Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ основных принципов обеспечения экологической безопасности при перегрузке и транспортировке нефти и нефтепродуктов 12
1.1 Актуальность проблемы перегрузки и транспорта нефти и нефтепродуктов 12
1.2 Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов 14
1.3. Исследование процессов в слое разлитых нефтепродуктов 16
1.4. Анализ современных технических средств для сбора нефти или нефтепродуктов с поверхности воды 29
1.5. Современные технологии и средства разделения смеси воды и нефтепродуктов 33
1.6. Задачи исследования 41
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование геоэкологических технологий переработки нефтеводяной смеси 45
2.1 Разработка и исследование теоретической модели структуры слоя нефтепродуктов при аварийном разливе 45
2.2. Теоретическое обоснование геоэкологических технологий переработки смеси нефтепродуктов и воды при ликвидации аварийного разлива 48
2.3 Теоретическое обоснование технологии глубокой очистки нефтесодержащей воды 52
2.4. Оптимизация параметров устройств для очистки седиментацией 60
2.5. Выводы 67
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования эффективности очистки нефтесодержащей воды 69
3.1. Методика лабораторных исследований эффективности очистки седиментацией при использовании коагулянтов 69
3.2. Анализ результатов исследования эффективности применения коагулянтов 71
3.3. Результаты экспериментальных исследований технологических схем первичной очистки 79
3.4. Выводы 95
ГЛАВА 4. Разработка технологии утилизации обводненных нефтепродуктов при ликвидации аварийных разливов нефти . 97
4.1. Теоретическая модель дисперсной системы обводненных нефтепродуктов и исследование влияния дисперсности и концентрации воды в обводненных нефтепродуктах на процессы их горения 97
4.2 Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива 103
4.3 Теоретическое обоснование технологии подготовки обводненных нефтепродуктов для использования в качестве топлива при сжигании... 108
4.4. Выводы 110
ГЛАВА 5. Комплекс проектных и технологических решений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов 112
5.1. Береговые очистные сооружения для очистки нефтесодержащей воды 112
5.2. Локальные очистные сооружения ОАО «Металлург» для очистки производственной и поверхностной сточной воды, содержащей нефтепродукты и взвешенные вещества 121
5.3. Локальные очистные сооружения для очистки нефтесодержащей сточной воды 129
5.4. Локальные сооружения для очистки сточной воды 131
5.5. Дооборудование седиментационных емкостей для организации процесса очистки абсорбцией 133
5.6. Комплекс устройств для сжигания обводненных нефтепродуктов и утилизации тепла 135
5.7. Ландшафтные защитные комплексы 141
5.8. Плавучий комплекс для переработки нефтеводяной смеси 149
5.9. Выводы 154
6. Заключение 156
7. Литература 158
Приложения. 168
- Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов
- Разработка и исследование теоретической модели структуры слоя нефтепродуктов при аварийном разливе
- Анализ результатов исследования эффективности применения коагулянтов
- Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива
Введение к работе
Экспорт нефти и нефтепродуктов в настоящее время играет определяющую роль в формировании экономики России, а также в закреплении ее политических позиций в международной жизни. В организации экспорта нефти и нефтепродуктов существенное место занимает водный транспорт.
Одной из наиболее актуальных проблем при организации процесса транспортировки и перегрузки нефти и нефтепродуктов является обеспечение экологической безопасности. Особенности современных технологий и применяемого оборудования для перегрузки и транспортировки нефти и нефтепродуктов во многом определяются необходимостью обеспечения требуемого уровня безопасности транспортных и перегрузочных операций. В то же время известно, что любой техногенный объект или технологический процесс характеризуется определенным уровнем аварийности, который полностью исключить нельзя. Можно только обеспечить допустимый уровень вероятности наступления аварийных ситуаций. А это означает, что одновременно с разработкой и реализацией мероприятий, которые обеспечат требуемый уровень вероятности аварийных случаев, необходимо быть готовым к ликвидации наступивших аварийных ситуаций и ликвидации их последствий.
