Использование отработанных масел в качестве топлива

В связи с ростом мировых цен на сырую нефть и нефтепродукты возникла необходимость разработки и внедрения новых методов и технических решений высокоэффективного использования топлива, тепловой энергии и вторичных энергетических ресурсов в промышленности. Многие предприятия имеют резервы экономии топлива за счет более полного использования вторичных энергоресурсов. В структурных подразделениях предприятий образуются различные виды отработанных масел. Это делает обоснованным поиск решений, направленных на совершенствование процессов сжигания этих топлив в топочных устройствах. В процессе поиска таких решений особое внимание должно уделяться экологическим аспектам сжигания жидкого топлива совместно с отходами масел.

На предприятиях и в цехах по ремонту автомобилей и тракторов, а также в организациях различных ведомств образуются отработанные минеральные масла. Часть отработанных масел подвергается регенерации, однако значительное их количество, загрязненное твердыми примесями, кислотами и щелочами, собирается и вывозится на специальные предприятия для уничтожения. Жидкие отходы, не подлежащие регенерации, содержат 80–93 вес. % отработанных масел, 2–5 вес. % твердых примесей и 5–15% воды. На вывоз и транспортировку промышленные предприятия и транспортные организации затрачивают ежегодно десятки тысяч рублей.

Опыт, однако, показывает, что указанные жидкие отходы могут быть успешно использованы в качестве горючих вторичных энергоресурсов при сжигании в печах.

Цель работы заключена в исследовании сжигания отработанных масел совместно с мазутом и анализе выбросов загрязняющих веществ.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

• 1.    Разработать технологическую схему использования масел в качестве топлива.

• 2.    Исследовать влияние различных по составу масел на образование вредных веществ.

• 3.    Рассчитать эколого-экономическую эффективность от внедрения использования масел в качестве топлива.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались комплексный подход, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы по проблеме исследования, и расчетные исследования.

Если перемешать в определенном соотношении отходы отработанных масел и мазут в эмульсионной установке, то можно получить относительно однородную топливную смесь, обеспечивающую устойчивое и качественное сжигание в печах [1].

Для использования отработанных масел в качестве топлива предлагается схема смешивания их с мазутом. При этом среднее количество масла в топливе составит a =

М ОТР . МАС

М

МАЗ

• 100% ,

• где М ОТР.МАС – количество отработанных масел поступающих на смешивание, т/год;

М МАЗ – потребность в топливе предприятия, т/год.

Технологические схемы эмульсионных установок должны предусматривать постоянную работу центробежного или вихревого эмульсатора в период сжигания жидких отходов, а при значительном удалении эмульсионной установки от печей – установку дополнительного эмульсатора перед форсунками или использование специальных форсунок [2].

Принципиальная схема установки сжигания смеси «отработанное масло – мазут» приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема установки сжигания смеси «отработанное масло – мазут»: 1 – действующий мазутопровод; 2 – трубопровод из стационарных мест хранения отработанных масел; 3 – емкости с отработанными маслами подвозимые на автотранспорте; 4 – центробежный эмульсатор; 5 – топливный насос; 6 – трубопровод рециркуляции; 7 – промежуточная емкость хранения смеси «отработанное масло – мазут» с обогревом; 8 – запорная арматура

Разогретый мазут по мазутопроводу 1 направляется на сжигание, при использовании в качестве топлива смеси «отработанное масло – мазут» мазут направляется в центробежный эмульсатор 4 , куда также подаются отработанные масла. Особенность заключается в приеме отработанных масел как со стационарных емкостей сбора по трубопроводу 2 , так и из емкостей 3 , подвозимых автотранспортом. В эмульсаторе происходит смешивание отработанных масел и мазута, затем смесь по трубопроводу направляется в промежуточную емкость хранения с подогревом 7 , при наполнении емкости смесь при помощи топливного насоса 5 направляется на сжигание. Регулирование подачи топлива осуществляется при помощи работы запорной арматуры 8 . Периоды заполнения промежуточной емкости 4 имеют различные временные интервалы, для оптимального качества смеси «отработанное масло – мазут» установка снабжена рециркуляционной линией 6 и при помощи установленного на трубопроводе топливного насоса подачи отработанных масел производится рециркуляция смеси через эмульсатор с периодом 48 ч. Основным преимуществом данной установки является то, что неравномерность образования отработанных масел не влияет на качество смеси «отработанное масло – мазут» и количество топлива, необходимого для работы печей.

Перечень загрязняющих веществ, образующихся при сжигании мазута, приведен в таблице 1.

