Утилизация отходов производства и потребления с получением твердого топлива

Актуальность проблемы. В последнее время получение брикетированного топлива заданного качества приобретает особую актуальность. Ограниченность углеродного сырья и его невозобновляемые запасы ведут к необходимости вовлечения в переработку новых технологий для создания брикетированных топлив, получаемых из отходов производства и потребления.

Ежегодно в республике образуются миллионы тонн токсичных отходов. Всего же на ее территории накоплено около 2 млрд. тонн твердых и жидких отходов (занимают более 4.5 тыс. га земли), из которых около 100 млн. тонн являются высокотоксичными. Эта проблема особенно характерна для предприятий химической и нефтехимической промышленности, добычи и переработки нефти. В шламонакопителях и нефтяных амбарах содержится около 2.0 млн. тонн нефтешламов.

Одна из основных проблем заключается в том, что по мере уменьшения запасов углеродного сырья, по мере исчерпания месторождений, энергоносители все тяжелее добывать, при том наносится урон окружающей среде и цена на эти природные источники энергии возрастает. Другая проблема - это скопление огромного количества отходов и потребления на полигонах ТБО, на нефтеперерабатывающих предприятиях накапливается большое количество отходов производства, таких как нефтешлам, которые продаются по низким ценам.

Цель работы. Повышение безопасности окружающей среды путем утилизации отходов производства и потребления в процессе создания альтернативного твердого топлива, исследование сырья и разработка экобезопасной технологии приготовления связующей композиции из отходов нефтеперерабатывающей промышленности для производства брикетов

В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

- аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, а также проработка патентной и технической документации по теме переработки отходов производства и потребления путем брикетирования;

- подбор отходов и связующего материала для создания брикетного топлива;

- разработка оптимального соотношения компонентов, проверка их основных характеристик.

- разработка принципиальной схемы линии брикетирования.

Научная новизна. Впервые предложена композиция для получении топливных брикетов с заданными и регулируемыми свойствами из отходов от промышленных предприятий различного профиля, расположенных территориально в республике Башкортостан, и являющихся основными загрязнителями окружающей природной среды.

При создании новой технологии решается задача полной утилизации твердых отходов с наименьшими энергетическими и эксплуатационными затратами при одновременном получении экологически чистого высокоэффективного топливного брикета для промышленных нужд, включающая связующее (нефтешлам), перемешанное с твердыми пористыми отходами производства и потребления, таких как древесная пыль, отработанная адсорбентом резиновая крошка, обтирочная ветошь загрязненная маслами более 15%, отходы лакокрасочных материалов, шлам металлургических производств. Обнаружен эффект саморегулирования адгезионных свойств с системе за счет оптимального распределения нефтешлама. Оптимальный состав достигается при введении связующей композиции (нефтешлама) 30-40% масс.

Практическое значение работы. По результатам исследования предложена схема приготовления и использования связующей композиции, разработана технологическая схема для брикетной линии, при применении штемпельных прессов. Применение нефтешлама в качестве связующего вещества позволяет улучшить физико-химические и физико-механические свойства получаемых брикетов.

1. Результаты исследований могут быть использованы на промышленных предприятиях для утилизации накопленных отходов, и использовании брикетов для отопления или в других технологических линиях.

2. Материалы научной работы были внедрены в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров-экологов по специальности 280201 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и были опубликованы на межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, в том числе 1 статья, 2 тезиса доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав, включающих обзор литературы, описание методик экспериментов, их проведение, обсуждения и выводы. Работа изложена на 90 страницах машинописного текста и содержит 10 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 55 библиографический источник, включая 7 зарубежных.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Материалы и методы исследования

Объектами исследования служили выбранные отходы производства и потребления:

- нефтешлам от зачистки резервуаров;

- отработанная адсорбентом резиновая крошка;

- обтирочная ветошь, загрязненная маслами более 15 %;

- отходы лакокрасочных материалов;

- древесные отходы.

