Анализ температурных характеристик процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы в установке с использованием технологии реагентного капсулирования

Из рис. 4 видно, что максимальное значение соответствует ширине ребра, равной 0,054 м. Оребрение поверхности жаровой трубы приводит к снижению плотности теплового потока, а из-за повышения температуры теплоносителя между ребер процесс теплообмена с кипением теплоносителя будет начинаться при меньшей плотности теплового потока (q > 40 кВт/м2) и, в свою очередь, восходящие пузырьки усиливают конвективные явления пристеночной области и не дают шламу оседать на жаровой трубе.

VI. Выводы и заключение

Предложенная конструкция жаровой трубы котла снижает скорость образования наносных отложений до 50 % и обеспечивает скопление шлама в нижней части котла, окуда его легко удалить при помощи продувки.

Список литературы

1. Kakac S. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design // Taylor Francis Inc, United States. 2012. 491 p.

2. Chenoweth J. M. Fouling problems in heat exchangers // Heat Transfer in High Technology and Power Engineering / Editors W. K. Yang, and Y. Mori. Washington, D. C.: Hemisphere Publishing Corp., 1987. 406 р.

3. Garrett-Price B. A., Smith S. A., Watts R. L., Knudsen J. G., Marner W. J., and Suitor J. W. Fouling of Heat Exchangers: Characteristics, Costs, Prevention, Control, and Removal // Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey. 1985. P. 9-20.

4. Васильев А. В. [и др.]. Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов // Промышленная энергетика. 1998. № 7. С. 19-21.

5. Липов Ю. М., Третьяков Ю. М. Котельные установки и парогенераторы. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. 588 с.

6. Глебов В. П. [и др.]. Внутритрубные образования в паровых котлах сверхкритического давления. М.: Энергоатомиздат, 1983. 240 с.

7. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.

8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 // ANSYS, Inc. Southpointe 275 Technology Drive, Canonsburg : PA 15317, 2006. 312 p.

УДК 62-9

АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ В УСТАНОВКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ

РЕАГЕНТНОГО КАПСУЛИРОВАНИЯ

ANALYSIS OF TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF THE PROCESS NEUTRALIZATION OIL-CONTAMINATED SOIL IN INSTALLATION WITH USE OF TECHNOLOGY REAGENT

CAPSULATION

Л. О. Штриплинг, Е. Г. Холкин, А. Е. Гаглоева, С. В. Белькова

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

L. O. Shtripling, E. G. Kholkin, A. E. Gagloeva, S. V. Belkova

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Рассматривается методика проведения экспериментального исследования технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования в установке. В ходе эксперимента определены основные температурные характеристики технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы при различных концентрациях углекислого газа в зоне обезвреживания. Полученные температурные характеристики позволяют оценить время, необходимое для осуществления процесса обезвреживания. Анализ результатов эксперимента показал, что при обезвреживании нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентно-го капсулирования очень важно учитывать температурные условия окружающей среды. Для обезвреживания нефтезагрязненной почвы при отрицательных температурах окружающей среды обязательно требуется интенсивная подача углекислого газа в зону обезвреживания. Подача углекислого газа в зону

обезвреживания увеличивает время рабочего цикла установки для обезвреживания до 50%. При этом процесс обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсули-рования полностью завершается и полученный капсулированный материал сразу после выгрузки из установки будет прочным и безопасным для окружающей природной среды.

