Способ переработки и использования отходов углеводородов

 

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 20-90^oС 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. 1 з.п.ф-лы.

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 40-60^oС и диспергируют при температуре 70-80^oС 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 90-100^oС 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 20-90^oС 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 20-90^oС.

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 20-90^oС 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 80^oС 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 40^oС 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.

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 20-90^oC 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.