ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2204761

СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕВОДОРОДОВ

СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕВОДОРОДОВ

Имя изобретателя: Филиппов И.А.; Смолянов В.М. 
Имя патентообладателя: Филиппов Игорь Анатольевич; Смолянов Владимир Михайлович
Адрес для переписки: 193015, Санкт-Петербург, а/я 108, В.М.Шаркову
Дата начала действия патента: 2001.05.16 

Изобретение относится к области утилизации промышленных отходов и может найти применение для переработки отходов жидких и загустевших углеводородов с целью их применения в качестве добавки к жидкому тяжелому топливу. Способ переработки и использования отходов углеводородов включает разогрев отходов углеводородов, добавление воды, смешивание отходов углеводородов с тяжелым жидким топливом, диспергирование получаемой смеси для образования водотопливной эмульсии и подачу водотопливной эмульсии на сжигание. Разогрев отходов углеводородов осуществляют до температуры 20-90oС с добавлением либо без добавления воды. Смешивание отходов углеводородов с топливом и диспергирование этой смеси выполняют одновременно в роторно-пульсационном смесителе-гомогенизаторе с рабочим зазором 50-250 мкм и скоростью сдвига не менее 10 м/с, обеспечивая подачу отходов углеводородов и топлива в смеситель-гомогенизатор в соотношении 1:15-1:1,5. Процесс гомогенизации контролируют либо с помощью измерительного микроскопа по пробам водотопливной эмульсии, либо визуально по виду факела горения. При размере частиц дисперсной фазы в пробах водотопливной эмульсии более 10 мкм либо при уменьшении яркости и прозрачности факела горения и при появлении копоти в хвостовой части факела горения повышают число оборотов двигателя смесителя-гомогенизатора или подают часть водотопливной эмульсии с выхода смесителя-гомогенизатора на его вход, или увеличивают подачу топлива в смеситель-гомогенизатор, или уменьшают подачу на его вход отходов углеводородов. Технический результат: обеспечение возможности переработки и использования отходов жидких и загустевших углеводородов практически любого класса, повышение производительности переработки отходов, возможность оперативной корректировки процесса, экономия топлива и ресурсов.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области утилизации промышленных отходов и может найти применение для переработки и использования отходов жидких и загустевших углеводородов (нефть, мазут, дизельное топливо, растительные и минеральные масла, нефтешламы, шламы мазута, парафины, асфальтены и т.п.).

Утилизация отходов углеводородов остается актуальной экологической и технической проблемой. Отходы загустевших углеводородов обычно накапливают и затем отправляют на свалку, загрязняя тем самым окружающую среду. Отходы жидких углеводородов (например, таких как мазут) сливают, как правило, в отстойные сооружения. Отстоявшиеся (подтоварные) воды, содержащие мазут, проходят очистку и сливаются в канализацию, что также наносит значительный вред окружающей среде. Так, при эксплуатации только одной котельной, расходующей за отопительный сезон до 14000 тонн мазута, в очистных сооружениях за год накапливается 90-100 тонн загрязненного мазута. Как известно, в зависимости от сложности системы очистки (количества ступеней) эффективность очистки составляет 78,5-94,3% [1]. Т.е. даже при наличии очистных сооружений при работе одной котельной в канализацию с водой, прошедшей очистку, попадает от 5 до 20 тонн мазута в год.

Таким образом, прямые потери мазута при существующей системе утилизации отходов составляют для одной котельной от 95 до 120 тонн в год.

Существующие способы и установки для переработки и использования отходов углеводородов не обеспечивают эффективного решения проблемы их утилизации. Одна из главных причин этого - нестабильность и неопределенность состава отходов и соотношения входящих в них компонентов.

Известен способ переработки нефтяного шлама путем его термической обработки во вращающейся барабанной печи [2]. Этот способ требует значительных энергетических затрат, но в результате не обеспечивает полной переработки отходов.

