ӘОЖ 665.6/7:502.171

№2, 2014г.

МҒТАР  61.51.91

Скачать

 

Т.Ж. Жұмағұлов^1, т.ғ.к., Г.С. Жамкеева2

 Қорқыт Ата атындағы Қызылорда мемлекеттік университеті¹

№15 мектеп лицейі^{2
Қызылорда қ., Казақстан}

 

 Берілген жұмыста брикет отынын алу технологиясын пайдалу арқылы мұнай қалдықтарын кәдеге жарату жолдары қарастырылған. Энергия сақтау заңдылықтарын қолдану арқылы, брикет отынының құрамындағы әрбір заттың массалық үлесі арқылы жану-энергетикалық сипаттамасына сандық және сапалық бағалау жүргізілді
Түйінді сөздер: Мұнай қалдығы, жану жылуы, брикет отыны

______________________________

Жұмағұлов Т.Ж.,  Жамкеева Г.С.
ПРИБЛИЖЕННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА КАЧЕСТВЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ БРИКЕТИРОВАННЫХ ТОПЛИВ ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ

В работе рассмотрены пути утилизации нефтеотходов, в частности с получением топливных брикетов на базе разработанной технологии. С  привлечением законов сохранения энергии, массы и вещества проведена количественная оценка топливно-энергетических характеристик топливных брикетов на основе отходов нефтепромысла
Ключевые слова: нефтеотходы, теплота горения, топливный брикет

_______________________________

Zhumagulov T.Zh., Zhamkeeva G.S. 
AN APPROXIMATE METHOD OF CALCULATING OF THE QUALITATIVE ENERGY COMBUSTION OF BRIQUETTED   FUELS DERIVED FROM INDUSTRIAL WASTE

Ways of disposing of oil waste are considered in the paper, in particular obtaining fuel briquettes on the basis of the developed technology. With the use of the laws of conservation of energy, mass and substance are carried out quantitative assessment of energy characteristic of fuel briquettes on the basis of waste of oil fields
Key words: oil waste, heat of combustion, fuel briquettes.

 

Кіріспе. Өндірісте түзілген жоғары парафинді мұнай қалдықтары негізінде брикет отынын дайындаудың тиімді технологиясын жасауда, техногендік қалдықтарға арнайы зертханаларда физика-химиялық зерттеулер мен олардың нәтижелеріне математикалық және экологиялық-экономикалық талдаулар жасап, өндірістік-тәжірибеде сынақтар жүргізу арқылы экологиялық қауіпсіздік проблемаларын шешу әдістерінің бірі болып табылады.

Отын – жанған кезде жылу бөлетін заттар, ал алынған жылу технологиялық процестерде қолданылады немесе басқа энергия түріне ауысады. Жанатын заттар өте көп, бірақта қажеттісі табиғатта көп таралғандары. Осы шартқа сәйкес келетіні — құрамы көміртекті заттар. Олар — көмір, жанғыш газдар, мұнай, торф, ағаш және өсімдік қалдықтары (сабан, күріш қауызы және т.б.).

Көміртегі мен сутегі — отынның ең маңызды бөліктері. Көміртегі барлық отын құрамына кіреді: қоңыр көмір мен тас көмірде 65-80%,  антрациттерде 90÷95%, мазутта 84÷87% (отынның жанғыш массасына шаққанда). Сутегі мына бөлікте болады: қоңыр көмір мен тас көмірде 3,8÷5,8%, антрацитте 2% және мазутта 10,6÷11,1%.

Жанғыш элементтер жану процесінде 1 кг масса үшін төменде келтірілген мөлшерде жылу бөледі:

• көміртегі — 33,65 МДж (8031 ккал/кг),

• күкірт — 9 МДж (2172 ккал/кг),

• сутегі — 141,5 МДж (33 770 ккал/кг).

Зерттеу әдістемесі. Парафинді мұнай қалдықтарының негізінде жасалатын брикет отынының құрамын массалық бөлікте жоспарлау үшін мына қоспаларды қарастырайық: мұнай қалдығы (концентрациялық мүмкін өзгеру аймағы – 0%-дан 50%-ға дейін), көмір ұнтағы (концентрациялық мүмкін өзгеру аймағы – 0%-дан 90%-ға дейін), күріш қауызы (концентрациялық мүмкін өзгеру аймағы – 0%-дан 55%-ға дейін).

