Назад в библиотеку

---

Метод огневого обесфеноливания сточных вод коксохимических заводов

Очистка сточных вод промышленных предприятий имеет большое народнохозяйственное значение. Это одна из сложных технических проблем, в решении которой заинтересованы многие отрасли промышленности. В настоящее время интенсивное развитие энергосберегающих технологий и вовлечение в энергетику широкого спектра разнообразных углеводородных топлив, заменяющих импортируемый природный газ, является актуальной проблемой.

В коксохимической промышленности образуется большое количество сточных вод, загрязнённых различными отходами производства, главным образом, фенолами, которые представляют большую опасность для окружающей среды и здоровья человека. Концентрация фенолов в сточных водах составляет примерно 1,5 г/л. В настоящее время на большинстве коксохимических предприятий очистка фенольных вод производится биохимическим методом. Этот метод очень эффективен, но имеет ряд недостатков. В частности, установки биохимической очистки очень чувствительны к резким изменениям режимов работы: резкие скачки температуры, pH, концентрации загрязнителей могут привести к гибели микроорганизмов. Кроме того, БХУ занимают значительные площади. Существует технология добавления воды в топлива для теплоагрегатов(мазут, коксовый газ и др.). Уже успела хорошо зарекомендовать себя на практике технология сжигания мазута в виде водомазутных эмульсий(ВМЭ), где использование эмульгирования мазута позволяет повысить эффективность сжигания топлива и достичь прироста КПД котлоагрегата [1]. Отсюда и возникла идея использования фенольной воды как добавки в углеводородные топлива при приготовлении водотопливных эмульсий для решения двух проблем: повышения эффективности теплогенерирующих установок и утилизации фенольных сточных вод. Целью данного исследования является проверка возможности огневой утилизации фенольных стоков, а также определение теплофизических свойств составов на основе углеводородных топлив с добавками воды для обоснования возможности их дальнейшего применения в качестве композитных суспензионных горючих (КСГ) на промышленных теплогенерирующих установках, формулировка практических рекомендаций по организации процесса горения.

В данной работе предлагается известная и предварительно апробированная технология обработки тяжелых нефтепродуктов и продуктов нефтепереработки с водой в эмульгаторах. Использование эмульгированных топлив способствует как улучшению процесса горения, так и теплообмена продуктов сгорания с теплообменными устройствами в современных котлоагрегатах и технологических установках. При этом наблюдается улучшение экологических показателей продуктов сгорания.

Вода в виде добавок к углеводородному горючему может рассматриваться в качестве вещества–активатора. В качестве добавки предлагается использовать фенольную сточную воду [2]. В процессе горения водотопливной эмульсии фенолы, содержащиеся в сточной воде, сгорают, благодаря чему происходит обезвреживание фенольных стоков. Для доказательства данного утверждения был проведен расчет равновесного состава продуктов сгорания, а также проводились эксперименты на теплогенерирующей установке мощностью 30  кВт с последующим анализом присутствия фенолов в продуктах сгорания. Расчёт выполнен с использованием программных продуктов ASTRA–4 и PLASMA [3,4]. Результаты расчетов по программе для различных составов композиционного топливо представлены в таблице и графиках(рис.1 и 2).

Расчётные исследования позволяют сделать следующие выводы. Добавки воды в печном топливе (ПТ) и в ДТ снижают теплотворную способность и равновесную температуру, при этом в продуктах сгорания снижаются содержания NO и CO, что означает увеличение полноты сгорания. Теплотворная способность и равновесная температура водомазутной эмульсии незначительно снижается с повышением количества воды. Расчёт равновесного состава продуктов горения фенола в воздухе показал возможность его сжигания.

