Отработанные масла в качестве энергоресурса

К. Калейников

Утилизация отработанных масел (ОМ) – актуальная проблема. Ведь возникают большие расходы по содержанию пунктов сбора, хранения, транспортировки и переработки. С другой стороны отработанные масла являются источником тепловой энергии, пригодной для отопления общественных и производственных помещений, поскольку при их сжигании выделяется до 35 МДж/л тепловой энергии. В данной статье рассматривается способ отопления с использованием теплоты при сжигании отработанных моторных масел в потоке пиролизного газа

На сегодняшний день в мире существует много патентованных способов и оборудования для утилизации низкосортного топлива: SU 1548601, A1, 07.03.1990; RU 2079051, C1, 10.05.1997; RU 2227251, C2, 20.04.2004; US 4291636, 29.09.1981, UA 59465, С2, 15.09.2003. На рынке представлено достаточно эффективных горелок (рис. 1), печей и котлов (рис. 2) длясжигания предварительно фильтрованного ОМ, однако стоимость оборудования высока, в результате часть масла сжигается в неприспособленных котельных и печах.

Рис. 1. Горелка для сжигания отработанного моторного масла

Вопросы экологии

Производители оборудования умалчивают о проблемах защиты окружающей среды в процессе сжигания ОМ: происходит выброс в атмосферу вредных веществ. По мировым требованиям природоохранных стандартов содержание в газовых выбросах вредных веществ должно быть: пыли – не более 10 мг/м³, SO₂ – 50, HСl – 10, HF – 1, CO – 50, NO_х – 200, диоксинов – 0,1 нг/м³. Содержание оксидов тяжелых металлов не должно превышать 3 мг/м³, в том числе кадмия, ртути, свинца – 0,1 мг/м³.

Анализ современных технологий сжигания ОМ выявляет ряд эколого-экономических недостатков. В частности, при этом в атмосферу выбрасывается высокодисперсная пыль (1–2 кг/м³ ОМ) и вредные газы. В состав высокодисперсной летучей золы входят минеральные частицы и несгоревшие остатки органических веществ. Газообразные выбросы состоят из: диоксида углерода (СО₂) и водяного пара, соединений тяжелых металлов, продуктов неполного сгорания, а именно полиароматические и галоидсодержащие углеводороды. До 7% от массы сжигаемых отработанных моторных масел составляет зола, загрязненная тяжелыми металлами.

Таким образом, при утилизации ОМ следует учитывать следующие моменты:

сжигание – это высоко технологичный сложный процесс, требующий многоуровневого очистного оборудования из-за повышенных санитарных норм;
необходимость предварительного отстаивания после транспортировки, отделения осадка, воды и антифриза;
большие капитальные и эксплуатационные затраты на котельное оборудование и системы воздухоочистки.

При сжигании 1 т ОМ образуется около 7 тыс. м³ дымовых газов, в которых содержатся оксиды азота и серы, хлористый водород, полиароматические углеводороды, хлорбензол и тяжелые металлы. Последние сорбируются частицами летучей золы и в среднем содержат: алюминия – 3,1 мг/м³; цинка – 2,7; свинца – 1,6; меди – 0,15; хрома – 1,4.

Методы пиролиза

В последнее время в мировой практике повышенное внимание уделяется термохимическим процессам сжигания, а именно пиролизу, как наиболее совершенному технически и безопасномуэкологически. Этот способ (по сравнению с другими) имеет ряд преимуществ: скорость реакций возрастает экспоненциально с увеличением температуры, в то время как тепловые потери растут линейно, поэтому происходит более интенсивное преобразование исходных составляющих ОМ; наблюдается более полный выход летучих продуктов; количество остатка после окончания процесса уменьшается. Однако есть много недостатков: разрушение высокотоксичных соединений внутри котла не препятствует повторному их синтезу за его пределами, необходима дополнительная очистка газов с помощью сорбционных установок.

По методу пиролиза Torrax (пиролиз со шлакованием) топливо подают сверху в котел, и под влиянием силы тяжести оно последовательно проходит зоны сушки, пиролиза, первичного горения и плавления.

Разложение органической части сырья в зоне пиролиза происходит практически без доступа свободного кислорода благодаря теплу восходящего потока горячих газов из зоны первичного горения и плавления. В нижней части котла происходит горение твердых углеродсодержащих продуктов, именно сюда подается подогретый до температуры 1100 °С воздух. Температура, необходимая для плавления неорганических компонентов, в этой зоне достигает 1650 °С. Образующийся расплав непрерывно выводится из реактора в шлаковую ванну, а газообразные продукты при температуре 430 – 480 °С выводятся из реактора и направляются в камеру сгорания.

В описанном способе введения тепла в котел исключить попадание свободного кислорода в зону пиролиза можно только при сжигании топлива с недостатком кислорода, поэтому получить стабильно высокие температуры, которые обеспечивали бы расплавление всех неорганических компонентов, в таких условиях трудно. В связи с этим не все минеральные компоненты отходов расплавляются. За счет этого дестабилизируется процесс в целом.

