брикетирование. Исследование сорбционных свойств древесных отходов для сбора нефтепродуктов с последующей утилизацией их в виде топливных брикетов
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
1 На правах рукописи ФИЛИНА Наталья Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УТИЛИЗАЦИЕЙ ИХ В ВИДЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ Специальность 03.02.08 – экология (в химии и нефтехимии) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ПЕНЗА – 2011 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО “Марийский государственный техничес- кий университет” на кафедре “Машиностроение и материаловедение” Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Алибеков Сергей Якубович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Плохов Сергей Владимирович; доктор химических наук, профессор Ившин Виктор Павлович Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образова- тельное учреждение высшего профессионального образования “Казанский наци- ональный исследовательский технологический университет” (ФГБОУ ВПО “КНИ- ТУ”), г. Казань. Защита диссертации состоится 24 ноября 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной тех- нологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО “Пензенс- кая государственная технологическая академия”. Автореферат разослан “___” __________ 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Яхкинд М.И. 3 Общая характеристика работы Актуальность темы Одной из важных экологических проблем является очистка водной повер- хности от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, приводящих к нарушению экосистем вплоть до экологических катастроф. В качестве сорбентов для ути- лизации нефтепродуктов в настоящее время используют синтетические, неор- ганические, органоминеральные и биологические сорбенты, отличающиеся по эффективности применения и экономическим затратам. В качестве эффектив- ного, дешевого и легко утилизируемого сорбента, позволяющего впоследствии получить тепловую энергию, может быть использован древесный опил, пока- завший свою эффективность при ликвидации разливов нефтепродуктов на вод- ных объектах, при сборе и удержании нефтепродуктов на нефтеперерабатыва- ющих предприятиях. Боны на основе опила не уступают по эффективности обычно используе- мым сорбентам: органоминеральным (торф), неорганическим (песок, пемза, туфы), синтетическим (полипропиленовые волокна). В то же время вопрос пос- ледующей утилизации как опила, так и бонов, загрязненных нефтепродуктами, остается важной экологической проблемой. В связи с этим, исследование сорбционных свойств древесных отходов для сбора нефтепродуктов с последующей утилизацией их в виде топливных брике- тов является актуальной задачей. Цель работы Установление сорбционных свойств древесных отходов для сбора разлив- шихся нефтепродуктов с последующей разработкой технологии их утилизации в виде топливных брикетов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Определение особенностей кинетики сорбционных явлений на границе раздела древесные отходы – нефть – вода, с использованием в качестве сорбентов березового, соснового, липового опила и их комбинаций. 2. Анализвлияния влажности опила, количества и объема сорбентов, мате- риала бона на процессы локализации и сбора нефти и нефтепродуктов. 3. Выбор и оптимизацияконструкций и размеров боновых ограждений для извлечения нефтепродуктов с различной кинематической вязкостью из пресной и морской воды. 4. Установление закономерностей процессов растекания нефтепродуктов по водной поверхности с определением математических зависимостей площади ра- стекания пятна от времени, количества нефтепродуктов, высоты падения. 5. Выявление закономерностей процессов сорбции нефтепродуктов древес- ными отходами. 6. Оценка теплотворной способности и физико-механических свойств топ- ливных брикетов. 7. Разработка технологической схемы утилизации опила, насыщенного неф- тепродуктами. 4 Научная новизна работы: 1. Создана математическая модель процесса растекания нефтепродуктов по водной поверхности и получены зависимости, связывающие площадь пятна со временем его растекания, количеством нефтепродуктов и высотой их падения. 2. Выявлен механизм процессов сорбции соснового и березового опила в пресной и морской воде. 3. Установлены математические зависимости сорбционной способности дре- весных отходов от содержания в нефтешламе воды и нефти. 4. Экспериментально определены факторы, влияющие на сорбционные свой- ства древесных отходов при ликвидации аварийных разливов. Практическая значимость работы: 1. Предложена технология использования древесных отходов сосны и бере- зы в виде боновых ограждений для извлечения нефтепродуктов с поверхности воды при разливах и авариях, с последующей утилизацией их в виде топливных брикетов. Технология внедрена на ООО “Пайн”. 