автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Технология очистки судовых нефтесодержащих вод с использованием природных сорбирующих материалов

На правах рукописи

Кучинская Анна Александровна

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СУДОВЫХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНЫХ СОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ФЕВ 2014

Новороссийск-2014

005544835

005544835

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Берёза Ирина Германовна

Официальные оппоненты: Этан Владимир Львович, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Теории корабля и экологической безопасности судов», ФГБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Чура Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносфер-ная безопасность и экология», Новороссийский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный универси-

тет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Защита состоится 26 февраля 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, прЛенина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Автореферат разослан «^» Л 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

У Л

Хекерт Е. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Очистка судовых льяльных вод на морском транспорте считается одной из приоритетных экологических задач, поскольку нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными антропогенными загрязнителями, негативно влияющими на состояние водных экосистем.

Согласно требованиям Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов MARPOL 73/78 (Приложение I), содержание нефтепродуктов в сбрасываемых за борт очищенных льяльных водах не должно превышать 15 млн"1, что на сегодняшний день представляет серьезную проблему.

В настоящее время в состав льяльных вод кроме воды входят топливо, смазочное масло, масло для гидравлических систем, моющие препараты и др. В секторе морских перевозок для проведения мойки, а также для ремонтных и сервисных работ в машинно-котельном отделении используются, как правило, моющие вещества, созданные на основе поверхностно - активных веществ (ПАВ). Присутствие ПАВ в льяльных водах приводит к стабилизации тонкодисперсных частиц нефтепродуктов, а, именно, к образованию стойких трудноразделимых эмульсий.

Нормативы IMO (резолюция MERC 107(49)) требуют оснащение судов сепараторами льяльных вод, обеспечивающими очистку «от стойких эмульсий (с включением тонкодисперсных частиц нефтепродуктов...)», что очень сложно реализовать в традиционной бортовой системе очистки льяльных вод.

Как известно из практики очистки нефтесодержащих вод (НСВ), адсорбция является одним из методов, позволяющим очищать Ь}СВ от нефтепродуктов, имеющих различную дисперсность в воде, независимо от химической устойчивости загрязнений до минимальных остаточных концентраций.

В настоящее время в судовом очистном оборудовании в качестве адсорбентов в фильтрах второй (либо третьей) стадии обработки используют в основном активированный уголь различных марок. Процесс изготовления активированных углей сложен и длителен, требует значительных затрат энергии, поэтому стоимость данных материалов достаточно высока как в России, так и за рубежом. Данные обстоятельства приводят к поиску новых более дешевых сорбентов.

Объектом исследования являются судовые льяльные воды.

Цель диссертации - разработка технологии доочистки судовых льяльных вод от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов с использованием природных сорбирующих материалов.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать дисперсный состав нефтяных загрязнений судовых льяльных вод на этапах очистки;

- экспериментально определить значения параметров процесса адсорбции нефтепродуктов из льяльных вод в статических условиях;

- проанализировать статические характеристики исследуемых материалов в процессе адсорбции;

- экспериментально определить значения параметров процесса адсорбции нефтепродуктов из льяльных вод в динамических условиях;

- разработать математическую модель процесса динамической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод;

- установить рациональные технологические режимы процесса сорбцион-ной доочистки судовых льяльных вод.

Научная новизна диссертация состоит в следующем:

- обоснована технология доочистки судовых льяльных вод с использованием природного адсорбента - монтмориллонита;

- установлены параметры процесса адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод в статических и динамических условиях;

- разработана математическая модель процесса динамической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод с применением монтмориллонита.

Практическая значимость:

- предложена и апробирована в производственных условиях технология доочистки судовых льяльных вод с применением монтмориллонита;

- установлены рациональные технологические режимы процесса адсорбционной очистки;

- разработаны рекомендации к проектированию и расчету установок адсорбционной доочистки судовых льяльных вод.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

- экспериментальные данные дисперсного состава нефтяных загрязнений судовых льяльных вод на этапах очистки;

- результаты экспериментальных исследований процесса статической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод с применением природных адсорбентов;

- экспериментально определенные значения параметров процесса адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод в динамических условиях;

- математическая модель процесса динамической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод;