Известен также способ переработки и утилизации промышленных отходов смазочных материалов, содержащих минеральные масла [3]. В соответствии с этим способом упомянутые отходы смешивают с нефтепродуктами (в частности, с отработанной смазочно-охлаждающей водно-масляной эмульсией) при температуре 40-60oС и диспергируют при температуре 70-80oС посредством введения ПАВ, в качестве которых используют отходы производства синтетических жирных кислот. После диспергирования полученную смесь перемешивают при комнатной температуре с жидким углеводородом, имеющим вязкость 43-60 сСт, и направляют на сжигание.

К недостаткам данного способа следует отнести: ограниченную область применения - только отходы смазочных материалов; низкую производительность процесса, определяемую как большой длительностью выполнения операции диспергирования, которая составляет несколько часов даже при использовании гидродинамического акустического аппарата ГАРТ-ПР, так и большим числом необходимых операций; необходимость использования ПАВ и дорогостоящего низковязкого (менее 60 сСт) углеводорода.

По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому способу является способ переработки мазутного шлама по изобретению [4], принятый в качестве прототипа. Согласно этому способу, предполагающему сжигание мазутного шлама в составе водотопливной эмульсии, в мазутный шлам вводят диспергирующе-стабилизирующую или полифункциональную присадку к топливу, затем шлам подогревают до 90-100oС и смешивают в соотношении 1:5 - 1:10 с подогретым мазутом, полученную смесь пропускают 1-2 раза через модуль-диспергатор с добавлением 10-20%-ной пресной воды.

Возможности применения способа-прототипа ограничены переработкой только мазутного шлама. Кроме того, из-за операции диспергирования данный способ имеет низкую производительность. Другие его недостатки - необходимость использования присадок к топливу, проблематичность обеспечения нужного соотношения в смеси отходов и топлива и, следовательно, низкое качество получаемой в результате переработки водотопливной эмульсии, отсутствие возможности оперативной корректировки соотношения отходов и топлива, необходимость высокой температуры нагрева смеси из-за резкого увеличения (20-50%) вязкости по отношению к исходному мазуту. Повышение же температуры мазута приводит к увеличению закоксованности форсунок котлов.

Задачей изобретения является обеспечение возможности переработки промышленных отходов практически любых углеводородов, находящихся в жидком либо загустевшем состоянии, и использования их в качестве добавок к тяжелому жидкому топливу без ухудшения его характеристик.

Эта задача решается тем, что в способе переработки и использования отходов углеводородов, включающем разогрев отходов, добавление воды, смешивание отходов с тяжелым жидким топливом, диспергирование получаемой смеси для образования водотопливной эмульсии и подачу водотопливной эмульсии на сжигание, разогрев отходов углеводородов осуществляют до температуры 20-90oС с добавлением либо без добавления воды, смешивание отходов углеводородов с топливом и диспергирование этой смеси выполняют одновременно в роторно-пульсационном смесителе-гомогенизаторе [5] с рабочим зазором 50-250 мкм и скоростью сдвига не менее 10 м/с, обеспечивая подачу отходов углеводородов и топлива в смеситель-гомогенизатор в соотношении 1:15-1:1,5, процесс гомогенизации контролируют либо с помощью измерительного микроскопа по пробам водотопливной эмульсии, либо визуально по виду факела горения при размере частиц дисперсной фазы в пробах водотопливной эмульсии более 10 мкм либо при уменьшении яркости и прозрачности свечения факела горения и при появлении копоти в хвостовой части факела горения повышают число оборотов двигателя смесителя-гомогенизатора, или подают часть водотопливной эмульсии с выхода смесителя-гомогенизатора на его вход, или увеличивают подачу топлива в смеситель-гомогенизатор, или уменьшают подачу на его вход отходов углеводородов. В отходы углеводородов перед их подачей в смеситель-гомогенизатор могут вводиться ПАВ.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности переработки отходов жидких и загустевших углеводородов практически любого класса и их использования в качестве добавки к тяжелому жидкому топливу (в том числе дизельному моторному топливу) без ухудшения его характеристик, в повышении точности соблюдения соотношения отходов углеводородов и топлива и возможности оперативной корректировки этого соотношения, в более высокой производительности переработки отходов углеводородов, в обеспечении возможности длительного (до 1 года) хранения получаемой водотопливной эмульсии, в обеспечении возможности использования водотопливных эмульсий с содержанием воды до 40%, в снижении температуры нагрева отходов до 20-90oС.

