Технология получения магнегаза из нефтесодержащих отходов как один из путей рения проблемы утилизации жидких отходов ТЭС.

 

На сегодняшний день утилизация отходов промышленности и внедрение безотходных технологий, при замещении природных топлив для любого суверенного государства имеет первостепенное значение.

На тепловых электростанциях для отделения нефтепродуктов от воды после прогрева мазута паром, в условиях нейтральной и слабокислой реакции используются нефтеловушки. Удаление нефтепродуктов из ловушки производится через нефтесборные трубы. Нефтеловушки представляет собой проточные горизонтальные отстойники, разделённые на две параллельно работающие секции.

Сточная вода из отдельно расположенной распределительной камеры следует по самостоятельным трубопроводам в каждую секцию нефтеловушки, а далее через распределительную трубу с патрубками и щелевую перегородку поступает в отстойную часть секций, в конце которой пропускается под затопленный нефтеудерживающей стенкой и через водослив попадает в поперечный отводящий лоток, а затем в сбросной коллектор.

 

 

1 - распределительная камера, 2 - приемные резервуары, 3 – нефтеловушка, 4 - промежуточный резервуар, 5 - механический фильтр, 6 - угольный фильтр, 7 - резервуар очищенной воды, 8 - резервуар уловленного нефтепродукта, 9 - резервуар осадка, 10 - насос подачи очищаемой воды на фильтры, 11 - насос взрыхляющей промывки фильтров.

 

Рисунок 33 - Схема установки очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами.

 

Всплывшие нефтепродукты отводятся поворотными трубами, установленными в начале и в конце секции.

Осадок, всплывающий на горизонтальное дно секции, сгребается к приямкам с помощью скреперного скребка, передвигаемого вдоль каждой секции на непрерывном тросе, укреплённом на барабане лебёдки с электроприводом. Удаление осадка из приямков в шлакоотводящий трубопровод, а также опорожнение секции производится гидроэлеваторами.

В результате работы нефтеловушки образуются жидкие отходы на основе нефти, которые необходимо вывозить и утилизировать.

 На сегодняшний день существуют технологии получения высококачественного топлива (магнегаза) из жидких отходов на основе нефти. Такие технологии получили название плазменно-дуговых и осуществляются в плазматронных реакторах.

Впервые магнегаз был получен Ругерро Мария
Сантилли в Соединённых Штатах Америки в 1977 году. Он предложил реактор Plasma Arc Flow для получения совершенно нового вида газообразного топлива – магнегаза [29,30]. Образование магнегаза происходит в условиях очень интенсивных магнитных полей, образованных электрической дугой, погружённой в жидкие отходы на основе нефти. В таких условиях немолекулярные атомы образуют определённые комплексы, называемые магнекулами. Энергии связи в комплексах магнекул очень высокие, значительно выше, чем в обычных молекулах. Соответственно, теплотворная способность магнегаза намного выше тепловрной способности природного газа. В таблице 23 представлен примерный состав магнегаза на основе проведённых исследований  [31].

Мощное магнитное поле в зоне горения электрического разряда преобразует плазму, состоящую из соединений углерода, кислорода и водорода. Плазма, попадая в окружающие потоки жидкости, резко остывает и образует определённые кластеры, которые называются магнекулами. В дальнейшем магнекулы находят друг друга и объединяются в магнегаз. При этом, внутренняя энергии плазмы сохраняется внутри газа.

 

 

Таблица 23- Примерный состав магнегаза.

 

№ п/п	Название компонента газа	Доля,%
1	Водород (Н2)	48,5
2	Монооксид углерода (СО)	36,5
3	Углекислый газ (СО2)	7,3
4	Азот (N2)	5,5
5	Кислород (О2)	1,2
6	Ацетилен (С2Н2)	0,6
7	Метан (СН4)	0,2
8	Этилен (С2Н4)	0,05
9	Этан (С2Н6)	0,005

 

Принципиальная схема получения магнегаза представлена на рисунке 31 [31].

           Рисунок 34- Принципиальная схема получения магнегаза.