- результаты производственных испытаний установки адсорбционной очистки судовых льяльных вод с применением монтмориллонита.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований апробированы на опытно-промышленном оборудовании судового сепаратора льяльных вод, установленном на береговых очистных сооружениях нефтебазы «Шесхарис» (акт производственных испытаний от 11.07.13 г); использованы в виде исходных данных при проектировании технологического оборудования очистки судовых льяльных вод.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на ХУШ-ой, Х1Х-ой, ХХ-ой, ХХ1-ой Международных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии», (Новороссийск 2010, 2011, 2012, 2013); на IX, X, XI, XII, региональных научно-технических конференциях «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск 2010, 2011, 2013); на Международной конференции (В8АМ1) «Актуальные проблемы морского судоходства» (Новороссийск 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 3 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографии и приложений. Работа изложена на 115 страницах, содержит 23 таблицы, 27 рисунков; список литературных источников включает 103 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе рассматривается роль судоходства в загрязнении морских акваторий нефтепродуктами. Отмечено, что хотя общее количество сбрасываемых с судов нефтесодержащих вод по абсолютному значению в сравнении с аварийными разливами танкеров невелико, их влияние на экологическое состояние морской среды весьма существенно.

Условия сброса судовых нефтесодержащих вод в морские акватории определяются требованиями Конвенции MARPOL 73/78 (Приложение I). В соответствии с данным Приложением в настоящее время в международных водах разрешается сбрасывать за борт очищенные льяльные воды с концентрацией нефтепродуктов не более 15 млн"1. В будущем ожидается дальнейшее ужесточение законодательства и снижение допустимой концентрации нефтепродуктов в сбрасываемой воде до 5 млн"1 (в акватории Великих озер такое ограничение уже действует), и полное запрещение сброса льяльных вод в жизненно важные водоемы.

На основании анализа литературных данных и судовой технической документации установлено, что достижение сегодняшних норм сброса возможно лишь при двухступенчатой обработке судовых льяльных вод. Показано, что, суда мирового флота, как правило, укомплектованы следующим очистным оборудованием: сепараторами, обеспечивающими содержание нефти в очищенной льяльной воде менее 100 млн"1 (гравитационные и флотационные установки);

фильтрами, обеспечивающими содержание нефти в очищенной воде не более 15 млн"1 (коалесценция, адсорбционная фильтрация и др.).

В разделе приведен подробный анализ существующих технологий и используемого оборудования очистки льяльных вод машинно-котельных отделений (МКО) судов. Отмечены достоинства и недостатки применяемых технологий очистки. Показана целесообразность применения сорбционного метода для до-очистки судовых льяльных вод.

Нефтесодержащие воды МКО содержат, как грубодисперсные нефтеводя-ные эмульсии, так и стойкие мелкодисперсные эмульсии, которые очень трудно разрушить в бортовой системе очистки льяльных вод. Адсорбция является одним из немногих методов, позволяющих очищать НСВ от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов независимо от химической устойчивости загрязнений до минимальных остаточных концентраций. Это безинерционный равновесный процесс, что дает возможность успешно его использовать как в стабильных условиях, так и в реальных условиях морского волнения.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований по разработке технологии сорбционной доочистки льяльных вод.

Во второй главе определены объекты исследования, методика проведения работ, методы анализа.

Объектами исследования служили льяльные воды, доставленные из нефтебазы «Шесхарис», одним из видов деятельности которой является прием и очистка нефтесодержащих вод с судов.

В качестве сорбирующих материалов исследовались: минералы шунгит и монтмориллонит, а также дробленый керамзит.

Экспериментальные исследования динамической сорбции нефтепродуктов из водных растворов проводились на специально изготовленной пилотной установке. Химический состав сточных вод определялся по общепринятым методикам ПНД Ф (Природоохранный нормативный документ. Федеральный).

Математическая обработка полученных результатов проводилась с помощью пакетов компьютерной математики Excel, MatLAB и Maple.

Третья глава посвящена исследованию фракционного состава нефтяных загрязнений судовых льяльных вод на этапах очистки.

