Технологии и оборудование для переработки отходов

переработка попутного нефтяного газа
и нефтесодержащих отходов
УДК 622.243.24:622.244:628.393
Технологии и оборудование
для переработки отходов нефтепереработки,
нефтешламов и загрязненных углеводородами
грунтов
Procedures and Equipment to Process Waste Products of Oil
Refining, Oil Wastes and Soil Polluted by Hydro Carbons
Поднята проблема переработки нефтешламов, показаны ее реальные по
следствия. Дана классификация нефтешламов. Рассматриваются существую
щие технологии переработки нефтешламов. Представлены прорывные зару
бежные и отечественные технологии, применяемые при переработке нефте
шламов и очистке грунтов.
Р.А. Мхитаров,
чл.корр. АМТН, к.т.н.
член президиума экспертного совета
Торговопромышленной палаты РФ
rmkhitarov@yandex.ru
Тел. +7 (910) 480 25 42
R.A. Mkhitarov, AMTN corr. member, PhD, member of
expert council presidium at Russian Chamber of
Commerce and Industry
В
едущие одиннадцать нефтедо
бывающих стран – Саудов
ская Аравия, Россия, Норве
гия, Иран, Венесуэла, Объединенные
Арабские Эмираты, Кувейт, Нигерия,
Мексика, Канада и Алжир – произво
дят более миллиарда баррелей неф
ти в месяц, и в процессе переработ
ки ежемесячно в отходах остаются
десятки миллионов тонн шлама. В
среднем только в США каждые 17,5
месяцев происходит крупный разлив
нефти (2000 баррелей или больше).
[НГН]
72
№10/2013
The author considers the problem with waste oil treatments and illustrates the
possible consequences of the same. He also presents the classification of the oil
wastes. The paper illustrates the existing waste oil treatment procedures and
describes the Western and Russian HiTechs applicable to waste oil treatment
and soil reclamation challenges.
Ключевые слова: нефтешламы, шламохранилища, переработка нефтешла
мов, комплексы по переработке нефтешламов, мобильный комплекс «ТЕХНО
СПАС», технологии компании KEBAWK Response Technologies (KRT), метод го
ризонтального бурения для переработки нефтешламов и ремедиации грун
тов, штаммы бактерий, установки активации процессов (УАП), применение
вихреколебательных эффектов для отделения нефтепродуктов.
Key words: oil wastes, waste product storages, oil waste treatment, set of equip
ment to treat oil wastes, «TECHNOSPAS» mobile equipment set, «KEBAWK
Response Technologies» (KRT) procedures, horizontal drilling procedure to treat
oil wastes and soil, bacteria strain, process stimulation unit (UAP), application of
vortexvibrational effect to separate oil products.
По приблизительным оценкам, в об
щемировом
масштабе
около
670 млрд долл. должно быть потра
чено на очистку окружающей среды
от продуктов нефтепереработки, и
цифры растут от 7 до 10 % ежегодно.
Нефтеперегонные заводы во
всем мире в состоянии перерабо
тать сырую нефть до показателя в
среднем 84 %. Большинство нефте
перегонных заводов в России и
Азии в основном работают на уров
не 74 % чистоты очистки. На НПЗ
упомянутых стран в числе прочих об
разуются некондиционные нефтепро
дукты, так называемые нефтешламы.
Они заливаются в резервуары и
сливаются в прудки и шламохрани
лища. По мере старения нефтешла
мов происходит их расслоение, лег
кие фракции углеводородов испаря
ются, более тяжелые (с удельным
весом меньшим, чем у воды) обра
зуют верхний слой. Средний слой
образуют углеводороды с удельным
весом, близким к удельному весу
переработка попутного нефтяного газа
и нефтесодержащих отходов
воды (средний слой назван так ус
ловно – как правило, он образован
из линз нефтепродукта в воде или
воды в нефтепродукте). Более тяже
лые углеводороды в смеси с механи
ческими примесями образуют дон
ный осадок.