Таблица 1

Перечень и характеристика загрязняющих веществ, образующихся при сжигании мазута

Код	Наименование вещества	Класс опасности	ПДК, мг/м3
110	Пятиокись ванадия	1	0,002
328	Углерод черный (сажа)	3	0,15
301	Азота диоксид	2	0,2
330	Сера диоксид	3	0,5
337	Углерода оксид	4	5,0
703	Бенз [ а ] пирен	1	0,000001

Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу проведен по методике определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 т пара в час или менее 20Гкал в час [ 3 ] .

На одном из предприятий г. Красноярска годовая потребность в топливе пламенных печей составляет 1532 т/год. На предприятии образуется 117 т/год отработанных масел, которые используются в качестве топлива, при этом расход мазута составит 1415 т/год. Проведен расчет выброса вредных веществ с использованием отработанных масел и при сжигании мазута в количестве 1532 т/год.

Расчет выбросов углерода черного (сажи) производится по формуле

М тв = 0,01 - B • а ун • А Р • (1 - п ),                                   (2)

где В – расход топлива в год, т;

a УН – доля золы, уносимой газами из печи, а УН =1,0;

А^Р – зольность топлива на рабочую массу, %;

п - доля твердых частиц от их общего количества, улавливаемых в золоуловителях, п =0.

Расчет выбросов окислов серы в перерасчете на SO 2 производится по формуле

М SO 2 = 0,02 - B - S P - (1 - п о 2 ) - (1 - n So 2 ),                            (3)

где В – расход топлива в год, т;

S^P – содержание серы в топливе на рабочую массу, %;

n' _SO - доля оксидов серы, связанных с летучей золой в печи, n SO =0,02;

n SO - доля оксидов серы, улавливаемых в мокрых золоуловителях, для сухих золоуловителей П О =0.

Расчет выбросов углерода оксида производится по формуле

М со = 0,001 - С со ■ В - (1 - 100),

где С со - выход окиси углерода при сжигании топлива определяется по формуле С _Со = q ₃ - R - Q p : q 3 – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, %, q 3 =0,2, %;

Q_P^Н – низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг;

R – коэффициент, учитывающий потери теплоты в следствие химической неполноты сгорания топлива, R =0,65;

В – расход топлива в год, т;

q 4 – потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, %, q 4 =0,1.

Расчет выбросов азота диоксида производится по формуле

М NO ₂ = 0,001 ⋅ B ⋅ Q P^Н ⋅ K NO ⋅ β t ⋅ β a (1 - β Г )(1 - β б ),               (5)

где В – расход топлива в год, т;

Q_P^Н – низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг;

K NO – удельный выброс окислов азота при сжигании мазута, г/МДж, K NO =0,1;

β _t – безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха подаваемого на горение, β t =1,0;

β _a – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота, β _a =1,113;

β _Г – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота, β _Г =0;

β _б – безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру, β _б =0.

Расчет выбросов бензапирена производится по формуле

М = С _{Б ( А ) П} V _СГ B _P k _П ,                       (6)

где С Б(А)П – концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах, мг/м³, рассчитывается по формуле

С БП = 10

- 3 R (0,34 + 0,42 ⋅ 10 ^{- 3} g V )

e 3.8( a Т ^// - 1)

^КД^КР^КСТ ^,

где R – коэффициент, учитывающий способ распыления мазута, R =1;

а_Т ^// – коэффициент продуктов сгорания на выходе из топки; а_Т ^// =1,2;

g V – теплонапряжение топочного объема, кВт/м³, рассчитывается по формуле g V =В Q _P ^н /V Т , где V Т – объем топочной камеры, м³, V Т =1,6 м³, g V =(80/3600) ⋅ 39730/1,6=552 кВт/м³;

К Д – коэффициент, учитывающий нагрузку котла на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания, К Д =1,0;

К Р – коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания, К Р =1,0;

К СТ – коэффициент, учитывающий влияние ступенчатого сжигания на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания, К СТ =1,0.

V _СГ – объем сухих дымовых газов при нормальных условиях, при недостатке информации о составе сжигаемого топлива определяется по формуле V_СГ = КQ_Р^Н , где К – коэффициент, учитывающий характер топлива, для мазута К =0,355; Q_P^Н – низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг;

B P - расчетный расход топлива, т/год, определяется по формуле B P =

, где g 4 – по-

тери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, %, q 4 =0,1%; В – полный расход топлива, т/год.

