Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 7
1.1. Нефть и нефтепродукты - загрязнители грунтовой среды 7
1.2. Поведение нефти и нефтепродуктов при попадании в грунт 11
1.3. Способы и технические средства очистки грунтовых сред, загрязненных нефтепродуктами 13
1.4. Технология ультразвуковой очистки 25
1.5. Оборудование, применяемое при ультразвуковой очистке 29
1.6. Выводы по главе 35
1.7. Цель и задачи исследования 37
2. Методика экспериментальных исследований 39
2.1. Исследуемые технологические параметры процесса очистки 39
2.2. Оборудование и приборы, используемые в экспериментальных исследованиях 43
2.3. План проведения экспериментальных исследований 49
2.4. Методика математической обработки экспериментальных данных 52
3. Экспериментальные исследования основных технологических параметров процесса ультразвуковой очистки грунта 56
3.1. Определение рациональных значений амплитуды смещения излучателя 57
3.2. Определение влияния формы излучателя на технологические параметры очистки грунтового материала 62
3.3. Определение влияния влажности и степени загрязнения грунтового материала на основные технологические параметры процесса ультразвуковой очистки 76
3.4 Определение необходимого количества рабочей жидкости для осуществления процесса ультразвуковой очистки 83
Выводы по главе 86
4. Обоснование технического решения мобильного комплекса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений и разработка методики расчета его параметров 87
4.1. Автоматизированный поиск рациональных технических решений мобильного комплекса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений 87
4.2. Связь параметров мобильного комплекса и рабочего процесса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений 105
4.3. Автоматизация рабочего процесса мобильного комплекса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений 108
4.4. Методика расчета основных параметров мобильного комплекса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений 110
Выводы по главе 119
Основные выводы и результаты работы 120
Список использованной литературы 124
Приложения 138
- Способы и технические средства очистки грунтовых сред, загрязненных нефтепродуктами
- Оборудование и приборы, используемые в экспериментальных исследованиях
- Определение влияния формы излучателя на технологические параметры очистки грунтового материала
- Связь параметров мобильного комплекса и рабочего процесса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений
Введение к работе
В последние десятилетия в мире наблюдается устойчивое повышение спроса на углеводородное сырье. За последние пять лет мировое сообщество увеличило объемы добычи нефти более чем в два раза, что привело к обострению вопросов, связанных с ухудшением экологической обстановки на планете.
На данный момент ни один из существующих загрязнителей не может сравниться с нефтью и нефтепродуктами по масштабам распространения, количеству источников загрязнения и степени нагрузок на все компоненты природной среды.
Из трех основных составляющих природных сред - грунтового слоя, воды и воздуха, сложнее всего подвергается восстановлению нарушенный загрязненный грунт, поскольку он способен аккумулировать и закреплять токсичные вещества [61].
Для Российской Федерации проблема ликвидации разливов нефти особенно актуальна, поскольку на ее территории расположено более 49,8 тыс. км магистральных нефтепроводов (66% из них эксплуатируются более 20 лет) с 494 насосными станциями и резервуарными емкостями на 13,2 млн. м нефти [114]. Доля аварий, произошедших за последние 5-6 лет вследствие физического износа и коррозии металла, увеличилась на 60 - 70%, а по ряду нефтедобывающих предприятий это практически единственная причина аварий [115].
Известно, что примерно 3% от добытой нефти попадает в окружающую среду. Нетрудно подсчитать, сколько нефти по тем или иным причинам оказывается источником загрязнения объектов окружающей среды. В России выявлено около 800 тысяч гектаров нефтезагрязненных земель, официально нуждающихся в очистке. Площадей, находящихся под угрозой такого загрязнения, несравнимо больше.
Нефтяное загрязнение отличается от других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а «залповую» нагрузку на среду. Нефть при попадании в окружающую среду (почву, водоемы) угнетает важные жизненные процессы или заставляет их протекать по-другому. Нефтяное загрязнение в почве и воде подавляет дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяет соотношение между отдельными группами естественных микроорганизмов, меняет направление метаболизма, угнетает процессы азотофиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, приводит к накапливанию трудноокисляемых продуктов, уменьшает количество корневых выделений и органических остатков растений, являющихся важнейшими факторами питания микроорганизмов. Сточные воды предприятий нефтехимии остаются токсичными даже после шести месяцев отстаивания, а в местах пролива нефтепродуктов на почву («коричневых пятен») трава не прорастает спустя много лет после загрязнения [32].
Ограниченность земельных ресурсов ставит перед человечеством неотложную задачу восстановления всех видов нарушенных нефтезагрязненных грунтов.