Переполнение шламовых амба
ров приводит к разливам и загрязне
нию нефтепродуктами почв и грун
тов. Грунты также загрязняются
вследствие диффузии нефтепродук
тов при недостаточной изоляции дна
и боковых стенок (или при отсутствии
такой изоляции) и последующем пе
ренесении углеводородов вместе с
водой по водоносным горизонтам.
Кроме того, загрязнение грунтов и
водоемов происходит при аварийных
разливах нефти и нефтепродуктов в
транспортных системах и в нефтехра
нилищах.
Таким образом, можно классифи
цировать нефтешламы по следую
щим категориям (резервуарные ис
ключены):
некондиционные нефтепро
дукты текущего поступления, обра
зующие верхний слой в шламохра
нилище;
застарелые
нефтепродукты
верхнего и среднего слоев;
нефтепродукты в составе дон
ных осадков;
загрязненные углеводорода
ми грунты и почвы.
Отдельную категорию составля
ют акватории, загрязненные нефте
продуктами (реки, озера, болота, ру
чьи, бочаги).
Каждая категория нефтеотходов
при их извлечении и переработке
требует соответствующих техноло
гий и комплектов оборудования.
Существующие технологии пере
работки нефтешламов могут под
разделяться на следующие группы:
технологии, ориентированные
на извлечение углеводородов, со
держащихся в нефтешламах, с це
лью их использования по прямому
назначению (наиболее распростра
ненные технологии – на основе цен
трифуг);
технологии, ориентированные
на получение энергоресурсов за
счет трансформации углеводородов
в виде электроэнергии, пара или теп
ла (плазменная газификация, низко
и высокотемпературный пиролиз);
технологии, имеющие целью
очистку шламов и грунтов посредст
вом разложения находящихся в них
углеводородов на безвредные ком
поненты или связывания углеводо
родов с образованием безвредных
композитов (метод биоремедиации,
метод инактивации при использова
нии негашеной извести).
Выбор той или иной технологии
переработки нефтешламов и очист
ки грунтов определяется по резуль
татам анализа отобранных проб,
возможностей по энергообеспече
нию, планов размещения шламо
хранилищ и загрязненных грунтов.
В конечном счете предпочтение
отдается тем технологиям, с помо
щью которых достигается макси
мальная экономическая эффектив
ность и минимальные сроки при вы
полнении непременного условия –
эти технологии должны обеспечи
вать чистоту образующихся отходов
в соответствии с действующими
экологическими нормами. Анализ
объемов подлежащих переработке
нефтешламов и загрязненных грун
тов наряду с анализом планов их
размещения позволяет априори оп
ределить исполнение шламоперера
батывающего комплекса – стацио
нарное или мобильное, а анализ
возможностей по энергообеспече
нию – сделать выбор из имеющихся
возможностей.
В России ежегодно добывается
около 505 млн т нефти, 250 из кото
рых экспортируется. Оставшиеся 255
поступают на переработку с усред
ненным выходом продукции на уров
не 68 % (173 млн т). Образующиеся
ежегодно 82 млн т нефтеотходов час
тично перерабатываются, но основ
ная их масса – 60 млн т – накапли
вается. Таким образом, за 50 лет их
общий объем в стране составил 3
млрд т, а с учетом загрязненных грун
тов – более 12.
Остающиеся шламы – это, без
преувеличения, бомба замедленного
действия, грозящая экологической
катастрофой, а компаниям, винов
ным в их образовании, – финансо
выми потрясениями. Только в 2011 г.
к нескольким НПЗ были применены
штрафные санкции на суммы более
миллиарда рублей для каждого. Объ
емы аварийных разливов нефти и
нефтепродуктов [1] представлены в
таблице .
Типичный разлив нефти в резуль
тате разрушения обваловки амбара
с аварийными стоками показан на
Объемы аварийных разливов нефти и нефтепродуктов
Источник
Год
Воробьев и др.
Филиппенко
2000
2000
Государственный отчет об
охране окружающей среды
Токмакова
Ильиничев, Черноножкин
Давыдова
Консейсао
Ившина
Нечаева
Знобышев
Мхитаров
Рыбаков и др.
