Главная Архив номеров N-17 декабря 2007 Уничтожение нефтяных загрязнений с помощью излучения мощного газодинамического лазера.
 

Авторизация



Уничтожение нефтяных загрязнений с помощью излучения мощного газодинамического лазера. Печать

В. В. Аполлонов, д.ф.-м. н., профессор.

Катастрофа в Керченском проливе - очень свежий пример упомянутой выше иррациональности. Таким образом, количество углеводородов поступающих в водную среду из антропогенных источников приблизительно соответствует количеству углеводородов продуцируемых путем фотосинтеза во всем мировом океане. Этот факт свидетельствует о глобальном нарушении равновесия в экосистеме гидросферы, которая является важнейшей составной частью биосферы всей планеты.
На географической карте мира можно выделить районы наиболее подверженные нефтяному загрязнению водной среды: Персидский залив, Средиземное, Балтийское и Черное моря, пролив Ла-Манш, Атлантическое побережье США, Мексиканский залив, Панамский канал, побережье Японии и т.д.
Прежде чем переходить к рассмотрению существующих методов ликвидации нефтяного загрязнения необходимо остановиться на процессах переноса и преобразования, попавших в водную среду нефтепродуктов. Распространение нефти и продуктов ее переработки в воде происходит, прежде всего в поверхностном слое, скорость растекания по поверхности зависит от сорта нефти или нефтепродукта, скорости ветра, погодных условий, направления водных течений, характера береговой линии, удаленности от берега и прочих местных факторов. Так, в условиях штиля при разливе одной тонны сырой нефти в течение 10 минут она растекается пятном площадью 2000 - 7000 м2 при средней толщине слоя около 100 мкм и максимальной толщине до 10 мм. Впоследствии одна тонна нефти покрывает акваторию площадью от 2,6 до 12 км2, при этом толщина нефтяной пленки не превышает 1 мм. Процесс растекания нефти происходит под действием силы тяжести в присутствии сил вязкости и поверхностного натяжения. При растекании сырой нефти она быстро теряет свои наиболее легкие испаряющиеся и быстрорастворимые компоненты, при этом вязкость нефти увеличивается, и процесс растекания замедляется. Нефтяное пятно как целое дрейфует в основном по направлению ветра со скоростью, составляющей 3 - 4 % от скорости ветра. Следует отметить, что при штормовой погоде процесс растекания происходит медленнее, при этом нефть стремится собираться в отдельные сгустки.
Процесс испарения попавших в водную среду нефти и нефтепродуктов заключается в переходе в атмосферу углеводородов, имеющих наименьшую молекулярную массу. Такие фракции нефти являются наиболее токсичными и составляют до 50 % сырой нефти. Попавшие в атмосферу углеводороды могут частично возвращаться в водную среду вместе с атмосферными осадками, поэтому мероприятия по ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов должны проводиться по возможности быстро. Скорость процессов испарения углеводородов сильно зависит от географического расположения акватории. Так, в экваториальном, субэкваториальном, тропическом и субтропическом климатических поясах в течение нескольких часов после нефтяного загрязнения подавляющая часть легких углеводородов переходит в атмосферу и нефть за это время может вдвое потерять свою токсичность. В умеренных широтах токсичность нефти падает на 20 % в течение суток, а в арктических широтах характерное время испарения легких фракций достигает нескольких месяцев.
Как уже отмечалось выше, параллельно с процессом испарения компонентов нефти, протекает также процесс растворения их в воде. Легкие фракции растворяются более активно, чем тяжелые, при этом в воду может перейти не более 15% углеводородов нефти. Указанный процесс растворения является более продолжительным по времени, по сравнению с испарением, и сильно зависит от гидродинамических и физико-химических условий в поверхностных водах. Наиболее устойчивые в воде концентрации растворенных углеводородов составляют 0,3 - 0,4 мг/м3.
