science-review.ru
С развитием химической промышленности увеличилась потребность в химической продукции, а вместе с ней и необходимость в расширении ресурсно-сырьевой базы. Основным сырьем для нефтехимической промышленности служат продукты переработки нефти и газа. Поскольку запасы нефти в природе достаточно ограничены, ведется поиск путей расширения сырьевой базы нефтехимии и нефтепереработки за счет вовлечения биомассы – возобновляемого сырья растительного происхождения.
В процессе ведения сельского хозяйства остается большое количество растительных отходов, которые в природе просто перегнивают или находят неквалифицированное применение в качестве источника низкопотенциальной энергии. К сельскохозяйственным отходам, остающиеся после сбора урожая различных культур, относятся стебли зерновых и технических культур, стержни кукурузных початков, корзинки подсолнечника, солома, ботва овощных культур, а также растительные остатки перерабатывающей промышленности – мякина, кожура, шелуха, лузга и прочее [1].
Разработка новых технологий, связанных с расширением спектра и усовершенствованием известных методов по использованию растительных остатков не только в качестве дополнительного источника энергии, но и как сырья для получения ценных химических продуктов приобретает в последнее время все большую актуальность. При этом для улучшения химического состава и вместе с тем качества композитного сырья и продуктов его переработки к растительной массе необходимо добавлять углеводородсодержащее сырье. В качестве такого сырья предложено использовать тяжелые нефтяные остатки и нефтесодержащие отходы [2].
Утилизация нефтяных отходов входит в одну из приоритетных задач государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012–2020 года». Проведение исследований по данному направлению поможет в решении таких задач как экологическая реабилитация территорий, подверженных негативному воздействию объектов с нефтесодержащими загрязнениями, и предотвращение появления таких объектов накопления загрязнений в будущем.
Рациональное использование отходов агропромышленного комплекса России является одним из основных направлений реализации Продовольственной программы РФ (приказ Минсельхоза РФ от 9 декабря 2013 года № 459) и отраслевой программы «Внедрение технологий, основанных на применении возобновляемых видов сырья в агропромышленном комплексе России на 2014–2020 годы». Одной из задач программы является создание опытных и опытно-технологических установок отработки технологий переработки отходов сельскохозяйственного и пищевого производств как вторичных сырьевых ресурсов [3].
Таким образом, вовлечение в переработку нефтяных остатков и нефтесодержащих отходов совместно с некондиционным растительным сырьем для получения нефтехимической продукции представляет научный и практический интерес.
Сравнительный анализ информационных источников показал, что основными методами переработки растительного и нефтесодержащего сырья являются термохимические – пиролиз и газификация, позволяющие получить в качестве промежуточного продукта синтез-газ. Каталитической конверсией синтез-газа с использованием высокоселективных катализаторов можно получить широкий спектр различных классов углеводородов и кислородсодержащих органических соединений. Основной технической задачей большинства имеющихся разработок является увеличение эффективности термохимических процессов переработки сырья, что позволяет повысить выход и качество получаемого синтез-газа и химических продуктов из него. При этом существенную роль играет предварительная активация сырья. Оптимальный вариант решения обозначенной задачи – это интенсификация способа подготовки сырья с использованием комплекса физических методов его активации. Известно, что различные физические воздействия активно используются в нефтепереработке. Они позволяют в значительной степени интенсифицировать химико-технологические процессы и получать результаты, не достижимые при традиционной технологии [4].
Основные стадии разрабатываемой технологии совместной переработки углеродсодержащего сырья растительного происхождения (УССРП) и углеводородсодержащего нефтяного сырья (УВСНС) представлены на рис. 1.
Первая стадия состоит в подготовке сырья с использованием методов волнового воздействия и механоактивации.
Для активации композитного сырья предложено объединить следующие процессы [2]:
– механоактивация твердого углеродсодержащего сырья, заключающаяся в его дроблении и измельчении с последующим диспергированием и эмульгированием в среде углеводородсодержащего сырья с целью гомогенизации полученной смеси с содержанием твердых частиц размером 1– 100 мкм;
– волновая обработка полученной смеси с использованием уникальной конструкции проточного активатора, представляющего собой центробежный насос с встроенными гидродинамической камерой и камерой высокочастотного электромагнитного излучения и позволяющего создавать акустическое и электромагнитное излучение различного набора частот и мощности [5].