2. Создана и внедрена в производство технологическая схема получения топливных брикетов из древесных отходов после их использования в качестве сорбентов. 3. Разработан и запатентован способ, предназначенный для проведения ис- пытаний на различных немодифицированных и модифицированных сыпучих сорбентах (патент № 2396542 РФ, МПК G01N9/00). 4. Количественно определена теплотворная способность и физико-механичес- кие свойства брикетов из древесных отходов, пропитанных нефтепродуктами. Достоверность полученных результатов:обеспечивается использовани- ем современных стандартных методов исследований и обработки результатов, хорошей корреляцией с известными данными. Достоверность теоретических положений основана на применении методов математического анализа и проведении необходимого объема экспериментов, подтвержденных статистической обработкой результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и производственных условиях, а также патентной чистотой разработанного способа и устройства для проведения испытаний свойств сыпучих сорбентов. В процессе исследования использованы методы анализа, математического моделирования, натурного эксперимента, тео- рии вероятностей и математической статистики. Получены закономерности с коэффициентом корреляции от 0,91 до 0,99. Для количественного описания экспериментальных данных использовались стандар- тные методы и пакеты прикладных статистических программ для ПЭВМ (Microsoft Excel, Statistica 6.0, CurveExpert-1.38). Личный вклад автора: состоит в проведении экспериментальных исследо- ваний, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов. 5 Положения, выносимые на защиту. 1. Математическая модель процесса растекания нефтепродуктов по водной поверхности, связывающая площадь растекания пятна со временем его растека- ния, количеством нефтепродуктов и высотой их падения. 2. Способ проведения испытаний на различных сыпучих сорбентах разного фракционного состава при оценке их сорбционной емкости на устройстве, защи- щенном патентом. 3. Механизм процессов сорбции различных пород деревьев в пресной и мор- ской воде. 4. Способ утилизации опила, насыщенного нефтепродуктами, в виде топ- ливных брикетов. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докла- дывались и получили положительную оценку на межрегиональной научно-прак- тической конференции “Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чте- ния” (Йошкар-Ола, 2005 г.); всероссийской научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам “Научному прогрессу – твор- чество молодых” (Йошкар-Ола, 2007 г.); научно-технической конференции Мар- ГТУ “Наука в условиях современности” (Йошкар-Ола, 2007 г.); международной молодежной научной конференции “XV Туполевские чтения” (Казань, 2007 г.); V международной научно-практической конференции “Новости научной мысли – 2009”. Технические науки. Серия “Энергетика” (Чехия, Прага, 2009 г); научно-тех- нической конференции “Наука в условиях современности” (Йошкар-Ола, 2009 г.); VI международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы современных наук”. (Польша, Пшемысль, 2010 г.); научно-технической конфе- ренции “Исследования. Технологии. Инновации” (Йошкар-Ола, 2011 г.). Основные результаты работы внедрены в ООО “Пайн” и ООО “Агентство инженерно-экологического проектирования” (г. Йошкар-Ола), и используются в учебном процессе Марийского государственного технического университета при подготовке студентов специальности 280101 “Безопасность жизнедеятельности в техносфере”, что подтверждено соответствующими актами. Публикации. Материалы диссертации изложены в 14 публикациях, в числе которых патент на изобретение и 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации: диссертационная работа изложена на 170 страницах, включая 60 рисунков и 47 таблицы, библиография содержит 142 наи- менования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и за- дачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость. Пред- ставлены положения, выносимые на защиту. 6 В первой главе проанализированы различные подходы к оценке аварийных разливов нефтепродуктов, их сбору, и утилизации древесных отходов. Значительный вклад в изучение проблемы локализации и сбора на различ- ных этапах внесли: Аренс В.Ж., Богомольный Е.И., Каменщиков Ф.А., Воробьев В.А., Габдуллин А.М., Груздев А.А., Гумеров А.