Для решения данной задачи во всем мире предложено значительное количество методов и технических средств снижения и ликвидации загрязнений грунтов нефтью и нефтепродуктами.
Но, несмотря на разнообразие методов, нет возможности выделить универсальный подход к проблеме очистки, на который не оказывают влияние такие факторы как характер загрязнения (его давность, углеводородной состав), а также климатические условия данной местности и характеристики грунтового слоя.
Приведенная выше ситуация свидетельствует о том, что прессинг, который оказывает на природу нефтедобывающий комплекс, будет в ближайшее время усиливаться.
Для того, чтобы ослабить это воздействие, необходим научно обоснованный подход к разработке современной, экологически чистой, недорогой технологии, исключающей вторичное заражение местности и разрушение природных экосистем, что и определяет цель настоящего исследования.
Способы и технические средства очистки грунтовых сред, загрязненных нефтепродуктами
Механическая очистка применяется как первичное мероприятие при крупных разливах нефти и нефтепродуктов. Она предусматривает сбор нефти либо вручную, либо с помощью обычных, а также специальных машин и механизмов. Как правило, на первом этапе данного способа очистки производят локализации пролитой нефти путем создания вокруг разлива с помощью бульдозера земляного вала высотой около 1 м. После этого, если позволяют местные условия, рядом с местом разлива нефти оборудуют котлован-отстойник, который усиливают нефтенепроницаемой пленкой. Затем из места локализации нефть перекачивают в котлован, который, как правило, обустраивают ниже уровня места разлива, а из него отправляют на товарный склад для дальнейшей переработки. Степень механической очистки может достигать 80% [24].
Оригинальный способ рекультивации грунтовых сред при ремонтно-восстановительных работах заключается в том, чтобы механически не допустить загрязнение плодородного слоя. С этой целью перед началом вскрытия трассы его срезают на глубину 20...30 см и транспортируют бульдозерами в бурты временного хранения. После проведения ремонтно-восстановительных работ срезанная плодородная часть грунтового слоя возвращается не прежнее место [103]. Физико-химические методы Термическая обработка. Включает два типа процессов: сжигание и десорбцию.
Сжигание - это экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти уничтожается от 1/2 до 2/3 разлива, остальная часть просачивается в глубь грунтового слоя. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Грунт после сжигания необходимо вывозить на свалку, так, например, в Москве ежегодно вывозится более 70 тысяч тонн «горелого грунта» [11]. Сжигание загрязненного грунтового слоя производят в крайних случаях, так как оно сопровождается образованием канцерогенных веществ, и сводит к минимуму возможность практического использования данного метода вблизи населенных пунктов и промышленных объектов [35]. При этом нефть не утилизируется, что приводит к большим материальным потерям.
Термическая десорбция объединяет несколько технологий, способных очистить грунты от широкого спектра органических веществ, включая ГСМ, гудроны и пестициды. Суть процесса заключается в нагреве грунта в закрытой емкости до температур, при которых загрязняющие вещества испаряются, переходя в газообразное состояние. Газ, содержащий загрязнители, проходит дальнейшую обработку с тем, чтобы сконцентрировать их в малом объеме или нагревается до еще больших температур для разрушения загрязняющих веществ. Таким образом возможно добиться очень низких остаточных концентраций загрязняющих веществ. Эффективность очистки достигает 95%. Однако глинистые грунты плохо поддаются очистке в результате спекания.
Высокая стоимость способа и нормативные барьеры препятствуют его широкому применению. Адсорбционные методы. Наиболее популярна среди физико-химических методов очистка адсорбционными материалами органической и неорганической природы.
Существуют различные способы очистки загрязненного нефтепродуктами грунта с использованием сорбционных материалов. В качестве сорбента могут использоваться гидрофобизованные нефтепродуктами опилки. Методика очистки в таком случае заключается в следующем: опилки смешивают с нефтезагрязненным грунтом, затем в данную смесь подают воду и перемешивают, опилки после данной процедуры всплывают и их удаляют с поверхности воды. При этом, в качестве гидрофобизатора применяют соли таких металлов, как медь, алюминий, цирконий и др. [42].
При значительных разливах нефтепродуктов на грунт или асфальт их сбор возможно осуществлять с помощью технического средства - валка, обернутого несколькими слоями сорбирующего материала (размеры валка подбираются в зависимости от масштаба нефтеразлива). Отжим нефтепродукта осуществляется механическим способом с помощью вакуумных насосов и накопительной цистерны.