Плешакова
Малышев
Группа компаний «Эксперт»
Голубчиков
2001
Министерство экономического
развития РФ
2003
2004
2004
2007
2009
2009
2009
2010
2010
2010
2010
2011
2011
2011
Объем нефти,
тыс. т
17 000 – 20 000
Более 1 500 (только ХантыA
Мансийский автономный округ)
2
10 000 – 20 0000
5 000
Более чем 4 000 – 5000
1 000
5 000
8 000 – 9 000
Не менее 4 500
Более 20 000
Не менее 60 – 400
До 8 000 – 9 000
До 8 000 – 9 000
4 000
10 000 (только Западная
Сибирь)
17 000 – 20 000
№10/2013
[НГН]
73
переработка попутного нефтяного газа
и нефтесодержащих отходов
рис. 1 (ДНС 8, Усинский район, Рес
публика Коми. Август 2011 г. [1]).
Следует отметить, что за послед
ние годы процессы переработки от
ходов нефтяной отрасли несколько
активизировались. В них обычно ис
пользуется технологическая схема,
которую можно рассматривать как
типовую. Например, в состав мо
бильного комплекса «ТЕХНОСПАС»
входят следующие узлы и блоки:
подготовки нефтешлама;
разделения и отмыва нефте
шлама;
отделения нефтепродуктов на
базе центрифуги;
подготовки технической воды;
очистки воды;
переработки мехпримесей;
забора жидкого нефтешлама;
смешения и разогрева жидко
го нефтешлама;
две накопительные емкости;
система контроля и автомати
ческого управления комплексом;
арматура, коммуникации и тру
бопроводы обвязки узлов;
транспортабельная котельная
установка ТКУ1,6/1,6;
дизельгенератор 75100 КВт.
Комплекс ориентирован на пере
работку твердых и жидких нефтешла
мов, однако – со своими ограниче
ниями. Для твердых смесей: содер
жание углеводородов в грунте не
должно превышать 45 %; воды в
нефтешламе – 25 %; максимальный
размер твердых частиц – 100 мм;
температура – не менее +5 °С. Для
жидких: максимальная вязкость –
сСт 10 000; содержание мехприме
сей – не более 10 %; воды – не бо
лее 50 %; максимальный размер
твердых частиц – 2 мм; температу
ра – не менее +10 °С. Декларируе
мые, но, как правило, недостигае
мые характеристики конечных про
дуктов:
углеводородов: содержание
воды – не более 5 % объема, меха
нических примесей – до 1 % массы;
переработанного грунта: со
держание углеводородов – не более
5 г/кг;
очищенной воды: содержание
углеводородов – не более 0,3 мг/л.
[НГН]
74
№10/2013
Рис. 1. Типичный разлив нефти
в результате разрушения
обваловки амбара с аварийными
стоками
Приведенные ограничения и ха
рактеристики при стандартной про
изводительности процесса в 1012
кубометров в час явно не отвечают
ни экологическим, ни экономичес
ким современным требованиям. Тем
не менее они присущи и ряду других
комплексов, которые способны пе
рерабатывать свежие нефтешламы,
но их владельцы не в состоянии пе
рерабатывать застарелые смеси, а
также загрязненные грунты изза
несоответствия применяемых техно
логий.
В докладе, представленном на
международном форуме «Новые тех
нологии переработки нефтяных отхо
дов и рекультивации загрязненных
земель» [2], был проведен многопа
раметровый анализ используемых в
настоящее время технологий. Срав
нение проводилось одновременно
по следующим критериям:
1. Принцип, положенный в осно
ву технологии (обезвоживание, тер
мический – пиролитическое разло
жение/термовакуумная десорбция,
плазменная газификация, химичес
кое инкапсулирование, гравитаци
онное разделение на центрифугах,
виброкавитация, биоремедиация,
комбинированные методы).
2. Тип комплекса (стационар
ный/мобильный).
3. Стоимость оборудования ком
плекса.
4. Производительность перера
ботки нефтешламов (т/час).
5. Производительность перера
ботки загрязненных грунтов (т/час).
