания нефтешламовых связующих на плотность брикетов.............................................. 109

3.6. Влияние размеров частиц наполнителя и температуры шихты

на плотность брикетов............................................................. 112

3.7. Изучение рациональных условий формования

топливосодержащих отходов..................................................... 116

3.8. Исследование процесса формования брикетов с нефтешламовым связующим в вальцовом прессе.................................................. 122

3.9. Исследование газопроницаемости слоя сформованных тел........... 132

3.10. Разработка способа прессования топливосодержащих брикетов и вальцового пресса для его реализации......................................... 137

3.11. Определение физико-механических свойств

топливных брикетов................................................................ 143

4. Опытно-промышленная апробация и внедрение научно-технических разработок............................................................................ 145

4.1. Определение теплотехнических характеристик брикетированного топлива................................................................................ 145

4.2. Технология производства древесно-шламовых брикетов на основе АСПО.................................................................................. 151

5. Эколого-экономическое обоснование предлагаемого способа утилизации АСПО в составе топливных брикетов............................ 156

5.1. Изучение показателей экологической безопасности топливных брикетов.................................................................................. 156

5.2. Технико-экономический анализ предлагаемого способа

утилизации АСПО в составе топливных брикетов............................ 159

Выводы по работе..................................................................... 164

Библиографический список........................................................ 166

Приложения........................................................................... 193

Введение

Предотвращение загрязнения окружающей среды нефтыо и продуктами ее переработки - одна из сложных и многоплановых проблем охраны природной среды. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он ни был, не может сравниться с нефтыо по широте распространения, числу источников загрязнения, величине нагрузок на все компоненты природной среды.

В результате деятельности газо- и нефтедобычи, переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов к началу XX в. в мире скопилось огромное количество нефтешламовых амбаров и сотни тысяч тонн нефтезагрязненных грунтов.

В нашей стране за десятилетия эксплуатации газо- и нефтедобывающих, а также нефтеперерабатывающих предприятий около каждого из них как непременные спутники появились нефтешламовые пруды-отстойники [1]. При годовой добыче нефти в РФ ежегодный объем образования нефтеотходов может достигать до 10 млн т. По этой причине утилизация нефтеотходов или эффективное использование их в качестве вторичного сырья для производства полезных продуктов является одной из важнейших проблем добычи и переработки нефти и газа на современном этапе и представляет сложную техническую и технологическую задачу.

В последнее время проблема утилизации иефтешламов приобрела исключительную актуальность. Это связано с тем, что количество нефтешламов возрастает из года в год, оказывая негативное воздействие на окружающую среду. В то же время нефтешлам из-за значительного содержания в нем нефтепродуктов можно отнести к вторичным материальным ресурсам. Использование его в качестве сырья является одним из рациональных способов его утилизации, так как при этом достигается определенный экологический и экономический эффект.

Применяемые технологии утилизации нефтешламов ориентированы в основном на деструктивные методы, не позволяющие вернуть полезные компоненты отходов в ресурсооборот [2 - 5]. Поэтому разработка новых

альтернативных способов утилизации нефтешламов является актуальной задачей.

Ежегодный объем образования нефтешламов в России достигает 10 млн т, при этом объём использования и утилизации этих отходов составляет не более 10%.

В то же время отходы деревообрабатывающей промышленности -древесные опилки - составляют не менее 40 % от всего объема производства (45 млн м3) или около 40 млн тонн условного топлива в год, а эффективность их использования не превышает 48 %.

Поэтому комплексная утилизация нефтешламов и древесных опилок лиственных пород путём получения топливных брикетов является актуальной задачей, имеет научную новизну и большую практическую значимость, так как позволяет сэкономить энергоресурсы и обеспечить топливом труднодоступные районы.

Цель работы - комплексная утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования их в производстве топливных брикетов.