В настоящий момент в мире при ликвидации разливов нефти предлагается использовать около двух сотен сорбентов, которые можно классифицировать по разным признакам, а именно по исходному сырью (неорганические, органические), по дисперсности (дисперсные, формованные), по пористой структуре и т.д. Введение отверждающих реагентов. Разработаны методы обезвреживания нефти и нефтепродуктов путем их связывания и превращения в твердые образования [122]. При введении в смесь жидких и твердых углеводородов портландцемента образуется состав, который затем подвергается сушке. Далее происходит застывание цемента в виде формы, которая придается смеси на начальном этапе перемешивания.
В другом случае осуществляется смешивание нефти и нефтепродуктов с известковой вяжущей пастой на водной основе [25]. Полученную смесь формируют в блоки, имеющие удобные для последующей транспортировки или захоронения размеры, и выдерживают до затвердения, в результате чего достигается капсулирование экологически вредных веществ в твердой цементирующей массе. Для ускорения процесса отверждения и снижения расхода отвердителя в композиционную смесь добавляют нетоксичную окись хрома, образующуюся при термическом разложении двухромовокислого аммония [2].
Аэрация. В ходе лабораторных исследований [119] установлено, что вентиляция посредством продувания кислородом воздуха может использоваться в качестве эффективного средства очистки грунта от бензина, дизельного топлива, и других смесей легких углеводородов, от более тяжелых нефтяных фракций, а также дихлорметана, тетрахлорэтана, хлороформа, четыреххлористого углерода, и других летучих соединений.
Оборудование и приборы, используемые в экспериментальных исследованиях
Для проведения экспериментов была использована специальная лабораторная установка (рис. 2.2), предназначенная для работы с различными колебательными системами. Установка позволяет проводить эксперименты, связанные как с испытанием ультразвуковых колебательных систем, так и с отработкой технологических режимов процесса ультразвуковой очистки. Конструкция установки предусматривает возможность перемещения и фиксации УЗКС как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Для точного регулирования зазора между поверхностью излучателя и верхним уровнем очищаемых деталей вертикальное перемещение УЗКС осуществляется винтовой передачей и устанавливается по шкале с ценой деления 1 мм. Источником ультразвуковых колебаний в жидкости служила трехполуволновая колебательная система, работающая с частотой 22 кГц. Схема колебательной системы, используемой в экспериментах, приведена на рис. 2.3.
Конструкция УЗКС и технология ее изготовления разработаны в лаборатории электрофизических методов обработки МАДИ (ГТУ). УЗКС состоит из четырех основных элементов: 1 - двигателя-магнитостриктора, 2 -волновода, 3 - стержневого излучателя, 4 - кожуха охлаждения. Двигатель-магнитостриктор представляет собой пакет размером 40x40 мм, набранный из пластин пермендюра (сплав К49Ф2) толщиной 0,2 мм. Магнитострикционный пакет, набранный из предварительно отожженных пластин, припаивался серебряным припоем с добавлением флюса № 209 к стальному волноводу на установке ТВЧ. Обмотка пакета из провода БПВЛ сечением 1,5 мм . Конструкция УЗКС предусматривает постоянное водяное охлаждение, при этом ток подмагничивания поддерживается на уровне 15...20А. К стальному волноводу на резьбе Ml 0x1 крепится излучатель из титана марки ВТЭ-1.
Общий коэффициент усиления по амплитуде для разработанной УЗКС составляет 6...8. Применение такой УЗКС позволяет получать на излучателе с эффективной площадью излучателя 1200 мм амплитуду смещения порядка 40...50мкм. Блок-схема измерений и комплект контрольно-измерительных приборов, используемых в работе приведены на рис. 2.4.
Питание УЗКС осуществлялось от генератора УЗГ5-1,6 (рис. 2.5, а) с выходной мощностью 1,6 кВт. Частота ультразвуковых колебаний контролировалась с помощью цифрового частотомера марки 43-33 (рис. 2.5, б). онтрольно-измерительной аппаратуры. 1 - задающий генератор; 2 — ультразвуковой генератор; 3 - частотомер; 4 - милливольтметр; 5 — колебательная система; 6 — электродинамический датчик; 7 - излучатель; 8 - индикатор стрелочного типа
При проведении экспериментов для обеспечения стабильной частоты в качестве задающего генератора использовался звуковой генератор ГЗ-33 (рис. 2.5, в). Измерение амплитуды смещения излучателя проводилось электродинамическим датчиком кольцевого типа (рис. 2.5, г) и совмещенного с ним милливольтметра ВЗ-38Б (рис. 2.5, д) и индикатора стрелочного типа (рис. 2.5, е).