Ключевые слова: установка для обезвреживания, нефтезагрязненная почва, реагентное капсулирова-ние.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-173-178

I. Введение

В современном мире загрязнение почвы нефтепродуктами очень часто происходит по причинам возникновения различных аварийных ситуаций. Основными источниками загрязнения и возникновения аварийных ситуаций являются транспорт, перевозящий нефтепродукты, эксплуатируемые машины и оборудование по добыче, хранению и транспортировке углеводородов. Загрязняющим веществом может являться как сама нефть, так и продукты ее переработки, например: бензин, дизельное топливо или различные виды масел [1-3]. Для снижения последствий загрязнения разработаны и применяются различные виды оборудования и технологии для обезвреживания нефтезагрязненной почвы [4, 5]. Принцип работы наиболее часто применяемого оборудования для обезвреживания нефтезагрязненной почвы основан на экстракции нефтепродуктов с применением специальных дорогостоящих растворителей (экстрагентов) или промывке почвы в водных растворах, содержащих поверхностно-активные вещества. При выборе способа обезвреживания важно учитывать, что практически всё оборудование и технологии эффективны только при положительных температурах окружающей среды [6-10]. При этом необходимо обратить внимание, что арктическая зона Российской Федерации, Сибирь и Дальний Восток занимают значительную территорию России и отличаются от других регионов страны особыми природно -климатическими условиями, в частности длительным периодом отрицательных температур. Самой главной проблемой обезвреживания нефтезагрязненной почвы в условиях отрицательной температуры окружающей среды является то, что загрязненная почва находится в замороженном состоянии [11-14]. Поэтому для нормального осуществления процесса обезвреживания требуется дополнительная энергия, чтобы растаять смерзшиеся куски загрязненной почвы. Для решения этой проблемы авторами статьи была разработана конструкция установки [15], для обезвреживания в условиях отрицательной температуры нефтезагрязненной почвы с использованием адаптированной к условиям Сибири и Арктики технологии реагентного капсулирования [16]. В основу разработки конструкции установки заложен принцип использования для оттаивания смерзшихся кусков загрязненной почвы тепловой энергии, которая выделяется на каждом этапе процесса обезвреживания. Другая важная особенность конструкции установки заключается в кратковременной принудительной подаче углекислого газа до высокой концентрации непосредственно в установку на заключительной стадии процесса обезвреживания. Высокая концентрация углекислого газа в зоне обезвреживания нефтезагрязненной почвы позволяет значительно ускорить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий на открытом воздухе. Конечным продуктом обезвреживания нефтезагрязненной почвы является капсулированный материал, представляющий собой мелкодисперсную смесь и по внешнему виду похожий на обыкновенный песок.

Проведенные расчеты [17] показали, что для оттаивания 1 кг смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы необходимо 424.4 кДж, а в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания такого же количества нефтезагрязненной почвы выделяется 2332.25 кДж. Анализ результатов [17] показывает, что тепловой энергии, которая выделяется в результате химического взаимодействия воды и реагента при обезвреживании почвы, загрязненной нефтепродуктами, вполне достаточно для успешного осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы в зимних условиях.

II. Постановка задачи

Задачей исследования является экспериментальное определение основных характеристик технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования (температура реакции, время обезвреживания).

III. ТЕОРИЯ

При экспериментальном исследовании технологического процесса реагентного капсулирования нефтеза-грязненной почвы в установке для обезвреживания контролируемым параметром являлась температура химической реакции. По полученным значениям температуры определялось время начала и окончания химической

реакции, а также время, которое необходимо для обезвреживания порции нефтезагрязненного материала. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

смерзшиеся куски

нефтезагрязненная почда, 1 реагент Шесть!, боба

внутренняя полость И стенке корпуса заполненная теплоносителем

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы

Для измерения температуры внутри смесителя и бункера для оттаивания смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы использовались термоэлектрические преобразователи (термопары) из медь-медьникелевого сплава (тип Т) с рабочим диапазоном -185°...300° ± 0.5°С.

Важной отличительной особенностью рассматриваемой установки является то, что в процессе обезвреживания нефтезагрязненной почвы при отрицательной температуре окружающей среды в бункере происходит оттаивание смерзшихся комков нефтезагрязненной почвы за счет тепла, аккумулируемого теплоносителем, который находится во внутренней полости стенки корпуса.