Современные представления об обеспечении экологической безопасности транспортировки и перегрузки нефти и нефтепродуктов, как правило, отражены пониманием необходимости осуществления комплекса организационных и технических мероприятий для ликвидации аварийных разливов, то есть извлечения нефти или нефтепродуктов с поверхности водоема.
Изучению этой проблемы посвящены работы Альхименко А.И., Айбулатова Н.А., Fay J.A., Buckmaster I., Семанова Г. Н., Крупнова О.Р., Березина И.К., Гиргидова А.А. [1,3,4,20-22,93,100,101]. В этих работах
5 исследованы методы прогнозирования аварийных разливов, процессы движения пятна разлива, в том числе в условиях разного состояния поверхности водного объекта. Данные исследования позволили разработать высокоэффективный комплекс организационных мероприятий и технических средств для ликвидации аварийных разливов.
В настоящее время ведущими зарубежными и российскими предприятиями, выпускающими технические средства для локализации (боновые ограждения) и ликвидации (нефтесборные устройства) аварийных разливов, предлагается достаточно большой выбор этих средств. Наличие разнообразных средств позволяет выполнять работы по локализации и ликвидации аварийного разлива в самых разных местах и ситуациях - на акватории порта, в прибрежной зоне моря, на реках, при волнении, при наличии течения и в других случаях. Предусмотрены различные способы применения средств для сбора нефти или нефтепродуктов с поверхности водоема. Существуют нефтесборные устройства как навесные, так и стационарно установленные на различных плавсредствах.
В то же время конечной целью обеспечения экологической безопасности в области исследуемой проблемы необходимо считать не только извлечение разлитой нефти или нефтепродуктов с поверхности водоема, но восстановление допустимого качества воды и нефтепродуктов, что может быть обеспечено переработкой извлекаемой смеси воды и нефтепродуктов по определенным технологиям с применением ряда технических средств.
Технологии переработки смеси воды и нефтепродуктов будут всецело определяться свойствами этой смеси. В реальных условиях разлива в пятне разлитых нефтепродуктов одновременно наблюдаются различные процессы - испарение, движение (растекание) пятна, разрушение слоя (пленки) нефтепродуктов, биохимические превращения. Эти процессы формируют структуру слоя и прилегающих к нему зон.
Исследования процесса формирования структуры слоя, которые были выполнены в работе, показали, что слой и прилегающие зоны в общем случае представляет собой дисперсные системы разного типа и различными свойствами. Поэтому, в целом, технологии переработки извлекаемой при ликвидации аварийного разлива нефти или нефтепродуктов, их смеси с водой должны включать в себя операции по первичному разделению двухфазной смеси нефтепродуктов и воды, операции по очистке нефтесодержащих вод от нефтепродуктов, операции по подготовке обводненных нефтепродуктов для их утилизации при использовании в качестве топлива.
Проблема очистки нефтесодержащей воды известна и ее решение достигло определенных успехов в разных областях. Этой проблеме посвящены работы Стахова Е.А., Назарова В.А., Зубрилова СП., Решняка В.И., Этина В.Л., Тихомирова Г.И., Листевника Е., Курникова А.С. и других исследователей. Однако, учитывая, что в каждом конкретном случае нефтесодержащая вода представляет собой сложную дисперсную систему, характеризующуюся индивидуальным набором свойств, то и в случае очистки смеси воды и нефтепродуктов, образующейся при ликвидации аварийного разлива, возникает необходимость выбора и обоснования технологии очистки этой воды от нефтепродуктов.
Основными способами очистки нефтесодержащей воды, которые нашли наиболее широкое применение в современных технологиях, являются седиментация, флотация, адсорбция, озонирование. Кроме того, для повышения эффективности процессов очистки применяются такие способы обработки воды, как коагуляция и коалесценция. Выбор и обоснование технологической схемы очистки предполагает, в том числе, выбор наиболее эффективных и наименее затратных способов очистки. Поэтому оптимизация процессов очистки является актуальной частью расчета этих процессов.
В настоящее время при ликвидации аварийных разливов нефтесодержащую воду транспортируют на очистные сооружения, что, как
7 правило, экономически не оправдано, учитывая, что аварийные разливы могут происходить в районах, удаленных от очистных сооружений.