Помимо растекания и растворения происходит также процесс образования эмульсий типа «вода в нефти» и «нефть в воде». Скорость образования эмульсий сильно зависит от типа нефти или нефтепродукта и в меньшей степени от турбулентности в приповерхностном слое при волнении. Наиболее устойчивыми являются эмульсии типа «вода в нефти». Они могут существовать свыше 100 дней, причем, с понижением температуры устойчивость возрастает. После образования эмульсий начинается процесс их постепенного разложения, в результате чего образуются дегтеобразные сгустки, смолисто-мазутные комки и шарики, которые, как правило, загрязняют морские отмели и береговую линию. Такие образования являются наиболее устойчивыми и содержат углеводороды с наибольшим молекулярным весом, время их существования может достигать года и более, размеры от 1 мм до 10 см.
Вследствие образования соединений, плотность которых больше плотности воды, происходит процесс оседания фракций на дно. Такие соединения образуются в результате поглощения нефтяными фракциями минеральных веществ из морской воды, а также в результате сорбции компонентов нефти на присутствующих в воде взвешенных частицах различного состава. Наиболее интенсивно подобные процессы протекают на мелководье и в прибрежной полосе, где водные массы содержат много взвеси и интенсивно перемешиваются. В результате процесса оседания на дно попадает 10 - 30 % нефти и нефтепродуктов. Следствием протекающих в донных осадках физико-химических и биологических процессов может стать вторичное поднятие нефти в толщу воды, приводящее к новому загрязнению.
Следует упомянуть также процесс окисления нефти и нефтепродуктов под действием солнечных лучей в присутствии кислорода воздуха. Скорость протекания этой реакции зависит от состава нефтепродуктов и физического состояния загрязнителя и окружающей среды. К примеру, циклические углеводороды окисляются быстрее нормальных, а нефтяная пленка на поверхности водной среды быстрее, чем эмульсии, дегтеобразные или смолисто-мазутные образования. Химическая трансформация нефти начинает проявляться не раньше чем через сутки осле нефтяного загрязнения. Конечными продуктами реакции окисления являются гидроперекиси, фенолы, альдегиды, карбоксильные кислоты, кетоны и другие высокотоксичные вещества.
Помимо химической трансформации нефтепродуктов может также происходить процесс биодеградации - разложения нефтяных загрязнителей в результате деятельности микроорганизмов. Однако, деградации подвержены лишь некоторые компоненты нефти. Необходимыми условиями биодеградации являются: температура воды не ниже 20 - 30 оС, хорошая аэрация, наличие питательных для бактерий азотно-фосфорных веществ и т.д. Процесс биодеградации при наличии требуемого температурного режима более интенсивно проистекает в районе отмелей, мелководий и у береговой линии.
Перейдем теперь к рассмотрению основных существующих методов и средств борьбы с разливами нефти и нефтепродуктов на водной поверхности.
Пролитую сырую нефть в принципе можно сжечь, однако при образовании нефтяной пленки на водной поверхности, из-за теплоотвода в толщу воды горение прекращается. Кроме того, разлитая нефть быстро теряет легкие, наиболее горючие фракции. Поэтому, как правило, удается сжечь только ту часть нефти, которая еще не успела вытечь из нефтеналивных емкостей терпящего бедствие танкера. В некоторых случаях принимается решение затопить танкер, чтобы перевести не успевшую разлиться часть груза на дно. Подобная методика создает лишь видимость уменьшения экологического ущерба, поскольку как было упомянуто выше, консервация нефтяного загрязнения вблизи дна наносит не меньший вред, чем разлив на поверхности.
Существующие методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов можно подразделить на механические, химические и биологические. Различные методы могут применяться в комплексе, дополняя друг друга в зависимости от конкретных условий и обстоятельств.
Основным механическим методом локализации нефтяного загрязнения является применение боновых заграждений, причем сами боны могут быть изготовлены из материалов, абсорбирующих нефть. Существуют различные механические методы сбора нефти с водной поверхности, начиная от простейших - вычерпывания нефти вручную с борта шлюпок, до нефтесборочных комплексов, включающих в себя помимо нефтесборочных устройств, средства развертывания боновых ограждений, специальные сепараторные устройства, обеспечивающие отделение собранной нефти от воды, контейнеры для хранения собранных нефтепродуктов и т.п. Для механического сбора нефти с поверхности применяются также скиммеры различных конструкций: дисковые, барабанные, вихревые, центробежные, пороговые и комбинированные. Плавающая на поверхности нефть может быть частично собрана при накрывании ее адсорбирующим материалом.