Установлено, что грубодисперсные и среднедисперсные частицы нефтепродуктов достаточно эффективно извлекаются из льяльных вод в процессе отстаивания и коалесценции. Так называемые тонкодисперсные — «коллоидные» и «растворенные» частицы нефтепродуктов размером от 10 до 40 мкм сохраняются в устойчивом состоянии и выдают концентрацию нефтепродуктов в льяльных водах более 15 млн'1 (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты исследований фракционного состава льяльных вод

Нефтеводяной раствор Концентрация нефтепродуктов, млн"1 Размер частиц нефтепродуктов

мкм %

Исходная нефтеводяная смесь 1000-2000 <10 25

10-40 20

40-100 30

> 100 25

После I ступени очистки (сепаратор — отстаивание) 100-120 <10 33

10-40 27

40-100 40

После II ступени очистки (коалесцирующий фильтр) 20-50 < 10 55

10-40 45

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований по определению статических характеристик используемых материалов в процессе адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод.

Экспериментальные исследования проводились на льяльной воде, прошедшей первую стадию обработки с исходной концентрацией нефтепродуктов 20-50 мг/дм3.

Усредненные экспериментальные данные статической адсорбции представлены в таблице 2.

Анализ полученного экспериментального материала свидетельствует о том, что все исследуемые материалы по отношению к нефтепродуктам обладают позитивной адсорбционной активностью.

Результаты экспериментальных исследований, определяющие зависимость (2) показателя относительного приближения к равновесию системы (у) от времени процесса представлены в таблице 4 и на рисунке 3.

у = а,/ аР (2)

Таблица 4 - Показатель относительного приближения к равновесию системы (у)

Адсорбент аР, мг/г От мг/г, у при т, с

60 120 180 240 300 360 420

Монтмориллонит 12 2,4 4,2 6,0 6,6 7,0 7,2 7,3

0,2 0,35 0,5 0,55 0,58 0,6 0,61

Шунгит 10 2,3 4,0 5,5 6,0 6,1 6,2 6,25

0,23 0,4 0,55 0,6 0,61 0,62 0,625

Рисунок 3 - Кинетические зависимости адсорбции нефтепродуктов:

О - монтмориллонит; □ - шунгит Из анализа графика, представленного на рисунке 3 следует, что процесс сорбции нефтепродуктов из раствора в промежуток времени до 200 с контролируется внешним массопереносом; со временем на процесс адсорбции все большее влияние оказывает внутридиффузионный массоперенос. Также, следует отметить, что первые 200 с степень приближения к равновесию у при адсорбции монтмориллонитом составила величину 0,55, а при адсорбции шунгитом - 0,5. Следовательно, до этих значений у адсорбция дисперсных частиц нефтепродуктов внутри зерна протекает настолько быстро, что не оказывает заметного влияния на общую скорость массопереноса.

Экспериментально полученные кинетические зависимости процесса адсорбции (таблица 4) позволили рассчитать коэффициенты внешнедиффузионно-го массопереноса. Установлено что, коэффициент внешнего массопереноса для монтмориллонита составляет величину 1,01 с"1, для шунгита - 0,98 с"1.

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований по определению динамических характеристик используемых материалов в процессе адсорбции нефтепродуктов из растворов льяльных вод. Экспериментальные исследования проводились на пилотной установке адсорбции при скорости потока V = 2 - 6 м/ч, с исходной концентрацией нефтепродуктов 20 - 50 мг/дм3 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Пилотная установка сорбционной очистки: 1 - фильтровальная колонка; 2 - пробоотборники; '3 - насос-дозатор;

4 - резервуар исходного раствора; 5 - резервуар очищенной воды

В фильтровальной колонне (1) при постоянном подводе загрязняющего вещества формируется фронт адсорбции, который перемещается с постоянной скоростью по слою адсорбента. Данный концентрационный слой адсорбента определяет зону массообмена в фильтре. Кривые, описывающие нарастание концентрации извлекаемого вещества в растворе, прошедшем слой сорбента, принято называть «выходными кривыми» адсорбции.