Технология очистки нефтесодержащей воды должна обеспечивать такое качество очистки, при котором очищенная вода может быть сразу же возвращена в водоем. Такое формулирование задачи выбора и обоснования технологии очистки нефтесодержащей воды позволяет снизить затраты на ликвидацию последствий аварийного разлива. Реализация этой задачи требует оптимизации процессов очистки, а также разработки технологических и технических предложений, которые обеспечивают требуемое качество очистки воды при наименьших затратах и которые можно было применять в разных вариантах - стационарных очистных сооружений, передвижных очистных установок, плавучих очистных комплексов.
Извлекаемая при ликвидации аварийного разлива смесь воды и нефтепродуктов представляет сложную композицию, частью которой являются обводненные нефтепродукты. Опыт использования обводненных нефтепродуктов в качестве топлива показывает, что такой способ их утилизации возможен, однако, реализуется не всегда успешно. Исследованиями Иванова В.М. установлена природа процессов горения топливно-водных эмульсий, которая заключается в явлении микровзрыва. Микровзрыв представляет собой явление взрывообразного разрушения распыленной в объеме сжигания капли топлива, внутри которой находится частица воды. В работах Тува И.А., Лебедева О.Н., Гладкова О.А., Лермана Е.Ю. и других исследователей отражен опыт применения в качестве топлива топливно-водных эмульсий. Этот опыт характеризуется неоднозначными результатами. В некоторых случаях сжигание топливно-водных эмульсий не давало положительных результатов.
Анализ этих исследований показывает, что дисперсно-фазовому аспекту исследуемых процессов образования топливно-водных эмульсий, их распылению и горению не придавалось должного значения. В дисперсно-
8 фазовой теории сжигания топливно-водных эмульсий Решняка В.И. показана роль этого аспекта. В соответствии с основными выводами этой теории факторами, определяющими возможность горения топливно-водной эмульсии, являются дисперсность капель распыляемого в объеме горения топлива, а также концентрация и дисперсность частиц воды в топливе. Поэтому при разработке технологии подготовки необходимо определять те значения концентрации воды и дисперсности ее частиц, при которых обеспечивается горение топливно-водной эмульсии в режиме микровзрыва.
Анализ актуальных аспектов проблемы обеспечения экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти и нефтепродуктов позволил сформулировать цель исследований в настоящей работе.
Целью настоящей работы является разработка комплекса геоэкологических технологий и технических средств для переработки смеси воды и нефтепродуктов, образованной в результате аварийных разливов, внедрение которых позволит повысить уровень экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти или нефтепродуктов. Для достижения указанной цели был сформулирован следующий комплекс задач:
исследовать процессы, влияющие на формирование структуры слоя разлитых нефтепродуктов и прилегающих зон;
исследовать структуру образующегося слоя разлитых нефтепродуктов и прилегающих зон;
осуществить выбор и обоснование технологий переработки смеси воды и нефтепродуктов;
теоретически обосновать технологическую схему очистки нефтесодержащей воды;
экспериментально определить эффективность очистки нефтесодержащей воды;
экспериментально определить оптимальные дозы коагулянтов, применяемых для повышения эффективности очистки нефтесодержащей воды;
разработать теоретическую модель дисперсной системы обводненных нефтепродуктов;
определить оптимальные значения параметров дисперсной системы обводненных нефтепродуктов, которые обеспечивают эффективное ее использование в качестве топлива при сжигании;
разработать технические и технологические предложения в части установок и сооружений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов, а также отдельных устройств, обеспечивающих процессы очистки и утилизации.
Объектом исследований является процесс формирования смеси воды и нефтепродуктов, которая образуется при аварийных разливах и их локализации и ликвидации, а также процессы переработки этой смеси с целью восстановления качества ее компонентов, обеспечивающие их дальнейшее использование и предотвращение загрязнения природной среды.
Исследования характеризуются научной новизной, которая заключается в следующем:
разработана теоретическая модель дисперсной системы, которой является смесь нефтепродуктов и воды, образующаяся при аварийных разливах.
