СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ МЕЛАССЫ СВЕКЛОВИЧНОЙ ОБЕДНЕННОЙ
DEPLETED BEET MOLASSES UTILISATION METHOD

Изобретение относится к способу утилизации мелассы свекловичной обеденной методом сжигания в топках энергетических котлов смеси, состоящей из мелассы свекловичной обедненной и нефтяных жидких топлив. Изобретение может широко применяться в теплоэнергетике на предприятиях сахарной промышленности.
Меласса свекловичная ГОСТ Р 52304 - отход свеклосахарного производства, представляет собой густую непрозрачную жидкость от коричневого до темно-бурого цвета, с запахом, свойственным свеклосахарной мелассе, со сладким вкусом с горьковатым привкусом, имеет полную растворимость в горячей и холодной воде.
Меласса свекловичная - это последний маточный оттек, полученный на сахарном заводе, из которого нерентабельно дальнейшее извлечение сахара методом кристаллизации вследствие накопления в нем несахаристых веществ.
Состав мелассы свекловичной зависит от почвенных и климатических условий произрастания свеклы, условий ее хранения и принятого режима переработки свеклы в сахар. В связи с этим химический состав мелассы свекловичной и ее свойства весьма разнообразны. Содержит 20%-25% воды, около 9% азотистых соединений (преимущественно амидов), 58%-60% углеводов (главным образом сахара), и 7-10% золы.
Меласса свекловичная используется как корм для кормления сельскохозяйственных животных. Хорошее средство для сдабривания грубых и концентрированных кормов. С добавлением мелассы готовят многие комбикорма. При гранулировании кормов ее используют как связывающий ингредиент.
Применяется также для добывания остатков сахара, переработки в спирт, в кондитерском производстве, для изготовления сахарного колера, для подслащивания вин, приготовления рома, ликеров и проч.
Меласса свекловичная - один из самых ценных отходов свекловично-сахарного производства. В одной тонне отработанной свекловичной мелассы содержится до 440 килограммов сахара.
Дешугаризация мелассы свекловичной - способ извлечения сахара из мелассы свекловичной. После дешугаризации мелассы свекловичной остается так называемая обедненная меласса, из которой извлекли 80% сахара. (Взято из источника газета - Молодой коммунар, №126 от 11.11.2010 г.).
Меласса свекловичная обедненная - густая, сиропообразная, ТУ 9112-002-01503401-2011 является побочным продуктом (отходом) при переработке (дешугаризации) мелассы свекловичной ГОСТ Р 52304. Меласса свекловичная обедненная - густая сиропообразная непрозрачная жидкость, темно-коричневого цвета, без постороннего запаха, горькая. Содержание сухих веществ не более 60%, содержание влаги - не более 40%.
Меласса свекловичная обедненная негорючая, невзрывоопасная, нетоксичная. По степени воздействия на организм человека меласса свекловичная обедненная в соответствии с ГОСТ 12.1.007. относится к неопасным веществам - четвертому классу опасности.
В таблице 1 приведен физико-химический анализ мелассы свекловичной обедненной.
Таблица №1
Физико-химический анализ мелассы свекловичной обедненной
№ п/п
Показатель качества
Результат испытаний
Метод испытания
1
2
4
5
1.
Вязкость кинематическая, сСт
При t=20,0°C
51,74
50,0°C
13,31
ГОСТ 1929-87
80,0°C
5,44
2
Зольность (A<sup>r</sup>), %
16,12
ГОСТ 1461-75
3
Массовая доля, %:
механических примесей
0,26.
ГОСТ 6370-83
воды (W)
39,13
ГОСТ 2477-65
4.
Элементный состав, %, содержание:
серы (S<sup>r</sup>)
0,118
ГОСТ 1437-75
углерода (C<sup>r</sup>)
21,07
СО 34.44.206-93
водорода (H<sup>r</sup>)
3,85
"-"
азота(N<sup>r</sup>)
1,48
"-"
кислорода (O<sup>r</sup>)
12,68
по разности
натрия (Na<sup>r</sup>),
3,13
СО 34.44.208 - 94
калия (K<sup>r</sup>),
1,35
"-"
ванадия (V<sup>r</sup>)
отс.
"-"
железа (Fe<sup>r</sup>)
0,02
"-"
кальция (Ca<sup>r</sup>)
0,14
"-"
кремния (Si<sup>r</sup>)
0,09
"-"
5.