Рисунок 6 - Распределение адсорбата в подвижной фазе при движении потока воды через неподвижный слой сорбента (шунгит) Уровни фиксации: 1 - Ь = 0,5 м; 2 - Ь = 0,75 м; 3 - Ь = 1 м

——- - С0 = 50 мг/ дм3

----- ~ Со = 20 мг/ дм3

Как следует из полученных данных, при длине слоя сорбента больше 0,5 кб колонке с шунгитом также устанавливаются постоянные условия скорости адсорбции, т.е. устанавливается постоянная скорость фронта адсорбционной волны.

Анализируя полученные результаты, следует отметить, что время работы фильтрующего слоя до «проскока» уменьшается в ряду монтмориллонит > шунгит, т.е. монтмориллонит обладает большей сорбционной емкостью по отношению к нефтяным загрязнениям. Следовательно, для очистки льяльных вод от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов из-за большей продолжительности работы фильтрующего слоя рационально применение адсорбента монтмориллонита.

Расчетное уравнение процесса адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод определялось на основании полученных параметров выходных кривых процесса динамической адсорбции по уравнению Шилова

хзд = КЬ - т0 (3)

где хзд - время защитного действия, ч; К - коэффициент защитного действия, ч/м; Ь - длина слоя сорбента, м; х0 - потеря времени защитного действия, ч.

В шестой главе приводятся результаты производственных испытаний, выполненных на опытно-промышленной установке сепарации льяльных вод, установленной на береговых очистных сооружениях нефтеперевалочной базы (рисунок 8).

Рисунок 8 - Технологическая схема очистки судовых льяльных вод: 1 - система подогрева; 2 - отстойник; 3 - напорный бак; 4 - флотатор;

5 - фильтры

Технологическая схема очистки льяльных вод, представленная на рисунке 8, включает стадию отстаивания с предварительным подогревом, флотацию, далее доочистку на механическом фильтре и двух адсорбционных фильтрах.

В процессе производственных испытаний сравнивалась эффективность работы адсорбционных фильтров загруженных активированным углем марки CENTAUR и монтмориллонитом с размером фракций 0,8 мм.

Результаты производственных испытаний с использованием в качестве адсорбента монтмориллонита приведены в таблице 6.

Исходная НСВ, поступающая на фильтры, мг/дм3 20-50

Очищенная вода, мг/дм3 3-10

Эффективность очистки, % 80-85

Таким образом, в процессе проведения производственных испытаний эффективность извлечения нефтепродуктов из НСВ составила — (80 - 85) %, содержание нефтепродуктов в очищенной воде, при этом, не превышало 10 мг/дм3, что приблизительно составляет 11,5 млн"1.

В результате производственных испытаний также уточнены оптимальные технологические параметры процесса адсорбционной очистки судовых льяльных вод:

- адсорбционная емкость монтмориллонита (относительно извлекаемых нефтепродуктов) -12,5 мг/г;

- коэффициент защитного действия адсорбционного фильтра -124 ч/м;

Дана сравнительная технико-экономическая оценка технологии доочисгки

льяльных вод на монтмориллоните и активированном угле. Расчетный экономический эффект в результате замены активированного угля монтмориллонитом составил более 139 тыс. руб. (в ценах 2013 года).

Разработаны рекомендации к проектированию и расчету установок адсорбционной доочисгки судовых льяльных вод.

Общие выводы

1. Разработана технология доочистки судовых лъяльных вод от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов с использованием природного сорбирующего материала монтмориллонита.

2. В результате проведения экспериментальных исследований определены параметры изотерм адсорбции нефтяных за1рязнений на материалах: керамзите, монтмориллоните, шунгите. Установлено, что наибольшей активностью в процессе статической адсорбции нефтепродуктов обладает монтмориллонит. Адсорбционная емкость монтмориллонита (относительно извлекаемых нефтепродуктов) -12,5 мг/г.

3. Исследована кинетика процесса адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод в статических условиях. Определены коэффициенты внешнего массопереноса: для монтмориллонита — 1,01 с"1, для шунгита - 0,98 с"1.

4. Определены параметры процесса динамической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод для монтмориллонита, шунгита. Установлено, что наиболее эффективным материалом для процессов динамической адсорбции мелкодисперсных частиц нефтепродуктов по времени защитного действия является монтмориллонит.

5. Разработана математическая модель процесса динамической адсорбции, позволяющая определять эффективность процесса в зависимости от исходных концентраций нефтепродуктов в воде и режима очистки.