Газообразные продукты пиролиза, которые выводятся из котла при температуре 430–480 °С непригодны для непосредственного использования из-за большого количество масел, влаги, других окислителей. Для получения товарного энергетического газа проводят его многоуровневое очистку и, в результате, получают газ, содержащий: водорода – 11,2%; метана – 1,9; других углеводородов – 0,8; оксида углерода – 10,3, диоксида углерода – 10,5; кислорода – 3 и азота – 62,3%. Такой химический состав газа свидетельствует о низком его качестве, что обусловлено высоким содержанием балластных примесей (N₂, СО₂) и сложных углеводородов, в состав которых входит бензапирен (С₂₀Н₁₂). Поэтому улучшить качество газа и очистить его от вредных химических примесей по данному методу невозможно.

По методу Purox (с подачей кислорода) отходы также подаются в верхнюю часть котла, а в нижнюю его часть вдувается кислород, а не воздух. При взаимодействии кислорода с твердым углеродсодержащим остатком пиролиза получают рабочую температуру в нижней зоне реактора равную 1650 °С. Это обеспечивает плавление неорганических компонентов отходов, а горячие газы, которые получаются в результате горения углеродистого остатка, поднимаясь вверх по высоте реактора, обеспечивают пиролиз отходов и их подсушивание. Из зоны пиролиза газ отсасывается при температуре около 100 °С, с высоким содержанием влаги, масел и других балластных компонентов, то есть газ непригоден для непосредственного использования. После многоуровневой очистки газ содержит: водорода – 24%; оксида углерода – 40; метана – 5,6; других углеводородов – 5,4; диоксида углерода – 24 и азота – 1%.

Рис. 2. Котел, работающий на отработанном масле

Наличие большого количества примесей в газе при выходе из зоны пиролиза обусловлено образованием при температурах 200–300 °С токсичных соединений в смеси с другими летучими веществами. Потому что, поднимаясь вверх навстречу топливу, которое подается сверху, и частично остыв, они выводятся из реактора, без химических превращений, а температурные условия для дальнейшего их разложения отсутствуют. При этом невозможно: обеспечить стабильное плавление неорганических компонентов произвольного химического состава без нарушения технологических основ процесса пиролиза; предотвратить разведение производимого газа маслами, влагой и окислителями; обеспечить обезвреживание образованных в процессе пиролиза токсичных соединений, улучшить качество производимого энергетического газа, а также повысить стабильность протекания процесса и его экологическую безопасность.

Метод «Пироксел» базируется на таких процессах: сушка, пиролиз, сжигание, электрошлаковая обработка, химико-термическое обезвреживание газов. Данная технология имеет ряд преимуществ: высокотемпературная обработка топлива без предварительного фильтрования, практически не остается отходов после переработки, которые необходимо отдельно захоронить. Также есть в этой технологии и недостатки: переработка небольших объемов отходов и большой расход электроэнергии.

Возможно также проводить сжигание распыленной водомасляной эмульсии в закрученном двухфазном потоке пиролизного газа. При этом ОМ вводят в топку в зону пиролиза для разложения органической составляющей. Оптимальная концентрация водной фазы составляет 12–15%. Управляющие параметры процесса горения следующие:

отношение объема избыточного воздуха к объему водяного пара, который испаряется из эмульсии (коэффициент а);
внутренние источники тепловой энергии, которые влияют на рабочую температуру реакций, происходящих на границе окислительно-восстановительной зоны.

Для оценки эффективности данного метода проведено математическое моделирование по заданным значениям управляющих параметров и известному элементному составу отработанного масла. Математическая модель строится на основе баланса составляющих ОМ, заданного коэффициента а и уравнений Гиббса для термодинамического равновесия реакций, происходящих в окислительно-восстановительной зоне при фиксированной температуре. Полученные модели позволили выбрать рациональные режимы протекания процессов горения эмульсий с ОМ и определить состав пиролизного газа при заданной температуре процесса.

Для примера возьмем ОМ с влажностью 15%. Окончательное распределение мольного состава генераторного газа при температуре 1300 °C в этом случае соответствует: СО – 7,16, СО₂ – 9,11, Н₂ – 9,62, Н₂О – 12,88, N₂ – 55,21.

Из анализа следует, что существуют такие значения коэффициента, при котором в составе газа отсутствуют Н₂ и СО, то есть наблюдается полное горение.

Резюме

Способ сжигания ОМ в виде водомасляной эмульсии в потоке пиролизного газа довольно перспективный. Ведь он дает возможность повысить теплотехнологическую эффективность процесса утилизации в 1,3–1,5 раза при обеспечении экологических норм. С учетом преимуществ способа и значимости проблемы существует необходимость теоретического и экспериментального исследования процесса пиролизного сжигания масел с целью создания научной базы для совершенствования способа высокотемпературного пиролиза с учетом всех недостатков.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!