Плотность при 20°C, кг/м<sup>3</sup>
1313,0
ГОСТ 3900-85
6.
Наличие водорастворимых кислот и щелочей
pH=10,05
ГОСТ 6307-75
7.
Низшая теплота сгорания (Q<sup>r</sup>i), ккал/кг
1855,0
ГОСТ 21261-91
На Фиг.1 изображена микрофотография структуры мелассы свекловичной обедненной в исходном состоянии, не подвергнутая кавитационной обработке.
Дешугаризация мелассы свекловичной не решает одну из главных проблем сахарного производства - утилизацию отходов, в частности, мелассы свекловичной обедненной в количестве 60-70 тысяч тонн в год, образующуюся при работе мелассного производства на сахарном производстве.
На сегодняшний день известны, по крайней мере, три варианта частичной утилизации мелассы свекловичной обедненной, которые получили широкое распространение в США и Европе.
В России не распространены патенты на утилизацию мелассы свекловичной обедненной. Первый вариант - утилизация мелассы свекловичной обедненной на корм скоту. Недостатки: очень низкий спрос, так как других кормов в избытке; высокие транспортные расходы.
Второй вариант - утилизации мелассы свекловичной обедненной путем внесения в почву в качестве удобрения, ее разводят и разбрызгивают на полях. Недостаток этого способа: требуются большие пахотные земли (5-7 тонн обедненной мелассы на 1 Га земли); рекомендуется вносить не чаще, чем один раз в 3 года; высокие транспортные расходы.
Третий вариант утилизации мелассы свекловичной обедненной - получение бетаина. Он также используется в качестве добавки к кормам для животных и при изготовлении мыла и жидких моющих средств. Недостатки: низкое извлечение бетаина (5-6%) из мелассы свекловичной обедненной, высокие энергозатраты на его производство.
Суть нашего технического решения заключается в утилизации мелассы свекловичной обедненной методом сжигания в топках энергетических котлов в качестве альтернативного жидкого котельного топлива из возобновляемых источников энергии.
Способ утилизация мелассы свекловичной обедненной включает в себя смешение и кавитацию на кавитационных устройствах типа: вихревого слоя, статические, динамические, струнные, роторные, роторно-импульсные, вибрационные, акустические, ультразвуковые и т.д., смеси состоящей из мелассы свекловичной обедненной, 20-80 масс.% и нефтяных жидких топлив 80-20 масс.% и необязательно по меньшей мере, одной топливной присадки с целью повышения теплотехнических характеристик, типа: октаноповышающая, цетаноповышающая, депрессорная, депрессорно-диспергирующая и т.д., получением кавитацией смеси указанных компонентов жидкого котельного биотоплива, как альтернативного вида жидкого топлива из возобновляемых источников энергии, и сжигании полученного жидкого котельного биотоплива в топках энергетических котлов на предприятиях сахарной промышленности.
Смесь, состоящая из более 80 масс.% мелассы свекловичной обедненной и менее 20 масс.% нефтяного жидкого топлива, плохо перемешивается и имеет нестабильное горение. На Фиг. 2,3,4,5 представлены микрофотографии структур и фотографии горения в открытом тигле жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной и нефтяных жидких топлив. При увеличении содержания нефтяного жидкого топлива в смеси более 20% массовых частей и уменьшения содержания мелассы свекловичной менее 80% массовых частей наблюдается хорошее смешение и стабильное горение смеси во всем диапазоне. Однако, сжигание смеси, состоящей из более 80 масс.% жидкого нефтяного топлива и менее 20 масс.% мелассы свекловичной обедненной, является экономически нецелесообразным.
Оптимальным соотношением с точки зрения энергетической эффективности при получении жидкого котельного биотоплива является смесь, состоящая из мелассы свекловичной обедненной не менее 80% массовых частей и нефтяных жидких топлив не более 20% массовых частей. На Фиг 6, 7 представлены микрофотографии структуры и фотография горения в открытом тигле жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной и дизельного топлива.
На Фиг.8. представлена принципиальная схема установки по утилизации мелассы свекловичной обедненной методом сжигания в энергетических топках котлов.
Способ утилизации мелассы свекловичной обедненной осуществляется следующим образом.