В состав установки входят: бак-ёмкость 1 из термостойкого стекла объемом 0,5 л, емкость-сборник газовой смеси 2, представляющая стеклянную воронку диаметром 85 и высотой 70 мм, угольные расходуемые подвижные электроды 3 диаметром 8 мм. Герметизация зазора между емкостью-сборником 2 и угольным электродом 3, выполнена резиновыми кольцами 4. Измерение напряжения и тока на дуге 6 выполнялось вольтметром и токовыми клещами. Питание дуги осуществлялось подачей напряжения на подвижный 3 и неподвижный 5 графитовые электроды от автотрансформатора на 5 кВт. Температура воды непрерывно измерялась хромель-алюмелевой термопарой (ТХА) с вторичным показывающим прибором. 

Установка питалась как переменным, так и постоянным током. Один угольный электрод фиксировался на дне бака-емкости, а второй перемещался вместе со сборной емкостью, инициируя возникновение электрической дуги и поддержание ее горения. В установку заливали обессоленную воду. Горловина емкости-сборника 2 при проведении экспериментов находилась под уровнем воды 7.

Электрическая мощность, идущая на получение магнегаза, рассчитывалась как: Q =UI, Вт, а расход получаемого газа — G =V/ T, мл/сек, где V — объем собранного газа, мл; T — время горения дуги.

Суть технологии заключается в следующем. Электрическая дуга, горящая между двумя углеродными электродами под слоем воды, эффективно разделяет воду на атомные составляющие (ионизация атомов водорода, кислорода и углерода в плазме протекает при температуре около 3000°С, причем этот процесс сопровождается также сублимацией углеродосодержащих электродов). В результате этого происходит преобразование воды и гидрокарбонатосодержащего сырья в магнегаз. Кроме этого жидкость в PlasmaArcFlow™Recyclers стерилизуется действием высокотемпературной электрической дуги, сильного электрического тока, магнитного поля и интенсивного ультрафиолетового излучения. Энергия, не идущая на рекомбинацию водорода и кислорода, расходуется на нагрев воды. Таким образом, производится две формы энергии: горючий газ и теплота, отводимая рабочей жидкостью.

Лабораторией MagnegasTM предложены реакторы двух видов: замкнутого и линейного цикла. В замкнутом цикле вода циркулирует через электродуговое пространство до тех пор, пока вся не перейдет в газ. Линейный (разомкнутый) цикл основан на непрерывной прокачке через электродуговое пространство новых порций воды. Линейный реактор (электролизер) рекомендован для использования при переработке биологически загрязненной жидкости,  содержащей до 10 % примесей. 

Основными химическими реакциями, проходящими в реакторе, являются газификация углерода (графита) и конверсия воды и углерода в водород и оксид углерода.

Таким образом, реакцию, протекающую в реакторе PlasmaArcFlowTM, можно представить, как Н₂0 + С = Н₂ + СО = 43,9 ккал/моль.  

Коэффициент выработки тепловой энергии, равный отношению теплоты сгорания магнегаза к затратам электроэнергии для реакторов PlasmaArcFlowTM, составляет около 3...5 [32]. За счет технологических  усовершенствований реактора предполагается повысить коэффициент выработки тепловой энергии до 7...10, при этом реактор предполагается перевести на автономный режим электропитания [33].

 Проведено независимое сравнительное экспериментальное исследование производительности магнегазовой и электролизной установок. Так как при получении магнегаза используется прохождение электричества через воду, то такое сравнение позволит определить также и возможную долю вклада электролиза в процесс выработки магнегаза. В таблице 24 представлены промышленные электролизеры малой мощности.

 

Таблица 24- Производительность промышленных электролизеров малой мощности

 

Марка электролизера	ЭВГ-7	ЭВГ-8	ЭВГ-10	ЭВГ-40	ЭВГ-80
Производительность, л/час	40	25	45	40	80
Потребляемая мощность, Вт	145	95	140	180	360

 

Для сравнения производительностей магнегазовой установки и электролизера, представлен график работы магнегазовой установки на переменном и постоянном токе (рисунок 35). Из графика видно, что увеличение мощности приводит к понижению производительности, это объясняется тем, что при больших токах происходит частичное экранирование электродов генерирующимися на них пузырями. Процесс электролиза воды, в отличие от процесса получения магнегаза, начинается при превышении определенного потенциала на электродах, зависящего от многих факторов (материала электродов, электролита и т.п.). Тем не менее, из рисунков 35 и 36 видно, что производительность электролизеров по горючему газу выше производительности реактора магнегаза более, чем в 5 раз. 