Г. и др. Показано, что существу- ющие подходы не позволяют решить все проблемы утилизации разлившихся неф- тепродуктов и древесных отходов. В соответствии с этим были сформулированы основные направления исследований. Во второй главе исследованы процессы растекания нефти с различным со- держанием парафинов (различной кинематической вязкостью) на поверхности воды в зависимости от высоты падения нефтепродуктов и количества разлив- шихся нефтепродуктов. Математическое моделирование процессов растекания нефтепродуктов по водной поверхности проведено с использованием EXCEL, STATISTICA 6.0, MathCad 2000 при доверительной вероятности 0,98. Полученные зависимости площади образующегося нефтяного пятна от ко- личества разлившейся нефти, её кинематической вязкости и времени растекания представлены на рис. 2.1. а б Рис. 2.1. Зависимость количества разлившейся нефти с кинематической вязкостью 392 мм 2 /с (а) и 200 мм 2 /с (б) от времени растекания и площади образующегося нефтяного пятна Как видно из рис. 2.1, кинематическая вязкость существенно влияет на пло- щадь образующегося нефтяного пятна. Были получены математические модели процесса растекания пятен нефти с различной кинематической вязкостью в течение 10–300 с по водной поверхнос- ти, с использованием: экспоненциального закона распределения для нефти с пре- обладанием тяжелых фракций: 10 с: (2.1) 60 с: (2.2) 7 180 с: (2.3) 300 с: (2.4) для нефти с легкими фракциями с использованием экспоненциального закона распределения и косинусоидального закона: 10 с: (2.5) 60 с: (2.6) 180 с: (2.7) 300 с: (2.8) где S – площадь нефтяного пятна, см 2 ; N – количество нефти в мл. Представленные уравнения показывают зависимости растекания нефтепро- дуктов по водной поверхности от количества разлитой нефти, кинематической вязкости и времени растекания. Разработанная математическая модель растека- ния нефтепродуктов по водной поверхности внедрена в ООО “Агентство инже- нерно-экологического проектирования” (г. Йошкар-Ола) для расчета времени растекания, объемов и площадей проливов и применяется для создания картогра- фического материала раздела II ПЛАРН “Ликвидация последствий ЧС”. В третьей главе обосновывается выбор березового, соснового опила в каче- стве эффективного и дешевого сорбента, являющегося доступным отходом дере- вообработки. Изучена сорбционная способность нефтепродуктов при использо- вании березового, соснового опила с водной поверхности на границе раздела фаз опил–нефть–вода. Для проведения исследований разработаны способ и устройство для прове- дения испытаний сыпучих сорбентов. Сущность способа заключается в изуче- нии влияния объема и массы сыпучих сорбентов на их сорбционную способность (патент № 2396542 РФ, МПК G01N9/00). Способ для испытаний проб сыпучих сорбентов применим к динамике сорбции водно-нефтяной эмульсии. Время сорбции устанавливалось по времени расслоения водно-нефтяной эмульсии. Скорость пропускания сорбата составляла 0,4 мм/с. В ходе экспери- ментов определяли объемы и веса всех компонентов процесса сорбции (опила, нефтепродуктов и воды) в зависимости от их первоначальных объема и веса. Измерения проводились с возрастающим промежутком времени между заме- рами по мере приближения к окончанию слива. Оценка качества сорбентов раз- личного фракционного состава осуществлялась по сорбционной емкости и ско- рости поглощения нефтепродуктов и воды. Результаты исследований (рис. 3.1, 3.2), показали, что в пресной и морской воде механизм сорбции соснового опила практически не изменяется. Сорбцион- ная емкость березового опила в пресной воде выше, чем в морской. Изменяется механизм сорбции березового опила: в пресной воде сорбция происходит капил- лярами – при этом не происходит набухание опила, а в морской воде опил набуха- ет, т.е. поглощает жидкость оболочками клеток за счет разрушения мембран кле- ток морской водой. 8 а б Рис. 3.1. Зависимость сорбционной емкости опила в пресной воде от времени: (а) сосновый опил, (б) березовый опил (r – коэффициент корреляции) а б Рис. 3.2. Зависимость сорбционной емкости опила в морской воде от времени: (а) сосновый опил, (б) березовый опил В четвертой главе представлены исследования сорбционных свойств дре- весного опила в зависимости от пород деревьев, фракционного состава, влажно- сти, термической активации, количества и объема сорбентов в бонах, вида мате- риала бонов. Исследования проводили в динамическом и статическом режимах. Нефтеемкость (N) в статических условиях вычислялась как отношение массы поглощенного нефтепродукта , г к массе сорбента , г: г/г (4.1) Нефтеемкость в динамических условиях рассчитывали по формуле: г/г (4.2) где – исходная масса нефтепродуктов, г; – масса несорбированных неф- тепродуктов, г; 9 Для рассмотрения процесса в динамическом режиме в данных опытах при- меняли имитацию фильтра со сменной загрузкой сорбционного материала, кото- рый используют на стадии очистки воды от нефтяного загрязнения. В статическом режиме – имитировали использование сорбентов в