Нефтешлам. Значительную часть нефтесодержащих отходов составляют нефтешламы, проблемы образования, утилизации и переработки которых возникают в процессе добычи нефти, сбора и подготовки скважинной продукции, транспортировке товарной нефти по магистральным трубопроводам, и ее переработке на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Количество нефтешламов постоянно растет: на 1 тыс. т сырой нефти образуется 1-5 т нефтешламов [3], ежегодно в России образуется около 7-ми млн.т нефтесодержащих отходов - веществ 2-го и 3-го класса опасности. Всего их накоплено порядка 100 млн.т.

Нефтяные шламы нефтегазодобывающих предприятий и магистрального транспорта формируется в результате сброса в специальные амбары стойких эмульсий, отходов, образующихся в процессе подготовки нефти, продуктов зачистки резервуаров и трубопроводов

Резиновая крошка

Древесные отходы

Ветошь

Отходы лакокрасочных материалов

Технология получения предлагаемых брикетов проста и не требует специального оборудования.

Сначала разогреть нефтешлам в экструдере, затем добавить измельченные отходы - резиновую крошку, древесные отходы, ОЛКМ, ветошь и перемешать при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную смесь прессуют при давлении 5-10 кГс/см² в брикеты цилиндрической формы длиной 22 - 25,5 мм, наружным диаметром 22 - 22,5 мм и внутренним диаметром 22 мм. Отформованные брикеты выдерживают при комнатной температуре 24 часа.

У полученных брикетов определяли плотность, прочность при сжатии путем раздавливания на прессе и водопоглощение как относительное увеличение массы за 24 часа выдержки в воде.

Конкретные составы полученных брикетов и их свойства приведены в таблицах.

Разработка рецептуры приготовления топливных брикетов

Опыт 1. Количество связующего материала (нефтешлам) - 20 %

Основные свойства полученных брикетов:

Вывод: Введение в композицию связующего материала в количестве 20 % не обеспечивает хорошие эксплуатационные свойства. Брикет недостаточно плотный, легко разрушается.

Средняя плотность брикета составляет 0,46 г/см³;

Средняя плотность при сжатии составляет 0,67 кг/см³;

Среднее водопоглощение составляет 31 %.

Опыт 2. Количество связующего материала (нефтешлам) - 30 %

Основные свойства полученных брикетов:

Вывод: Введение в композицию связующего материала в количестве 30 % обеспечивает следующие эксплуатационные свойства:

Средняя плотность брикета составляет 0,66 г/см³;

Средняя плотность при сжатии составляет 2,5 кг/см³;

Среднее водопоглощение составляет 17,4 %.

Опыт 3. Количество связующего материала (нефтешлам) - 40 %

Таблица

Основные свойства полученных брикетов:

Вывод: Введение в композицию связующего материала в количестве 40 % обеспечивает следующие эксплуатационные свойства:

Средняя плотность брикета составляет 0,71 г/см³;

Средняя плотность при сжатии составляет 5,1 кг/см³;

Среднее водопоглощение составляет 7,2 %.

Опыт 4. Количество связующего материала (нефтешлам) - 50 %

Основные свойства полученных брикетов:

Вывод: Введение в композицию связующего материала в количестве 50 % обеспечивает следующие эксплуатационные свойства:

Средняя плотность брикета составляет 0,8 г/см³;

Средняя плотность при сжатии составляет 6,2 кг/см³;

Среднее водопоглощение составляет 4,7 %.

Из таблицы видно, что топливные брикеты по изобретению обладают разной водостойкостью и прочностью. При варьировании компонентов и связующего были получены различные топливные брикеты, различающиеся по своим свойствам. При выходе за границы заявляемых пределов содержания компонентов не удается получить водостойкие и прочные топливные брикеты.

Таким образом, состав брикетированного топлива по изобретению по сравнению с известными составами обладает повышенными водостойкостью и прочностью, что значительно улучшает транспортно-эксплуатационные свойства топлива, позволяет хранить и перевозить его на открытых площадках, избежать его разрушения при погрузочно-разгрузочных операциях.

Графики зависимость качества брикетов от их свойств

Анализируя данные четырех опытов, можно вывести графическую зависимость основных показателей:

1. Опыты:

переработка брикетный топливо альтернативный

Основной задачей настоящего исследования является повышение потребительских свойств брикетов из отходов органических материалов и упрощение технологического процесса их приготовления.

Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи при проведении исследований, является повышение качества твердотопливных брикетов за счет обеспечения однородной плотности по всему объему брикета и улучшения их теплотворной способности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения твердотопливных брикетов, включающем измельчение органического материала, смешение компонентов смеси и последующее прессование в брикеты, при этом смесь содержит древесные отходы и органическое связующее, прессуют при удельном давлении в пределах 30,0-40,0 МПа, при этом в качестве древесных отходов используют опилки чистой древесины, и смесь дополнительно содержит отходы резиновой крошки, обтирочную ветошь, загрязненную маслами более 15% и отход акокрасочных материалов при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:

Нефтешлам - 40-60

Резиновая крошка - 15-25

Древесные отходы - 5-15

Обтирочная ветошь - 5-10

Отходы лакокраски - 5 - 10

В качестве органического связующего выступает шлам очистки трубопроводов и емкостей (бочек, контейнеров, цистерн, гудронаторов) от нефти и нефтепродуктов

В основе технологии производства композиционного твердотопливного брикета лежит процесс прессования мелко измельченных фракций. При фракционном составе более 5 мм поверхность брикета может выглядеть шероховатой, произойдет нарушение структуры брикета, что приведет к растрескиванию и хрупкости образца, снижая потребительские свойства брикета. Фракционный состав менее 0,01 мм использовать нецелесообразно, так как для заполнения пустот между отдельными частицами фракций достаточно фракции 0,1 мм. Кроме того, получение фракционного состава менее 0,1 мм приведет к нецелесообразному усложнению и удорожанию способа вследствие дополнительного измельчения, а также это приводит к увеличению свободной поверхности заполнителя и к необходимости увеличения количества органического связующего.

При этом резиновая крошка и опилки чистой древесины и других органических материалов перемешиваются с нефтешламом, до получения однородной массы, прессуются при удельном давлении 30-40 МПа до получения плотности брикета не менее 1 г/см³.

Соотношение органических волокон и органического связующего определяется экспериментально при проведении серии экспериментов и при получении наиболее качественно уплотненных брикетов, которые не крошатся и не растрескиваются, имеют плотность не менее 1 г/см³ и держат форму брикета, который имеет однородную плотность по объему, при этом интенсивность горения зависит от распределения плотности по объему брикета.

Этот интервал удельных давлений выбран при использовании в комбинации различных отходов, т.е. для каждой комбинации свое удельное давление, но в данном интервале давлений. При давлении ниже 30 МПа наблюдается повышенная крошимость брикетов, а при давлении выше 40 МПа - растрескивание брикетов за счет внутренних напряжений. При этом в твердотопливном брикете соотношение органического материала и органического связующего подбирается опытным путем в зависимости от фракционного состава подаваемой смеси в устройство для изготовления брикетов (Диаграмма 1).

В результате проведенных исследований было установлено оптимальное соотношение предложенных компонентов, входящих в состав композиционного твердотопливного брикета, которое зависит от нескольких факторов, а именно от вязкости связующего, фракционного и гранулометрического состава органического материала.

Введение в состав для брикетированного топлива мелкофракционной смеси лакокрасочных отходов менее 5% приводит к тому, что брикет становится менее плотным, так как нет полного заполнения мелкой фракцией пустот, между крупными фракциями древесных опилок и обтирочной ветоши, при этом ухудшается форма брикета из-за нечетких граней. Увеличение концентрации мелкой фракции отходов лакокраски более 10% и приводит к растрескиванию брикета после выхода из устройства для прессования брикетов, вследствие чего увеличивается процент брака в процессе изготовления готовых изделий.

Введение в состав для брикетированного топлива отходов чистой древесины в виде опилок менее 15% нецелесообразно, поскольку пространственная структура топливного брикета полностью не заполняется. При этом из-за наличия в смеси большого количества опилок снижается теплотворная способность топливного брикета и возрастает крошимость получаемых брикетов.