Результаты расчетов програмы PLASMA

Для получения водотопливной эмульсии для последующего сжигания в теплогенерирующей установке было использовано гидрокавиационное устройство ГКС-50 [5]. Настройка и регулировка режимов работы генератора кавитации, а также проведение экспериментов по обводнению топлива, осуществлялось на испытательном стенде (рис. 3). Добавка фенольной воды в топливо составляла 10 %. Содержание в воде фенола было равно 1,5  г/л, что соответствует концентрации фенолов в стоках коксохимических заводов. Размер капель воды в топливе составил 1–5 мкм.

Вода в виде добавок к углеводородному горючему может рассматриваться в качестве вещества–активатора. В качестве добавки предлагается использовать фенольную сточную воду [2]. В процессе горения водотопливной эмульсии фенолы, содержащиеся в сточной воде, сгорают, благодаря чему происходит обезвреживание фенольных стоков. Для доказательства данного утверждения был проведен расчет равновесного состава продуктов сгорания, а также проводились эксперименты на теплогенерирующей установке мощностью 30 кВт с последующим анализом присутствия фенолов в продуктах сгорания.

Расчёт выполнен с использованием программных продуктов ASTRA–4 и PLASMA [3,4]. Результаты расчетов по программе для различных составов композиционного топливо представлены в таблице и графиках (рис.1 и 2).

Расчётные исследования позволяют сделать следующие выводы. Добавки воды в печном топливе (ПТ) и в ДТ снижают теплотворную способность и равновесную температуру, при этом в продуктах сгорания снижаются содержания NO и CO, что означает увеличение полноты сгорания. Теплотворная способность и равновесная температура водомазутной эмульсии незначительно снижается с повышением количества воды. Расчёт равновесного состава продуктов горения фенола в воздухе показал возможность его сжигания.

Результаты расчетов програмы PLASMA

Для получения водотопливной эмульсии для последующего сжигания в теплогенерирующей установке было использовано гидрокавиационное устройство ГКС–50 [5]. Настройка и регулировка режимов работы генератора кавитации, а также проведение экспериментов по обводнению топлива, осуществлялось на испытательном стенде (рис. 3).

Добавка фенольной воды в топливо составляла 10 %. Содержание в воде фенола было равно 1,5 г/л, что соответствует концентрации фенолов в стоках коксохимических заводов. Размер капель воды в топливе составил 1–5 мкм.

Были проведены термометрические и термогравиметрические исследования топлив на основе дизельного топлива, мазута, печного топлива [6,7,8]. Исследования показали, что эмульгирование КСГ приводит к гомогенизации топлива, что в свою очередь, приводит к небольшому повышению температуры пламени и более спокойному горению. В мазутном топливе при вскипании содержащейся в нем воды наблюдается взрывной характер горения.

Использование специальной термогравиетрической установки позволило наблюдать процесс горения капли и визуально установить, что эмульгирование влияет на ход предпламенных процессов. На первой стадии эволюции капли топлива происходит ее фрагментация, причем скорость массообмена зависит от интенсивности эмульгирования и процента добавки воды. Помимо этого установлено, что добавка воды увеличивает коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменнику, а это означает, что повышается интенсивность энергообмена потока продуктов сгорания с поверхностью теплообменного аппарата теплогенераторной установки (ТГУ).

ТГУ работает следующим образом. Вентилятор нагнетает воздух в установку, где воздух делится на два потока. Один поток поступает в камеру сгорания, чтобы обеспечить нормальный процесс сгорания топлива. Второй поток идет в теплообменный аппарат в качестве нагреваемого теплоносителя.

В камеру сгорания (КС) под определенным давлением через фильтр подается комбинированное топливо. Там происходит процесс горения топлива с образованием дымовых газов и выделением тепла. Дымовые газы поступают в теплообменный аппарат (ТОА) рекуперативного типа, где передают свою тепловую энергию воздуху. Далее нагретый воздух идет на производственные нужды.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 4.

Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 5.

Температура на выходе из КС сохранялась постоянной для чистого ПТ и для кавитированного ПТ и составляла 340±1 °С.

На выходе из ТОА температура горячего воздуха возросла в среднем на 5±1 °С при использовании кавитированного ПТ (КавПТ) с добавкой 10 % воды.