превен- тивных средствах – сорбционно-заградительных бонах, применяемых при лик- видации аварий с разливом нефти и нефтепродуктов. Нефтеемкость опила раз- личных пород деревьев представлена на рис. 4.1. Дальнейшие опыты проводили с березовым и сосновым опилом, поскольку они обладают большими сорбционными способностями по сравнению с липо- вым опилом. Кроме того, исследования показали, что после сорбции нефтепро- дуктами боны из липового опила тонут. Рис. 4.1. Сорбционная способность опила Для внешней оболочки бонов исследовались сорбционные способности на- туральных, искусственных и синтетических материалов. Как видно из рис. 4.2, лучшим материалом для изготовления бонов являются натуральные ткани, осо- бенно – хлопковые. Рис.4.2. Зависимость нефтеёмкости от материала внешней оболочки бонов 10 Натуральные ткани являются дополнительным сорбирующим веществом, их нефтеемкость составляет до 10,8 г/г. Однако использование натуральных тканей дорого и не обеспечивает требуемой долговечности и прочности бонов. Поэтому для изготовления бонов предложено использовать синтетические ткани. Согласно исследованиям, сорбционная способность древесных отходов при использовании синтетической ткани увеличивается на 15%. В последующих опытах для внешней оболочки бонов, с опилом в качестве сорбента, использова- ли капроновую сетку, устойчивую к воздействию воды, нефти, бензина, масел и ультрафиолета. Исследования показали, что при определенных размерах бонов нет необхо- димости в добавлении к опилу веществ, создающих дополнительную плавучесть бонам, поскольку они после насыщения нефтепродуктами обладают высокой плавучестью и сами всплывают над поверхностью воды. Для определения оптимального размера бонов исследовалась высота подъе- ма нефтепродуктов в опиле различных пород деревьев. Для опытов взвешенный опил формировали в боны переменного объема и насыпной плотности. При на- сыщении бонов нефтепродуктами последние разделяются на фракции: более тя- желые фракции нефти находятся внизу опила, визуально они более темные, выше располагаются более легкие светлые фракции. За высоту подъема нефтепродук- тов принималась верхняя граница наиболее светлой фракции. Результаты иссле- дований (рис. 4.3), показали, что максимальная высота подъема нефтепродуктов в боне, наполненном сосновым опилом, составила 70 мм, а березовым – 66 мм. Высота насыщения нефтепродуктами зависит от кинематической вязкости неф- тепродуктов и не зависит от толщины слоя нефтепродуктов. Таким образом, оп- тимальная высота опилочных бонов составляет 70–75 мм для нефтепродуктов с кинематической вязкостью 4100 мм 2 /с, и 90–110 мм – для нефти с кинематичес- кой вязкостью 392 мм 2 /с. После полного насыщения нефтепродуктами боны та- ких размеров приобретают гидрофобные свойства и не тонут. а б Рис. 4.3. Зависимость от времени высоты подъема нефтепродуктов (а) и нефти с кинемати- ческой вязкостью 392 мм 2 /с (б) при сорбции нефтепродуктов опилом 11 Исследование зависимости нефтеёмкости соснового и березового опила от размера частиц опила и их влажности (рис. 4.4) показало, что из изученных по- род деревьев луч шей сорбционной способностью обладает сосновый опил со средним размером частиц. С увеличением влажности опила, его нефтеемкость снижается при любой дис- персности. Особенно сильно снижается сорбционная емкость березового опила. Для исследования нефтеёмкости опила в статическом режиме были подго- товлены опытные образцы бонов с сосновым и березовым опилом. После пред- варительной просушки до относительной влажности 10% опил был расфасован в боны. В кюветах были приготовлены смеси из воды и нефти, имитирующие не- фтяное загрязнение. Количество нефти, добавляемое в кювету, рассчитывалось таким образом, чтобы размер нефтяного пятна составлял не более 50% площади кюветы. Площадь кюветы составляла 1050 см 2 . В каждую из кювет поместили боны, содержащие березовый и сосновый опил. Рис. 4.5. Зависимость нефтеёмкости опила от времени 12 Кинетика процесса сорбции, представленная на рис. 4.5, показывает, что время, необходимое для насыщения опила нефтепродуктами, составляет от 180 до 300 с, причем скорости насыщения нефтепродуктами соснового и березового опила, отличаются незначительно, а сорбционная способность соснового опила на 25% выше березового. Исследования нефтеёмкости опила в динамическом режиме проводили в предложенной ранее сорбционной колонке. Выявлено, что хуже всего сорбцион- ная способность у липового опила, кроме того, фильтр с липовыми опилками всплывал, поэтому липовый опил в дальнейшем не использовали. Процесс поглощения нефти с поверхности воды сопровождается и водопог- лощением исследуемых сорбентов – березового, соснового опила и их смесей. На рис. 4.6, показано, что процесс сорбции водно-нефтяной эмульсии идет с опе- режением сорбции нефти. Рис. 4.6. Поглощение воды и нефтепродуктов древесным опилом Были проведены исследования по увеличению сорбционной способности соснового опила, т.