6. Продукты переработки (коли
чество, получаемое из одной тонны).
7. Стоимость продуктов перера
ботки, полученных из одной тонны.
8. Эксплуатационные расходы
на производство одной тонны про
дуктов.
9. Степень чистоты продуктов.
10. Степень чистоты отходов.
11. Наличие разрешительной до
кументации.
12. Степень соответствия эколо
гическим требованиям.
13. Срок окупаемости комплекса.
14. Экономическая эффектив
ность применения той или иной тех
нологии.
В этом докладе было показано,
что наилучшие результаты при пере
работке нефтяных отходов и рекуль
тивации загрязненных грунтов до
стигаются в случае применения ком
бинации нескольких технологий. На
примере американской компании
KEBAWK Response Technologies (KRT)
продемонстрировано [3], что наилуч
шие результаты, определенные по
наиболее «весомым» критериям
(производительность, стоимость пе
реработки одной тонны нефтешла
мов, включая придонные осадки, и
загрязненных грунтов, сроки выпол
нения работ, чистота выделенных
нефтепродуктов и образуемых отхо
дов, возможность круглогодичного
проведения работ), достигнуты бла
годаря применению как комбинации
известных технологий (блок из не
скольких вертикальных и горизон
тальных трехфазных центрифуг и де
кантеров), так и уникальных узлов
(всесезонный скиммер с производи
тельностью
по
пульпе
до
1,7 куб. м/мин, обеспечивающий
возможность разработки твердых
донных осадков и перекачки пульпы
с содержанием твердой фазы до
64 % на расстояние более 300 м) и
технологий горизонтального управ
ляемого бурения с последующей по
дачей в перфорированные шурфы на
первой стадии пара для разжижения
битумов, а на второй – теплой, насы
щенной воздухом воды с комбинаци
ей штаммов бактерий для оконча
тельной «зачистки» грунтов от углево
дородов.
В июле 2011 г. KEBAWK приобрел
право на использование компози
ции штаммов бактерий WMI 2000,
переработка попутного нефтяного газа
и нефтесодержащих отходов
теперь зарегистрированных под тор
говым названием KRT 2010.
KEBAWK участвовал в испытаниях
эффективности этих бактерий. Из
шести продуктов, допущенных к ис
пытаниям Агентством по охране ок
ружающей среды США, штаммы KRT
2010 оказались наилучшими: снизи
ли содержание углеводородов в
грунте на 88 % за первые 7 дней и
меньше чем 1 % – через 42 дня при
температуре +10 градусов по Цель
сию. Было подтверждено, что комби
нация штаммов KRT 2010 работает в
шесть раз лучше, чем штаммы конку
рентов. Эта комбинация штаммов
была сертифицирована Агентством
по охране окружающей среды для ре
медиации грунтов, содержащих угле
водороды.
Таким образом, оказались дости
жимыми чистота выделенных углево
дородов – до 99,0 % (гарантирован
но – не ниже 97,6 %), содержание
углеводородов в очищенных грун
тах – не выше 1,0 % и в очищенной
воде – не выше 0,05 мг/л. Кроме то
го, технологии KRT обеспечивают ми
нимизацию эксплуатационных за
трат, недостижимую для других ком
паний (из расчета на одну тонну):
забор накопленного (аккуму
лированного) шлама для переработ
ки – $32;
переработка
накопленного
нефтешлама до чистоты 97.6 % –
$110;
переработка накопленных от
работанных нефтепродуктов – $88;
переработка свежих отрабо
танных нефтепродуктов до чистоты
97.6 % – $78;
ремедиация загрязненной поч
вы, произведенная на месте без вы
емки, – $74.
Эти расценки были рассчитаны
под конкретный проект.
Технологии KRT оказались наи
более производительными. Благо
даря запатентованным техничес
ким решениям специалистов ком
пании производительность забора
нефтешлама равна в среднем
0.7 куб. м/мин (максимально –
1,7), основной процесс переработ
ки нефтешлама ведется с произво
дительностью до 39 т/час (гаранти
рованно – не менее 22 т/час), а
благодаря применению комбина
ций собственных технологий, вклю
чая технологию биоремедиации за
грязненных или насыщенных угле
водородами грунтов, и использова
нию наиболее активных и адапти
руемых штаммов разлагающих
нефть бактерий их очистка проис
ходит с производительностью
39 тыс. т за срок менее 40 дней.