разработана и обоснована технология переработки смеси воды и нефтепродуктов, образующейся при аварийных разливах.
разработана методика расчета параметров седиментационных устройств для очистки нефтесодержащей воды.
разработана теоретическая модель структуры дисперсной системы обводненных нефтепродуктов.
получены теоретические зависимости, позволяющие определить диапазон оптимальных значений дисперсно-фазовых характеристик, воды и нефтепродуктов
10 обеспечивающих эффективное сжигание обводненных нефтепродуктов.
Практическая значимость работы. Разработана технология глубокой очистки нефтесодержащей воды, которая была положена в основу ряда проектов очистных сооружений. Разработана технологическая схема подключения и работы адсорбционных фильтров, которая обеспечивает максимальное использование сорбционной загрузки. Получены номограммы для оптимизации размеров седиментационных устройств при их проектировании. На основе экспериментальных исследований определены оптимальные дозы коагулянтов, которые могут быть использованы для обработки воды перед седиментацией, с целью повышения ее эффективности. Определены оптимальные значения дисперсности и концентрации водной фазы воды в обводненных нефтепродуктах, которые обеспечивают их эффективное использование в качестве топлива при сжигании. Разработан ряд технических устройств, которые используются в геоэкологических технологиях переработки смеси воды и нефтепродуктов: теплообменные устройства, дооборудование седиментационного устройства, блоки фильтров, комплекс для сжигания обводненных нефтепродуктов, плавучий очистной комплекс. На теплообменные устройства получены авторские свидетельства.
Материалы и результаты исследования были использованы при разработке курса дисциплины «Экологическая безопасность при перегрузке нефти и нефтепродуктов в портах» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.
Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях специалистов в области охраны окружающей среды МО СССР (Чита -1987 г.; Воронеж - 1989 г.; Санкт-Петербург - 1992 г.); на международном российско-финском семинаре «Технологии очистки сточных вод. Современные комплексы очистных сооружений» (Финляндия, Тампере, 2000 г.); на семинарах главных инженеров ФГУП «Росморпорт» (Туапсе -
2005 г.; Балтийск - 2006 г.); международной конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Санкт-Петербург, 2004 год), международной конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Мурманск, 2006 год), на международном научно-методическом семинаре «Образование в области ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (Финляндия, Порвоо, 2006 год), на научно-практическом семинаре «Локальные очистные сооружения для очистки нефтесодержащих стоков» (Санкт-Петербург -Таллинн, 2006 год); на международной конференции «Инновационные технологии очистки сточной воды» (Германия, Вильнсдорф, 2006 г.); на международном семинаре «Современные направления в очистке сточной воды. Финский опыт» (Финляндия, Хамина, 2006 г.).
Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов
Анализ актуальных аспектов проблемы обеспечения экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти и нефтепродуктов позволил сформулировать цель исследований в настоящей работе.
Целью настоящей работы является разработка комплекса геоэкологических технологий и технических средств для переработки смеси воды и нефтепродуктов, образованной в результате аварийных разливов, внедрение которых позволит повысить уровень экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти или нефтепродуктов. Для достижения указанной цели был сформулирован следующий комплекс задач: — исследовать процессы, влияющие на формирование структуры слоя разлитых нефтепродуктов и прилегающих зон; — исследовать структуру образующегося слоя разлитых нефтепродуктов и прилегающих зон; — осуществить выбор и обоснование технологий переработки смеси воды и нефтепродуктов; — теоретически обосновать технологическую схему очистки нефтесодержащей воды; — экспериментально определить эффективность очистки нефтесодержащей воды; — экспериментально определить оптимальные дозы коагулянтов, применяемых для повышения эффективности очистки нефтесодержащей воды; — разработать теоретическую модель дисперсной системы обводненных нефтепродуктов; — определить оптимальные значения параметров дисперсной системы обводненных нефтепродуктов, которые обеспечивают эффективное ее использование в качестве топлива при сжигании; — разработать технические и технологические предложения в