ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Наши полувековые исследования в области нефтеводоочистки [1-7] позволяют утверждать, что научное решение экологических проблем, связанных с загрязнением водной и воздушной сред углеводородами, существует, и мы готовы немедленно приступить к реконструкции промышленных комплексов, являющихся основными источниками антропогенного воздействия. В сферу наших исследований попали и вопросы регенерации мономеров и растворителей в органических производствах [2], и очистка судовых нефтесодержащих вод [3], и эксплуатация оборудования, предназначенного для хранения, переработки и транспортировки углеводородного сырья [1,4,7,8], и ликвидация нефтяных разливов [1,6], и утилизация обводнённых углеводородов [4,5,7].

 Найденные нами решения базируются на результатах исследования взаимодействия одиночных частиц с потоком вязкой среды в узких щелевидных каналах [1]. К таким решениям следует, например, отнести:

• реализацию микрофильтрационного разделения эмульсий без использования полупроницаемых мембран [1,3],
• использование эффекта Пуазейля для интенсификации процессов тонкослойной сепарации [1,8],
• создание сепараторов нового типа с подвижными коалесцирующими дисками [1,6],
• создание бессточных промывочных комплексов для обслуживания нефтетранспортного оборудования [1,8],
• разработка методов и средств обезвоживания вязких углеводородов [1,7,9,10].

Научно обоснованные технические решения, подтверждённые практическими проверками в условиях действующих производств, были призваны стимулировать внедрение современных энергосберегающих технологий, отказаться от использования воды в качестве «рабочих тел» для отмывки наливного и транспортного оборудования и полностью прекратить загрязнения водоёмов и атмосферы углеводородами. Но, несмотря на значительный экономический эффект, который могли получить предприятия нефтетранспорта и теплоэнергетического комплекса, внедряя передовые технологии, намерений инвестировать предлагаемые нами проекты реконструкции промывочных комплексов и станций обезвоживания котельного топлива озвучено не было. «Незаинтересованность» частных компаний в совершенствовании своих технологий можно объяснить только тем, что в сложившейся ситуации их руководители лично получают соразмерную прибыль, реализуя обводнённые углеводороды через предприимчивых посредников. Последние, пользуясь тем, что надёжный постоянный контроль над составами топлива, направляемого на сжигание, и выбрасываемых в атмосферу дымовых газов отсутствует, ухитряются «договариваться» с потребителями котельного топлива добавлять в него часть обводнённых углеводородов («бодяжить»). Такой способ утилизации обводнённых углеводородов не может остаться незамеченным, поскольку повышение концентрации водяных паров флегматизирует процесс горения, заметно снижая полноту сгорания топлива. А поскольку топливо сгорает не полностью, температура в зоне горения заметно снижается по сравнению с её расчётным значением [5]. Ущерб от деятельности таких «рационализаторов» наносится, в первую очередь, потребителям дорожающего тепла, а также атмосфере нашей планеты, куда выбрасывается до 40% несгоревших углеводородов [4,5,10].

В сложившейся ситуации призывы отказаться от личной выгоды в пользу интересов всего населения планеты и наших потомков, в частности, едва ли окажутся продуктивными. Без экономических рычагов снизить загрязнения атмосферы едва ли удастся. Но такие рычаги можно создать, если разработать и узаконить методику оценки величины экологического эффекта, наносимого деятельностью каждого предприятия теплоэнергетического комплекса. Цель настоящего научного сообщения – предложить такую методику.

В процессе сжигания обводнённого топлива, предварительно, как и воздух, нагретого до Т₀, тепловой эффект реакции горения Q расходуется на увеличение энтальпии от I₁ до I₂ газообразных продуктов, присутствующих в топке, на испарение балластной воды Х∙m∙r, а также на прямые теплопотери от наружной поверхности стенок топки, ∆Q:

 где m – масса обводнённого топлива, кг;     Х – массовая доля воды в топливе, безразм.;     r – теплота парообразования воды, Дж/кг.

При достаточной теплоизоляции стенок топки температура их наружной поверхности не превышает 45^оС, а коэффициент теплоотдачи в окружающую среду α ≤ 10 Вт/м²∙К. Температуру воздуха рабочей зоны в топочном отделении поддерживают ~ 25^оС. Зная площадь наружного слоя теплоизоляции печи F, м², можно оценить прямые теплопотери величиной N*:

что при F ≤ 25 м² составит ∆Q ≤ 10∙(45-25)∙25 ~ 5000 Вт.

При сжигании более 200 кг/ч котельного топлива с теплотой сгорания    q ~ 40 МДж/кг [8] теплопроизводительность печи можно оценить величиной N_Σ ~ 200∙40∙10⁶/3600 ~ 2,22∙10⁶ Вт.  Доля теплопотерь в этой величине (N*/N_Σ) не превышает 0,23%, поэтому в инженерно-экономических расчётах, выполняемых с точностью до 1%, прямыми теплопотерями можно пренебречь.

Тепловой эффект процесса горения при неполном сгорании углеводородов можно рассчитать по формуле:

где  q – теплотворная способность безводного топлива, Дж/кг;  ω* – массовая доля несгоревших углеводородов, безразм.