Все эти работы производятся при
помощи мобильного модульного
нефтеперерабатывающего
ком
плекса.
Компания KRT оказалась «пионе
ром» по применению метода гори
зонтального бурения для переработ
ки нефтешламов и грунтов, но она не
является разработчиком этого мето
да. Впервые он был применен в Ка
наде для разработки месторождений
нефтяных песков в провинции Аль
берта. Нефтеносные (или битуминоз
ные пески) являются одним из аль
тернативных источников нефти и
представляют собой смесь битума,
песка, воды и глины. По своему со
ставу битуминозные пески напоми
нают тяжелые донные осадки шламо
хранилищ, поэтому компания KRT
«заимствовала» у канадцев принцип
(но не технологические режимы и па
раметры).
В Канаде экстракция нефти из
нефтяных песков производится:
1) открытым способом (карьер
ным) – при залегании нефтяных пес
ков до 100 м;
2) скважинным способом – при
залегании нефтяных песков глубже
100 м.
При открытом способе нефтяные
пески с помощью экскаваторов гру
зятся на самосвалы, которые транс
портируют нефтяные пески на пере
рабатывающее предприятие. Там
нефтяные пески измельчаются, сме
шиваются с водой и подогреваются,
затем с помощью различных воздей
ствий (вращательное, вихревое, виб
рационное и др.) [5] экстрагируется
нефть. Технологии, которые приме
няются при экстракции нефти в Ка
наде, требуют больших расходов
энергии и воды из озер, в том числе
на нагрев смеси воды с нефтяным
песком [6].
При скважинном способе в шур
фы закачивается острый пар (в од
ном из вариантов) либо углеводоро
ды (пропан, гептан), которые раство
ряют битумы, выносят их на поверх
ность, а затем рекуперируются и ис
пользуются в повторных циклах. Мо
дифицированный компанией KRT
метод с закачкой в перфорирован
ные шурфы сначала пара, а затем –
штаммов бактерий позволил обой
тись без целого ряда дорогостоящих
операций – выборки, погрузки и
транспортировки шламов и грун
тов – и тем самым более 90 % объе
ма работ производить на месте. Ос
новной причиной, не позволившей
компании KRT продемонстрировать
свои технологии в России, явилось
отсутствие разрешительной докумен
тации на применение комплекса,
технологий и штаммов.
Однако известны и другие «про
рывные» технологии, которые впол
не могут быть применены для пере
работки нефтешламов. Так, в моно
графии [8] было показано, что при
менение разработанных авторами
«установок активации процессов»
(УАП) может быть эффективным для
этой цели, причем – со значительно
меньшими энергозатратами. Такие
установки относительно просты в из
готовлении: на отрезок трубы наво
дится бегущее электромагнитное по
ле, которое воздействует на рабочее
тело – металлические иголки. В чис
ле эффектов, приводящих к желае
мому результату, перечисляются:
магнитострикция, кавитация, акус
тические явления, электрофизичес
кие явления, электролиз, прямое
воздействие иголок на вещество и
т.д. Вклад каждого из перечислен
ных эффектов детально не изучен,
но бесспорно достижение необходи
мого результата.
Другое применение вихреколеба
тельных эффектов для отделения
нефтепродуктов описано в работе
[7]. На лабораторной установке был
успешно проведен следующий опыт.
Брали смесь нефтяного песка и воды
№10/2013
[НГН]
75
переработка попутного нефтяного газа
и нефтесодержащих отходов
Сосуд
Обрабатываемая среда
(смеси, жидкость +
твердая фракция, сыпучий
материал и т.п.)