Мысалы, зерттеліп отырған парафинді мұнай қалдықтарының құрамы мен құрылымы күрделі көміртегі-сутекті қоспа болып келеді, бұл қалдықтарда (массалық) 80,0÷86,0% көміртегі, 7,0÷9,0% сутегі, 9,0%-ға дейін күкірт, 1,0÷9,0% оттегі және 1,5%-ға дейін азот бар, сонымен қатар аз мөлшерде шайырлар, майлар, су және  механикалық қоспалар да бар.

Кез келген көмірсутегінің жану реакциясының жалпы теңдеуі:

C_mH_n + (m + n/4) O₂ = mCO₂ + (n/2) Н₂O + Q;            (1)

мұнда m, n — молекуладағы көміртегі мен сутегі атомдарының саны;

Q — реакцияның жылулық эффектісі немесе жану жылуы.

Осы түрде жүретін реакцияның ерекшелігі «баяу жануы» болып табылады. Өмірде бұл жану түрі тұрғын үйді, ғимараттарды және қазандықтарды жылыту үшін қолданылады. Жану температурасы осы кезде 600-800^oС жетеді.

Бірақ та бұл теңдеу балансты ғана көрсетеді, реакция жылдамдығы, не химиялық түрленулер, не жылу мөлшері жайлы мәндерді алуға болмайды. Сондықтан жану теориясына сүйене отырып, 1 кг қатты отын жану кезінде бөлінетін жылу мөлшерін табу үшін техникалық есептеу жүргізейік. Техникалық есептеуді төменгі жану жылуы арқылы және су буының түзілу жылуын (шамамен 2400 кДж/кг) есепке алмау арқылы жүргіземіз.

Бірінші жағдайда қатты отынды жағу процесін математикалық моделдеу әдісін қолданып, қарастырайық. Осы жағдайда дифференциалдық теңдеулер қатты отынның жануы кезіндегі жүретін нақты физика-химиялық процестерді ескеруі керек.

Жану динамикасы негізіне жұмыстың нәтижелерімен қатар [1],  феноменологиялық термодинамика әдістері де қолданылды [2,3].

Отынның жану процесі келесі физика-химиялық шарттардың орындалуына тікелей тәуелді:

•  қатты отын құрамында жанатын құрама қоспалардың болуы;

• газ-ауа ортасының болуы;

• отын мен жану өнімдерінің арасында жылу алмасудың жүріп отыруы;

• жанушы отын бөліктері мен газ-ауа арасында конвективті және радиациялы жылу алмасудың болуы;

• жанудан болған өнімдердің жану ортасынан сыртқа шығарылып отыруы.

Осы шарттарға сәйкес термодинамиканың бірінші және екінші заңдарына сүйеніп, масса, энергия және қозғалыс мөлшерінің сақталу заңдарын құрастырамыз:

                         (2)

мұнда ρ_i – i-ші қоспаның элементар көлемдегі масса тасымалдану ағынының тығыздығы;

ν_i – элементар көлемнің массалар ортасының жылдамдығы, м/c;

e – i-ші қоспаның бірлік массаға шаққандағы толық энергиясы, Дж/кг;

Je – энергияның толық меншіктік-массалық ағыны, Вт/м²;

P – элементар көлемге түсетін қысымдар тензоры, Па;

m_j – j-ші қоспаның масса өзгерісінің меншікті қуаты, (кг/с)/м³.

Жану процесі үштік өлшемдегі көлемде және уақытқа тәуелді жүріп отырады.

Жалпы түрде бұл теңдеулер жүйесінің шешімін табу мүмкін емес, сондықтан бірлік өлшемге көшіру керек, сонда жүйе мына түрге келеді:

 

(3)

 

M_j –j-ші қоспаның жүйе көлеміндегі массасы;

dV – моделденіп отырған элементар аумақтың көлемі;

i_j’ және i_j’’–j-ші қоспаның  жану алдындағы және жанғаннан кейінгі энтальпиясы;

Q_j^p –j-ші қоспаның жану жылуы.

Осы (2) теңдеудегі барлық шамалар отынның 1 кг массасына қарасты алынған.