6. Найдены рациональные режимы процессов сорбционной доочистки льяльных вод, обеспечивающие содержание нефтепродуктов в очищенной воде менее 15 млн"1. Установлено, что для монтмориллонита значение коэффициента защитного действия фильтра при скорости потока 2 м/ч составляет величину 122 ч/м.

7. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждены в ходе производственных испытаний на опытно-промышленной установке судового сепаратора, при этом, экономический эффект в результате замены активированного угля монтмориллонитом составил более 139 тыс. руб. (в ценах 2013 года).

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кучинская, A.A. Очистка судовых нефтесодержащих вод / И.Г. Береза, A.A. Кучинская // Транспортное дело России. - 2011. - № 9 (94). - С. 103-105.

2. Кучинская, A.A. Сорбционная доочистка судовых нефтесодержащих вод / И.Г. Береза, A.A. Кучинская // Транспорт Российской Федерации. - 2012. - № 2 (39).-С. 58-59.

3. Кучинская, A.A. Разработка технологии сорбционной очистки судовых нефтесодержащих вод / A.A. Кучинская, И.Г. Береза // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - СПб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2013. - Вып. 2. - С. 164-169.

Статьи в других изданиях

4. Кучинская, A.A. Применение сорбционной технологии при очистке судовых нефтесодержащих вод / A.A. Кучинская, И.Г. Береза // Сб. науч. тр. / отв. ред. В.В. Демьянов. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2011.- Вып. 16.-С. 136-137.

5. Кучинская, A.A. Совершенствование судового оборудования очистки нефтесодержащих вод / A.A. Кучинская, И.Г. Береза // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии — 2011: труды XIX Междунар. конф. -Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2011. - С. 109-110.

6. Кучинская, A.A. Использование сорбционных материалов для очистки судовых нефтесодержащих вод / АЛ. Кучинская, И.Г. Береза // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы 10 региональной научно-технич. конф. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2012.-С. 38-39.

7. Кучинская, A.A. Сорбционная очистка нефтесодержащих вод / A.A. Кучинская, И.Г. Береза // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии-2012: труды XX Междунар. конф. - Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2012. - С. 95-97.

8. Кучинская, А. А. Использование природных сорбентов для очистки неф-тесодержащих вод / А.А. Кучинская, И.Г. Береза, Е.И. Петросян // Эксплуатация, безопасность и экономика водного транспорта: Вестник Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова- 2012. - № 1 (1). - С. 69-70.

9. Кучинская, А.А. Кинетические зависимости процесса сорбции нефтяных веществ с использованием природных материалов / А.А. Кучинская // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии-2013: труды XXI Междунар. конф. - Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2013. - С. 82-85.

10. Кучинская, А.А. Сорбция нефтяных загрязнений из льяльных вод в статических условиях / А.А. Кучинская // Эксплуатация, безопасность и экономика водного транспорта: Вестник Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова-2013. -№2(3).-С. 58-59.

11. Kuchinskaya, A. Ship oily water treatment via sorption / I. Beryoza, A. Kuchinskaya // Proceeding of The Iя International Conférence of Black Sea Association of Maritime Institutions (BSAM3). - Novorossiysk: Admirai Ushakov State Maritime University, 2013. - P. 185-189.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2672. Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»

04201456106

Кучинская Анна Александровна

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СУДОВЫХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНЫХ СОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Берёза И. Г.

Новороссийск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................................................................................................4

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования................................................7

1.1 Правовые основы предотвращения загрязнения морской среды нефтью............................................................................................................................................................................7

1.2 Качественный и количественный состав льяльных вод на судах............................................................................................................................................................................................................12

1.3 Современные технологии и установки очистки льяльных вод 16

Выводы..................................................................................................................................................................................................44

Цель и основные задачи исследования..........................................................................................45

Глава 2 Методы и объекты исследования......................................................................................................46

2.1 Характеристика природных сорбентов........................................................................46

2.2 Методика проведения экспериментальных исследований............50

2.3 Методы анализа......................................................................................................................................................53

Глава 3 Фракционный состав нефтепродуктов в льяльных водах на

этапах очистки......................................................................................................................................................................56

Выводы..................................................................................................................................................................................................63