Экспериментальное исследование технологического процесса реагентного капсулирования нефтезагрязненной почвы проводилось в следующей последовательности:

- нефтезагрязненная почва вместе с известью в соотношении, согласно рекомендациям [18], вручную загружалась при включенном приводе перемешивающего устройства в смеситель;

- количественный состав загружаемых в смеситель компонентов определялся таким образом, чтобы суммарный объем обрабатываемой массы не превышал 60 % от внутреннего объема смесителя;

- после поступления в смеситель нефтезагрязненной почвы с известью включался прибор для измерения температуры перемешиваемой массы и начинался отсчет времени процесса гомогенизации до получения однородной смеси (фиксировалось визуально);

- в полученную смесь добавлялась вода, после чего начиналась химическая реакция с образованием гид-роксида кальция и повышением температуры;

- гидроксид кальция взаимодействовал с углекислым газом, находящемся в окружающей среде (в первом случае концентрация не превышала 0.05%, а во втором случае в зону обезвреживания осуществлялась интенсивная подача углекислого газа);

- при взаимодействии гидроксида кальция с углекислым газом начинали формироваться микрокапсулы, покрытые оболочкой из труднорастворимого карбоната кальция, а внутри оболочки находилось загрязняющее вещество;

- окончание процесса обезвреживания совпадало с началом падения температуры в зоне обезвреживания до значения, при котором осуществлялась загрузка нефтезагрязненной почвы и извести в смеситель;

- полученный капсулированный материал выгружался наружу и укладывался на специальной площадке отдельными партиями, из которых отбирались пробы для последующих исследований физико-химических свойств капсулированного материала

IV. Результаты экспериментов В первой части эксперимента исследовался процесс обезвреживания нефтезагрязненной почвы [18], когда формирование микрокапсул начиналось внутри смесителя при взаимодействии с углекислым газом, находящимся в атмосфере. Результаты эксперимента представлены на рис. 2 в виде диаграммы, на которой отмечены характерные точки.

80 70 60 50

и

о 40

Ш С_

X -

2 О

ь

30

С

> / / ( \ * \ ; / / < ч \ X \ \

/ * 1 \ э V 1 ! X 1 1 X \ > с \

1 1 / 1 V \ * * * 1 1 1 \ \ \ к

А В / / / / \ \ / / / к 1 *

/ 1 \ К Б Л / <г > С ,Х- ->

Р абочин ц пел усташ )ВКИ

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Время, мм.

Рис. 2. Температурная характеристика технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы в установке

Нефтезагрязненная почва вместе с известью загружалась в смеситель (рис. 2, точка А), и затем начинался процесс гомогенизации (перемешивания) до получения однородной смеси (рис. 2, точка В). После этого в полученную смесь добавлялась вода (рис. 2, точка В) и начиналась химическая реакция с образованием гидрокси-да кальция и резким выделением тепла (рис. 2, до точки С). Постепенно происходила химическая реакция между гидроксидом кальция и углекислым газом, который находится в атмосфере и его концентрация не превышает 0.05%. Затем происходило медленное снижение температуры в смесителе до начального значения (рис. 2, точка D), что свидетельствовало об окончании процесса обезвреживания. Сразу после этого капсулированный материал выгружался наружу для дальнейшего упрочнения сформировавшихся оболочек микрокапсул. Этот способ обезвреживания нефтезагрязненной почвы подходит только для использования при положительной температуре окружающего воздуха.

Во второй части эксперимента, результаты которого представлены на рис. 3, исследовался процесс обезвреживания нефтезагрязненной почвы, когда формирование микрокапсул начиналось внутри смесителя при взаимодействии с углекислым газом, который принудительно подавался в смеситель в момент начала формирования микрокапсул. Этот момент наблюдался спустя некоторое время после начала химической реакции, сопровождающейся резким выделением тепла, когда температура в смесителе начинала незначительно снижаться (рис. 3, точка D). После подачи углекислого газа в смеситель наблюдалось снова резкое увеличение температуры (рис. 3, до точки Е). Затем в течение 30 минут происходило медленное снижение температуры в смесителе до начального значения (рис. 3, точка F), после чего осуществлялась выгрузка капсулированного материала из установки.