Принцип действия электродинамического датчика основан на возникновении вихревых токов в металлическом волноводе, движущемся в магнитном поле постоянного магнита. Датчик устанавливается на волноводную часть колебательной системы. Показания датчика фиксируются высокочастотным вольтметром ВЗ-38Б. Схема датчика, установленного на волноводной части стержневой колебательной системы, и его тарировка показана на рис. 2.6.
Измерительная катушка 6 заключена в корпус 3. Сверху на катушку установлены кольцевой магнит 5 и магнитопровод 2, также являющийся крышкой корпуса датчика. Центрирование датчика на волноводе осуществляется капролоновой втулкой 4.
При возбуждении упругих колебаний в волноводе за счет его перемещения в магнитном поле постоянного магнита в нем возникают вихревые потоки. Образующееся при этом переменное электромагнитное поле создает в измерительной катушке ЭДС, величина которой пропорциональна амплитуде колебательной скорости. Созданная ЭДС регистрируется соответствующим высокочастотным вольтметром ВЗ-38Б.
Тарировку датчика /д = / () осуществлялась с помощью стрелочного индикатора 8 с ценой деления 1 мкм. В этом случае амплитуда определяется как разница в показаниях индикатора при включенных и выключенных колебаниях. При этом измерительный наконечник индикатора вводится в контакт с колеблющейся поверхностью излучателя. Соответствующие отклонения индикатора одновременно фиксируются вольтметром ВЗ-38Б, как сигнал от датчика.
Определение влияния формы излучателя на технологические параметры очистки грунтового материала
В дальнейших экспериментах определялось влияние формы излучателя на продолжительность и производительность процесса ультразвуковой очистки. В экспериментах использовались пять типов грунтовых материалов и три вида излучателей.
Для экспериментов было подготовлено пятнадцать образцов (по три одинаковых образца для каждого типа грунтового материала). В начале экспериментов каждый из образцов доводился до максимальной степени загрязнения Z = 100%, при влажности W= 0 %. После чего каждый из образцов помещался в сосуд с рабочей жидкостью и подвергался ультразвуковому воздействию одного из трех видов излучателей (три одинаковых образца грунтового материала поочередно подвергались воздействию каждого излучателя). Амплитуда смещения излучателей , = 40 мкм. В ходе экспериментов с периодом времени Т = 10 с фиксировался очищенный объем VQ4 грунтовых материалов двумя методиками, описанными в предыдущей главе.
Каждый из пятнадцати экспериментов был повторен трижды для получения объективной картины. Результирующие картины ультразвукового воздействия каждого из излучателей на различные виды грунтовых материалов представлены на рис. 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8. В результате каждого из экспериментов были построены кривые зависимости (рис. 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13) очищенного объема грунтовых материалов от времени ультразвукового воздействия V04 =f(T).
Полученные зависимости были аппроксимированы квадратичными функциями. По результатам экспериментов было определено, что максимальная производительность процесса была достигнута при использовании стержневого излучателя с торцевой и боковой излучающими поверхностями. Заглубление излучателя в обрабатываемый материал является наиболее рациональным, поскольку данное расположение позволяет рабочей жидкости, являющейся средой для передачи ультразвуковых колебаний, беспрепятственно проникать в границу раздела сред излучатель - загрязненный грунт.
Также на основе эксперимента был сделан вывод о том, что для каждого конкретного типа грунтового материала существует рациональное время ультразвукового воздействия одним излучателем. Превышение данного времени нецелесообразно вследствие прекращения увеличения очищенного объема, по причине затухания ультразвуковых колебаний по мере удаления границы раздела сред очищенный материал - загрязненный материал от излучателя.
На основе данного вывода была построена зависимость рационального времени воздействия одним излучателем от среднего размера фракций грунтового материала. А также зависимость производительности одного излучателя от среднего размера фракций грунта.
Производительность одного излучателя определялась как отношение очищенного объема грунтового материала к рациональному времени воздействия одним излучателем, определенным по результатам предыдущего эксперимента.
Зависимость рационального времени воздействия одним излучателем (рис. 3.14) и производительности одного излучателя (рис. 3.15) от среднего размера фракций грунтового материала аппроксимированы линейными функциями. Зависимость T=f(dcp) аппроксимирована линейной функцией: Зависимость 77 =f(dcp) аппроксимирована линейной функцией:
Однако в ходе проведенных экспериментов было выявлено, что на основные параметры процесса ультразвуковой очистки существенное влияние оказывают такие факторы, как влажность грунтового материала до загрязнения W [%] и степень загрязнения материала Z [%].