части установок и сооружений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов, а также отдельных устройств, обеспечивающих процессы очистки и утилизации. Объектом исследований является процесс формирования смеси воды и нефтепродуктов, которая образуется при аварийных разливах и их локализации и ликвидации, а также процессы переработки этой смеси с целью восстановления качества ее компонентов, обеспечивающие их дальнейшее использование и предотвращение загрязнения природной среды. Исследования характеризуются научной новизной, которая заключается в следующем: 1. разработана теоретическая модель дисперсной системы, которой является смесь нефтепродуктов и воды, образующаяся при аварийных разливах. 2. разработана и обоснована технология переработки смеси воды и нефтепродуктов, образующейся при аварийных разливах. 3. разработана методика расчета параметров седиментационных устройств для очистки нефтесодержащей воды. 4. разработана теоретическая модель структуры дисперсной системы обводненных нефтепродуктов. 5. получены теоретические зависимости, позволяющие определить диапазон оптимальных значений дисперсно-фазовых характеристик, воды и нефтепродуктов обеспечивающих эффективное сжигание обводненных нефтепродуктов. Практическая значимость работы. Разработана технология глубокой очистки нефтесодержащей воды, которая была положена в основу ряда проектов очистных сооружений. Разработана технологическая схема подключения и работы адсорбционных фильтров, которая обеспечивает максимальное использование сорбционной загрузки. Получены номограммы для оптимизации размеров седиментационных устройств при их проектировании. На основе экспериментальных исследований определены оптимальные дозы коагулянтов, которые могут быть использованы для обработки воды перед седиментацией, с целью повышения ее эффективности. Определены оптимальные значения дисперсности и концентрации водной фазы воды в обводненных нефтепродуктах, которые обеспечивают их эффективное использование в качестве топлива при сжигании. Разработан ряд технических устройств, которые используются в геоэкологических технологиях переработки смеси воды и нефтепродуктов: теплообменные устройства, дооборудование седиментационного устройства, блоки фильтров, комплекс для сжигания обводненных нефтепродуктов, плавучий очистной комплекс. На теплообменные устройства получены авторские свидетельства. Материалы и результаты исследования были использованы при разработке курса дисциплины «Экологическая безопасность при перегрузке нефти и нефтепродуктов в портах» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций. Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях специалистов в области охраны окружающей среды МО СССР (Чита -1987 г.; Воронеж - 1989 г.; Санкт-Петербург - 1992 г.); на международном российско-финском семинаре «Технологии очистки сточных вод. Современные комплексы очистных сооружений» (Финляндия, Тампере, 2000 г.); на семинарах главных инженеров ФГУП «Росморпорт» (Туапсе 2005 г.; Балтийск - 2006 г.); международной конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Санкт-Петербург, 2004 год), международной конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Мурманск, 2006 год), на международном научно-методическом семинаре «Образование в области ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (Финляндия, Порвоо, 2006 год), на научно-практическом семинаре «Локальные очистные сооружения для очистки нефтесодержащих стоков» (Санкт-Петербург -Таллинн, 2006 год); на международной конференции «Инновационные технологии очистки сточной воды» (Германия, Вильнсдорф, 2006 г.); на международном семинаре «Современные направления в очистке сточной воды. Финский опыт» (Финляндия, Хамина, 2006 г.).
Разработка и исследование теоретической модели структуры слоя нефтепродуктов при аварийном разливе
Как было показано в предыдущем разделе, в пятне разлитых нефтепродуктов происходят различные процессы, которые приводят к формированию структуры слоя и его дисперсно-фазовых свойств.
При контакте нефтепродуктов с водой и их перемешивании под действием ветра и волн будет происходить образование смеси воды и нефтепродуктов. Такая смесь будет неоднородной, так как концентрация частиц воды и нефтепродуктов по высоте слоя нефтепродуктов и воды будет разной. Вблизи к поверхности контакта концентрация частиц нефтепродуктов и воды будет больше. Учитывая динамический характер действия сил ветра и волн, размер частиц нефтепродуктов и воды в процессе взаимного диспергирования будет также разным.