Көміртегінің жану жылдамдығы Аррениус заңы бойынша температураға былай тәуелді:

 

                              (4)

мұнда G_c – көміртектің жану жылдамдығы, кмоль/(м²·с);

M_молС = 12 кг/кмоль- көміртектің молекулалық массасы;

F_пов. – жануға қатысушы бөлшектердің ауданы;

k_c –  көміртектің жану жылдамдығының тұрақтысы.

Көміртектің жану жылдамдығының тұрақтысы (С+ О₂ ↔ СО₂) реакцияның белсенділік энергиясы Е_с арқылы табылады:

    (5)

мұндағы {k*; T*} = {10 м/c;

2500 К} – полюстер координатасы [3].

Енді мұнай қалдықтарынан жасалынатын отынға келетін болсақ, оны біртекті және көміртегі мен сутегіден тұрады деп қарастырамыз. Құрамдық бөлшектердің формасы куб немесе сфера тәрізді деп аламыз. Сонда бірінші жағдайда отын көлемінде бос кеңістік аз болады, екінші жағдайда бос кеңістік отын көлемінде пайда болады, себебі сфералардан құралған.  Есептеуді осы екі жағдай үшін жүргіземіз де, орташа жану жылуының мәнін анықтаймыз.

Барлық шарттар мен қабылданатын түзетулерді ескере отырып, қатты отынның жану процесін анықтайтын теңдеулер жүйесін аламыз:

(6)

Жуықтаулар арқылы, осы теңдеулерді интегралдау жүргізіп және тек қана сутегі мен көміртегін қарастыру барысында химиялық құрамы мұнай қалдықтарына сай келетін отын үшін иммитациялық математикалық моделдеу негізінде жану жылуының орташа шамасы есептелінеді:

                                  (7)

 

Осы теңдеуге мұнай қалдықтары үшін табылған келесі мәндерді қою арқылы: М = ΣМ_I = 1 кг (отын құрамындағы қоспалар массасының қосындысы), М_{моль С} = 12 кг/кмоль, Е_С = 150 кДж/моль, i = -395 кДж/моль – процесс энтальпиясы, k_C = 20000 – жану жылдамдығының тұрақтысы, F – меншікті жану ауданы, оның мәні кубтар мен сфераларды құрастыру арқылы алынатын отын формасына тәуелді табылып отырады.

Күріш қауызының құрамында лигнин бар, осы арқылы брикет қоспасы жабысқақ қасиетке ие болады (1-сурет).

    1-сурет. Табиғи полимер лигниннің полимер бөлігінің фрагменті

 

 

 

Ал қазбалы көмір торша полимер болып келеді, онда ароматикалық, фенолдық және басқа да фрагменттер бар (2-сурет).

Осындай құрылым мұнайдың ауыр қалдықтарына, асфальттендерге, гудрондарға да тән. Жанғыш материалдардың құрамдық аналогиясын білу мұнай қалдықтарын пайдаланудың бірегей жолын табуға полимерлік тұрғыда септігін тигізеді.

2-сурет. Қазба көмірдің құрылымы

 

Отынның жану уақытын анықтау үшін инженерлік есептеулер жүргізгенде жану кезі шартты түрде ірі төрт есептеулік кезеңдерден тұрады:

1) отынды жану аумағына енгізуден бастап ұшқыш құрамының жануы аралығына дейін, бұл уақыт ұшқыш денелердің шығуымен анықталады;

2) жана бастағаннан бастап жанудың көрінуіне дейінгі уақыт;

3) көрінетін жану тоқтағаннан кейін кокс қалдығының жана бастауы аралығының уақыты;

4) кокс қалдығының жана бастауының аяқталуына дейінгі уақыт аралығы.

Жану кезіндегі химиялық реакцияның жылдамдығы жануға қатысатын заттар концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорционал болады:   w = kС₁С₂, мұндағы С₁ және С₂ — жанғыш заттар концентрациялары, кмоль/м³;      k — реакция жылдамдығының тұрақтысы, ол температура мен жанғыш заттардың табиғатына тәуелді.