е. предварительно подвергнутого термической активации (со- сновые опилки выдержали в течение часа в муфельной в печи при t=120 ° С), кото- рая показала, что при полном удалении влаги из опила, его сорбционная способ- ность увеличивается на 20% (рис. 4.7). Было установлено, что нефтеемкость опила растет с уменьшением влажнос- ти древесных опилок. Нефтеемкость соснового опила в нашем случае составляет 4,3–5,2 г/г, а березового – 3–4,5 г/г, т.е. её можно рассматривать как экономически выгодную. Дальнейшей целью наших исследований было выявление статистических закономерностей процесса сорбции нефтепродуктов в зависимости от темпера- туры нагрева древесного опила. 13 Рис. 4.7. Зависимость нефтеемкости опила от его влажности Данные были промоделированы в программной среде Curve Expert-1.38 и представлены в табл. 4.1, где t – температура нагрева древесной фракции, ° С; – степень обугливания, %; – толщина нефтяной пленки, мм; – нефтеемкость сорбента, кг/кг; – содержание в нефтешламе воды, % масс; – содержание в нефтешламе нефти, % масс. Табл. 4.1 Бинарные отношения между факторами r =0,9189 14 Бинарные отношения между факторами дают шесть факторных связей 1, 2, 6, 11, 12 и 13. Факторный треугольник представляет соотноше- ние зависимостей нефтеемкости сорбента от со- держания в нефтешламе воды и нефти. Установлено, что содержание воды в неф- тешламе с увеличением температуры нагрева сорбентов в сравнении с воздушно-сухим дре- весным опилом сначала резко снижается, а за- тем изменяется незначительно. Начиная со 120±5 ° С сосновый опил буреет, при 130±5 ° С – начинается пиролиз и при 135±5 ° С – обугливается. Черный углерод характеризуется низкой сорбцией воды и стабильно высокой сорбционной емко- стью нефтепродуктов. Для исследований по определению теплотворной способности опила сжи- галисьобразцы соснового, березового опила и древесных гранул, а также опил, пропитанный нефтепродуктами. Сжигание проводилось по ГОСТ 12.1.044–89 в камере прибора ОТМ – установке для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов. Для испытания готовили мешочки пря- моугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещали (90±1) см 3 вещества. Мешочки делали из стеклоткани тол- щиной 0,10–0,15 мм, швы сшивали металлическими скрепками. Подготовлен- ные образцы выдерживали в вентилируемом сушильном шкафу при температуре (60±5) °С не менее 20 ч, затем охлаждали до температуры окружающей среды, не вынимая их из шкафа. Результаты испытаний, обработанные в программе Curve Expert-1.38, представлены на рис. 4.8–4.12. 15 Проведенные испытания показали, что максимальная температура отходя- щих газообразных продуктов горения березового и соснового опила, древесных гранул составляет 500±5 o С, опила, пропитанного нефтепродуктами – 600±5 o С. При изменении температуры от 600 до 500±5 o С в течение нескольких минут на- блюдается высокое пламя, которое уменьшается при достижении 350±5 o С и ис- чезает при 200±5 o С. Далее процесс переходит в стадию тления. При сжигании образцов с березовым и сосновым опилом масса образовав- шейся золы составляет 0,44 % и 0,98 % от первоначальной массы образца; опила, пропитанного нефтепродуктами, – 1,58 % и 0,93 % соответственно. Процесс го- рения древесных гранул после выключения горелки продолжается дольше в 1,3 раза, чем горение опилок. Это связано с высокой удельной плотностью древес- ных гранул (1400 кг/м 3 ), по сравнению с плотностью соснового (500 кг/м 3 ) и бе- резового (630 кг/м 3 ) опила. 16 Экспериментальные данные процесса горения сопоставляли с расчетными данными по модели, разработанной в программной среде Curve Expert-1.38 с ис- пользованием экспоненциального закона распределения. Для березового опила: . (4.3) Для березового опила с нефтепродуктами: , (4.4) где – температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С; – время горения, с. Для соснового опила: . (4.5) Для соснового опила с нефтепродуктами: . (4.6) Для древесных гранул: . (4.7) Моделирование результатов скорости самостоятельного горения образцов проводили согласно: , (4.8) , , (4.9) где – переменная во времени температура самостоятельного горения, убыва- ющая от максимальной температуры после выключения горелки, °С; – пер- вая составляющая закономерности динамики температуры в процессе остыва- ния прибора ОТМ без учета температуры самостоятельного горения образца, °С; – вторая составляющая закономерности динамики температуры самостоя- тельного горения горючих веществ образца, без учета