Определение теплотворной способности топливных брикетов на основе нефти и нефтешламов

6. Суровикин Ю. В., Шайтанов А. Г., Дроздов В. А., Резанов И. В., Морозов А. Д. Влияние термоокислительной обработки на структуру и электропроводность частиц нанодисперсного технического углерода // Химия твердого топлива. 2014. № 6. С. 67-78.

7. Malard L. M. Pimenta M. A., Dresselhaus G., Dresselhaus M. S. Raman spectroscopy in graphene // Physics Reports. 2009. Vol. 473. P. 51-87.

УДК 662.818.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ НА ОСНОВЕ НЕФТИ И НЕФТЕШЛАМОВ

О. А. Федяева, Е. Г. Пошелюжная, Э. М. Рахматулина, В. А. Захаров, Д. А. Кулешов, Т. Е. Фисенко

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-229-232

Аннотация - Утилизация и обезвреживание нефтешламов является одной из важных экологических проблем нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Наиболее простым и экономически выгодным способом утилизации нефтешламов является использование их в составе брикетированного котельного топлива. В данной работе определена высшая теплотворная способность сырой нефти, нефтешламов и топливных брикетов, изготовленных на их основе. Задачей исследования явилось проведение технического анализа нефтяных топлив на содержание в них аналитической влаги, зольного остатка и летучих веществ. Установлено, что по сравнению с нефтешламами сырая нефть обладает большей высшей теплотворной способностью, имеет меньшую влажность и зольность. Высшие теплотворные способности котельных брикетов, изготовленных из образцов сырой нефти, нефтешламов и торфа, составили 14 - 26 МДж/кг.

Ключевые слова: нефтешламы, топливные брикеты, теплотворная способность.

I. Введение

Одной из важнейших экологических проблем нашей страны и всего мира стало загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами, которые оказывают негативное действие на почву, поверхностные воды и геологическую среду [1-4]. Мировой и отечественный опыт разработки нефтяных месторождений показал, что современные технологии добычи нефти не исключают её разлива. Подсчитано, что около 16,5% нефти теряется при её добыче, подготовке, транспортировке и переработке. В настоящее время на предприятиях нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности накоплено около 4,5 миллиона тонн нефтешламов [5, 6]. Нефтешламы представляют собой жидкие, пастообразные или твёрдые отходы, состоящие из нефти или нефтепродуктов, воды и твёрдых частиц (песка, глины, оксидов металлов) [7]. Они образуются при бурении скважин, подготовке нефти к транспортировке, в системе оборотного водоснабжения, при очистке сточных вод, ремонте оборудования и чистке резервуаров. Нефтешламы классифицируют на три основные группы: грунтовые, придонные и резервуарные. Грунтовые шламы образуются при попадании нефтепродуктов на почву, придонные - при оседании нефти на дно водоемов, резервуарные - при хранении и перевозке нефтепродуктов в емкостях. Сырая нефть содержит частицы грунта, воду, соли и газы. Эти примеси вызывают коррозию оборудования, поэтому нефть перед транспортировкой очищают. Вода после удаления из нефти закачивается в нефтяной пласт, а механические примеси образуют с нефтью грунтовый нефтешлам.

Резервуарные нефтешламы образуются в результате физико-химического взаимодействия нефтепродуктов с водой, кислородом воздуха, механическими примесями и стенками резервуара. Как показали исследования многих авторов [8, 9], состав резервуарных нефтешламов изменяется в широких пределах: углеводороды -5-90%, вода - 1-52 %, твердые примеси - 0,8-65 %. Соответственно изменяются плотность (830 - 1700 кг/м3), температура застывания (270 - 353 К) и температура вспышки (308 - 393 К) нефтешламов.

В настоящее время в России находится в эксплуатации более 40 тысяч горизонтальных и вертикальных цилиндрических резервуаров различной ёмкости для хранения нефти и нефтепродуктов. При длительном хранении резервуарные нефтешламы разделяются на отдельные слои, имеющие различные свойства. Верхний слой представляет собой обводненный нефтепродукт с содержанием мелкодисперсных механических примесей до 5 %. Он относятся к классу эмульсий «вода в масле». В его состав входят 70-80 % масел, 6-25 % асфальтенов,

7-20 % смол, 1-4 % парафинов, 5-8 % воды. Органическая часть верхнего слоя нефтешлама по свойствам и составу близка к исходному нефтепродукту, хранящемуся в резервуарах. Средний слой содержит 70-80 % воды и 1,5-15 % механических примесей. Он представляет собой эмульсию типа «масло в воде». Следующий слой полностью состоит из водного раствора солей. Придонный слой представляет собой твердую фазу, состоящую из органики - до 45 %, воды - до 25 %, твердых механических примесей и ржавчины - 52-88%.