Вторая и третья стадии разрабатываемой технологии – это газификация и пиролиз – термодеструктивные процессы переработки подготовленного сырья.
Использование композитного активированного сырья позволит получить синтез-газ с высоким значением соотношения Н2/СО, что необходимо для дальнейшего синтеза из него химических продуктов.
Четвертая и пятая стадии представляют собой каталитические процессы получения ряда нефтехимической продукции конверсией синтез-газа и метанола.
Проведенные теоретические исследования послужили основой для разработки предварительных технологических схем отдельных стадий разрабатываемой технологии.
Предварительная технологическая схема процесса подготовки сырья представлена на рис. 2.
Рис. 1. Стадии разрабатываемой технологии совместной переработки углеродсодержащего сырья растительного происхождения (УССРП) и углеводородсодержащего нефтяного сырья (УВСНС)
Рис. 2. Предварительная технологическая схема процесса подготовки сырья с использованием методов механоактивации, волнового и акустического воздействия: 1 – загрузка растительного сырья; 2 – предварительное измельчение сырья; 3 – измельчение сырья; 4,7 – загрузка в смесь нефтяных остатков; 5 – диспергирование твердой части сырья; 6 – эмульгирование сырья; 8 – смешение и подогрев сырья; 9 – электромагнитная обработка сырья; 10 – акустическая обработка сырья; 11 – сбор подготовленного сырья; 12 – отвод тепла (охлаждение до 20–25оС); 13 – подвод тепла (нагрев до 40–55оС)
В качестве исходного сырья используются различные виды растительного углеродсодержащего сырья, такие как отходы растениеводства, отходы сенажа и силоса, солома, пожнивные остатки и другие виды отходов, в которых содержится значительное количество углеродного сырья. Растительное сырье должно быть не сгнившим: оно может быть не очень свежим, однако не должно содержать значительные элементы гнили. Исходное сырье желательно вымыть.
В качестве нефтяных остатков могут быть использованы любые виды тяжелых нефтяных фракций и нефтяных отходов, не загрязненных грунтом.
Необходимое количество растительного сырья (поз. 1) из емкости для хранения кускового органического сырья направляют на стадию предварительного (грубого) измельчения (поз. 2) с целью получения частиц размером не более 20 мм. Предварительно-измельченное сырье подвергается дальнейшему измельчению (поз. 3) до состояния размера частиц твердой фазы 1–3 мм.
Далее в измельченное растительное сырье добавляют половину от требуемого количества нефтяных остатков (поз. 4), которые подаются в подогретом виде при температуре 25–40оС.
Полученная смесь подается на стадию диспергирования (поз. 5), где происходит мокрый помол частиц твердой фазы до размера 1–100 мкм, и затем поступает на стадию эмульгирования (поз. 6) с целью получения устойчивой суспензии (эмульсии) смеси растительного и нефтяного сырья. К полученной смеси добавляют вторую половину нефтяных остатков (поз. 7), производят их смешивание (поз. 8) и подогрев (поз. 13) до температуры 40–55оС.
Полученную смесь в подогретом состоянии подвергают электромагнитной обработке (поз. 9) в течение 1–8 часов при частоте электромагнитного излучения 40–60 МГц, мощности излучения 0,2–0,5 кВт и температуре 55±10оС. Одновременно с электромагнитной обработкой сырья через полчаса после начала электромагнитной активации производят акустическую обработку сырья (поз. 10) при частоте акустического излучения 20–25 кГц, мощности излучения 2–4,5 кВт, времени обработки 0,5–1 час.
Активированную массу загружают в емкость для сбора подготовленного сырья (поз. 11) и охлаждают (поз. 12) до температуры 20–25оС.
Полученное подготовленное сырье представляет собой растительно-нефтяную суспензию однородного состава, обладающую повышенной активностью к химической и физической деструкции с целью его дальнейшей переработки в нефтехимическую продукцию.
Разрабатываемая технология совместной подготовки и переработки УВСНС и УССРП в нефтехимическую продукцию является ресурсосберегающей и экозащитной и в перспективе может быть реализована в промышленном масштабе на территории Краснодарского края, обладающего требуемой ресурсной базой.
Работы проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (Уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57417X0138; Номер соглашения 14.574.21.0138).