160

140

120

100

80

60

40

20

-20

-40

Е

> X д / V \ > / с \ \

1 1 1 V > 1 1 1 1 1 1 »

1 1 1 V > 1 1 1 1 1 \

> С Б Ж / Г 1 1 > X ( \ 1

?< / 1 1 1 X / / ( 1 1

А \ 1 Б 1-Х-) / 1 1 >

') 1 0 2 0 3 Рабоч! 0 4 й цикл 0 5 уетанс 0 6 вки 0 7 0 8 0 9 0 к )0 1 о к ¡о 1: 0 1' -X ю 1; Темпе 0 1< ратура 50 1 нутри с 70 18 месител

Время, мин.

-Темература почвы в бункере

Рис. 3. Температурная характеристика технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы

в установке с принудительной подачей углекислого газа

Интенсивная подача углекислого газа до высокой концентрации непосредственно в установку на заключительной стадии процесса обезвреживания, совмещенная с перемешиванием, позволяет завершить процесс формирования микрокапсул и начать процесс упрочнения оболочек капсулированного материала внутри установки. Полученный таким способом капсулированный материал сразу после выгрузки из установки будет иметь прочную, водонепроницаемую, безопасную для окружающей природной среды оболочку из карбоната кальция. Этот способ обезвреживания нефтезагрязненной почвы подходит для использования как при положительной, так и при отрицательной температуре окружающего воздуха.

V. Обсуждение результатов Полученные температурные характеристики технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы в установке позволяют оценить время, которое потребуется для осуществления процесса обезвреживания (рис. 2, рис. 3). Несмотря на то, что подача углекислого газа в зону обезвреживания увеличивает длительность рабочего цикла установки до 50%, она необходима, если процесс обезвреживания осуществляется в условиях отрицательной температуры окружающей среды. Так как в этом случае очень важно получить капсулиро-ванный материал, который сразу после выгрузки из установки будет иметь прочную, водонепроницаемую и безопасную для окружающей среды оболочку из карбоната кальция.

VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе эксперимента определены температурные характеристики технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования при различных концентрациях углекислого газа в зоне обезвреживания.

Существуют особенности при обезвреживании нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования при различных температурных условиях окружающей среды. Для обезвреживания нефтезагрязненной почвы при отрицательных температурах окружающей среды обязательно требуется интенсивная подача углекислого газа в зону обезвреживания. Подача углекислого газа в зону обезвреживания увеличивает до 50% время рабочего цикла установки для обезвреживания. При этом процесс обезвреживания нефте-загрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования полностью завершается и полученный капсулированный материал сразу после выгрузки из установки будет прочным и безопасным для окружающей природной среды.

Список литературы

1. Adebiyia F. M., Adeyemia A. F. Characterisation of the petroleum hydrocarbons-contaminated soils around a petroleum products depot // Chemistry and Ecology. 2010 Vol. 26 (2). P. 137-146. DOI:10.1080/02757541003627712.

2. Adebiyia F. M., Afediaa M. O. The Ecological Impact of Used Petrochemical Oils on Soil Properties with Special Reference to Physicochemical and Total Petroleum Hydrocarbon Contents of Soils around Automobile Repair Workshops // Energy Sources. Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2011. Vol. 33 (16). P. 1556-1565. DOI:10.1080/15567030903397883.

3. Revill Andrew T., Snape Ian, Lucieer Arko, Guille Daniel. Constraints on transport and weathering of petroleum contamination at Casey Station, Antarctica // Cold Regions Science and Technology. 2007. Vol. 48 (2). P. 154 - 167. DOI: 10.1016/j.coldregions.2007.01.001.

4. Walworth James, Pond Andrew, Snape Ian, Rayner John, Ferguson Susan, Harvey Paul. Nitrogen requirements for maximizing petroleum bioremediation in a sub-Antarctic soil // Cold Regions Science and Technology. 2007. Vol. 48 (2). P. 84-91. DOI: 10.1016/j.coldregions.2006.07.001.