Введение в состав для брикетированного топлива органического связующего менее 40%, ввиду того что происходит неполное смачивание органического материала, приводит к тому, что брикет не может обладать одинаковой плотностью по всему объему и разрушается в месте, где смачивания органическим связующим не произошло. При увеличении концентрации органического связующего более 60% при прессовании происходит выдавливание лишнего органического связующего, которое при этом попадает в брикет и изменяет однородность плотности по объему и в местах, где плотность снижена из-за лишнего органического связующего, в результате чего брикет разрушается. Т.е. из-за неоднородной плотности брикет разрушается раньше времени, быстрее прогорает и время отдачи им тепла меньше, соответственно теплотворная способность брикета будет меньше.

Отходы нефтепродуктов входят в состав брикета как органическое связующее, т.е. их доля в брикете такова, что при сгорании не наносит какого-либо вреда, а выбросы загрязняющих веществ ниже ПДК в несколько раз.

Получение топливных брикетов по предложенному способу с учетом состава и соотношения компонентов смеси исключает необходимость значительного нагрева (т.е. выше 25°С) приготовленной смеси в процессе прессования и охлаждения брикетов после уплотнения, что намного удешевляет и упрощает технологический процесс и повышает производительность всего цикла приготовления твердотопливных брикетов из отходов производства, преимущественно из древесных отходов и других органических волокнистых материалов.

В предложенном способе перед прессованием органический материал измельчают и перемешивают с органическим связующим. Поэтому не нужно дополнительно нагревать всю брикетируемую смесь и соответственно не нужно охлаждать брикеты после уплотнения, что упрощает известные способы производства брикетов и позволяет снизить энергозатраты и временные затраты.

Композиционный твердотопливный брикет из отходов производства имеет температуру воспламенения 245°С и температуру самовоспламенения 345°С, согласно стандарту ГОСТ 12.1.044-89 "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения" (см. пп.4.3, 4.7 и 4.9) относится к материалам горючим средней воспламеняемости.

Брикет, полученный по предложенной технологии, обладает гидрофобными свойствами (ГОСТ 21 289- 75), т.е. он не намокает в воде из-за применения в качестве органического связующего отходов нефти, увеличивается время его прогорания в несколько раз и увеличивается время отдачи им тепла, при этом брикет имеет теплотворную способность 29,45 МДж/кг.

Положительным аспектом при использовании композиционных твердотопливных брикетов в качестве топлива является их минимальное влияние на окружающую среду при сгорании по сравнению с классическим твердым топливом (отсутствие шлаков, повышенной задымленности и других канцерогенных веществ) при почти одинаковой теплотворной способности, как, например, кокс, но в 15 раз меньшим содержанием пепла (макс. 1,2%), который можно использовать в виде экологически чистого минерального удобрения.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является утилизация отходов производства, которые не находят более рационального использования кроме как сжигание в специально оборудованных печах с получением высококалорийного брикетированного топлива.

ВЫВОДЫ

- проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, а также проведена проработка патентной и технической документации по теме переработки отходов производства и потребления путем брикетирования;

- подобраны отходы и связующий материал для создания брикетного топлива и разработан оптимальный состав соотношения компонентов, проверены их основных характеристики.

Предлагаемая технология производства топливных брикетов из отходов производства, включает следующий компонентный состав, % мас.:

Нефтешлам 30-40;

Древесные отходы 10-30;

Резиновая крошка - 25-35;

Ветошь - 5-10;

ОЛКМ - 5-10;

Железосодержащий шлак - 15-25.

Заложенные в основе проекта научные идеи получения топливных брикетов с заданными регулируемыми свойствами открывают широкие перспективы совершенствования продукции, подстраиваясь под требования потребителей и постоянно расширяя ассортимент. Таким образом, утилизируя отходы получать чистое топливо.

- разработана принципиальная схема линии брикетирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Радиоэкология. Новые технологии обеспечения экологической безопасности (29-30 марта 2012 г.): сб. научных трудов)/ Редкол.: Г.Г. Ягафарова и др.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. - 299 с.

2. Наука XXI века: новый подход : материалы V молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 20-21 февраля 2013 г., г. Санкт-Петербург. - Петрозаводск : ПетроПресс, 2013. - 82 с.

Размещено на Allbest.ru