Одним из недостатков большинства сорбентов является одноразовость их применения. Некоторые искусственные сорбенты изготавливаются из синтетических материалов и выпускаются в виде гранул или полос материи для возможности многоразового их использования после регенерации. Нефтеемкость сорбентов значительно возрастает при их введении под слой нефтяного загрязнения, однако эта методика сталкивается с серьезными техническими трудностями. Возникает также проблема равномерного распределения адсорбирующего материала на больших площадях водной поверхности и последующего его удаления. Как правило, сорбенты довольно легки (их плотность заведомо меньше
1000 кг/м3) и поэтому подвержены уносу при воздействии ветра и течений.
Помимо механических методов борьбы с нефтяным загрязнением водной среды широко применяются также химические методы. Используемые для этой цели химические вещества и препараты разделяются на следующие группы:
1. Эмульгаторы - предназначены для создания нефтяных эмульсий с целью ускорения процесса рассеяния и разложения углеводородов нефти на водной поверхности.
2. Деэмульгаторы - служат для разрушения наиболее устойчивых эмульсий типа «вода в нефти».
3. Детергенты - сами способны образовывать эмульсию, которая в свою очередь химически взаимодействует с молекулами углеводородных соединений изменяя при этом их поверхностное натяжение. В результате применения детергентов нефтяная пленка дробится на отдельные капли.
4. Диспергенты - представляют собой смеси растворителей и поверхностно-активных веществ, предназначены для ускорения процессов химического и микробиологического распадов нефти. Диспергенты могут проявлять как эмульгирующие, так и детергенирующие свойства.
5. Диспергаторы - предназначены для ускорения за счет химических реакций процессов рассеивания нефти.
6. Отвердители - способны за счет химических реакций переводить нефтяные углеводороды в твердое или желеобразное состояние. Отвердители способны облегчить сбор нефти с поверхности водоема механическими методами.
7. Осаждающие химические агенты - способны переводить нефтяное загрязнение на дно.
8. Гелеобразователи - служат для превращения нефтяной пленки в вязкую массу. При обработке гелеобразователем периферийных участков нефтяного загрязнения затрудняется процесс дальнейшего растекания нефти, то есть гелеобразователи способны заменять боновые ограждения.
Химические препараты применяются, как правило, в комплексе с механическими средствами борьбы с нефтяными загрязнениями, однако следует подчеркнуть, что на сегодняшний день не существует универсальной методики ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Эффективность применения химических средств оказывается не достаточно высокой по следующим причинам:
1. Трудности распыления химических агентов над поверхностью нефтяных разливов, в оптимальных количествах и пропорциях.
2. Невозможность быстрого применения необходимых химических препаратов из-за погодных условий и отдаленности места разлива.
3. Образование устойчивых водонефтяных эмульсий с повышенной вязкостью на больших площадях водной поверхности.
4. Сильное замедление химических реакций в случае разлива тяжелой нефти.
5. Сложность учета эффективности хода той или иной химической реакции в зависимости от состава, свойств и неоднородности распределения разлитой нефти и от условий окружающей среды (турбулентность, температура и пр.).
6. Токсичность некоторых продуктов реакций.
Наиболее предпочтительным с экологической точки зрения является микробиологический метод уничтожения разливов нефти на водных объектах, основанный на способности некоторых видов микроорганизмов использовать углеводороды, входящие в состав нефти, в качестве питательного субстрата. На деятельности такого рода микроорганизмов основывается природный процесс самоочищения водоемов от излишков углеводородов. Внесение микробиологической культуры в загрязненную нефтью водную среду при условии дополнительного обогащения этой среды питательными азото- и фосфоросодержащими элементами действительно приводит к ускорению процессов разложения компонентов нефти. Однако проблема адекватного подбора микроорганизмов в зависимости от характера загрязнения и внешних условий оказывается довольно сложной. К тому же микроорганизмы предпочитают теплую воду - не ниже 20 - 30 0 С. Процесс разложения нефти микробами является довольно длительным и сравним с характерным временем естественной трансформации нефтяного загрязнения. На сегодняшний день широкого применения микробиологический метод не находит и рассматривается лишь как перспективный.
