Применение камер пульсирующего горения в технологии обезвоживания водо-нефтяных эмульсий

УДК 536.138

Г. И. Павлов, С. М. Кириченко, М. И. Фарахов,

С. Ю. Гармонов, А. Ю. Козиков

ПРИМЕНЕНИЕ КАМЕР ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВОДО-НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Приведено описание технологии обезвоживания водо-нефтяных эмульсий с использованием камер пульсирующего горения и пленочного кипения жидкости. Представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на опытно-промышленной установке.

В настоящее время на нефтяных промыслах Республики Татарстан запасы нефтеш-лама составляют 250 тыс. т, а ежегодный его прирост составляет 25-50 тыс. т. Не решена проблема, связанная с отходами и в сфере переработки сырой нефти. По официальным данным ежегодно на нефтеперерабатывающих предприятиях отрасли образуется до 500 тыс. т. нефтешламов. На практике имеются технологии, направленные на ликвидацию этих нефтяных отходов. Однако из-за низких экономических показателей существующие технологии не нашли широкого применения. В связи с этим создание высокоэкономичной, простой и надежной технологии переработки нефтяных шламов у нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий находится в числе первоочередных задач.

К одному из труднорешаемых и затратных этапов переработки нефтешлама следует отнести удаление воды из устойчивой водо-нефтяной эмульсии. Имеется множество способов разделения воды от углеводородов: выпаривание, термопрессинг, фильтрование, основанное на осмосе, использование различных поверхностно-активных веществ (ПАВ), обработка водо-нефтяной эмульсии высокочастотными колебаниями, электрофизический метод и т.д. Как показывает практика, наиболее простым и надежным способом удаления воды является выпаривание. Наряду с преимуществами данного способа, очевиден и его негативный фактор - высокая себестоимость переработки нефтешлама. Все имеющиеся огневые аппараты по выпариванию воды функционируют на товарном топливе: природном газе или жидком топливе. Стоимость углеводородного топлива растет быстрыми темпами, и она становится определяющим фактором экономической целесообразности применения технологии выпаривания в целом.

Данная работа посвящена модернизации огневого блока, предназначенного для выпаривания воды. Эффективность работы блока повышается благодаря двум техническим решениям:

1. применением в качестве горелочного узла камеры пульсирующего горения;

2. организацией прямого контакта высоконагретых газов с водо-нефтяной эмульсией, подаваемой в зону обработки в виде пленки.

Техническое решение 1. Главным фактором снижения себестоимости является использование в технологическом процессе продукта переработки нефтешлама - тяжелой нефтяной фракции, заменяющей товарное топливо. Однако при его сжигании был замечен ряд трудностей, подобных сжиганию жидких горючих отходов производств.

Жидкими горючими отходами считают [1] отходы с низшей теплотой сгорания более 8,4 МДж/кг. Теплоту сгорания отходов следует подсчитывать как теплоту сгорания влажного топлива О в МДж/кг по формуле

О =(100 - — - А)-°-- 2,5 —

100 100

где О" - низшая теплота сгорания сухих горючих компонентов отхода, МДж/кг; W и А -содержание соответственно воды и негорючих минеральных веществ в отходе, %; 2,5 -скрытая теплота испарения воды при 0оС, МДж/кг.

В работе [2] показано, что теплота сгорания жидких отходов не является надёжным показателем их горючести, поскольку не связана однозначно с жаропроизводительностью в оС, рассчитываемой по формуле

О"

1 = ----------—----------

ж W А ,

ус +-----— + са

100 100

где V и с - соответственно выход и средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания

3 3

горючих компонентов отхода, м /кг и МДж/(м трад); Wcw и Аса - средняя массовая теплоемкость соответственно водяных паров и негорючих минеральных веществ отхода при їж, МДж/(кгград).

Жидкие производственные отходы становятся горючими при разных значениях теплоты сгорания в зависимости от теплоты сгорания горючих компонентов и принадлежности их к тем или иным классам соединений. Рекомендация относить к горючим жидкие отходы при О > 8,4 МДж/кг является завышенной для многих производственных отходов, содержащих горючие компоненты с низкими значениями О", но с высокой жаропро-изводительностью (например, нитросоединения). Более объективным показателем горючести жидких производственных отходов является их адиабатическая температура горения

О + п,.Лї№ + ау -°дП,Л,д

W А

ус + С^- + —^

100 100

где СТйб - средняя массовая теплоемкость жидкого отхода, МДж /(кг-град); 1Тйб - температура жидкого отхода, С.