Теоретически можно предположить, что, в конечном счете, действие всех вышеупомянутых процессов и факторов приводит к формированию определенной структуры слоя смеси воды и нефти или нефтепродуктов при их аварийном разливе на поверхности природного водного объекта (см. рис. 2.1). Рассматривая слой разлитых нефтепродуктов и прилегающие к нему области, можно выделить несколько характерных зон [23]: 1 - зона, в которой нефть или нефтепродукты находятся в виде паров в воздухе; 2 - зона, которая является частью слоя нефти или нефтепродуктов и представляет собой дисперсную систему типа «вода в нефти», в которой концентрация нефти, как правило, существенно превышает концентрацию воды; 3 - зона, которая является частью слоя нефти или нефтепродуктов и представляет собой дисперсную систему типа «вода в нефти», в которой концентрация воды заметно больше, чем в предыдущей зоне; 4 - зона, которая является частью самого нижнего слоя нефти или нефтепродуктов и которая в зависимости от свойств нефти или нефтепродуктов и состава воды, может представлять собой дисперсную систему как типа «вода в нефти», так и систему типа «нефть в воде»; 5 - зона, которая является частью верхнего слоя воды и которая в зависимости от свойств нефти или нефтепродуктов и состава воды, может представлять собой дисперсную систему как типа «нефть в воде», так и систему типа «вода в нефти»; 6 - зона, которая является частью слоя воды и которая представляет собой дисперсную систему типа «нефть в воде» с концентрацией нефти существенно меньше концентрации воды; 7 - зона, которая является частью слоя воды и которая представляет собой дисперсную систему типа «нефть в воде» с незначительными значениями концентрации нефти. Зоны 2 и 3 будет представлять собой эмульсии типа «вода в нефти». Причем концентрация водяной фазы в зоне 3 будет больше, чем в зоне 2. Однако, можно предположить, что концентрация частиц воды будет существенно ниже того предела, при котором может наблюдаться их коагуляция. Другими словами - смесь нефтепродуктов с водой в зоне 2 и 3, будет представлять собой устойчивую эмульсию типа «вода в нефти» с концентрацией воды не более 0,1-0,15. 8 зоне 4 концентрации частиц воды или нефтепродуктов могут принимать высокие значения. Отношение этих концентраций будет определяться стремлением эмульсии к образованию определенного типа эмульсии, что в свою очередь определяется, например, присутствием вязких углеводородов в пятне разлива. Учитывая, испарение нефтепродуктов с поверхности разлива, можно предположить, что зона 4 будет представлять собой устойчивую эмульсию типа «вода в нефти» с высоким содержанием воды - до 0,6-0,7. Зона 5 содержит частицы нефтепродуктов, которые отрываются от слоя нефтепродуктов при его разрушении. Та доля этих частиц, которая обладает меньшими размерами, диффундирует в толщу воды в зоны 6 и 7. Наиболее крупные частицы будут возвращаться в слой. Зоны 6 и 7 представляют собой водную среду, в которой присутствуют нефтепродукты, то есть представляют собой эмульсию типа «нефть в воде». Их концентрация в зоне 6 будет больше, чем в зоне 7. В целом эти зоны характеризуются незначительными значениями концентрации нефтепродуктов - 0,001-0,01 Процессы коагуляции частиц нефтепродуктов в этих зонах практически будут отсутствовать.
Таким образом, предложенная теоретическая модель структуры слоя нефтепродуктов и ее исследование показывает, что пятно разлитых нефтепродуктов является неоднородным. Рассматривая изменение структуры слоя можно выделить несколько характерных зон и отметить отсутствие четкой границы раздела двух фаз - нефтепродуктов и воды. Выделенные зоны представляют собой дисперсные системы различного типа с разными свойствами.
Как было сформулировано выше, конечной целью ликвидации последствий аварийного разлива нефти или нефтепродуктов является максимально возможное восстановление первоначальных свойств компонентов смеси, то есть воды и нефти или нефтепродуктов или утилизацию этих компонентов. В настоящей работе не рассматривается проблема предотвращения загрязнения атмосферного воздуха испаряющимися нефтепродуктами.
Анализ принципа действия и типов конструкции нефтесборщиков, а также результаты исследования теоретической модели слоя нефтепродуктов и прилегающих зон, позволяют предложить следующие технологии переработки смеси воды и нефтепродуктов.