остывания камеры прибо- ра ОТМ после выключения газовой горелки, °С; – переменное время остыва- ния прибора и самостоятельного горения образца, начиная от максимально дос- тигнутой температуры перед выключением горелки, в пределах изменения до конечной температуры в 200 °С на приборе ОТМ по результатам измерений, с; – экспериментальное время остывания прибора ОТМ, с; , – параметры формулы, которые определяются после моделирова- ния по экспериментальным данным, при этом каждый параметр имеет содержа- тельный смысл: – максимальная температура отходящих газообразных продуктов горе- ния материала образца перед отключением газовой горелки, °С; – активность остывания камеры прибора ОТМ; – интенсивность остывания камеры прибо- ра ОТМ; – активность изменения второй составляющей закономерности дина- мики температуры самостоятельного горения горючих веществ образца; – ин- 17 тенсивность снижения температуры самостоятельного горения горючих веществ образца; – активность экспоненциального спада (гибели) температуры горе- ния с течением времени после отключения газовой горелки; – интенсивность экспоненциального спада температуры горения с течением времени после отклю- чения газовой горелки. Теплоту сгорания опила, просушенного в течение суток и пропитанного неф- тепродуктами, определяли по формуле: , (4.10) где – теплота сгорания смеси; – процентное содержание компонентов в сме- си; – низшая теплота сгорания, МДж кг -1 ( = 41,87 МДж/кг – для нефтепро- дуктов, = 13,8 МДж/кг – для древесины). Результаты испытаний теплоты сгорания опила, обработанного бензином марки Аи92, определялись с учетом теплоты его сгорания = 43,641 МДж/кг и опила = 13,8 МДж/кг, соответственно. Древесные гранулы из-за высокой плот- ности лучше удерживают бензин и хуже – нефтепродукты, в то время как из дре- весного опила бензин быстро испаряется, а нефтепродукты хорошо удерживают- ся. Как показано на рис. 4.13, теплота сгорания опила, пропитанного нефтепро- дуктами, по сравнению с чистым опилом увеличилась в 2,5 раза. Рис. 4.13. Зависимость теплоты сгорания от материала образцов Установлено, что древесные отходы, пропитанные нефтепродуктами, пред- ставляют собой композиционный состав, в котором за счет капиллярно-струк- турной организации смеси происходил наиболее полный и эффективный про- цесс пиролиза до образования золы, что приводит к возрастанию теплоты сгора- ния смеси. Топливо в смеси с предварительно обожженной древесиной горит 18 быстрее, чем необожженная древесина, в процессе его сгорания образуется меньше дыма и сажи, ему сообщается гидрофобность при хранении. В пятой главе предложена технология изготовления брикетов из древесно- го опила, насыщенного нефтепродуктами, для последующей утилизации в каче- стве топлива с повышенной теплотой сгорания. Предложено холодное прессова- ние брикетов, отличающееся от существующих в настоящее время тем, что необ- ходимость в связующих и в высокой температуре прессования отпадает. Результаты экспериментов показали, что топливные брикеты при прессова- нии при комнатной температуре с влажностью более 10% для березового и 12% – для соснового опила плохо удерживают форму. Поэтому был предложен состав брикета: древесные опилки (с влажностью 10–12) – 75–80 масс. % и нефтепро- дукты – 25–20 масс. %. Данное содержание нефтепродуктов не приводит к их выдавливанию при прессовании давлением до 240 МПа. При более высоком со- держании нефтепродуктов и влаги брикеты плохо хранятся – плесневеют при комнатной температуре в течение 12–13 дней. Опробованы две технологии получения брикетов: на гидравлическом и шне- ковом прессах. По первой технологии прессование брикетов из смеси опила лиственных и хвойных пород древесины, как чистого, так и пропитанного нефтепродуктами, проводилось на гидравлическом прессе П-50. Насыпная масса опила, составляла 160–220 кг/м 3 , насыпная масса брикетов – 460 кг/м 3 Результаты экспериментов по изучению физико-механических свойств прессо- ванного чистого и пропитанного нефтепродуктами древесного опила, представ- лены на рис. 5.1. а б Рис. 5.1. Изменение плотности соснового (а) и березового (б) брикета в зависимости от давления прессования Из данных рис. 5.1 следует, что при малых давлениях прессования плот- ность меняется линейно, пропорционально зависит от давления, при давлении 19 выше 159 МПа частицы опила сближаются настолько, что в брикете возника- ют напряжения, которые препятствуют дальнейшему увеличению плотности. Опил, пропитанный нефтепродуктами, характеризуется большей прочностью. Прессование брикетов из опила одной породы древесины позволяет получить более прочные однородные брикеты. Оптимальная фракция опилок 1–3 мм. Брикеты цилиндрической формы (высота 15 мм и площадь