Завершая рассмотрение существующих методов борьбы с разливами нефти и продуктов ее переработки, следует подчеркнуть актуальность поиска принципиально новых и значительно более экспрессных методик удаления нефтяной пленки с водной поверхности.
В качестве альтернативного метода уничтожения нефтяной пленки предлагается использование лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Такое излучение относительно слабо поглощается нефтью и нефтепродуктами и в значительной степени поглощается водой. Характерная глубина проникновения лазерного излучения на указанной длине волны для нефти различных сортов составляет 100 - 300 мкм, а для воды - порядка 10 мкм. Нами экспериментально доказана принципиальная возможность удаления нефтяных загрязнений в процессе взаимодействия лазерного излучения с гетерогенной структурой типа нефть/вода и нефтепродукт/вода. Процессы нагревания слоя нефти и водяной подложки, парообразования, дробления слоя нефти, отрыв нефтяных фрагментов от поверхности воды, окисление, горение и термическое разложение составляют довольно сложную многопараметрическую задачу.
Известно, что начало процесса вскипания жидкостей в объеме всегда связано с предварительно проходящими процессами диффузии, например, растворенных газов к зарождающемуся пузырьку - центру кипения, давление в котором первоначально из-за поверхностного натяжения может многократно превышать окружающее. Интенсивное испарение жидкости в пузырек, т.е. собственно процесс кипения, наступает после соответствующего перегрева жидкости, когда давление пара в нем становится способным противостоять схлопывающему действию капиллярных сил. Большие величины начальных перегревов (вплоть до десятков и сотен градусов) связывают с проявлением метастабильных свойств жидкости. Вода относится к жидкостям, у которых метастабильность проявляется наиболее сильно. Уровни перегрева и величины времени задержки момента вскипания воды могут зависеть от растворенных в жидкости веществ, газонасыщенности, содержания частиц пыли, фито- и зоопланктона, механических воздействий при сильном волнении моря и др. факторов. В настоящее время значения величин этих уровней может дать только эксперимент.
С качественной стороны можно отметить следующее:
вскипание сильно перегретой жидкости происходит через быстрый процесс так называемого “парообразующего взрыва” (скорость распространения фронта взрывной волны равна скорости звука в жидкости). В процессе развития такого взрыва, в пар переходит часть массы жидкости, пропорциональная запасенной избыточной тепловой энергии или перегреву по температуре над точкой равновесного кипения воды. Например, при перегреве воды на 100 ОС, в пар перейдет 19 % массы перегретой жидкости. Остальная часть под давлением образовавшегося пара будет стремиться разлетаться в виде капель с температурой, равной температуре кипения.
Взрывное вскипание воды можно ожидать под малопоглощающим тонким (менее 0,1 мм ) слоем нефти поскольку в этом случае поверхностный слой воды нагревается сильнее, чем нефть. Этот процесс будет сопровождаться отрывом нефтяной пленки от водной среды с последующим разбрызгиванием капель нефти.
Нагрев более толстых слоев (менее 0,5 мм) будет носить качественно другой характер: максимум температуры нагрева будет находиться на внешней поверхности или внутри слоя нефти и возможно ее интенсивное испарение и горение без отрыва от холодного массива воды.
Если парообразующий взрыв произойдет в конце интервала времени воздействия лазерного луча, то из перегретой воды выделится максимальная энергия, а ее воздействие (отрыв и подъем) на нефтяную пленку произойдет с наибольшей эффективностью.
Механизм действия парообразующего взрыва далее рассмотрим для случая воздействия импульсно-периодического лазерного излучения с пиковой мощностью 5 кВт/см2 на поверхность водной среды с нефтяной пленкой толщиной 100 мкм. Спустя интервал времени t=1000 мкс максимальная температура воды (до 300 oC) , будет достигнута на глубине 4 мкм относительно границы раздела нефть/вода. Следует отметить, что метастабильному состоянию воды при такой температуре соответствует давление насыщенного пара равное 86 атм. При этом толщина слоя воды в метастабильном состоянии достигнет 28 мкм.
Развитие процесса взрывного парообразования наиболее вероятно с места расположения максимума температур. Пароводяная смесь на этой глубине в момент взрыва разделится на две части: верхняя часть будет стремиться двигаться вверх, а нижняя - вниз. По мере подъема пленки нефти давление пара из-за расширения его объема будет снижаться, а фронт вскипания жидкости при этом перемещается вниз. Учитывая свойства перегретых жидкостей, в которых при встряхивании с большой вероятностью образуются зародыши кипения, можно утверждать, что в рассматриваемой зоне перегрева воды процесс кипения начнется под воздействием волны сжатия, сопровождающей самопроизвольное вскипание воды на глубине ее максимального перегрева. Перемещение фронта вскипания вниз можно рассматривать как равновесное, происходящее по мере снижения давления на данной глубине до величин давлений насыщения, соответствующих местным температурам. Образующийся при вскипании пар перемещается вверх и вносит вклад в ускорение массы нефтяной пленки и жидкокапельной фазы пароводяной смеси, находившейся в начальный момент в диапазоне глубин до 4 мкм. В каждый момент времени по всей высоте слоя пара от текущих положений фронта кипения до пленки нефти давление можно считать постоянным. Это следует из того факта, что скорость звука, с которым устанавливается давление (400-600 м/с), значительно превышает характерные скорости подъема и трансформации нефтяной пленки. Взрывное вскипание происходит достаточно быстро, что позволяет пренебречь потерями тепла из перегретых слоев воды за счет теплопроводности.
При этом взлетающие капли находятся в потоке лазерного излучения, происходит их эффективный нагрев и испарение нефтепродуктов с поверхности капли при активном поступлении окислителя - воздуха, в некоторый момент времени достигается температура самовоспламенения и смесь загорается. Оценки величин коэффициентов массообмена капель нефти с атмосферным воздухом свидетельствуют о том, что имеет место заведомое обеспечение конвективного подвода необходимого для горения количества кислорода после их возгорания, и капля выгорает полностью. Пиковое значение мощности лазерного излучения определяет высоту подбрасывания капель и как следствие - эффективность их выгорания, зависящую от высоты столба воздуха, участвующего в реакции горения.
Излучение газодинамического лазера работающего в двух режимах генерации излучения (Р-Р и CW) необходимо сфокусировать с помощью зеркала на поверхности нефтяного слоя на водной подложке. С этой целью на расстоянии около 1 метра от зеркала размещалась кювета с водой, на поверхность которой перед каждым пуском лазера выливалось определенное количество нефти или нефтепродукта. Нами проведены серии экспериментов с различными толщинами пленки нефти и нефтепродуктов (50 мкм, 100 мкм, 200 мкм, … , 1 мм). При этом в различных пусках варьировалось значение плотности мощности лазерного излучения. Кроме того, обеспечивался режим сканирования лазерного луча по поверхности нефтяной пленки с заданной скоростью. С этой целью с помощью электрического двигателя и кулисного механизма приводилось в движение фокусирующее (в данном случае расфокусирующее) зеркало. Величины скорости сканирования лазерного луча варьировались в широких пределах. Процесс взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой снимался на видеокамеру. Это позволило выявлять особенности трансформации пленки, испарения, поджигания, горения, разбрызгивания и т.п. В зависимости от полученных результатов корректировались рабочие параметры взаимодействия, такие как скорость сканирования луча, плотность мощности и прочее.
Основные преимущества лазерного метода заключаются в следующем.
а) Этот метод является “быстродействующим”, т.к. не требует никакой специальной подготовки; в экстренных ситуациях время от момента получения сигнала тревоги до начала работы лазерной установки определяется только временем, необходимым для прибытия корабля или вертолета с установкой в заданный район.
б) Метод является бесконтактным, т.е. не требует проведения подготовительных или иных работ в самом нефтяном пятне.
Для реализации предлагаемой технологии можно использовать любые типы лазеров, как генерирующих непрерывное (мощностью от 50 до 500 кВт), так и импульсно-периодическое излучение.
Теоретические оценки и эксперименты показали, что в результате воздействия лазерного луча на поверхность воды и суши, покрытой пленкой углеводородных загрязнений, наблюдаются следующие эффекты:
1. Испарение и возгорание, причем в непрерывном режиме расход энергии на 1 г. испаренной жидкости на порядок превосходит энергию, необходимую для нагрева до кипения и испарения пленки, что объясняется расходом тепла на нагрев воды. В импульсном режиме расход энергии на единицу массы испаренной жидкости (пленки) примерно в 5 раз меньше, при этом легче возбуждается процесс возгорания пленки.
2. Подбрасывание частичек загрязняющего вещества над поверхностью воды при воздействии импульсно-периодического или мощного сканирующего лазерного излучения и последующий сбор углеводородных загрязнений с помощью мощного широкозахватного эжектора (макропылесоса). Механизм этого эффекта объясняется резким испарением (вскипанием) поверхности воды под слоем загрязняющего вещества. Этот процесс имеет место ввиду того, что углеводородные загрязняющие тонкие пленки имеют коэффициент поглощения меньше, чем вода. Возможно подбрасывание частиц нефти на высоту до 30 см и их захват струей эжектора. Причем расход энергии на единицу массы собираемой жидкости значительно меньше энергии, необходимой на испарение и возгорание. При этом много лучше решаются экологические проблемы.
Характер решаемой задачи накладывает определенные условия на эксплуатационные характеристики лазерного устройства, как в отношении параметров собственно излучающего устройства, так и в отношении вспомогательных систем.
Широко используемые в настоящее время серийные технологические лазеры мощностью 10 - 15 кВт, в соответствии с вышеприведенными оценками, будут иметь производительность совершенно недостаточную для быстрой ликвидации масштабных загрязнений, представляющих наибольшую опасность. Такие лазеры могут быть использованы, в лучшем случае, для отработки технологии очистки в модельных условиях.
Кроме того, характер решаемой задачи диктует невозможность или крайнюю нежелательность использования стационарных инженерных коммуникаций (силовая электросеть, водопровод, магистральный газ и т.п.), ввиду требования высокой автономности и мобильности. Силовой блок не должен ограничивать мобильность и при этом полностью обеспечивать энергетические потребности всей установки, необходимый запас расходных материалов и топлива должен находиться на борту комплекса. Также желательна возможность быстрого перебазирования установки с одного типа транспортного средства на другое.
Нами разработана принципиальная конструктивная схема мобильной лазерной установки на базе газодинамического СО2-лазера на авиационном двигателе, рассмотрена возможность использования и других типов лазеров для решения обсуждаемых в данной статье задач и обоснован выбор именно газодинамического лазера, рассмотрено несколько принципиальных схем ГДЛ (см. рисунок).
Проведено рассмотрение возможных схем организации подачи сжатого воздуха в лазерную установку. Обоснован выбор авиационного двигателя для использования в качестве энергоблока лазерной установки. Проведен анализ необходимых доработок этого двигателя.
Значительная часть технического предложения посвящена описанию конструктивной схемы газодинамического лазера, а также лазерной установки в целом. Описывается пневмогидравлическая схема, определен состав оборудования, топливных баков, агрегатов автоматики. Приведены описание работы и циклограмма запуска и остановки лазерной устройства.
Таким образом, в ООО “Энергомаштехника” завершены цикл экспериментальных исследований и концептуальный анализ по созданию газодинамической лазерной установки для удаления нефтяных пленок с поверхности водоемов. Показана принципиальная возможность создания такой установки, выполнены расчеты основных характеристик, приведены схемные и конструктивные решения основных систем и агрегатов. Кроме того, восстановлен стендовый газодинамический лазер, на котором проведены несколько демонстрационных пусков со сканированием луча по поверхности воды, покрытой нефтяной пленкой. Получено экспериментальное подтверждение процесса эффективного сжигания пленки и режима подбрасывания капель с последующим их сбором в емкость без сжигания. Следующим этапом реализации данного проекта, при наличии заказчика и сформулированного им технического задания, должен быть этап разработки эскизного проекта на установку. Проект должен включать в себя полную проработку конструкций всех элементов установки, технологическую часть, определить всех смежников и разработчиков систем и комплектующих агрегатов и их поставщиков. В эскизном проекте необходимо проработать сроки всех этапов создания установки: выпуск рабочей документации, технологическую отработку, изготовление опытного образца, конструкторскую доводку и начало поставки установок. Работа над эскизным проектом определит стоимость работ по созданию лазерной установки и реальную цену поставляемых изделий.

 
Разработка сайтов