Реакция жылдамдығының тұрақтысы Аррениус теңдеуімен анықталады:

К = К0е-Е/RT

(8)

мұндағы К₀ — экспоненциалдық көбейткіш, биометрикалды біртекті қоспалар үшін ≈1,0;

Е — активация энергиясы, кДж/кмоль, көптеген жанғыш заттар үшін (80÷150)•103 кДж/кмоль;
R — универсал газ тұрақтысы, Дж/(кг•К);
Т — абсолюттік температура, К (°С);
е — натурал логарифм негізі.

Жанғыш материалдар құрамы арқылы ерекшелінеді (1-кесте).

                                                                                                                                  1-кесте

 Мұнай және басқа жанғыш заттардың құрамы

Отын және шикізат	Элементтік құрамы
	С	H	N	S	O
Жеңіл мұнай	84,0÷87,0	12,5÷14,0	0,1÷0,2	0,1÷4,5	0,1÷2,0
Ауыр мұнай	83,0÷87,0	10,0÷12,0	0,3÷1,2	3,0÷8,0	0,5÷2,0
Табиғи битумдар	80,0÷86,0	9,0÷11,0	0,3÷0,8	2,5÷10,0	0,6÷3,0
Тас көмір	76,0÷94,0	4,0÷6,0	1,5÷1,8	0,5÷7,0	2,0÷17,5
Қоңыр көмір	65,0÷76,0	4,0÷6,8	0,1÷0,3	0,3÷6,3	17,0÷28,0
Биомасса (лигнин)	28,0÷53,0	5,5÷7,5	0,01÷0,3	0,0÷0,4	38,0÷44,0

 Жану жылуы 1 кг қатты отынның жануы кезінде бөлініп шығатын энергия мөлшерін білдіреді.

Төменгі жану жылуы отынның ең маңызды сипаттамасына жатады және әрбір зат үшін тәжірибеден анықталады. Элементтік құрамы белгілі кезде жану жылуын Д.И. Менделеев формуласы арқылы табуға болады (кДж/кг немесе ккал/кг):

Q_H^P = 339C^P + 1256H^P – 109(O^P + S_L^P) – 25,14(9H^P + W^P)

 C^P, H^P, O^P, S_L^P, W^P — отын құрамындағы көміртегі, сутегі, оттегі, күкірт және ылғалдың қоспалық мәні  (массалық %).

Отын қазып алған кезде немесе технологиялық жолмен жасалғанда өз құрамында органикалық массамен қатар күл мен ылғалды да ұстайды, оны балласт дейміз.

Жылу есептеу кезінде отынды жұмыстық, құрғақ және жанғыш отын массасы деп бөледі. Сондықтан отын құрамына кіретін затты белгілегенде жоғары жағына әріппен белгілеу жасайды (р — жұмыстық, с — құрғақ немесе, г — жанғыш). Отынның жұмыстық құрамы:

 

C ^Р + H ^Р + O ^Р + N ^Р + S₀ ^Р + S_К ^Р + A ^Р + W ^Р = 100%                 (9)

 

Егер отыннан балласты алып тастасақ, онда отынның жанғыш массасын табамыз:

С ^Г  + Н ^Г + О ^Г + N ^Г + S₀ ^Г + S_К ^Г ₌ 100%.                                      (10)

 

Отынның құрғақ массасы ылғалсыздандырылған отын массасын береді және құрамы:

С^С + Н^С + О ^С + N ^C + S₀ ^C + S_К^C  + А ^C = 100%.                      (11)

 

Есептеу жүргізгенде бір отын түрінен екінші бір түріне келесі коэффициенттер арқылы ауысады (2-кесте) [4.5].

                                                                                                                                             2-кесте

Отын құрамын бір массадан екінші массаға ауыстыру коэффициенттері

 

 

Нәтижелер мен талқылаулар. Мұнай қалдықтарынан жасалатын брикет құрамы АШПШ-нен, көмір ұнтағынан және күріш қалдығынан (күріш қауызынан) тұрады деп алып, келтірілген формулаларды қолданып, осы жоспарланып отырған брикет үшін жану жылуын табайық.

Осы есептеулерді жүргізу үшін брикет құрамына кіретін қоспалардың концентрацияларын мүмкін болатын диапазонда өзгерте отырып, және әрқайсысының концентрациясын жекелей белгілі бір мәнінде тұрақты ұстай отырып анықтаймыз. Барлық есептеулер компьютерлік бағдарлама құру арқылы жүргізілді және алынған нәтижелер 3 ÷ 6 кестелер мен 6-суретте көрсетілген.