Существует несколько направлений использования нефтешламов. При обезвоживании и сушке этих отходов возможен их возврат в производство для последующей переработки по существующим схемам в целевые продукты [10]. Возможно также использование нефтешлама в бурении в качестве добавки к буровым растворам, в производстве строительных материалов (фасадной плитки, бетона, кирпича, керамзита, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов), дорожном строительстве, топливной индустрии (получение мазута, брикетированных твёрдых топливных материалов), пирометаллургии (извлечение V, Li, В, Sr, Sc, Ge и др.) [11, 12].

Существует мнение, что сжигание нефтешламов является экологически грязным способом их утилизации. Однако, экспериментальные данные по оценке содержания бенз(а)пирена в выбросах различных предприятий г. Кургана показали, что в выбросах котельных, работающих на природном газе, бенз(а)пирена больше, чем в котельных, использующих нефть и смесь угля с газом [13]. Так, выбросы бенз(а)пирена котельных, работающих на газе, составляют 1341 нг/м3, работающих на газе и угле - 594,7 нг/м3, работающих на нефти - 718,9 нг/м3, работающих на мазуте - 1219,1 нг/м3, работающих на угле - 2633,1 нг/м3. На основании этих данных можно заключить, что использование нефтешламов в качестве добавки в брикетированное котельное топливо экологически обосновано. Нефтешламы можно применять в смесях с торфом, угольной пылью, опилками или другими дешевыми горючими веществами. Их содержание в брикетах не должно превышать 30-40 % масс. В качестве связующего материала можно использовать лигнин - лигносульфонат, 3,4-полиизопрен, эпоксидную смолу и др.

В настоящей работе для изготовления топливных брикетов был использован торф. Он хорошо адсорбирует содержащиеся в нефтешламах полиядерные, непредельные и ароматические углеводороды и обладает высокой теплотворной способностью.

II. Постановка задачи

Целью нашей работы было определение высшей теплотворной способности топливных брикетов, изготовленных из смесей нефтяных топлив и торфа. Задачей исследования явилось проведение технического анализа образцов сырой нефти, грунтовых и резервуарных нефтешламов на содержание в них аналитической влаги, зольного остатка и летучих веществ. Образцы нефтяных топлив были взяты на месторождении «Пионерный» Тюменской области.

III. Теория

Высшую теплотворную способность образцов нефтяных топлив рассчитывали по данным технического анализа с использованием формулы Гуталя:

Qb = 82 • K + а • VG ,

где К - содержание нелетучего беззольного остатка, %;

VG - содержание летучих веществ по отношению к горючей массе топлива, %; а - коэффициент, зависящий от выхода летучих веществ.

Технический анализ топлива включал определение в пробах аналитической влаги по методу Дина и Старка, содержания золы и выхода летучих веществ при длительном и кратковременном нагревании проб при 1073±25 К соответственно [14].

Содержание аналитической влаги в пробе топлива (в %) вычисляли по формуле:

Wa = v0 • 100% ,

где V - объём пробы топлива, см3;

Vo - объём воды в приёмнике-ловушке, см3.

Содержание летучих веществ по отношению к горючей массе топлива (в %) определяли по формуле:

v - v 100

"г, = Уд--,

g a 100-wa-aa '

где VA - содержание летучих веществ по отношению к аналитической пробе топлива, %; Аа - содержание зольного остатка в пробе топлива, %. Значения VA и Аа рассчитывали с использованием формул:

g

V = — • 100 - W ;

i

G^

Аа = — • 100% ,

а Gl

где в: - масса навески топлива, г; в2 - масса золы, г.

Содержание нелетучего беззольного остатка в пробе топлива (в %) находили из выражения:

К = 100 - ^ + Аа).

IV. Результаты экспериментов Результаты технического анализа нефтяных топлив представлены в табл. 1

ТАБЛИЦА 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ

Нефтяное топливо Сырая нефть Резервуарный нефтешлам Грунтовый нефтешлам

Содержание аналитической влаги % 0,84 8,40 2,44

Содержание летучих веществ по отношению к аналитической пробе топлива VА, % 42,19 58,55 27,56

Содержание летучих веществ по отношению к горючей массе топлива VG, % 42,90 70,38 29,90

Содержание нелетучего беззольного остатка К, % 56,98 33,04 67,04

Содержание зольного остатка Аа , % 0,83 8,41 5,40

Коэффициент а 76 50 93

Высшая теплотворная способность Ов, МДж/кг 33,19 26,06 23,27

В табл. 2 представлены высшие теплотворные способности нефтяных топлив и топливных брикетов, изготовленных из образцов нефтяного топлива и торфа.