5. Delille Daniel, Pelletier Emilien, Coulon Frederic. The influence of temperature on bacterial assemblages during bioremediation of a diesel fuel contaminated subAntarctic soil // Cold Regions Science and Technology. 2007. Vol. 48 (2). P. 74-83. DOI: 10.1016/j.coldregions.2005.09.001.

6. Zhang B., Huang G. H., Chen B. Enhanced Bioremediation of Petroleum Contaminated Soils through Cold-adapted Bacteria // Petroleum Science and Technology. 2008. Vol. 26 (7-8). P. 955-971. DOI: 10.1080/10916460701825604.

7. Manzetti S. Remediation Technologies for Oil-Drilling Activities in the Arctic: Oil-Spill Containment and Remediation in Open Water // Environmental Technology Reviews. 2014. Vol. 3 (1). P. 49-60. DOI: 10.1080/21622515.2014.966156.

8. Li Guanghe, Zhang Xu, Huang Wei. Enhanced biodegradation of petroleum hydrocarbons in polluted soil // Journal of Environmental Science & Health Part A. 2008. Vol. 35 (2). P. 177-188. DOI: 10.1080/10934520009376962.

9. Welander U. Microbial Degradation of Organic Pollutants in Soil in a Cold Climate // Soil and Sediment Contamination: An Intern. 2005. Vol. 14 (3). P. 281-291. DOI: 10.1080/15320380590928339.

10. Barnes David L., Filler Dennis M. Spill evaluation of petroleum products in freezing ground // Polar Record. 2003. Vol. 39 (4). P. 385-390. DOI: 10.1017/S0032247403002961.

11. Chuvilin E. M., Naletova N. S., Miklyaeva E. C., Kozlova E. V. Factors affecting spreadability and transportation of oil in regions of frozen // Polar Record. 2001. Vol. 37 (202). P. 229-238 DOI: 10.1017/S003224740002725X.

12. Barnes D. L., Wolfe S. M. Influence of Ice on the Infiltration of Petroleum into Frozen Coarse-grained Soil // Petroleum Science and Technology. 2008. Vol. 26 (7-8). P. 856-867. DOI: 10.1080/10916460701824508.

13. Fourie Walter J., Barnes David L., Shur Yuri. The formation of ice from the infiltration of water into a frozen coarse grained soil // Cold Regions Science and Technology. 2007. Vol. 48 (2). P. 118-128. DOI:/10.1016/j.coldregions.2006.09.004.

14. Barnes David L., Wolfe Sarah M., Filler Dennis M. Equilibrium distribution of petroleum hydrocarbons in freezing ground // Polar Record. 2004. Vol. 40 (3). P. 245-251. DOI: 10.1017/S0032247404003602.

15. Пат. 157884 Российская Федерация, МПК В 09 С 1/08. Установка для обезвреживания нефтезагрязнен-ных почв, грунтов и нефтешламов / Ларионов К. С., Холкин Е. Г., Штриплинг Л. О. № 2015130193/13; заявл. 21.07.2015; опубл. 20.12.2015, Бюл. № 35.

16. Ларионов К. С., Холкин Е. Г., Штриплинг Л. О. Ликвидация последствий аварийных разливов нефтепродуктов в Арктической зоне России с использованием технологии реагентного капсулирования // Арктика: экология и экономика. 2017. № 1 (25). С. 120-129.

17. Shtripling L. O., Kholkin E. G. Development of Provisions for Oil Contaminated Soil Neutralizing in the Conditions of Siberia and the Arctic // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876 (1). DOI: 10.1063/1.4998848.

18. Штриплинг Л. О., Токарев В. В., Гержберг Ю. М. [и др.]. Переработка и утилизация нефтешламов и нефтезагрязненных материалов, образующихся в местах добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья: моногр. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 176 с.