Брикет құрамындағы жанғыш қоспалардың барлығының концентрациялары үшін бір мезетте әртүрлі мәндер қабылдау кезіндегі жану жылу мәндері 3-кестеде келтірілген [6].

Брикет құрамындағы күріш қауызының концентрациясы тұрақты (0,10% массалық бөлікте) деп алып, қа лған жанғыш қоспалардың концентрациялары бір мезетте әртүрлі мәндер қабылдау кезіндегі жану жылу мәндері 4-кестеде келтірілген.

                                                                                                                                                 3-кесте

Барлық құрамдық заттардың өзгермелі концентрациялары үшін брикеттің жану жылуы

                                                                                                                                                     4-кесте

Күріш қауызы концентрациясы тұрақты, қалған құрамдық заттардың өзгермелі
концентрациялары үшін брикеттің жану жылуы

 

 

Брикет құрамындағы көмір ұнтағының концентрациясы тұрақты (0,40 % массалық бөлікте) деп алып, қалған жанғыш қоспалардың концентрациялары бір мезетте әртүрлі мәндер қабылдау кезіндегі жану жылу мәндері 5- кестеде келтірілген.

                                                                                                                                          5-кесте

 Көмір ұнтағы концентрациясы тұрақты, қалған құрамдық заттардың өзгермелі
концентрациялары үшін брикеттің жану жылуы

 

 

Брикет құрамындағы жанғыш қоспалардың концентрациялары әртүрлі өзгеруі арқылы алынған жану жылуы мәндерінің орташа шамасы 6-кестеде келтірілген.

                                                                                                                                            6-кесте

                                                       Брикеттің орташа жану жылуы

 

Осы кестелердегі алынған мәндерден жасалған жану жылуының өзгеру сызықтары 6-суретте көрсетілген.

3-cурет. Жану жылуының брикет құрамының концентрациялық өзгерулеріне байланысты алатын мәндері және орташа мәндері

 

3-cуретте көрініп тұрғандай, жану жылуының барлық қарастырылған жағдайлары үшін табылған орташа мәндері 5614 ккал-дан 7369 ккал-ға дейінгі аралықта өзгереді. Сондықтан, жану жылуының нақты шамасы осы құрамдардың өзара сәйкестенуі олардың желімдесуі мен технологиялық тұрғыда брикет отынын алу шарттарына тікелей тәуелді болады.

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

Сонымен, қарастырылған екі теориялық есептеулер бойынша мұнай қалдықтарынан жасалатын брикет отыны үшін жану жылуының ең аз мәні   Q_мин = 4500 ккал болатынын, ал ең үлкен мүмкін мәні Q_мах = 7923 ккал болатыны анықталды.

Қазіргі таңда экологиялық мәселерді оңтайлы шешу мақсатында брикет отынының жаңа түрін жасау мақсатында жақсы нәтиже алу үшін отын құрамындағы әрбір жаңа қоспалар бойынша зерттеулер жүргізілуде.

 Әдебиеттер

1       Основы практической теории горения: учеб. пособие для вузов / под ред. В.В. Померанцева. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат., 1986. – 312 с.

2       Бабий, В.И. Горение угольной пыли и расчёт пылеугольного факела / В. И. Бабий, Ю. Ф. Куваев. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 208 с.

3       Семёнов, Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности / М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 686 с.

4       Жұмағұлов Т.Ж.  Мұнай қалдықтарын пайдалану технологиясы және оның экологиялық тиімділігін зерттеу (Құмкөл кен орны негізінде): автореф…. техн. ғыл.канд.: 25.00.36. – Алматы:  Д.А. Қонаев атындағы Кен істері институты, 2010. – 24 б.

5       Ручкинова О.И., Анциферова И.В., Максимова С.В., Петров В.Ю. Экологический менеджмент:  учеб. пособие. — Пермь: ГТУ, 2000. – 34 с.

6       Қалдыгөзов Е.,  Қалдыгөзова С. Отын мен мұнай өнімдері терминдерінің орысша-қазақша түсіндірме сөздігі. — Алматы: «Білім», 2001.- 153 б.