Предлагаемое техническое решение явилось результатом длительных экспериментов и исследований процесса гомогенизации смесей отходов углеводородов разного класса с мазутами и другими тяжелыми жидкими топливами, а также исследований свойств таких смесей и процесса их горения. В ходе этих экспериментов и исследований установлено, что при отношении отходов жидких и загустевших углеводородов к топливу в пределах 1:15-1:1,5 ( в зависимости от класса углеводородов) может быть найден такой режим работы роторно-пульсационного смесителя-гомогенизатора, при котором достигается создание монодисперсной водотопливной эмульсии с размером частиц дисперсной фазы в диапазоне 5-10 мкм. При таком размере частиц факел горения имеет высокую яркость и прозрачность. В хвостовой части факела горения практически отсутствует копоть, а значит и сажистые частицы, что говорит о полном сгорании компонентов водотопливной эмульсии. В таком случае не требуется переналадка оборудования и предотвращается закоксованность форсунок.

Важными условиями достижения технического результата являются обеспечение роторно-пульсационным смесителем-гомогенизатором скорости сдвига не менее 10 м/с при рабочем зазоре 50-250 мкм (оптимум 150 мкм) и соблюдение соотношения отходов углеводородов и топлива.

При скорости сдвига менее 10 м/с не достигается нужная степень гомогенизации, размер частиц дисперсной фазы водотопливной эмульсии превышает 10 мкм. Причиной этого является то обстоятельство, что измельчение и гомогенизация осуществляются в роторно-пульсационном смесителе-гомогенизаторе благодаря кавитационным процессам, интенсивность которых резко падает при скорости сдвига менее 10 м/с. Если величина рабочего зазора смесителя-гомогенизатора превышает 250 мкм, снижается измельчающее воздействие на обрабатываемую среду. В случаях, когда величина рабочего зазора меньше 50 мкм, имеет место существенное увеличение потребляемой мощности и снижение производительности. Если отношение отходов углеводородов к основному топливу превышает значение 1:1,5, имеет место уменьшение яркости и прозрачности факела горения, появление копоти в хвостовой части. Эти явления, как показали эксперименты, связаны с увеличением размера частиц дисперсной фазы водотопливной эмульсии до 20-50 мкм и более. Если отношение отходов углеводородов к основному топливу меньше значения 1:15, факел горения отвечает всем нормам, а размер частиц дисперсной фазы водотопливной эмульсии находится в пределах 5-10 мкм. При этом, однако, увеличивается расход основного топлива, ухудшаются экономические показатели.

В соответствии с предлагаемым способом корректировку процесса гомогенизации смеси отходов углеводородов и основного топлива можно осуществить выполнением одного из следующих действий: повышением числа оборотов двигателя смесителя-гомогенизатора, или подачей части водотопливной эмульсии с выхода смесителя-гомогенизатора на его вход, или увеличением подачи топлива в смеситель-гомогенизатор, или уменьшением подачи на его вход отходов углеводородов. Эти операции производят, если размер частиц дисперсной фазы в пробах водотопливной эмульсии превышает 10 мкм, либо, если ухудшаются характеристики факела горения (уменьшение яркости и прозрачности свечения, появление копоти в хвостовой части факела горения).