Специальный
вибратор
Ускорение процессов:
– Перемешивание
– Экстрагирование
– Химические реакции
– Мойка материала
– Сушка
– Фильтрация
– Сепарация
Объем от 0,5 л
до 10 м 3
Мельница на основе использования
вихреколебательного эффекта
Рис. 2. Схема лабораторной установки
для генерации вихревых колебаний
Рис. 3. Экстракция нефти
(соотношение по весу 1:1). Нефтяной песок состоял из ку
сочков размером 310 мм. Обработка смеси происходи
ла в течение 15 мин. Подогрева смеси не было. Резуль
тат:
образовался вихрь из этой смеси на лабораторной
установке;
кусочки нефтяного песка распались на отдельные
песчинки;
произошло разделение нефтяного песка на нефть,
воду и песок;
после остановки установки вверху был слой нефти,
ниже была вода, на дне был песок;
песок приобрел светложелтый цвет;
Литература
1. Беляева Е. Углеводородные проекты на российском
арктическом шельфе: инвестиционные риски, ГРИНПИС.
www.greenpeace.ru
2. Мхитаров Р.А. Доклад на международном форуме
«Новые технологии переработки нефтяных отходов и
рекультивации загрязненных земель». 14.06.2012.
Российский государственный университет нефти и газа
им. И.М. Губкина.
3. Мхитаров Р.А. Новейшее оборудование очистки
нефтяных шламов. [Электронный ресурс].S.O.S. LLC (USA),
Chemical equipment №7/2010, quoted in http://www.ecosor
ber.ru/News2_17.aspx
4. Мхитаров Р.А. Бомба немедленного действия //
[НГН]
76
№10/2013
вязкость уменьшилась во много раз благодаря вибра
циям в теле вихря, поэтому необходимая энергия для переме
шивания нефтяного песка также снизилась во много раз.
Авторы метода предлагают новую технологию экс
тракции нефти из нефтяных песков, которая также мо
жет быть применена для переработки нефтешламов.
Схема лабораторной установки приведена на рис. 2 .
При помощи вихревых колебаний можно создать ин
тенсивное вращение смеси (нефтяной песок с водой) в
цилиндрической емкости. На смесь нефтяного песка с
водой одновременно воздействуют:
вихревое движение;
интенсивная вибрация;
большие центробежные ускорения.
Будет происходить быстрая экстракция нефти без
р и с . 3).
теплового нагрева и с малым расходом воды (р
Рекомендации авторов по использованию предлага
емых технологий:
Интенсивность обработки (уровень виброускоре
ний, скорости вращения, центробежного ускорения)
можно поднять в несколько раз.
Вязкость уменьшается во много раз благодаря ви
брациям в теле вихря. Поэтому необходимая энергия для
перемешивания нефтяного песка также уменьшается во
много раз.
Наши аппараты можно применять для более интен
сивного и экономичного извлечения нефти из нефтяных
песков.
В перспективе можно сепарировать нефть из неф
тяного песка совсем без применения воды.
Экстракция нефти будет происходить без нагрева
и без воды благодаря интенсивной вибрации и сильным
центробежным ускорениям (на лабораторных установ
ках
уже
получены
центробежные
ускорения
30000 м/сек2).
Таким образом, можно констатировать, что наряду
с традиционными технологиями переработки нефтя
ных отходов и рекультивации загрязненных земель
активно развиваются новые, пока еще не получившие
повсеместного признания технологии, которые в бли
жайшее время позволят производить очистку терри
торий от загрязнений нефтепродуктами с еще боль
шей эффективностью.
Деловая Россия. – 2012. – № 12.
5. Hatch wins Fort Hills Phase II energy
projecthttp://www.hatch.ca/about_us/hr_july2008/Fort_Hills_P
hase_II.html
6. Новая технология добычи нефти из канадских
песков. http://newsdiscover.net/news/read/Novaja_tehnologi
ja_dobychi_nefti_kanadcy_budut_rastvorjat_pesok.html
7. Вершинин И.Н., Вершинин Н.П. Проблемы
нейтрализации негативного воздействия человека на
природу Земли. – Сальск, 2012.
8. Сорокодум Е.Д. ООО «ВихреAКолебательные
Технологии».
http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Content&pa=sh
owpage&pid=16