Разность энтальпий газообразных продуктов при фактической температуре горения (Т_Θ) и начальной температуре (Т₀), до которой предварительно подогревается воздух перед подачей в топку, определим, как

где М – общая масса веществ, присутствующих в зоне горения, кг; а C_p – теплоёмкость продуктов горения, Дж/(кг∙К).

С учетом выражений 1 – 4 уравнение теплового баланса можно записать в виде

Решая уравнение 5 относительно ω*, можно определить, какая доля углеводородов не успела окислиться за время пребывания в зоне горения.

Чтобы вычислить ω*, необходимо знать, какая температура Т_Θ поддерживается в процессе горения, до какой температуры Т₀ предварительно подогреваются исходные продукты и какую долю от общей реакционной массы М составляют вода Х∙m и углеводороды m∙(1–Х). Значения других переменных можно определить заранее: удельную теплоёмкость топочных газов C_p=1,15 кДж/кг, теплоту парообразования воды r = 2257 кДж/кг, а удельную теплотворную способность котельного топлива  q = 40 МДж/кг [5].

Рассмотрим случай утилизации m кг/ч обводнённых мазутов в печи, не оборудованной камерой дожигания. Влагосодержание мазута Х по данным лабораторных анализов равно 0,2, что соответствует 0,8m углеводородов и 0,2m воды. С учётом коэффициента избытка (α ~ 1,2) расходуется ~ 18 кг воздуха на сжигание каждого килограмма углеводородов [5], или 18∙0,8m каждый час. Тогда общая масса поступающих в топку продуктов М = 18∙0,8m + m. Подставив в уравнение 8 принятые значения констант (принимаем  Т₀ = 100^оС) и переменных и выполнив необходимые преобразования, получим

Полученное уравнение 7 позволяет сразу определить долю несгоревших высокомолекулярных углеводородов (мазута), выбрасываемых с дымовыми газами, если температура в зоне горения не превышает Т_Θ. Так, если Т_Θ≤1000^оС, то ω* ~ 0,36, если Т_Θ≤ 900^оС, то ω* ~ 0,415, а если Т_Θ≤ 800^оС, то ω* ~ 0,471. Т.о., подавая на сжигание 200 кг/ч такого топлива, мы выбрасываем с дымовыми газами, 57,6; 66,4 и 75,36 кг/ч углеводородов, соответственно.

Чтобы мотивировать поставщиков и потребителей котельного топлива снижать загрязнение атмосферы продуктами неполного сгорания и, как следствие, угрозу «парникового эффекта», целесообразно ввести постоянно действующий контроль над режимами работы всех теплогенерирующих установок (котельных и ТЭЦ), работающих на мазуте. Ориентируясь на предлагаемую нами методику, органы государственного экологического контроля могут не только определить экологический ущерб, наносимый предприятием, но и рекомендовать его руководству компенсировать этот ущерб, опираясь на экономически обоснованные нормативы. Без таких решительных шагов добиться внедрения экологически и технологически завершённых технологий в сфере производства, транспорта и использования углеводородов будет весьма проблематично.

 

Список литературы:

1. Евдокимов А.А. Теория и практика защиты водоёмов от углеводородных загрязнений. Монография. – Saarbrücken, Deutschland: Изд. LambertAcademicPublishing – 2015, 128 c.
2. Евдокимов А.А., Маленко Ю.И., Смирнов Н.И.Изучение равновесия жидкость–жидкость–пар в системе ацетон-акрилонитрил-вода. //ЖФХ – Л:Изд. АН СССР, N 8, 1974, с. 2415 сл.
3. Евдокимов А.А.Установка для очистки льяльных вод методом микрофильтрации. // Судостроение– Л:Судостроение, N 4, 1990, с. 18-20.
4. Евдокимов А.А. Обводнённые нефтеотходы – значительный энергетический ресурс России // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2012, ноябрь, с. 19-21.
5. Евдокимов А.А., Кисс В.В. Как утилизировать обводнённое топливо. Научный журнал СПБГУНиПТ. Серия: Экономика и экологический менеджмент (электр. журнал) /ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». — № 1, март 2013,https://www.open-mechanics.com/journals.
6. Евдокимов А.А., Кисс В.В. Определение размеров капель углеводородов в воде. //Вода и экология. Проблемы и решения. – Санкт-Петербург: Изд. ЗАО «Водопрект» – 2015, № 3, с. 60-66.
7. Иоффе О.Б., Евдокимов А.А. Результаты испытаний пилотной установки обезвоживания вязких нефтепродуктов // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2010, № 2, с. 22 – 25.
8. Европейский патент № 01272334.5 по заявке РСТ N 01274223.5-2108-RUMethod of hydrocarbon impurities removal from surfaces. Evdokimov A. A. and other. 01.12.03.
9. Патент РФ № 2315803. Способ обезвоживания нефтепродуктов А.А. Евдокимов. БИ № 3, 2008
10. Патент РФ № 2327504. Станция обезвоживания нефтепродуктов. А.А. Евдокимов, О.Б. Иоффе, В.И. Матвеев. БИ №18, 2008 г.[schema type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА» description=»Сжигание обводнённого топлива – одна из основных причин загрязнения атмосферы. Авторы предлагают оригинальную методику расчёта количества загрязнений, выбрасываемых с дымовыми газами. Для этого необходимо контролировать температуру в топке и влагосодержание топлива.» author=»Евдокимов Александр Александрович, Кисс Валерий Вячеславович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]