Возможность оперативной корректировки соотношения в топливной смеси отходов и основного топлива является одним из существенных преимуществ предлагаемого способа, определяемого тем, что смешивание и диспергирование смеси осуществляют одновременно в смесителе-гомогенизаторе. В отличие от этого по способу-прототипу смешивание отходов углеводородов и топлива выполняют в расходном топливном резервуаре, а диспергирование получаемой смеси - в модуле-диспергаторе. Из модуля-диспергатора водотопливная эмульсия возвращается в расходный топливный резервуар и из него же подается на сжигание. Однако в расходном топливном резервуаре помимо водотопливной эмульсии присутствуют неоднородно распределенные по объему основное топливо и отходы углеводородов. Отсюда очевидно, что известный способ не в состоянии обеспечить с приемлемой точностью нужную пропорцию отходов углеводородов и основного топлива, не говоря уже об обеспечении возможности оперативной корректировки этой пропорции.

Повышение производительности переработки отходов углеводородов в предлагаемом способе достигнуто благодаря более высокой эффективности процесса гомогенизации (с указанными выше параметрами) по сравнению с процессом диспергирования в способе-прототипе, требующем значительных затрат времени. Процесс гомогенизации смеси тяжелого жидкого топлива и отходов углеводородов, выполняемый с помощью роторно-пульсационного смесителя-гомогенизатора, обеспечивает вместе с тем возможность получения кондиционных водотопливных эмульсий с содержанием воды до 40%, что не известно ни из научно-технических публикаций, ни из практики приготовления и использования водотопливных эмульсий. Высокая эффективность процесса гомогенизации позволила, кроме того, снизить температуру нагрева отходов по сравнению с прототипом до 20-90oС и тем самым получать экономию энергии.

Что касается количества воды, добавляемой в перерабатываемые отходы углеводородов, то этот вопрос решается в каждом конкретном случае в зависимости от обводненности исходного товарного топлива. Товарные тяжелые, жидкие топлива и отходы жидких углеводородов всегда содержат некоторую долю воды. Поэтому зачастую нет необходимости специального введения воды в отходы жидких углеводородов.

Водотопливные эмульсии, получаемые по предлагаемому способу, сохраняют монодисперсность в течение длительного времени (до 1 года). Это делает необязательным немедленное использование топлива, содержащего переработанные отходы углеводородов, позволяет создавать и хранить запасы такого топлива.

В тех случаях, когда получаемая водотопливная эмульсия направляется на хранение либо в дизельный двигатель (при смешивании жидких отходов углеводородов с дизельным топливом), процесс гомогенизации предпочтительно контролировать с помощью измерительного микроскопа по пробам водотопливной эмульсии, в которых размер частиц дисперсной фазы эмульсии не должен превышать 10 мкм.

В отдельных случаях, в частности при использовании отходов некоторых сортов низкообводненных нефтепродуктов с очень высокой вязкостью, для улучшения процесса гомогенизации в отходы углеводородов целесообразно добавлять известные ПАВ.

Приготовляемые по предлагаемому способу водотопливные эмульсии имеют вязкость, не превышающую вязкость исходного, тяжелого жидкого топлива.

Предлагаемый способ иллюстрирует следующие примеры

Пример 1 . Из расходного топливного резервуара в роторно-пульсационный гомогенизатор ВКИ-3Б подавали с помощью насоса топливный мазут марки М-100, а с помощью второго насоса - подогретые до 80oС жидкие обводненные нефтеостатки. Соотношение отходов углеводородов и топлива, составлявшее 1:5, выдерживалось выбором режима работы насосов и сечения трубопроводов подачи отходов и топлива. Получаемую после гомогенизации водотопливную эмульсию с содержанием воды ~12% подавали насосом на сжигание в форсунки котла типа ДКВР. Размер частиц дисперсной фазы водотопливной эмульсии, определявшийся по пробам с помощью измерительного микроскопа, находился в пределах 5-10 мкм. Факел горения имел яркий, прозрачный цвет. В хвосте факела горения наличия сажистых частиц визуально не отмечалось. После 4-х часов работы яркость и прозрачность факела горения уменьшились. В пробах водотопливной эмульсии размер частиц дисперсной фазы превысил 20 мкм. Посредством подачи части водотопливной эмульсии с выхода смесителя-гомогенизатора на его вход яркость и прозрачность факела горения возвратились к первоочередному состоянию. В пробах водотопливной эмульсии частиц дисперсной фазы не превышал 9 мкм.