Глава 4 Закономерности процесса адсорбции нефтяных веществ из

водных растворов в статических условиях....................................................................64

4.1 Анализ статических характеристик используемых материалов в процессе адсорбции......................................................................................................................................64

4.2 Кинетика процесса адсорбции нефтяных веществ из водных растворов............................................................................................................................................................................................71

Выводы..................................................................................................................................................................................................78

Глава 5 Динамические закономерности процесса адсорбции

нефтяных веществ из водных растворов............................................................................79

5.1 Кинетика перемещения фронта адсорбции в процессе фильтрации воды..................................................................................................................................................................79

5.2 Определение «выходных кривых» динамического процесса адсорбции экспериментальным методом....................................................................................83

5.3 Построение модели процесса динамической адсорбции

нефтяных веществ из водных растворов......................................................................................91

Выводы..................................................................................................................................................................................................94

Глава 6 Промышленное внедрение разработанной технологии..........................95

6.1 Производственные испытания сорбционной доочистки льяльных вод................................................................................................................................................................................95

6.2 Технико-экономическая оценка внедрения технологии доочистки льяльных вод с использованием монтмориллонита............98

6.3 Рекомендации к проектированию установок адсорбционной

доочистки судовых льяльных вод............................................................................................................102

Общие выводы......................................................................................................................................................................104

Список литературы......................................................................................................................................................106

Приложения................................................................................................................................................................................116

Приложение 1. Акт производственных испытаний на опытно-

промышленной установке сорбционной очистки........................................................117

Приложение 2. Акт внедрения результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических

работ в высших учебных заведениях................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Очистка судовых льяльных вод на морском транспорте считается одной из приоритетных экологических задач, поскольку нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными антропогенными загрязнителями, негативно влияющими на состояние водных экосистем [10,16].

В соответствии с требованиями Конвенции МАРПОЛ 73/78 [43] и резолюциями МЕРС ИМО [56] в международных водах разрешается сбрасывать за борт очищенные льяльные воды с концентрацией нефтепродуктов не более 15 млн"1. Достижение таких показателей загрязнений в очищенной воде (с учетом концентрации нефтепродуктов в исходной воде около 1000 - 2000 млн"1) возможно лишь при многоступенчатой обработке льяльных вод.

В настоящее время суда мирового флота, как правило, оснащены двухступенчатыми очистными установками льяльных вод: на первой ступени - сепараторами гравитационного или флотационного типа; на второй ступени -фильтрами различных конструкций (с коалесцирующими элементами, адсорбционной загрузкой) [18, 25, 50].

В состав льяльных вод на современных судах кроме воды входят топливо, смазочное масло, масло для гидравлических систем, моющие препараты и др. [16,83]. В секторе морских перевозок для проведения мойки, а также для ремонтных и сервисных работ в машинно-котельном отделении используются, как правило, моющие вещества, созданных на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ). Присутствие ПАВ в льяльных водах приводит к стабилизации тонкодисперсных частиц нефтепродуктов, а, именно, к образованию стойких трудноразделимых эмульсий.

Сегодняшние нормативы ИМО (резолюция МЕРС 107(49)) требуют оснащение судов сепараторами льяльных вод, обеспечивающими очистку «от стойких эмульсий (с включением тонкодисперсных частиц нефтепродуктов...)»,

что очень сложно реализовать в традиционной бортовой системе очистки льяльных вод.

Как известно из практики очистки нефтесодержащих вод (НСВ), адсорбция является практически единственным методом, позволяющим очищать НСВ от нефтепродуктов, имеющих различную дисперсность в воде, независимо от химической устойчивости загрязнений до минимальных остаточных концентраций [31, 40, 62]. Это безинерционный равновесный процесс, что дает возможность успешно его использовать как в стабильных условиях, так и в реальных условиях морского волнения.

В настоящее время в судовом очистном оборудовании в качестве адсорбентов в фильтрах второй стадии обработки используют в основном активированный уголь различных марок [18]. Процесс изготовления активированных углей сложен и длителен, требует значительных затрат энергии, поэтому стоимость данных материалов достаточно высока как в России, так и за рубежом [45]. Данные обстоятельства приводят к поиску новых дешевых адсорбентов.