круга – 125 мм 2 ), полученные при прессовании давлением 10 т, испытывались на изгиб. Прочность на изгиб брикетов из опила чистого и пропитанного нефтепродуктами составила: для березового опила – 3 кгс и 4,5 кгс, а для соснового – 2,6 кгс и 2,8 кгс, соответ- ственно. Плотность сосновых брикетов, пропитанных нефтепродуктами, выше, чем у березовых, в то время как березовые брикеты значительно прочнее на из- гиб, чем сосновые. Кора, присутствующая в опилках в количестве до 5 об. %, что соответствует ее наличию в опиле после распиловки круглого товарного леса, на качество прес- сованного брикета практически не оказывает влияния. По второй технологии композиционная формовочная масса из опила и нефтесо- держащих отходов получается методом непрерывного экструдирования на шне- ковом прессе. Использовали шнековый пресс со следующие характеристиками: производительность – 1,5–2,5 т/ч; мощность – 5,5 кВт; габаритные размеры (дли- на х ширина х высота) – 3х0,7х0,7 м; масса – 250 кг. Плотность получаемых брикетов составляет 1,2–1,3 г/см 3 . Форма образую- щихся брикетов определяется пресс-формой, которая позволяет получить брике- ты цилиндрической формы, диаметром 40 мм. Высота цилиндров зависит от при- ложенного давления, и составляет 9–15 мм. Удельная рабочая теплота сгорания брикетов составляет 35–45 МДж/кг. Таким образом, холодное брикетирование на гидравлическом прессе позво- ляет получить такие же брикеты, как и на шнековом прессе. Предложенная технологическая схема получения топливных брикетов из древесных отходов после их использования в качестве сорбентов внедрена на предприятии ООО “Пайн”. Методика утилизации отработанного сорбента внедрена в ООО “Агентство инженерно-экологического проектирования” и применяется в разделах 3.1.2. “Тех- нологии и способы сбора разлитой нефти и нефтепродуктов и порядок их приме- нения” и 3.2. “Восстановительные мероприятия” ПЛАРН. Выводы: 1. Построена математическая модель процесса растекания нефтепродуктов по водной поверхности с установлением зависимостей, связывающих площадь растекания пятна от времени его растекания, количества нефтепродуктов и их высоты падения. 2. Разработано устройство для изучения в статическом и динамическом ре- жимах процессов сорбции нефтепродуктов древесным опилом различных пород 20 деревьев. Предложен способ для проведения испытаний на различных сыпучих сорбентах разного фракционного состава при оценке их сорбционной емкости. 3. Установлено, что очистка поверхности воды от пленки нефти заключает- ся в разделении фаз, происходящем за счет избирательной смачиваемости капил- лярной структуры сорбента на границе раздела трех фаз (вода – нефтепродукты – древесный сорбент). Выявлено, что сосновый опил, благодаря более развитой капиллярной структуре, обладает большей нефтеемкостью (85%) по сравнению с березовым (60%) и липовым (40%). 4. Выявлено, что оптимальная высота бонов для нефтепродуктов с кинема- тическая вязкостью 4100 мм 2 /с составляет 70–75 мм, а для нефти с кинематичес- кой вязкостью 392 мм 2 /с – 90–110 мм. В качестве материала для оболочки бонов предложена износостойкая капроновая сетка. Сорбционная способность древес- ных отходов при использовании синтетической ткани увеличивается на 15%. 5. Установлены математические закономерности сорбционной способности древесных отходов в зависимости от содержания в нефтешламе воды и нефти. Нефтеемкость соснового опила в нашем случае составляет 4,3–5,2 г/г, а березо- вого – 3–4,5 г/г, т.е. её можно рассматривать как экономически выгодную. 6. Предложена технология гидравлического и шнекового брикетирования, как чистых древесных отходов, так и пропитанных разлившимися нефтепродук- тами, обеспечивающая прочность на изгиб брикетов: из березового опила – 3 кгс и 4,5 кгс, а из соснового – 2,6 кгс и 2,8 кгс, соответственно. Плотность сосновых брикетов, пропитанных нефтепродуктами, выше, чем у березовых, в то время как березовые брикеты значительно прочнее на изгиб, чем сосновые. 7. Установлено сжиганием брикетов на установке ОТМ, что теплота сгора- ния соснового и березового опила, пропитанного нефтепродуктами, в 2,5 раза выше, чем чистого. Теплота сгорания древесных гранул, обработанных нефте- продуктами, выше в 1,3 раза по сравнению с чистыми. 8. Доказана эффективность опилочного сорбента в качестве дешевого мате- риала для очистки водных поверхностей от аварийных разливов нефти. Степень очистки воды от нефтепродуктов фильтрами со сменной загрузкой сорбционного материала достигает для соснового опила 98–99%, для березового – 99%. Обра- зующиеся в результате сорбции нефтяные плавучие конгломераты можно исполь- зовать для изготовления топливных брикетов. Таким образом, процесс очистки водных объектов от нефтяных загрязнений представляет собой безотходную тех- нологию, позволяющую получить топливные брикеты. Основные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК России 1. Филина, Н.