В установку-смеситель с кавитационной установкой (5) из расходной емкости (1) в определенных эффективных для сжигания пропорциях насосом высокого давления (2) подают мелассу свекловичную обеденную, а из расходной емкости (3) насосом высокого давления (4) подают нефтяное жидкое топливо, где происходит предварительное смешение и кавитирование двух жидкостей. Затем образовавшаяся мелкодисперсная смесь (жидкое котельное биотопливо) проходит через теплообменник (6), где подогревается до температуры воспламенения 90-100°C и подается на кавитационную форсунку (7) для сжигания в топках энергетических котлов (8). Физико-химические и теплотехнические характеристики полученного жидкого котельного биотоплива представленны в Таблице 2. Данное техническое решение по утилизации мелассы свекловичной обедненной методом сжигания в топках энергетических котлов так же подразумевает двойную кавитацию смеси, как в процессе смешения двух жидкостей в установке смесителе с кавитационной установкой, так и на кавитационной форсунке механического типа.
На Фиг.9. представлена принципиальная схема испытательной установки по утилизации мелассы свекловичной обедненной методом сжигания в топках энергетических котлов.
Меласса свекловичная обеденная, нефтяное жидкое топливо, присадки подаются в заданном количестве в расходную емкость (7) через расходомеры (1, 2, 3) и вентили (4, 5, 6), проходят через сетчатый фильтр грубой очистки (8) и насосом высокого давления (9),подаются на кавитационную установку (10) для приготовления жидкого котельного биотоплива, при этом вентили (12, 16, 15) закрыты. Смесь равномерно перемешивается на кавитационной установке (10) до получения тонкодисперсной высокогомогенной эмульсии с размерами частиц 1-5 мкм. Затем образовавшаяся мелкодисперсная смесь (жидкое котельное биотопливо) подается насосом высокого давления (9) через вентиль (15) и теплообменник (22) на кавитационную форсунку (11) газо-мазутной горелки для сжигания в топках энергетических котлов. Расход и давление жидкого котельного биотоплива на кавитационную форсунку регулируется на линии рециркуляции вентилем 16. Вентили (12, 17, 18) при этом закрыты. Отбор проб для проверки качества смеси производится из расходной емкости (7) через вентиль (12).
На Фиг.1 изображена микрофотография структуры мелассы свекловичной обедненной, в исходном состоянии, не подвергнутая кавитационной обработке. Из микрофотографии следует, что микрокапли воды, находящиеся в мелассе свекловичной обедненной, окружены сольватными оболочками поверхностно-активных веществ (природными эмульгаторами, находящимися в мелассе свекловичной обедненной). Это обеспечивает высокую стабильность смеси при эмульгировании. На Фиг.1 видны крупные сгустки частиц.
На Фиг 10 изображена микрофотография структуры мелассы свекловичной обедненной, подвергнутая кавитационной обработке. Кавитационная обработка обеспечивает получение тонкодисперсной высокогомогенной топливной эмульсии с размерами частиц 1-5 мкм, а также существенное измельчение крупных частиц, сгустков в исходном компоненте.
Таблица. 2
Таблица №2
Физико-химический и теплотехнический анализ жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной 75% массовых частей и дизельного топлива 25% массовых частей.
Показатели качества
Результаты анализа
Методы испытаний
№
на рабочую
на сухую
п/п
массу
массу (100/100-W<sup>a</sup>)
1
2
3
4
5
1.
Влажность (W<sup>a</sup>), %
29.30
-
ГОСТ 2477
2
Зольность (A<sup>r</sup>). %
7,71
12,66
ГОСТ 1461
3
Кинематическая вязкость (сСт) или соответствующая ей условная вязкость (°ВУ)
при температуре: 20°C
12,4 (1,82)
-
ГОСТ 1929
50°C
6,30(1,31)
80°C
4,30(1,12)
4.
Плотность при температуре 20°C, г/см<sup>3</sup>
1,1110
-
ГОСТ 3900
5.
Температура вспышки и
97,0
-
ГОСТ 4333
воспламенения в открытом
104,0
тигле,°C
6.
Элементный состав. %
содержание:
общей серы (S<sup>r</sup>)
0,01
0,02
ГОСТ 3877
углерода (C<sup>r</sup>)
36,88
60,56
ГОСТ 2408.1
водорода (H<sup>r</sup>)
5,63
9,24
"-"
азота (N<sup>r</sup>)
1,18
1,94
ГОСТ 28743
кислорода (O<sup>r</sup>)
6,30
10,34
по разности
кремния (Si<sup>r</sup>)
0,03
0,05
CO 34.44.208 -
кальция (Ca<sup>r</sup>)
0,51
0,83
94 г.