Установлено, что при добавлении 10 % воды в ПТ, теплотворная способность топлива падает также на 10 %. При этом температура воздуха на выходе из ТОА повышается. Данный установленный экспериментальный факт может быть объяснен увеличением коэффициента теплоотдачи продуктов сгорания.

Был проведён отбор и анализ проб продуктов сгорания на содержание в них фенола. Среднее значение содержания фенола – 0,027 мг/м ³ . За время трёх опытов (1 час) было потрачено 3,5 кг топлива. С учетом исходной концентрации фенолов в воде (1,5  г/л) в использованном количестве воды(10 % от топлива) содержалось 0,42 г фенола. Выход продуктов сгорания с учетом воздуха составил 55,87 кг/ч. Т.о. при отсутствии сгорания фенола его содержание в продуктах сгорания должно было бы составить около 7,5 мг/кг или 5,8 мг/м 3 . Анализ проб продуктов сгорания показал, что содержание фенола составляет 0,027 мг/м ³ , что свидетельствует о сгорании фенолов на 99,6 %.

Метод огневой утилизации фенольных стоков имеет ряд преимуществ перед биохимическим методом, используемым в настоящее время на большинстве коксохимических предприятий. Он более надёжен и прост в эксплуатации и требует значительно меньшей производственной площади по сравнению с БХУ. При этом предлагаемый метод утилизации фенольных вод позволяет попутно увеличить эффективность теплогенерирующих установок.

Таким образом, была подтверждена возможность утилизации фенольных сточных вод в камере сгорания теплогенератора. Также в результате проведенных работ было подтверждено влияние добавок воды на ход предпламенных процессов.

В дальнейшем предполагается разработка способа обезвреживания фенольных вод в энергоустановках, работающих с добавками коксового и доменного газов.

Библиографический список

1. Бабий В.Л., Тумановский А.Г. и др. Совершенствование технологий сжигания топлив // Теплоэнергетика. – 1996. – №7. – С. 30-39.
2. Бастеев А.В. Принцип активации и его применение в процессах энергопреобразования // Проблемы машиностроения. – 1993. – Вып. 39. – С. 81-87.
3. Исследование и разработка технологии и оборудования для использования водо-мазутных эмульсий на предприятиях энерге-тической отрасли / Технический отчет. – Харьков, ХАИ. – 2006.
4. Бастеев А.В., Мусалам Алаа, Форфутдинов В.В. Разработка технологии и особенности рабочего процесса сжигания суспензионных горючих // Авиационно-космическая техника и технология [сб. научн. тр.] – Харьков: ХАИ. – 2001. – Вып. 26. – С. 39-41.
5. Бастеев А.В., Мусалам Алаа, Форфутдинов В.В., Кучмамбетов Р.А. Экспери-ментальное исследование процесса горения суспензионных горючих на основе ПТ и мазута // АВИА-2003: материалы V межд. научн.-техн. конфер., 23-25 апреля2003 г., Киев. – С. 41.13-41.15.
6. Бастеев А.В., Мусалам Алаа, Форфутдинов В.В., Кучмамбетов Р.А. Эксперимен-тальное моделирование предпламенных процессов суспензионных горючих на основе печного топлива и мазута // АВИА-2003: материалыV межд. научн.-техн. конфер., 23-25 апреля 2003 г., Киев. – С. 41.17-41.20
7. Бастеев А.В., Мусалам Алаа, Форфутдинов В.В., Карножицкий П.В., Кучмамбетов Р.А. Свойства суспензионных горючих и их продуктов сгорания на основе печного топлива и мазута в высокотемпературной среде // Вестник двигателестроения.– 2003. – №1. – С. 118-120
8. Кравченко О.В., Тарасенко Л.В., Бастеев А.В., Форфутдинов В.В. Обоснование целесообразности использования в промышленных энергоустановках суспензионных горючих // Авиационно-космическая техника и технология. – 2007. – №7(43). – С. 7-11.