При обычных условиях поведение магнекул очень устойчивое. Для хранения магнегаза не требуется особых условий. Он не воспламеняется при ударных нагрузках, хорошо транспортируется потому-то легче воздуха. Все эти параметры делают его безопасней, чем природный и сжиженный углеводородный газ. Для получения магнегаза используют жидкие отходы, содержащие нефтепродукты, воды из отстойников и шламовые воды.

 

8.1Технологии переработки нефтесодержащих отходов ТЭС с получение альтернативного топлива магнегаза.

 

 Перспективным на сегодняшний день представляется смешивание различных отходов, содержащих органические и неорганические соединения. Режим технологии может быть бесперебойным, до тех пор, пока все молекулы жидких отходов не преобразуются в магнекулы. При работе установки по получению магнегаза образуется дополнительное тепло, которое можно утилизировать для технологических сопутствующих процессов. Установка работает в безвыбросном и бесшумном режиме. В окружающую среду не поступает вредных элементов. В процессе работы установки не выделяется никаких запахов. Технология не предусматривает добавления каких-либо химических реагентов, на основании того, что под воздействием электрической дуги образующийся газ и другие продукты стерилизуются при воздействии температуры, превышающей 1100⁰С. На основании всего вышеуказанного можно утверждать, что за счёт утилизации вредных выбросов, содержащих нефтепродукты, получается экологически чистый газ.

Принципиальный состав магнегаза определён следующими компонентами:

1) Н₂  - 40-45%;

2) СО - 55-60%;

3) СО₂ - 1-2%.

Компоненты магнегаза объединены в определённые кластеры с различными молекулярными весами от 500 до 1200 а.е.м. В процессе окисления газа сначала разрушаются слабые магнитные кластеры, а затем химические связи. Магнегаз, полученных на основе органических стоков имеет теплоту сгорания примерно 79000 ккал/м³, полученный на основе отходов, содержащих нефтепродукты 89000 ккал/м³. При такой теплоте сгорания магнегаз дешёвый и экологически чистый и абсолютно безопасный газ. Имея ярко выраженный запах его легко обнаружить, что также расширяет возможности его применения. На сегодняшний день магнегаз хорошо испытан в качестве автомобильного топлива. Компании лидирующих производителей автомобилей, такие как Ferrari и Honda уже тестируют автомобили на эксплуатацию на магнегазе. Ещё одно преимущество магнегаза – это отсутствие тяжёлых углеводородов, что определяет его возможность использовать при очень низких температурах. На сегодняшний день магнегаз успешно используется в Казахстане для резки металла. Однако, магнегаз Казахстан покупает за пределами своего государства.

Рисунок 35- Зависимость удельного расхода магнегаза от подводимой электрической мощности. 1- переменный, 2- постоянный (выпрямленный) ток

Рисунок 36- Зависимость удельного выхода гремучего газа (смеси водорода и кислорода) от электрической мощности, подводимой к электролизеру

               

           Исходя из изложенного, можно сделать следующие выводы:

- при получении магнегаза целесообразно использовать переменный ток, дающий более высокий выход газа в сравнении с постоянным током;

- экспериментально установлено, что производительность магнегазового реактора уступает производительности электролизера такой же мощности;

 

Вопросы к лекции 10:

1. Основной способ утилизации нефтесодержащих отходов на ТЭС?

2. Принципиальная схема действия нефтеловушки для очистки сточных вод от нефтесодержащего шлама?

3. Что представляет собой магнегаз и кем он был впервые получен?

4. Что включает в себя принципиальная схема получения магнегаза?

5. Какие плазменные реакторы применяются для получения магнегаза?

6. Область применения линейных реакторов получения магнегаза?

7. Принципиальная технология образования магнегаза на основе магнекул и магнекластеров?

8. Основные физико-технические свойства и преимущества магнегаза?

9. Область применения магнегаза?

10. Основные устройства для получения магнегаза, применяемые на сегодняшний день?