Настоящая диссертация посвящена разработке технологии сорбционной доочистки судовых льяльных вод с использованием материалов, которые при высокой сорбционной емкости характеризуются сравнительно низкой стоимостью и доступностью.

Целью диссертации является исследование и разработка технологии доочистки судовых льяльных вод от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов с использованием природных сорбирующих материалов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- обоснована технология доочистки судовых льяльных вод с использованием природного адсорбента - монтмориллонита;

- установлены параметры процесса адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод в статических и динамических условиях;

- разработана математическая модель процесса динамической адсорбции нефтепродуктов из раствора льяльных вод с применением монтмориллонита.

Практическая значимость:

- предложена и апробирована в производственных условиях технология доочистки судовых льяльных вод с применением монтмориллонита;

- установлены рациональные технологические режимы процесса адсорбционной очистки;

- разработаны рекомендации к проектированию и расчету установок адсорбционной доочистки судовых льяльных вод.

Практическая реализация результатов исследований. Результаты исследований апробированы на опытно-промышленном оборудовании судового сепаратора льяльных вод, установленном на береговых очистных сооружениях нефтебазы «Шесхарис» (акт производственных испытаний от 11.07.13 г); использованы в виде исходных данных при проектировании технологического оборудования очистки судовых льяльных вод.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на ХШ-ой, XIX-ой, ХХ-ой, ХХ1-ой Международных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии», (Новороссийск 2010, 2011, 2012, 2013); на IX, X, XI, XII, региональных научно-технических конференциях «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск 2010, 2011, 2013); на Международной конференции (В8АМ1) «Актуальные проблемы морского судоходства» (Новороссийск 2013).

По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 3 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Правовые основы предотвращения загрязнения морской среды нефтью

Бурное развитие танкерного флота во второй половине 20-го столетия и возросшее в связи с этим количество сбрасываемых в море объёмов нефти привело к необходимости выработки международным сообществом единой экологической политики и побудило многие страны приступить к разработке и реализации мер по предупреждению загрязнения водных бассейнов.

Международная конференция по предотвращению загрязнения моря в 1973 году приняла конвенцию по предотвращению загрязнения с судов, которая в 1978 году была изменена Протоколом на международной конференции по безопасности танкеров и предотвращению загрязнения и получила название «Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов, измененная Протоколом 1978 года», (МАРПОЛ 73/78) [43].

Конвенция решает проблему по предотвращению загрязнения морской среды с судов комплексно: устанавливает жесткие стандарты на сброс с судов вредных веществ, которые перевозятся на судах или образуются в процессе их эксплуатации, и осуществляет действенный контроль за их выполнением; предусматривает высокую меру ответственности за нарушение нормативных требований. Также одним из решений по выполнению требований МАРПОЛ 73/78 служит оснащение судов необходимыми техническими средствами очистки, обезвреживания и утилизации образующихся на борту судна загрязнений, без которых суда в иностранные порты и территориальные воды других государств не допускаются.

Требования правил конвенции, охватывающие различные источники загрязнения с судов, содержатся в шести Приложениях к МАРПОЛ 73/78. Правовые нормы предотвращения загрязнения нефтью указаны в Приложении I конвенции. Некоторые требования данного Приложения представлены в таблице 1.1 [3, 43].

Таблица 1.1 - Нормативные требования по предотвращению загрязнения

нефтью с судов

Конвенционные категории судов Требования к сбросу загрязнений (при одновременном соблюдении всех перечисленных условий) Примечание

В открытом море В особом районе (Средиземное, Балтийское, Черное, Красное моря и «Район заливов», Аденский залив, Антарктика, а также воды Северо-Западной Европы, Оманский район Аравийского моря и Южные воды Южной Африки)