При сжигании водных растворов некоторых органических веществ и кубовых остатков ряда производств, достаточно устойчивое и полное их сгорание в камерах с небольшими потерями тепла в окружающую среду (около 5%) наблюдается при > 1300оС, причем эта температура (-адиабатная) необходима и достаточна для самостоятельного горения отходов.

Сжигание жидких отходов - сложный физико-химический процесс, состоящий из различных физических и химических стадий, процесс более сложный и длительный по сравнению с горением газа. В общем случае суммарная скорость процесса горения жидкого горючего определяется скоростями протекающих элементарных процессов: прогрева, испарения и распыла жидких компонентов, смешения паров с дымовыми газами и химической реакции в газовой фазе. Последнее включает следующие процессы: окисление органических и минеральных веществ с образованием нетоксичных газообразных продуктов (СО2, Н2О, N2); окисление органических соединений металлов и взаимодействие образующихся окислов металлов с дымовыми газами с образованием минеральных солей и других соединений (карбонизация, сульфатизация и т.п.); окисление органических соединений серы, фосфора и галогенов с образованием газообразных кислот, их ангидридов и

других соединений (оксидов серы, хлорида, фторида водорода, фосфорных кислот, элементного йода и др.). При наличии в отходе минеральных примесей процесс осложняется образованием твердых или расплавленных минеральных частиц, уносимых из камеры сгорания с дымовыми газами. Испарение капель жидких отходов может сопровождаться такими явлениями, как вторичное дробление капель в газовом потоке и на стенках камеры сгорания, микровзрывы капель. Из-за стадии гетерогенного горения коксового остатка и сажи (это сопутствует горению большей части жидких отходов) по сравнению со сжиганием газа практически нельзя обеспечить короткофакельное сжигание. Кроме того, значительная часть жидких отходов содержит сложные высокомолекулярные углеводородные соединения, склонные к термическому разложению, как в паровой, так и в жидкой фазе. Это часто является причиной закоксовывания форсунок и образования коксовых отложений на стенках камер сгорания.

На динамику суммарного процесса горения жидкого горючего в топке существенное влияние оказывает процесс распыления. Эффективность распыления в значительной мере зависит от распыливающего устройства. В настоящее время отсутствуют универсальные по применению устройства распыления, в связи с их различными характеристиками. Многообразие требований, предъявляемых к процессу распыления материалов при решении конкретных практических и технических задач, привело к разработке и созданию устройств распыления с использованием различных физических процессов для формирования мелкодисперсного потока [3,4].

При диспергировании жидкости широко используются гидравлические распылители или гидравлические форсунки. Недостатком устройств является неоднородность потока, сложность регулирования расхода жидкости. Так же трудно реализовать распыление высоковязких жидкостей.

Наилучшее качество распыливания обеспечивают пневматические или паровые форсунки высокого давления. Однако их использование связано с повышенными эксплуатационными расходами и необходимостью компрессорного или парового хозяйства. Пневматические форсунки низкого давления обеспечивают хорошее распыливание только определённого вида жидких топлив (бензин, керосин, соляр и т.д.).

Перспективны вихревые распылители. Основным преимуществом данного вида распылителя является однородное диспергирование при различных расходах материала. Возможно распыление жидкости различной вязкости с механическими включениями. Жидкость разбивается на мелкодисперсные капли благодаря большой относительной скорости закрученного потока и высоким градиентам давления. Достоинством устройства является простота конструкции. К недостатку распылителя следует отнести необходимость использования специального оборудования, вырабатывающего сжатый воздух.

Механические центробежные форсунки, несмотря на малые затраты энергии на распыл, простоту конструкции, компактность, возможность получения больших и заданных углов распыла, по качеству распыливания жидкости заметно уступают пневматическим. Кроме форсунок, широко используются механические распылители, в которых дробление осуществляется с помощью движущихся элементов. К основным недостаткам механических распылителей следует отнести высокую стоимость, наличие сложного и громоздкого привода, высокую энергоёмкость.