Пример 2 . Из расходного топливного резервуара котельной в роторно-пульсационный смеситель-гомогенизатор типа ВКИ-3Б подавали с помощью насоса топливный мазут марки М-100, а с помощью второго насоса подогретую до 40oС обводненную смесь растительных масел (соевое, арахисовое, подсолнечное и т. п. ), полученную путем обмыва моющим средством "О-БИС" рабочих поверхностей линий кондитерского производства, и их последующего отделения от моющего раствора (отходы углеводородов). Отходы углеводородов имели обводненность около 10%. Соотношение отходов углеводородов и топлива составляло 1:5. Размер частиц дисперсной фазы водотопливной эмульсии после прохождения роторно-пульсационного гомогенизатора находился в пределах 5-7 мкм. Котельное оборудование не подвергалось какой-либо регулировке и настройке. Изменения длины факела горения, его яркости и прозрачности не наблюдалось. Сажистые частицы в хвосте пламени отсутствовали. Форсунки не закоксовывались.

Спустя 5 часов уменьшились яркость и прозрачность факела горения, в его хвостовой части появилась копоть. Посредством уменьшения подачи отходов в смеситель-гомогенизатор характеристики факела горения были приведены в норму. Размер частиц дисперсной фазы в пробах водотопливной эмульсии не превышал 10 мкм.

Как видно из описания, предлагаемый способ обеспечивает возможность переработки широкого класса отходов жидких и загустевших углеводородов и использования их в качестве добавки к тяжелым жидким видам топлива без ухудшения качества топлива.

Приведенные примеры свидетельствуют о возможности промышленной реализации изобретения.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Корягин. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. Санкт-Петербург, Недра, 1995, 304 с.

2. А.с. СССР 426109, МПК F 23 G 7/04, опуб. 30.04.74.

3. А.с. СССР 1698579, МПК F 23 G 7/04, опуб. 15.12.91.

4. А.с. СССР 1791673, MПK F 23 G 7/05, опуб. 03.01.93.

5. Патент РФ 2124935, МПК В 01 F 5/06, опуб. 20.01.99.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ переработки и использования отходов углеводородов, включающий разогрев отходов углеводородов, добавление воды, смешивание отходов углеводородов с тяжелым жидким топливом, диспергирование получаемой смеси для образования водотопливной эмульсии и подачу водотопливной эмульсии на сжигание, отличающийся тем, что разогрев отходов углеводородов осуществляют до температуры 20-90oC с добавлением либо без добавления воды, смешивание отходов углеводородов с топливом и диспергирование этой смеси выполняют одновременно в роторно-пульсационном смесителе-гомогенизаторе с рабочим зазором 50-250 мкм и скоростью сдвига не менее 10 м/с, обеспечивая подачу отходов углеводородов и топлива в смеситель-гомогенизатор в соотношении 1: 15-1: 1,5, процесс гомогенизации контролируют либо с помощью измерительного микроскопа по пробам водотопливной эмульсии, либо визуально по виду факела горения, при размере частиц дисперсной фазы в пробах водотопливной эмульсии более 10 мкм либо при уменьшении яркости и прозрачности свечения факела горения и при появлении копоти в хвостовой части факела горения повышают число оборотов двигателя смесителя-гомогенизатора или подают часть водотопливной эмульсии с выхода смесителя-гомогенизатора на его вход, или увеличивают подачу топлива в смеситель-гомогенизатор, или уменьшают подачу на его вход отходов углеводородов.

2. Способ переработки и использования отходов углеводородов по п. 1, отличающийся тем, что в отходы углеводородов, подаваемые в смеситель-гомогенизатор, вводят ПАВ.

Версия для печати
Дата публикации 19.02.2007гг


вверх