Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ПЕРЕРАБОТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ МЕТОДОВ

Абдибаттаева М.М. 1 Рысмагамбетова А. 1
1 Казахский национальный университет им. Аль-Фараби
1. Гунн Р.Б. Нефтяные битумы. – М.: Химия, 1973. – С. 429.
2. А.с. № 62876. Устройства для очистки нефтезагрязненных почв, грунта или нефтешлама от нефтепродуктов. Абдибаттаева М.М.и др.Опубл.15.01.2010.бюл. № 1.
3. Жубандыкова Ж.У. Разработка способа утилизации нефтезагрязненных грунтов с применением солнечной энергии: дис. ... канд. техн. наук. – Алматы, 2009 – 150 с.
4. Абдибаттаева М.М., Ахмеджанов Т.К., Жубандыкова Ж.У. Утилизация нефтесодержащих отходов на месторождении Кумколь с применением солнечной энергии // Новое в безопасности жизнедеятельности: труды девятой международной научно-технической конференции. – Алматы: КазНТУ, 2007. – Т. 2. – 213 с., С. 129–135.

Сделан анализ по основным источникам образования производственных отходов на нефтегазодобывающих предприятиях, определены классы опасности отходов, приведен общий планируемый объем образования отходов производства. Предложены инновационные методы переработки нефтешламов и нефтезагрязненных грунтов с использованием солнечной энергии, которые решают ряд определенных задач – экологических, экономических и социальных. На основе предложенных инновационных методов разработаны способы и устройства для очистки нефтесодержащих отходов с применением солнечной энергии, требующая небольшие затраты на очистку и свободна от дымовых газов. В разработанном устройстве при использовании солнечной энергии создаются требуемые условия при извлечении нефти из грунта. Как следует из приведенных данных, продукт очистки нефтесодержащих отходов представляет собой ценное углеводородное сырье, которое можно переработать, или использовать для других целей. Также проведены физико-химические исследования нефтезагрязненных отходов до и после тепловой обработки с применением солнечной энергии. Для выяснения влияния теплового воздействия солнечной энергии на свойства углеводородов было проведено исследование компонентного состава нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов и их твердых остатков после предварительной обработки с использованием солнечной энергии в разработанном устройстве. Переработка нефтесодержащих отходов с использованием инновационных методов в достаточной мере снизит уровень отрицательного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду.

Основными источниками образования производственных отходов на нефтегазодобывающих предприятиях являются объекты нефтепромысла и бурения, следовательно, образующиеся отходы являются отходами основного производства. В последнее время различными предприятиями ведется интенсивные работы по очистке нефтезагрязненных грунтов на всех месторождениях АФ «Эмбамунайгаз».

Перечень и объем образования промышленных отходов определяется по результатам инвентаризации нефтезагрязненных территории и плановым объемов работ по бурению скважин. Утилизация, удаление и захоронение отходов производства и потребления производится только в специально отведенных и оборудованных для этих целей местах.

По классу опасности отходы согласно, проведенных химических анализов и «Отчета по определению класса опасности бурового раствора и шлама физико-химическими методами анализа» относятся: нефтезагрязненный грунт к 3 классу опасности; отходы при бурении скважин к 4-му классу опасности. Это обеспечивает возможность их хранения в специально отведенных и оборудованных для этих целей местах – шламонакопителях.

Общий планируемый объем образования отходов производства на 2005 год (без учета твердых бытовых отходов) для всех нефтегазодобывающих управлений АФ «Эмбамунайгаз» – 37354,4 т/год, в том числе:

• в НГДУ «Жаикмунайгаз» шламонакопители на м/р Забурунье, ЮВ Камышитовый, Гран, Ровное, общее количества отходов производства (ОП) составляет – 11872 т/г, из них нефтезагрязненный грунт (НГ) – 8900 т/г, буровой шлам (БШ) – 2972 т/г;

• в НГДУ «Доссормунайгаз» шламонакопители на м/р Карсак и Алтыколь, общее количества ОП – 3400 т/г, из них НГ – 3400 т/г;