Первичное разделение смеси целесообразно осуществлять при, так называемой, операции на акватории, то есть одновременно с действиями по извлечению нефтепродуктов с поверхности водоема (см. рис. 2.2).
Анализ результатов исследования эффективности применения коагулянтов
В настоящей работе были проведены экспериментальные исследования эффективности очистки нефтесодержащей воды по разным технологическим схемам, которые включали использование коагуляции. С целью обеспечения достоверности полученных результатов исследованиям по определению эффективности технологических схем предшествовали опыты по определению оптимальных доз коагулянтов.
Как известно [44,47,48,17], коагуляция является одним из наиболее распространенных и эффективных способов обработки воды, которые позволяют повысить эффективность седиментации или флотации.
Механизм коагуляции достаточно хорошо изучен [27,28]. Поэтому новые исследования в этой области, как и в настоящей работе, относятся к исследованию эффективности коагуляции для конкретных условий ее применения.
Исследования проводились с льяльной, балластной водой, поверхностным стоком и водой водоема (с акватории). В качестве коагулянтов использовались сульфат алюминия (AbCSO ) и оксихлорид алюминия (А1(ОН)С15).
Сернокислый алюминий имеет невысокую стоимость, хорошо растворим в воде, не требует особых условий при применении и обладает хорошей коагулирующей способностью. Однако, его эффективность заметно снижается при низких температурах очищаемой воды. Оксихлорид алюминия получают в виде раствора или твердого вещества. Раствор оксихлорида алюминия смешивается с водой в любых отношениях, не токсичен, долго храниться. По результатам измерений остаточной концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ были построены зависимости их концентрации от дозы коагулянта. Оптимальная доза коагулянта определялась по минимальному значению концентрации загрязняющих веществ в очищаемой воде. Экспериментальное определение оптимальных доз коагулянтов осуществлялась следующим образом. Для опытов в лабораторных условиях использовалась вода натурального происхождения. Опыты для каждой категории сточной воды отличались дозой коагулянта. Каждый опыт проводился в химическом стакане емкостью 2 литра. Каждый опыт включал в себя следующие операции: — подача реагента в сточную воду и интенсивное перемешивание в течение 1 минуты; — процесс коагуляции в течение 15 минут, при медленном перемешивании; — седиментация примесей - взвешенных веществ и нефтепродуктов в течении 30 минут. После завершения указанных операций выполнялся анализ исследуемых проб очищаемой воды на содержание нефтепродуктов и взвешенных веществ. При этом учитывалось (см. рис. 3.1), что в начале опыта загрязняющие вещества равномерно распределены в объеме пробы. После добавления коагулянта и седиментации часть загрязнений выделялась из основного (на рис. 3.1. выделен пунктирной линией) объема пробы. В основном объеме пробы часть загрязнений оставалась. Эта часть загрязнений определялась при последующем анализе. Количество опытов с каждым значением дозы коагулянта было таким, чтобы минимальное количество результатов определения концентрации нефтепродуктов в соответствии с рекомендациями [29,55] составляло не менее 8 и взвешенных веществ - не менее трех. Результат измерения определялся как среднее арифметическое значение по нескольким пробам [90]. Относительная погрешность измерений не превышала 5-8% , что для данного вида определения является вполне допустимым. Для определения эффективности применения коагуляции как способа обработки воды, который повышает эффективность седиментации и флотации начальным шагом программы экспериментальных исследований являлось проведение опыта по очистке седиментацией без применения коагуляции. Результаты опыта по очистке указанных категорий сточных вод от взвешенных веществ седиментацией без коагуляции приведены в табл. 3.1. Кинетические кривые (см. рис. 3.2) вышеописанного опыта показывают, что наиболее значительное снижение концентрации взвешенных веществ наблюдалось в первые 1-2 часа седиментации. Эффективность применения коагулянтов определялась по наибольшей эффективности процесса очистки седиментацией указанных категорий сточной воды после добавления коагулянта.
Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива
Процессам горения посвящено достаточно большое количество исследований. К наиболее фундаментальным из них относятся работы Ландау Л.Д., Зельдовича Я.Б., Льюиса Б., Канторовича Б.В., Вулиса Л.А., Тейлора Х.С., Пиза Р.Н. и некоторые другие [64-66,70,80].
Одним из направлений развития способов сжигания жидких топлив является применение топливных эмульсий.
К одним из первых объяснений особенностей горения топливно-водной эмульсии относятся работы Канторовича Б.В., Иванова В.М. и их коллег [32,67,68]. Этими авторами были исследованы особенности поведения капли эмульсии топлива и воды в среде нагретого воздуха, а результаты исследований были обобщены в теорию, получившую название - теория микровзрыва.
Такая физическая модель, основанная на явлении микровзрыва, подтверждается кинограммами горения капли эмульгированного топлива, полученными при скоростной киносъемке [67,68 ].
Теория микровзрыва основывается на микроописании явления, то есть на изучении поведения отдельной капли эмульгированного топлива. Однако, такой подход позволил объяснить многие стороны процесса горения топливно-водной эмульсии, и главное, показать, что обводненное топливо способно гореть, давая при этом определенный положительный эффект.
При организации процесса сжигания топливно-водной эмульсии в режиме микровзрыва могут наблюдаться следующие положительные эффекты - дополнительное распыление топлива в объеме сгорания, изменение динамики тепловыделения, обеспечение более полного сжигания продуктов горения, что в свою очередь приводит к снижению дымности и уменьшению содержания вредных веществ в отработавших газах.
Последующие исследования по применению топливных эмульсий, например, в судовых двигателей внутреннего сгорания и котлах [29,71] с методологической точки зрения относятся к исследованию этого процесса на макроуровне. В этих работах изучено влияние топливно-водной эмульсии на эффективность работы двигателей внутреннего сгорания и котлов, их к.п.д., расход топлива и другие характеристики.
Например, в работе [29] по сжиганию обводненных мазутов и нефтеостатков в судовых котлах было показано, что в определенных концентрациях присутствие воды не ухудшает параметров процесса сжигания мазута в судовых котлах. Оптимальным содержанием воды считается 20 - 30%. В этих работах высказывается как предположение, что в вода в топливе должна содержаться в виде дисперсной фазы, дисперсные частицы которой должны быть равномерно распределены в топливе.
В исследованиях школы Лебедева О.Н. [71] подтверждается возможность использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания водотопливных эмульсий. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что процесс сгорания топливно-водной смеси может значительно отличаться от сгорания чистых топлив. Как правило, сгорание эмульсий протекает с более высокими скоростями и более интенсивным выделением теплоты. В определенных пределах обводненности топлива (в зависимости от топлива и типа двигателя) повышается экономичность работы двигателя.
Однако, авторы работы [72] по проблеме использования топливно-водной эмульсии в своих исследованиях не смогли получить положительный эффект от использования топливных эмульсий, делая при этом вывод, что эффективность работы двигателей внутреннего сгорания на топливных эмульсиях в большей степени зависит только от количества воды. Анализ работ, посвященных проблеме использования топливных эмульсий, показывает, что существующие теоретические модели этих процессов не могут объяснить всех их особенностей и, прежде всего из-за, отсутствия представлений об этих процессах как процессах, происходящих в дисперсных системах. Впервые о большом значении дисперсности частиц воды в процессе использования водотопливных эмульсий в качестве топлива было сказано в работах [73,74].
Развивая основные положения этих работ, исследуем влияние дисперсности и концентрации водной фазы на процесс сжигания обводненных нефтепродуктов.
Для исследования условий, которые оказывают влияние на процесс образования обводненного топлива и его горения, была разработана следующая теоретическая модель дисперсной системы, которая представляет собой смесь нефтепродуктов и воды [83]. Весь объем топливно-водной смеси можно представить состоящим из отдельных элементарных объемов, равных тем, которые при распылении форсункой образуют отдельные капли топлива. Указанные элементарные объемы топлива на рис. 4.1 выделены пунктирными линиями. На рисунке также показаны капли воды которые могут иметь разную величину.