ТАБЛИЦА 2

ВЫСШАЯ ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ И ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ

Высшая теплотворная способность QВ, МДж/кг

Сырая нефть Резервуарный нефтешлам Грунтовый нефтешлам

33,19 26,06 23,27

Смесь: 30 % нефтяного топлива + 70 % торфа

16,96 - 26,76 14,82 - 24,62 13,98 - 23,78

V. Обсуждение результатов Сравнительный анализ нефтяных топлив (табл. 1) показал, что резервуарные нефтешламы содержат наибольшее количество воды (8,40 %) и зольного остатка (8,41 %). Эти шламы имеют самый высокий выход летучих веществ (70,38 %). Этот показатель для грунтовых нефтешламов и сырой нефти составляет 29,90 и 42,90 % соответственно. В отличие от нефтешламов, сырая нефть обладает наибольшей теплотворной способностью - 33,19 МДж/кг, меньшей зольностью и влажностью. Учитывая, что наличие воды в нефтешламах и сырой нефти снижает образование сажи при их сжигании, исследуемые нефтяные топлива можно использовать для изготовления брикетированного котельного топлива. В качестве наполнителя брикетов был выбран торф, так как он хорошо адсорбирует органические вещества и обладает высокой теплотворной способностью (10-24 МДж/кг). В табл. 2 представлены результаты определения высшей теплотворной способности котельных брикетов, изготовленных из образцов нефтяного топлива и торфа (70 % масс торфа + 30 % масс нефтяного топлива). Полученные значения высшей теплотворной способности брикетов составили 14 - 26 МДж/кг.

Таким образом, совместное использование торфа и нефтяных топлив в виде брикетов является перспективным и экономически выгодным способом утилизации нефтешламов различного типа, так как шламовая влага заменяет водяной пар, добавляемый в зону горения при бездымном сжигании топлива.

VI. Выводы

С использованием данных технического анализа по формуле Гуталя определена высшая теплотворная способность нефтяных топлив. Для сырой нефти она составила 33,19 МДж/кг, для нефтешламов - 23-26 МДж/кг. Теплотворные способности котельных брикетов, изготовленных из нефтяных топлив и торфа, составили 14 - 26 МДж/кг.

Список литературы

1. Ермашова Н. А., Огнетова М. П., Лушникова С. В., Волков В. М. Исследование влияния нефтехранилища на загрязнения геологической среды // Экология и промышленность России. 2004. № 12. С. 32-36.

2. Соромотин А. В. Нефтяное загрязнение земель в зоне средней тайги Западной Сибири // Экология и промышленность России. 2004. № 8. С. 8-11.

3. Бачурина Б. А., Одинцова Т. А. Проблемы диагностики и контроля нефтяных загрязнений природных геосистем // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2005. № 9-10. С. 79-84.

4. Хаустов А. П., Редина М. М. Экологические проблемы оценки образования нефтешламов при авариях // Экологический вестник России. 2011. № 7. С. 34-39.

5. Мазлова Е. А., Меньшикова И. А. Шламовые отходы нефтегазовых компаний // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 1. С. 20-23.

6. Боковикова Т. Н., Шпербер Е. Р., Трухан Е. А., Гусева Н. И., Шпербер Д. Р. Классификация и система обращения с отходами первичной переработки нефти // Нефтепереработка и нефтехимия. 2013. № 11. С. 36-40.

7. Мазлова Е. А., Мещеряков С. В. Экологические характеристики нефтяных шламов // Химия и технология топлив и масел. 1999. № 1. С. 40-42.

8. Вайсман Я. И., Глушанкова И. С., Рудакова Л. В., Дьяков М. С. Исследования физико -химических свойств и термической деструкции отходов нефтеперерабатывающих предприятий // Научные исследования и инновации. 2010. Т. 4, № 3. С. 21-27.

9. Ибатуллин Р. Р., Мутин И. И. Исследование свойств нефтешламов и способы их утилизации // Нефтяное хозяйство. 2006. № 11. С. 116-118.

10. Федяева О. А. Промышленная экология: конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. 144 с.

11. Минигазимов Н. С., Расветалов В. А., Минигазимов И. Н., Тарраф А. Техника и технология утилизации нефтяных отходов. Уфа: Гилем, 2010. 316 с.

12. Барахнина В. Б. Использование нефтешлама в качестве вторичного материально-сырьевого ресурса // Экологический вестник России. 2011. № 9. С. 16-21.

13. Неволина З. А. Загрязнение атмосферного воздуха г. Курган бенз(а)пиреном // Всероссийская конференция по проблемам стойких органических загрязнителей, 28-29 октября 2009 г. / М.: Центр международных проектов. С. 109-113.

14. Белянин Б. В., Эрих В. Н., Корсаков В. Г. Технический анализ нефтепродуктов и газа. Л: Химия, 1986. 224 с.