1 2 3 4

Нефтеналивные танкеры и приравненные к ним суда (перевозящие в качестве товарного 200 м3 и более топлива) Находятся за пределами особого района; находятся на расстоянии более 50 миль от ближайшего берега; находятся в пути (на ходу); мгновенная интенсивность сброса не превышает 30 л на 1 милю; общее количество сброшенной нефти не превышает 1/15000 (для действующих) и 1 /30000 (для новых танкеров) груза, из которого образовался остаток; действует система автоматического замера и контроля над сбросом, имеются отстойные танки. Нефтесодержащие воды и нефтеостатки должны сохраняться на борту и сливаться в приемные устройства пли сбрасываться за пределами особого района с соблюдением действующих правил для открытого моря. Сброс разрешается при содержании нефти менее 15 млн"1 и наличии системы контроля. В отношении района Антарктики любой сброс в море нефти или нефтесодержащей смеси с любого судна запрещается. Указанные требования не распространяются на сброс изолированного или чистого балласта. На судах, приравненных к танкерам и перевозящих менее 1 тыс. м3 товарного топлива, приборы автоматического замера и контроля над сбросом не являются обязательными, но в этом случае балластные и промывочные воды сохраняются на борту.

Продолжение таблицы 1.1

На новых судах валовой вместимостью 4000 per. т и более и новых танкерах валовой вместимостью 150 per. т и более прием балласта в топливные танки допускается в исключительных случаях._

Суда валовой вместимостью 400 per. т и более. Льяльные воды машинно-котельных отделений нефтяных танкеров, если они не смешаны с остатками груза или с льяль-ными водами насосных отделений

Находятся за пределами особого района;

находятся в пути (на ходу);

содержание нефти в стоке без его разбавления не превышает 15 млн"1;

судно оснащено оборудованием для фильтрации нефти (конструкция одобрена Администрацией и является такой, чтобы после прохождения через систему любой нефтесодержащей смеси, сбрасываемой в море, содержание нефти в ней не превышало 15млн"').

Любое такое судно, имеющее на борту большое количество нефтяного топлива, а также судно валовой вместимостью 10000 рег.т и более оснащается оборудованием для фильтрации нефти и устройствами сигнализации и автоматического прекращения любого сброса нефтесодержащей смеси, когда содержание нефти в стоке превышает 15 млн"1.

Нефтесодержащие воды и нефтеостатки должны сохраняться на борту и сливаться в приемные устройства или сбрасываться за пределами особого района с соблюдением действующих правил для открытого моря.

Сброс разрешается при условии:

источником льяльных вод не являются льяла отделения грузовых насосов;

льяльные воды не смешаны с остатками нефтяного груза;

судно находится в движении;

содержание нефти в стоке без разбавления не превышает 15 млн"1;

на судне находится в действии оборудование для фильтрации нефти, система фильтрации оборудована устройством, обеспечивающим автоматическое прекращение сброса, когда содержание нефти в стоке превышает 15 млн"1.

Во всех случаях, когда в непосредственной близости от судна (танкера) или его кильватерной струи на поверхности воды обнаруживаются видимые следы нефти, безотлагательно расследуются относящиеся к данному случаю факты для установления действительного нарушения нормативных требований по сбросу нефти.

Продолжение таблицы 1.1

1 2 3 4

В отношении района Антарктики любой сброс в море нефти или нефтесодержащей смеси с любого судна запрещается.

Суда валовой вместимостью менее 400 per. т (не являющиеся нефтяными танкерами), танкеры валовой вместимостью менее 150 per. т Оборудуются, насколько это целесообразно и практически осуществимо, системой сбора и хранения неф-теводяных смесей на борту или выполняют требования для судов валовой вместимостью 400 per. т и более или танкеров валовой вместимостью 150 per. т и более Разрешается сброс, когда содержание нефти в стоке без разбавления менее 15 млн"1. В отношении района Антарктики любой сброс в море нефти или нефтесодержащей смеси с любого судна запрещается -

Все категории судов Сброс нефти или нефтесодержащих вод разрешен: для обеспечения безопасности судна или спасение человеческой жизни на море; в результате повреждения судна или его оборудования; веществ, содержащих нефть, предназначенных для борьбы с особыми случаями загрязнения моря, чтобы свести к минимуму ущерб от загрязнения. Конвенция МАРПОЛ 73/78 предусматривает исключение из правил, при которых сброс нефти и нефтесодержащих вод возможен

Таким образом, исходя из вышеперечисленного следует, что любое морское судно валовой вместимостью 400 рег.т и более должно быть оснащено се-парационным оборудованием для очистки сбрасываемых за борт нефтесодер-жащих