Поэтому в полученные экспериментальные зависимости (3.3) и (3.4) необходимо ввести дополнительные поправочные коэффициенты влажности Ку и загрязнения Kz . Расчет коэффициентов влажности Kw и загрязнения Kz представлен в параграфе 3.3.
Связь параметров мобильного комплекса и рабочего процесса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений
Процесс работы мобильного комплекса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений предполагает следующую последовательность операций.
Мобильный комплекс, перемещаясь по загрязненной полосе, отделяет загрязненный грунт с поверхности при помощи эжекторного насоса (или шнек-фрезы), управляемого гидроманипулятором. На гидроманипуляторе установлен гидроэлеватор (или скребковый конвейер), по которому загрязненный грунт попадает на дно цистерны, заполненной рабочей жидкостью (технической водой).
Загрязненный грунт перемещается по дну при помощи скребкового конвейера. При перемещении грунт подвергается воздействию ультразвуковых излучателей. Отделенный от грунта нефтезагрязнитель эмульгируется с рабочей жидкостью. Образовавшаяся эмульсия всплывает на поверхность цистерны, поскольку имеет более низкую плотность, чем рабочая жидкость.
Цистерна разделена на секции, в которых скапливается различный объем нефтяной эмульсии. В первой секции объем эмульсии максимален. В последнюю секцию подается чистая рабочая жидкость. Поскольку все секции цистерны подобны сообщающимся сосудам, постоянное увеличение объема рабочей жидкости приводит к переливу всплывшей эмульсии через боковые окна в боковые отсеки цистерны.
Очищенный грунт, перемещенный к последнему отсеку цистерны, выгружается из нее при помощи скипового подъемника. По мере заполнения боковых отсеков цистерны, эмульсия сливается в стационарные объекты хранения и переработки нефтяных отходов или в отдельные мобильные технические средства сбора и транспортировки жидких загрязненных материалов различной плотности.
Для подробного описания рабочего процесса была сформулирована блок-схема связи параметров мобильного комплекса и рабочего процесса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Блок-схема связи параметров мобильного комплекса и рабочего процесса ультразвуковой очистки грунтовых сред от нефтяных загрязнений где dcp - размер фракций грунта; W- влажность грунта; Z - степень загрязнения грунта; UM - скорость движения комплекса; //оп - глубина обрабатываемой полосы; В011 — ширина обрабатываемой полосы; Уц - объем цистерны; L кон - длина конвейера; В ко„ - ширина конвейера; - амплитуда смещения излучателя; v - частота колебаний излучателя; (?РЖ - расход рабочей жидкости; ик0И - скорость движения конвейера; Кэм - объем эмульсии; у - степень очистки грунта.
Блок-схема состоит из трех основных процессов работы машины: процесс загрузки загрязненного грунта, процесс очистки загрязненного грунта, процесс выгрузки очищенного грунта. Блок-схема имеет прямые и обратные связи между параметрами. Также в блок-схеме представлены входные параметры (средний размер фракций грунта dcp, влажность грунта W, степень загрязнения грунта Z), задаваемые оператором перед началом работы мобильного комплекса. Входные параметры определяют основные параметры рабочего процесса мобильного комплекса.
Процесс загрузки в блок-схеме содержит рабочие параметры мобильного комплекса, определяющие количество загрязненного грунта, подаваемого в цистерну для осуществления процесса ультразвуковой очистки. Процесс очистки в представленной блок-схеме содержит как постоянные параметры (не изменяемые в процессе работы мобильного комплекса), так и варьируемые. Результат рабочего процесса мобильного комплекса контролируется двумя параметрами, степенью очистки грунта у, а также объемом образовавшейся эмульсии Уэм.
В случае если степень очистки грунта у не соответствует нормативным требованиям, необходимо увеличить время обработки материала в цистерне. Для этого следует уменьшить скорость движения конвейера UK0K в цистерне. Уменьшение скорости движения конвейера UK0H может привести к перегрузке цистерны загрязненным грунтом. Во избежание этого изменяются параметры процесса загрузки грунта путем уменьшения рабочей скорости мобильного комплекса /м, либо ширины Воп и глубины Ноп обрабатываемой полосы загрязнения.
Объемом образующейся эмульсии Кэм в секциях цистерны контролируется степень загрязнения цистерны. Превышение объемом образующейся эмульсии Кэм допустимой нормы свидетельствует о недостаточном количестве чистой рабочей жидкости и общем загрязнении цистерны, что указывает на необходимость увеличения расхода рабочей жидкости С?рж. Понижение объема образующейся эмульсии Гэм свидетельствует о перерасходе рабочей жидкости.