Наиболее перспективным представляется распыление жидкости в акустическом поле [3, 5-9]. Устройства, в которых осуществляется такое распыление, называются акустическими распылителями. В химической технологии широко используются ультразвуковые акустические форсунки, в которых акустические колебания подводятся через жидкость

или газ. Механизм распыления этих форсунок подробно описан в работах [3, 5, 6]. В настоящее время ультразвуковые акустические колебания нашли применение и в теплотехнике. В частности, пароакустические форсунки широко используются в горелках для сжигания лёгкого и тяжёлого топлива. Разработаны конструкции пароакустических форсунок с расходом топлива до 6000 л/ч. Используемые устройства работают в частотном диапазоне от 13 до нескольких сотен кГц.

В некоторых работах отмечается положительное влияние пульсирующей на низких частотах колебаний газовой или жидкой среды на механизм распыливания жидкости. Обосновывается это следующим: в форсунках значительная часть энергии распыливаемой жидкости затрачивается на ускорение движения капель и на потери при вязкой деформации. Известно, что дробление капель жидкости обусловлено потерей устойчивости течения в струях и пленках вследствие образования на их поверхности неустойчивых волн. Поэтому наложение пульсаций на поток распыливаемой жидкости должно приводить к увеличению поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и более тонкому диспергированию. Такое распыливание называют пульсационным. Сущность пульсацион-ного распыливания состоит в том, что возникающие при истечении струи возмущения, вызывающие дробление жидкости, усиливаются в результате искусственно создаваемых пульсаций. При этом возможны два принципиально отличных способа наложения пульсаций. По первому способу создаются пульсации расхода жидкости - как правило, за счет перекрывания проходных каналов или соплового распылителя. По второму способу создаются (возбуждаются) колебания давления перед форсункой с помощью поршневого пульсатора. Для реализации этих способов используются различные устройства, например, центробежно-струйных пульсационных форсунки с прерывателем, имеющим механический привод и с возбудителем - поршневым пульсатором давления. Частота пульсаций изменялась от 5 до 250 Гц, перепад давления от 0 до 1,2 МПа. Отмечено, что наложение пульсаций на поток распыливаемой жидкости вызывает сканирование и пульсацию формы факела, которые могут быть полезны в ряде технологических аппаратов, поскольку способствует турбулизации и перемешиванию фаз; пульсирующие струи распыленной жидкости характеризуются меньшими размерами капель, чем непульсирующие.

Активизировать потерю устойчивости струи и пленки жидкости можно также наложением на поток распыливающего агента низкочастотных пульсационных составляющих. Наиболее эффективна камера пульсирующего горения [3,9,10]. Важными факторами, влияющими на эффективность распыления топлива в таких камерах, являются: режим работы камеры (амплитуда и частота пульсаций, средняя скорость и температура газового потока), массовый расход и теплофизические свойства распыляемой жидкости, конструкция устройства для ввода топлива в камеру, место его расположения в камере.

Опыты показали, что наложением на поток распыливающего агента (продуктов сгорания) низкочастотных пульсационных составляющих весьма эффективно можно сжечь нефтешламы, «ловушечную» нефть и т.д. При сжигании замечено:

1. Высокая полнота сгорания.

2. Возможность безфорсуночного распыления жидкого горючего.

3. Самоочищение внутренних стенок камеры от твердых отложений.

Резюмируя вышеописанное, можно отметить, что главным достоинством пульсаци-

онных горелок, безусловно, является возможность получения дешевой тепловой энергии за счет сжигания горючих отходов. Предлагаемые горелки могут использоваться в различных отраслях народного хозяйства. На основе горелок пульсационного горения можно разработать экономичные воздухоподогреватели для подогрева гаражей, боксов, зданий для об-

служивания техники и т.д. Например, горелки для асфальтных заводов, битумогрейные котлы для выпаривания воды, водогрейные устройства различного назначения, асфальто-разогреватели и т.д.

Техническое решение 2. Для удаления воды водо-нефтяную эмульсию необходимо нагреть до температуры испарения. Как правило, нагрев эмульсии осуществляется в трубчатых теплообменниках, в которых тепло от продуктов сгорания жидкости передается через стенку. В таких устройствах эффективность нагрева водо-нефтяной эмульсии главным образом зависит от суммарной площади поверхности теплообменника и коэффициента теплопередачи через стенку. Трубчатые теплообменники громоздкие, металлоемкие и ограничены в ресурсе. Наиболее перспективным представляется нагрев водо-нефтяной эмульсии в нагревательных устройствах, в которых высоко нагретые продукты сгорания напрямую контактируют с эмульсией. Например, в противоток газообразным продуктам сгорания можно организовать пленочное истечение водо-нефтяной эмульсии. Ниже описана технология обезвоживания жидких отходов производств, в которой реализовано данное техническое решение.