Суммарное количество мазутной золы в перерасчете на ванадий при сжигании мазута рассчитывается по формуле

М V 2 O 5 = ¹⁰ 6 ■ G V ■ B (1 ^{- п} ОС )(1 ^{- п} УС ),

где   GV – содержание оксидов ванадия, г/т, определяется по формуле GV=2222АР, где АР – зольность топлива на рабочую массу, %, АР=0,1%, GV=222,2 г/т;

В – расход мазута в год, т;

ц ос - коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева, ц ос =0,05;

ц ус - доля твердых частиц продуктов сгорания топлива, улавливаемых в устройствах для очистки, Ц ус =0.

Результаты исследований сведены в таблицу 2. Анализ результатов расчета валовых выбросов загрязняющих веществ приведен на рисунке 2. Валовые выбросы бенз(а)пирена практически не изменяются и соответствуют величине погрешности расчета.

Из результатов анализа следует, что при использовании отработанных масел в смеси с мазутом выбросы вредных веществ снижаются на 4,1 т в год.

Расчет валовых выбросов загрязняющих веществ

Таблица 2

Наименование топлива	Расход топлива, т/год	Характеристика топлива			Выбросы загрязняющих веществ, т/год
		А Р , %	Q P Н , МДж/кг	S P , %	Углерод черный (сажа)	Сера диоксид	Углерода оксид	Азота диоксид	Бензапирен	Ванадия пятио-кись
Масла трансформаторные отработанные	105	0	41,8	0	-	-	0,57	0,4885	0,00000042	-
Масла    инду стриальные отработанные	8	0,005	39,8	1,1	0,0004	0,1725	0,0414	0,0354	0,00000003	-
Масла моторные отработанные	3	1	41	0	0,03	-	0,016	0,0137	0,000000012	-
Масла   транс миссионные отработанные	0,2	0,3	41	0	0,0006	-	0,0011	0,0009	0,0000000008	-
Масла гидравлические отработанные	0,8	0,3	41	0	0,0024	-	0,0043	0,00365	0,0000000031	-
Мазут	1415	0,1	39,73	1,4	1,415	38,8276	7,301	6,2571	0,0000053	0,29869
Итого при использовании смеси «отработанное масло – мазут»					1,4484	39,0	7,9337	6,7992	0,0000058	0,29869
Мазут	1532	0,1	39,73	1,4	1,532	42,0381	7,9047	6,7744	0,0000058	0,32339

Пятиокись ванадия

Азота диоксид

Углерода оксид

Сера диоксид

Углерод черный (сажа)

Рис. 2. Анализ валовых выбросов вредных веществ: 1 ряд – при сжигании мазута; 2 ряд – при сжигании смеси «отработанное масло – мазут»

При оценке экономической эффективности проведенных исследований рассматриваются только прямые затраты, в которые включены стоимость топлива и платежи за выбросы в атмосферу [ 4 ] .

По данным предприятия стоимость одной тонны мазута составляет 12000 руб., при передаче отработанных масел на сжигание сторонним организациям предприятие получает 6000 руб. за тонну. При использовании отработанных масел в качестве топлива экономический эффект составит 3660 руб. за тонну, при полном использовании отработанных масел в объеме 117 т экономический эффект составит 702 тыс.руб/год. Также снижается плата за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, расчет приведен в таблице 3. Снижение платы за выбросы составляет 193 руб/год. Общий экономический эффект при использовании отработанных масел в смеси с мазутом составляет 702,193тыс. руб/год.

Расчет снижения платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Таблица 3

Загрязняющее вещество	Выбросы загрязняющих веществ, т/год		Снижение выбросов загрязняющих веществ, т/год	Норма платы за 1 т загрязняющего вещества	Коэффициент, учитывающий экологические факторы		Сокращение платы за выбросы, руб.
	при сжигании мазута	при сжигании смеси «отработанное масло – мазут»			нормативный для региона	дополнительный для городов
Углерод черный (сажа)	1,532	1,4484	0,0836	80	1,4	1,2	11,24
Сера диоксид	43,0381	39,0	4,0381	21	1,4	1,2	142,46
Углерода оксид	6,7744	6,7992	-0,0248	0,6	1,4	1,2	-0,02
Азота диоксид	7,9047	7,9337	-0,029	52	1,4	1,2	-2,53
Пятиокись ванадия	0,3234	0,2987	0,0247	1025	1,4	1,2	42,53
Итого	–	–	4,0926	–	–	–	193,67

Выводы

Предложена технологическая схема использования отработанных масел в качестве топлива.

Произведен расчет выброса вредных веществ при сжигании отработанных масел.

Экономические расчеты показали целесообразность использования отработанных масел в качестве топлива.

Решены вопросы защиты окружающей среды от бесконтрольного слива отходов масел.