Объекты исследования - нефтешламы ООО «Газпром переработка» и ОАО «Газпром нефтехим Салават», содержащие асфальто-смоло-парафиновые отложения (АСГТО), опилки лиственных пород деревьев деревообрабатывающих производств Тюменской области, а также материалы и продукты, полученные на их основе (древесно-шламовые топливные брикеты).

Предмет исследования - технология переработки (утилизации) асфальто-смоло-парафиновых отложений и древесных опилок в древесно-шламовые топливные брикеты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследовать механизм структурообразования топливного материала на основе асфальто-смоло-иарафиновых отложений и отходов деревообработки для получения древесно-шламовых топливных брикетов.

6. Провести эколого-экономическую оценку предложенных технических и технологических решений.

Производственные методы: гравиметрический, хроматографический, фотоколориметрический методы анализа, традиционные химические и физико-химические методы для исследования структуры и свойств сырья и материалов, используемых в нефтеперерабатывающей и топливной промышленности.

Научная новизна работы:

1. Впервые научно обосновано и экспериментально доказано наличие клеящих и когезионных способностей, характерных для нефтесвязующих, у асфальто-смоло-парафиновых отложений из добываемого природного газового конденсата и нефтешламов его переработки. Исследованы механизмы структурообразования топливного материала на основе асфальто-смоло-парафиновых отложений и отходов деревообработки.

2. Получены математические модели процесса брикетирования дре-весно-шламовых отходов в виде уравнений регрессии, учитывающие совокупное влияние различных факторов: давления прессования (Р), содержания в шихте связующего (Ссв), размера опилок (сГ), температуры прессования (/).

4. Исследован процесс формования шихты в валковом прессе. Установлены зависимости выходных параметров: прочности (оС/К) и плотности (р) топливных брикетов от коэффициента предварительного уплотнения шихты, зазора между валками пресса, а также зависимость производительности пресса от частоты вращения валков.

5. Определена степень токсичности полученных топливных брикетов для биологических объектов.

Практическая значимость работы:

Данное устройство запатентовано (патент на изобретение № 2473421 от 07.09.2011). При испытаниях в условиях научно-производственной лаборатории Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова устройство показало высокие эксплуатационные характеристики: равномерное питание вальцового пресса шихтой с низкой насыпной массой (р0 = 300 - 350 кг/м3), обеспечение заданного коэффициента предварительного уплотнения шихты (А">пл = р, / р0), реализация термоподогрева процесса брикетирования, / = 45 - 60 °С, стабильные показатели значений прочности и плотности брикетов постоянной геометрической формы и размеров, обеспечение надежного выхода спрессованных брикетов из формующих элементов при достаточно высокой адгезии шихты к металлу.

Анализ опытной партии брикетов в лаборатории испытаний топлив и масел ОАО «Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт» (ЛТиМ ОАО «ВТИ», Москва) позволил установить, что по теплотворной способности полученные брикеты превосходят бурые угли в 1,3 раза.

Внедрение результатов исследований. Технические разработки были испытаны в ООО «РЕЦИКЛ» и нашли применение в ООО «Газпром трансгаз Сургут» при очистке полостей магистральных газопроводов и технологического оборудования компрессорных станций, что подтверждено актом внедрения.

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов и бакалавров по направлению 280700 -Техносферная безопасность, по дисциплинам «Переработка промышленных отходов», «Промышленная экология», «Экология» «Инженерное оборудование для переработки отходов».

На защиту выносятся:

1) математические модели процесса брикетирования древесно-нефтешламовых отходов, рациональные области процесса брикетирования для варьирования технологических параметров;

2) технологическая схема получения топливных брикетов с нефтешламовым связующим, устройство пресс-валкового агрегата, результаты опытно-промышленных испытаний предлагаемого технологическо�

Информация о работе

Фетисов, Дмитрий Дмитриевич
кандидата технических наук
Пенза, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Утилизация нефтешламов и древесных опилок путём использования в производстве топливных брикетов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы