Разработка техники и технологии утилизации нефтяных буровых отходов - Диссертация

В настоящее время особенно остро стоит вопрос о ликвидации нефтешламовых амбаров, образованных на нефтепромыслах фактически с самого начала разработки и эксплуатации месторождений нефти. Нефтяные амбары сооружались для сброса в специально отведенные накопители или пруды минерализованных вод, нефтесодержащих отходов подготовки нефти, продуктов зачистки резервуаров, некондиционной нефти и других органикосодержащих и минеральных отходов.[1,5,6,17] Остаточное содержание нефтепродуктов в них достигает до 25%, эти отходы в дальнейшем не утилизируются и не обезвреживаются, а чаще направляются обратно в амбары. Нефтяные шламы формируются в результате сброса в специальные амбары стойких эмульсий, отходов, образующихся в процессе подготовке нефти, продуктов зачистки резервуаров. Долгое хранение в амбарах способствует мощному связыванию нефти с почвенными частицами, что существенно затрудняет процесс извлечения нефтяной фазы, а физико-химическое преобразование нефти в процессе хранения в амбарах с годами приводит к концентрированию соединений с большим молекулярным весом.Одной из первоочередных задач, направленной на сокращение негативного воздействия отходов на окружающую среду и улучшение ресурсообеспечения экономики, является переработка и обезвреживание ряда видов твердых отходов, а также отходов, улавливаемых средозащитными сооружениями в процессе очистки сбросов в водные объекты и выбросов в атмосферу. Исходной информацией для проведения инвентаризации отходов служат данные изучения регламентов используемых технологических процессов, сырья, материалов, топлива, карты-схемы расположения источников образования отходов и мест их временного и постоянного складирования. Согласно классификационному каталогу отходов и дополнению к нему синтетические и минеральные масла отработанные или потерявшие свои потребительские свойства в большинстве наименований относятся к 3 классу опасности (моторные, автомобильные, дизельные, авиационные, индустриальные, трансмиссионные, компрессорные, турбинные, смазочно-охлаждающие жидкости, а также гидравлические и трансформаторные масла, не содержащие галогены, дифенилы и терфилы), ко 2 классу опасности (масла трансформаторные и теплонесущие, гидравлические, содержащие галогены) или к 1 классу опасности (масла трансформаторные и прочие масла, содержащие полихлорированные дифенилы и терфены); шламы нефти и нефтепродуктов - к 3 классу опасности (всплывающая пленка из нефтеуловителей - бензоуловителей), шлам нефтеотделительных установок, шлам от очистки танков нефтеналивных судов, шлам очистки трубопроводов и емкостей (бочек, контейнеров, цистерн, гудронаторов) от нефти и др. Отходы твердых производственных материалов, загрязненные нефтяными и минеральными жировыми продуктами (окалина замасленная, пенька промасленная, сальниковая набивка асбесто-графитовая промасленная); фильтровочные и поглотительные массы, загрязненные опасными веществами (уголь активированный и угольные фильтры отработанные, загрязненные минеральными маслами, коксовые массы отработанные, загрязненные минеральными маслами); обтирочный материал, загрязненный нефтепродуктами, а также отходы песка, загрязненные нефтепродуктами, в зависимости от содержания нефтепродуктов относятся к 4 классу опасности (содержание нефтепродуктов менее 15%) или к 3 классу опасности (содержание нефтепродуктов 15% и более). Кроме того, в соответствии с инструктивно-методическими указаниями по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды к сверхлимитным объемам размещения отходов относятся неиспользуемые отходы, образующиеся сверх нормативов отходов, установленных нормами расхода сырья и материалов на производство продукции, объемы образования некондиционной продукции, не предусмотренные технологическими регламентами и нормативами, а также объемы размещения отходов без оформленного в установленном порядке разрешения, что влечет за собой штрафные санкции и увеличение размера платы за размещение отходов.Комплекс предназначен для сбора, регенерации нефтезагрязненного грунта, нефтяных шламов, сборов розливов нефти, переработки замазученных грунтов, грунтов амбаров, могильников для восстановления плодородие почвы с сохранением исходного содержания гумуса в пределах 30-40% с глубиной очисткой почвы до остаточного содержания нефтяных компонентов в пределах 1% веса. Состав мобильного комплекса: 1. модуль подачи грунтов и твердой фазы на регенерацию, в составе заборного бункера и транспортера (шнекового); 2. модуль по регенерации грунтов и шламов в составе барабанной печи, теплообменника - конденсатора, отстойника, устройства разделения пара и нефтеводяной смеси, система получения подачи греющих газов; В печи имеются две зоны: зона нагрева и испарения, где происходит нагрев сырья и подаваемой воды, испарение воды и большей части нефтепродуктов; зона десорбции, в которой при заданной температуре 400-500ОС (в зависимости от типа сырья) происходит более полное удаление нефтепродуктов. Во внутреннюю герметичную полость печи, наряду с сырьем подается

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор: Современное состояние теории и практики утилизации нефтяных буровых отходов

1.2 Анализ и оценка известных способов утилизации нефтяных буровых отходов

1.1.1 Мобильный технологический комплекс для регенерации нефтезагрязненного грунта и нефтяных шламов

1.1.2 Некоторые возможные способы утилизации отходов бурения и нефтедобычи

1.2 Изучение состава и свойства нефтяных буровых отходов

Глава 2. Методика постановки эксперимента, анализ сырья и продуктов

2.1 Экспериментальные исследования процесса разделения нефтяного шлама в поле центробежных сил

2.2 Исследование влияния растворителей и деэмульгаторов на эффективность разделения нефтяных шламов

Глава 3. Промышленное оформление процесса утилизации нефтяных буровых отходов

3.1 Технологические варианты организации процесса разделения нефтяных отходов

3.2 Разработка установки для очистки резервуаров-отстойников

Заключение

Список литературы

Актуальность проблемы

Нефтяная промышленность является одним из крупных источников загрязнения окружающей среды. В соответствии с этим требуются неотложные меры по исправлению существующей экологической ситуации на предприятиях отрасли.

Президент Республики Узбекистан Ислам Каримов на своем докладе в собрании Олий мажлиса и Законадательной палаты 27 января 2010 года на тему «Модернизация государства и создание сильного гражданского общества - глобальные задачи» особенно отметил о структурном изменении в отрасли экономики, формировании инвестиционной среды, модернизации и техническое перевооружении производства.

В настоящее время особенно остро стоит вопрос о ликвидации нефтешламовых амбаров, образованных на нефтепромыслах фактически с самого начала разработки и эксплуатации месторождений нефти. Нефтяные амбары сооружались для сброса в специально отведенные накопители или пруды минерализованных вод, нефтесодержащих отходов подготовки нефти, продуктов зачистки резервуаров, некондиционной нефти и других органикосодержащих и минеральных отходов.[1,5,6,17]

Проблема нефтешламовых амбаров в различных нефтяных регионах страны сегодня решается по разному, но налицо заметные практические результаты и достижения. Особенно это относится к сбору, переработке и утилизации верхнего нефтяного и водного слоев шламонакопителей. Остается пока нерешенной одна очень трудная проблема - это переработка, обезвреживание и утилизация донных отложений амбаров, непосредственно соприкасающихся с грунтом. Аналогичного вида и состава вторичные шламы в виде механических примесей (кека) образуются также после первичных процессов переработки верхних нефтяных слоев нефтешламовых амбаров. Остаточное содержание нефтепродуктов в них достигает до 25%, эти отходы в дальнейшем не утилизируются и не обезвреживаются, а чаще направляются обратно в амбары.

Донные отложения нефтешламов содержат от 32 до 58% механических примесей, от 10 до 44% нефтепродуктов и от 20 до 40% воды. Это трудноразрушаемые эмульсии, упрочненные механическими примесями. Используемые методы по их переработке, утилизации и обезвреживанию не эффективны, поэтому проблема сегодня не решена. При этом имеются множество технических трудностей при высокой затратности процессов, отсутствует экономическая заинтересованность. Исследований по утилизации органической части донных отложений проведено крайне мало. [28,29,30]

Проблема ликвидации отходов, накопленных в результате деятельности предприятий нефтегазового комплекса, стоит сегодня достаточно остро, что в первую очередь связано с существенным ростом объемов производства. Разработка эффективных способов утилизации сделает возможным превращение вредных для окружающей среды соединений в ценные и безопасные продукты. Известно, что при бурении скважин происходит сильное загрязнение почвы и воды буровыми шламами, содержащими углеводороды, тяжелые металлы, полимеры, а разлив нефти при ее добыче сопряжен с рядом негативных явлений, приводящих к разрушению почвы и «замазученности» огромных территорий. Нефтяные шламы формируются в результате сброса в специальные амбары стойких эмульсий, отходов, образующихся в процессе подготовке нефти, продуктов зачистки резервуаров. Значительная часть отходов улавливается из канализационных линий, с площадок обслуживания оборудования, насосов, а также с мест аварий.

Одним из наиболее сложных в плане работ по утилизации шламов вопросов является утилизация твердых нефтеотходов. Нефтезагрязненные грунты, складированные в амбарах, отличаются от нефтезагрязненных грунтов на участках рекультивации тем, что, во-первых, практически стерильны - уровень их биологической активности крайне низок. Во-вторых, они разнородны по составу мехпримесей (грунтов), отличающихся сорбирующей способностью. Долгое хранение в амбарах способствует мощному связыванию нефти с почвенными частицами, что существенно затрудняет процесс извлечения нефтяной фазы, а физико-химическое преобразование нефти в процессе хранения в амбарах с годами приводит к концентрированию соединений с большим молекулярным весом. Периодический отжиг нефтешламов способствует накоплению высокотоксичных полиароматических углеводородов (ПАУ), трудно поддающихся биодеструкции.

В настоящее время перестройка структуры производства НПЗ направлена в сторону развития безотходных природоохранных технологий, приоритет в финансировании получают проекты, в соответствии с которыми минимизируется количество нефтеотходов, или они повторно и с выгодой используются.

Поэтому известные на сегодняшний день практические разработки по технологии утилизации нефтяных шламов, как отечественных, так и зарубежных фирм, в основном направлены на выделение и утилизацию нефти и нефтепродуктов.

Оставшаяся после этого сточная вода и твердая или полужидкая масса, насыщенная химреагентами и углеводородами, практически не утилизируются, хотя по токсичности являются более опасными для окружающей среды.

Поэтому только комплексная переработка и использование отходов в качестве вторичного сырья обеспечивают сохранение природных ресурсов. При этом резко снижается уровень загрязнения окружающей среды.

Добыча, транспортировка и хранение нефти, а также производство из нее нефтепродуктов связано с накоплением нефтешламов в специальных отстойных прудах. Подобные шламы включают прямые и обратные водонефтяные эмульсии и твердые частицы (песка, катализаторов и т.п.), которые зачастую являются высокоабразивными суспензиями. Десятки тысяч тонн нефтяных шламов ежегодно добавляются к сотням тысяч тонн шламов, уже находящимся в прудах и емкостях.

Большинство проектов по утилизации подобных шламов не дают должного эффекта изза неправильно подобранного оборудования, химических реагентов или незнания природы самих шламов. В процессе технической рекультивации, особенно если нефтяной разлив крупный, происходит образование шламов. Это промежуточный этап работ, однако, именно данный вопрос вызывает все более и более пристальное внимание, поскольку из всего комплекса мероприятий по реабилитации нефтезагрязненных территорий он наиболее сложный. Шламы могут накапливаться годами. Они отличаются по разным параметрам и следует выделить основные.

По концентрации нефтеуглеводородов шламы условно подразделяют на жидкие и твердые. Под жидкими шламами подразумеваются те нефтеотходы, в которых содержание нефти превышает 50-90 %. Потенциально это вторичный нефтересурс, который может быть доведен до соответствующих параметров и возвращен в товарооборот. Твердые нефтешламы - это нефтеотходы, в которых содержание нефти не превышает 50 %, т.е. это грунт, загрязненный нефтью. Переработка тех и других шламов в определенной мере взаимосвязана. Конечным результатом работ по их утилизации является возврат нефти в товарооборот, получение вторичного нефтяного сырья (битумов, асфальтов, парафинов), очистка грунтов и рекультивация. Создание высокопроизводительной технологии переработки донных отложений нефтешламовых амбаров позволит: [19,22,23]

Во первых решить проблему их полной ликвидации с возвратом земель пользователю, уменьшит загрязнение окружающей среды и даст возможность рационально использовать органическое сырье из отходов.

Во вторых восстановление прудов с удалением «плавающих» шламов из прудов с регенерацией нефти и направлением водной фазы на последующую очистку или в другой пруд для естественного выпаривания. Данный подход позволяет очистить пруд (уменьшить его объем) от легких нефтяных фракций с целью его подготовки для приемки новых нефтешламов.

В третьих полная комплексная и безотходная очистка прудов с их полным последующим закрытием (ликвидацией). Данный подход является экологически более правильным, несмотря на то, что он более сложный и дорогостоящий, поскольку требует применения более совершенных технологий и процессного оборудования. Такой подход позволяет осуществить на предприятии безотходное производство, то есть в результате производственной деятельности не возникают отходы, требующие складирования или вывоза для специального захоронения.

Предлагаемые технологические системы позволяют работать со всеми видами нефтешламов, содержащих наряду с водой и твердыми частицами как легкие углеводороды («плавающий» нефтешлам), так и тяжелые углеводороды (донные осадки). Помимо утилизации шламов из прудов-шламонакопителей, по заданию Заказчика система может быть рассчитана так же на утилизацию других видов загрязненных нефтью твердых продуктов, таких как «замазученные» земли аварийных проливов нефти на рельеф и донные шламовые отложения резервуаров хранения сырой нефти.

В Бухарском нефтеперерабатывающем заводе ежегодно выделяется около 2 тыс. тонн нефтяные отходы, которые или выбрасывается тем самым нарушается экологическое состояние региона, или используется в качестве строительного материала. Расчеты показывают, что переработка этих нефтяных шламов позволяет производит ежегодно более 1000 тонн. дополнительных светлых нефтепродуктов в масштабе одного нефтеперерабатывающего завода. Ожидаемая экономическая эффективность данного проекта составляет более 700 млн. руб в год. в масштабе одного завода.

Проблема повышения экологической безопасности при обращении с отходами нефтедобычи актуальна практически в каждом нефтедобывающем и нефтегазоперерабатывающем регионе Республики Узбекистан.

С одной стороны - значительные количества нефтяных отходов негативно воздействуют практически на все компоненты окружающей среды (людей, промышленные, транспортные и жилищно-коммунальные объекты, сельскохозяйственные угодья, леса, водоемы и т.п.). Эти отрицательные воздействия проявляются в основном в повышении заболеваемости людей, ухудшении их жизненных условий, в снижении продуктивности биологических природных ресурсов, ускорении износа зданий, сооружений и оборудования.

С другой стороны - нефтесодержащие отходы - это ценное углеводородное сырье. Его переработка может обеспечить доходность, которая позволит провести необходимые природоохранные и реабилитационные мероприятия и сохранить финансовую устойчивость нефтедобывающего предприятия. На месторождении Кенкияк при добыче нефти, в результате производства ремонтных работ, утечек нефти через неплотности запорной арматуры и аварийных утечек нефти при прорывах сборных трубопроводов, а также при очистке резервуаров образуются жидко-текучие отходы и замазученный грунт.

Содержание нефтепродуктов в отходах, по данным мониторинга, превышает предельно допустимые концентрации более чем в 30 раз. С целью предотвращения загрязнения окружающей среды пожароопасными продуктами - замазученным грунтом и осадком из резервуаров - их размещают на полигоне, так как на предприятии отсутствует технология по переработке и утилизации отходов такого характера. [44,45]

Нефтешламы и их накопители являются реальным источником техногенных эмиссий и воздействия на экосистему. Между тем нефтешламы могут быть использованы для производства на их основе различных строительных материалов.

Утилизация отходов нефтедобычи по сравнению с их размещением в амбарах снижает удельный ущерб окружающей среде в 64 раза, а по сравнению с их размещением на полигонах - в 41,7 раза. Утилизация отходов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности исключительно актуальна для большинства развитых стран. Затрачиваются огромные средства для решения этого вопроса во многих высокоразвитых странах (США, Япония, Германия и др.), но до сих пор нет универсальной технологии и способов утилизации отходов нефтяной промышленности.

При всем многообразии технологий и способов утилизации такого рода отходов существуют два принципиально разных направления их переработки: а) способы утилизации без предварительного выделения полезных компонентов; б) способы, основанные на использовании отходов как ресурсного потенциала (вторичного сырья) и позволяющие получить ценные нефтепродукты и другие компоненты. В этом случае остаток после извлечения нефтепродуктов следует рассматривать как условно экологически безвредный, который может быть безопасно использован. Поскольку характер нефти на каждом месторождении практически уникален, то и технология утилизации нефтешламов должна разрабатываться специально для рассматриваемого месторождения.

Целью настоящей работы является разработка комплексной технологии утилизации нефтяных буровых отходов, начиная от исследования характеристик нефтешлама и физико-химических основ процесса и заканчивая выдачей практических рекомендаций для технико-экономического обоснования строительства опытно-промышленной установки утилизации нефтешламов. Была поставлена задача разработки такого процесса, который, с одной стороны, удовлетворяет современным тенденциям создания высокоэффективных, экологически чистых технологий и, с другой, является экономически эффективным.

Идея работы: - предотвращение отрицательного воздействия на окружающую среду путем разработки новых технических решений для очистки резервуаров - отстойников и утилизации нефтешламов и замазученного грунта.

Задачи исследований: - изучение техногенной нагрузки на окружающую среду на нефтяных месторождениях Газли и Кукдумалак, а также на Бухарском нефтеперерабатывющем заводе;

- анализ и оценка известных способов утилизации нефтешламов;

- разработка технических решений для очистки резервуаров - отстойников;

- собрать лабораторную установку для исследования процесса разделения нефтяных шламов в поле центробежных сил;

- исследование влияние состава, физико химических свойств, гранулометрических характеристик нефтяного шлама на процесс разделения его в поле центробежных сил;

- разработать рекомендации по организации процесса разделения нефтяных шламов в поле центробежных сил;

Методы исследований. При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий мониторинг состояния окружающей среды, анализ и обобщение литературных источников, проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием аппаратуры для определения концентрации нефти в водонефтяных эмульсиях, конструирование технологического оборудования для очистки резервуаров-отстойников.

Научная новизна.

- определены физико-химические свойства и состав нефтяных буровых отходов;

- установлено влияние состава, физико-химических свойств, гранулометрических характеристик механических примесей нефтяных буровых отходов на процесс разделения в поле центробежных сил;

- разработаны рекомендации по организации процесса разделения нефтяных буровых отходов в поле центробежных сил.

- установлена эффективность использования центробежного пневмосепаратора для извлечения нефти из буровых отходов;

Практическая значимость работы.

Использование комплекса технологического оборудования для механизированной очистки резервуаров отстойников и переработки нефтяных буровых отходов позволит ликвидировать трудоемкие и опасные ручные операции и получить высокий экономический эффект.