магния (Mg<sup>r</sup>)
0,67
1,10
"-"
железа (Fe<sup>r</sup>)
0,08
0,13
"-"
ванадия (V<sup>r</sup>)
отс.
отс.
"-"
никеля (Ni<sup>r</sup>)
отс.
отс.
"-"
натрия (Na<sup>r</sup>)
1,34
2,2
"-"
калий (K<sup>r</sup>)
0,52
0,85
"-"
неопред. элементы
0,05
0,08
CO 153-344.0-44.220-20001-
7.
Низшая теплота сгорания
(Qi<sup>r</sup>), ккал/кг
3457,91
6052,30
Высшая теплота сгорания
ГОСТ 21261
(Qs<sup>r</sup>), ккал/кг
3979,34
6534,22
3
3
3
Плотность отдельно взятого нефтяного жидкого топлива составляет 0,86 кг/м, мелассы свекловичной обедненной плотность составляет 1,3 кг/м. При смешении двух несмешивающих жидкостей с разными плотностями (меласса свекловичная обедненная и нефтяное жидкое топливо) получили высокостабильную топливную эмульсии с плотностью 1,1 кг/м, которая не имеет отстоя, не расслаивается и может храниться годами. Вода, содержащаяся в мелассе свекловичной обедненной на молекулярном уровне, является своеобразным катализатором, улучшающим процесс горения топлива. На Фиг.10 изображена микрофотография структуры жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной и жидкого нефтяного топлива, простоявшая более 5 месяцев.
Для улучшения теплотехнических свойств полученного жидкого котельного биотоплива возможно добавление различных топливных присадок, например типа: октаноповышающая, цетаноповышающая, депрессорная, депрессорно-диспергирующая и т.д.
На Фиг.11 представлена фотография горения в открытом тигле жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной 75% массовых частей, печного бытового топлива 25% массовых частей с добавлением цетаноповышающей присадки для печного бытового топлива в количестве 0,2% массовых частей. На фотографии видно устойчивое горение, ровное (без разбрызгивания) жидкого котельного биотоплива Для сравнения на Фиг.5. представлена фотография горения в открытом тигле жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной 75% массовых частей и печного бытового топлива 25% массовых частей, без добавления цетаноповышающей присадки для печного бытового топлива. Из Фиг.5 видно не стабильное с разбрызгиванием горение смеси в открытом тигле.
Таким образом, в предложенном способе утилизации мелассы свекловичной обедненной получают за счет кавитирования смеси мелассы свекловичной обедненной и нефтяного жидкого топлива новое жидкое котельное биотопливо как альтернативный вид топлива из возобновляемых источников энергии для сжигания в топках энергетических котлов на предприятиях сахарной промышленности
Нефтяные жидкие топлива, используемые в изобретении по основному назначению, подразделяются на группы и подгруппы в соответствии с Таблицей 3.
Таблица 3
Нефтяные жидкие топлива
Группа топлива
Подгруппа топлива
Обозначение марки топлива
Авиационный
Б
Бензин
Автомобильный
А
Реактивное
Р
Газотурбинное
Для судовых и стационарных энергетических
Г
Дизельное
установок (судовое)
Для быстроходных двигателей (дистиллятное)
Д
Для среднеоборотных и малооборотных
двигателей (смесевое)
ДТ
Флотский
Ф
Мазут
Топочный
М
Мартеновский
МП
Печное
П
Бытовое
Керосин
К
Полученное новое жидкое котельное биотопливо на основе мелассы свекловичной и печного топлива имеет низкую токсичность дымовых газов.
Результаты испытаний приведены в Акте от 20.12.2011 г. (Приложение 1)
Основные преимущества данного способа утилизации:
1. Утилизация мелассы свекловичной обедненной.
2. Безотходное производство дешугаризации мелассы.
3. Получение жидкого котельного биотоплива на основе мелассы свекловичной обедненной и нефтяных жидких топлив, которое может использоваться как альтернативное жидкое котельное топливо, замещающие дорогостоящий природный газ.
4. Снижение энергозависимости на предприятиях сахарной промышленности от энергоснабжающих организаций.
5. Снижение вредных выбросов в атмосферу, за счет использования более экологичного вида топлива.
6. Получение электроэнергии и тепла за счет утилизации мелассы свекловичной обедненной методом сжигания.
7. Экономический эффект за счет сжигания отходов того же производства.