А. Исследования по определению теплотворной способности древесного опила и гранул, пропитанных нефтепродуктами [Текст] / Н.А. Фили- на, С.Я. Алибеков // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Энергетика. Вып. 13. – 2010. – № 14 (190). – С. 24–29. 21 2. Филина, Н.А. Технология утилизации древесных и нефтесодержащих от- ходов с целью получения тепловой энергии [Текст] / Н.А. Филина, С.Я. Алибеков // Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – № 10. – С. 32–37. 3. Алибеков, С.Я. Изучение физико-механических свойств брикетов [Текст] / С.Я. Алибеков, Н.А. Филина // Научно-технический вестник Поволжья. – 2011. – № 4. – С. 93–96. в других изданиях и материалах конференций 4. Филина, Н.А. Нефтеемкость сорбента из углистой массы от содержания в нефтешламе воды и нефти [Текст] / Н.А. Филина, П.М Мазуркин // Успехи совре- менного естествознания: Научно-теоретический журнал. Академия Естествозна- ния. – Москва. – 2011. – № 6. – С. 34–38. 5. Филина, Н.А. Мониторинг аварийных разливов нефти [Текст] / Н.А. Фи- лина, П. М Мазуркин // Современные наукоёмкие технологии. – Пенза. – 2011. – № 3. – С. 62–67. 6. Филина, Н.А. Древесные и нефтесодержащие отходы как источники теп- ловой энергии [Текст] / Н.А. Филина, С.Я. Алибеков // Новости научной мысли – 2009: Материалы V международной научно-практической конференции. Техни- ческие науки. Серия “Энергетика”. – Прага: Издательство “Образование и на- ука”, 2009. – С. 49–51. 7. Филина, Н.А. Факторный анализ очистки водной поверхности от нефте- продуктов углистой массой [Текст] / Н.А. Филина, С.Я. Алибеков // Актуальные проблемы современных наук: Материалы VI международной научно-практичес- кой конференции. Технические науки. Серия “Энергетика”. – Пшемысль, Польша: Издательство “Образование и наука”, 2010. – С. 84–87. 8. Филина, Н.А. Использование древесных и растительных отходов в каче- стве топлива [Текст] / Н.А. Филина, С.Я. Алибеков // Актуальные вопросы совер- шенствования технологии производства и переработки продукции сельского хо- зяйства: Мосоловские чтения: Материалы межрегиональной научно-практичес- кой конференции. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2005. – Вып. 7. – С. 374–377. 9. Филина, Н.А. Пути повышения эффективности использования отходов деревообрабатывающих производств [Текст] / Филина Н.А., Алибеков С.Я. // Научному прогрессу творчество молодых: сборник материалов Всероссийской научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дис- циплинам. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. – С. 110 10. Филина, Н.А. Эффективное использование древесных отходов [Текст] / Филина Н.А., Алибеков С.Я. // Наука в условиях современности: Сборник статей студентов, аспирантов, докторантов и ППС по итогам научно-технической кон- ференции МарГТУ в 2007 г. / Под общ. ред. проф. В.А. Иванова. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. – С. 150–152. 11. Филина, Н.А. Использование древесных отходов [Текст] / Филина Н.А. // XV Туполевские чтения: Материалы Международной молодежной научной кон- ференции. Том 1. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. – С.423–425. 22 12. Филина, Н.А. Древесные и нефтесодержащие отходы как источники тепловой энергии [Текст] / Филина Н.А., Алибеков С.Я. // Наука в условиях современности: сборник статей профессорско-преподавательского состава, док- торантов, аспирантов и студентов по итогам научно-технической конференции МарГТУ в 2009 г. / Под общ. ред. проф. В.А. Иванова. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. – С.109–111. 13. Филина, Н.А. Мониторинг аварийных разливов нефти по водной повер- хности [Текст] / Филина Н.А // Исследования. Технологии. Инновации: Сборник статей профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сту- дентов МарГТУ по итогам научно-технической конференции в 2011 г. – Йошкар- Ола: МарГТУ, 2011. – С. 340–342. 14. Патент № 2396542 Российская Федерация, МПКG01N9/00. Способ и устройство для испытаний проб сыпучих сорбентов [Текст] / Филина Н.А., Ма- зуркин П.М.; заявитель и патентообладатель Марийский гос. тех. университет. – № 2008142698/28; заявл. 27.10.2008; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22. – 13 с. 23 Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, Е.В. Рязановой Сдано в производство 20.10.11. Формат 60х84 1 / 16 Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 1,34. Уч.-изд. л. 1,35. Заказ № 2078. Тираж 100. ____________________________________________ Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1 а /11. |