Рис. 1 - Схема технологической линии по обезвоживанию водо-нефтяных эмульсий: 1 -дымовая труба; 2 - дымосос; 3 - теплообменник; 4 - реактор; 5 - бойлер; 6 - камера пульсирующего горения; 7 - бак; 8 - емкость - теплообменник; 9 - емкость для готовой продукции

Исходное сырье (водо-нефтяная эмульсия) заливается в емкость 7, которая одновременно служит теплообменником. Из емкости 7 эмульсия подается в реактор 4 по радиально расположенным на стенке отверстиям. В эту же зону тангенциально подается воздух, который формирует пленку жидкости по всей внутренней поверхности реактора. В противоток водо-нефтяной эмульсии вдоль оси реактора движутся высоко нагретые продукты сгорания, которые истекают из камеры пульсирующего горения. В качестве топлива в камере пульсирующего горения используется обезвоженные жидкие отходы. В реакторе факел пламени на пленку жидкости воздействует напрямую. Со стороны продуктов сгорания жидкость претерпевает интенсивное тепловое воздействие - за счет лучистого и кон-

вективного теплообмена. В результате этого, водная фракция испаряется, а часть испаренных жидких углеводородов, перемешиваясь с воздухом сгорает. При этом мощность факела пламени существенно увеличится. Из нижней части реактора основная часть обезвоженной водо-нефтяной эмульсии направляется в емкость - теплообменник 8. Обезвоженная эмульсия по мере движения по трубчатому теплообменнику, расположенному в емкости 8 охлаждается, одновременно подогревая исходное сырье и сбрасывается в емкость для готовой продукции.

Истекающие из реактора 4 продукты сгорания направляются в теплообменник 3. Теплообменник наполнен насадками Фарапа, представляющими собой металлические элементы с сильно развитой поверхностью. Насадки газопроницаемы. Требуемое гидравлическое сопротивление теплообменника обеспечивается дымососом 2. При контакте продуктов сгорания с насадками Фарапа последние сильно нагреваются. Сверху на насадки распыляется холодная вода, которая по мере движения вниз подогревается, а затем направляется в бойлер 5. Охлажденные продукты сгорания отсасываются дымососом 2 и по трубе 1 выбрасываются в атмосферу. Опыты показали, что реализованные технические решения, суть которых описаны выше, позволяют существенно снижать себестоимость обезвоживания водно-нефтяных эмульсий.

Литература

1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.: Химия, 1979. 424 с.

2. Шурыгин А.П., Черненко Н.А., Бернадинер М.Н. // Химическая промышленность. 1975. № 8. С.28-31.

3. Аэрозоли-пыли, дымы и туманы /Под ред. Н.А.Фукса. Л.: Химия, 1969.

4. ГОСТ 23.941-79. Шум. Методы определения шумовых характеристик. Ощие требования. М.: Издательство стандартов, 1979.

5. Борисов Ю.Я. Мощные газоструйные излучатели звука и интенсификации технологических процессов: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук / М.: АКИН, 1984. 41 с.

6. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1983. 190 с.

7. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей // Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1984.

8. Погер М.А., Экнадиосян О.К. Пневмоакустическое распыление жидкости // Акустический журнал. 1974. Т.20. № 4. С.602-607.

9. Павлов Г.И. Павлов Г.И., Борисов С.Н. О распыле жидкости в пульсирующей газовой среде // Наука и инновационные технологии для регионального развития. Сб статей Всероссийской научно-практической конфереции. Пенза, № 3. С. 113-116.

10. Павлов Г.И. Разработка наукоемкой технологии по термическому обезвреживанию отходов разного класса опасности на основе особенностей неустойчивого горения в камерах сгорания ракетных двигателей: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Казань.: КВАКУ, 2004. 32 с.

© Г. И. Павлов - д-р тех. наук, проф. каф. № 4 КВАКУ; С. М. Кириченко - зав. лаб. кафедры ОХТ КГТУ; М. И. Фарахов - канд. техн. наук, директор ИВЦ «Инжехим»; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. каф. инженерной экологии КГТУ; А. Ю. Козиков - адъюнкт каф. № 4 КВАКУ.