• в НГДУ «Макатмунайгаз» шламонакопитель на м/р Восточный Макат, общее количества ОП – 831,4 т/г, из них НГ – 35 т/г, БШ – 796,4 т/г;

• в НГДУ «Кайнармунайгаз» шламонакопители на м/р Северный Котыртас и В.Молдабек, общее количества ОП – 6242 т/г, из них НГ – 1632 т/г, БШ – 4610 т/г;

• в НГДУ «Прорвамунайгаз» шламонакопитель на м/р Актюбе, общее количества ОП –9005 т/г, из них НГ – 9000 т/г, БШ – 5,0 т/г;

• в НГДУ «Кульсарымунайгаз» шламонакопители на м/р Тюлес, Каратон и Косчагил, общее количества ОП – 6004 т/г, из них НГ – 5334 т/г, БШ – 670 т/г;

Основными загрязняющими окружающую среду веществами при строительстве и эксплуатации нефтяных скважин являются отработанные буровые растворы, обработанные химические реагенты, буровой шлам, нефтешлам и нефтезагрязненный грунт. Нефтесодержащие отходы относятся в основном к токсичным и умеренно опасным производственным отходам 2 и 3 класса опасности. По данным химического анализа шламов, содержание нефтепродуктов в шламе колеблется в пределах от 2000 до 13870 мг/кг. Нефтяная часть шлама представлена в основном парафино-нафтеновыми углеводородами – 41,8 % масс., из них 20 % масс. – твердые парафины, асфальтены – 5,6 % масс.; смолы – 19,2 % масс., полициклические ароматические углеводороды – 20,1 % масс. [1].

Нефтезагрязненный грунт образуется после очистки площадей территорий промыслов от аварийных разливов нефти вдоль осевых, сточных коллекторов, при сборе и транспортировке нефтепродуктов. О загрязняющей способности нефтезагрязненного грунта судят по содержанию в них нефтепродуктов, которые малотоксичны и соответствуют 3 классу опасности.

Нефтешламы образуются в виде донного осадка при хранении продуктов добычи в резервуарах. Основным загрязняющим компонентом нефтешлама являются нефтепродукты, которые малотоксичны и соответствуют 3 классу опасности.

На производственных объектах рассматриваемого НГДУ в рамках производственного мониторинга проводится детальное геоэкологическое, натурное обследование с отбором образцов на определение содержания нефтепродуктов, общую щелочность, рН, общую жесткость, ХПК, плотность и другие показатели.

Для проведения исследований отбираются образцы проб почв методом конверта с промплощадок вокруг шламонакопителей и непосредственно у наблюдательных скважин. Глубина отбора 0,1; 0,5 м.

Более полному сохранению экологического баланса и природного потенциала геосистем в зоне деятельности НГДУ будет способствовать дальнейшее совершенствование и внедрение на объектах природосберегающих технологий и техники.

Переработка нефтешламов и нефтезагрязненных грунтов с использованием инновационных методов решают ряд определенных задач – экологических, экономических и социальных. На наш взгляд, это оказывает определенное влияние на способы определения эффективности от реализации инновационно-инвестиционных проектов в сфере переработки нефтесодержащих отходов. Выбор способа переработки зависит от качества шлама и состава содержащихся в нем нефтепродуктов и механических примесей.

В связи с этим нами поставлена задача разработать способ и устройств для разделения органической и минеральной части нефтесодержащих отходов с применением солнечной энергии, требующая небольшие затраты на очистку и свободна от дымовых газов. Для снижения расходов разработано устройство, в котором максимально используются солнечная энергия при очистке нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов и повышается эффективность работы используемого устройства [2].

Устройство с концентрирующими элементами солнечной радиации является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение не существенно, в разработанном устройстве перенос энергии к приемнику осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае ~1100 Вт/м2 и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3–3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование устройств с концентрирующими элементами солнечной энергии связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

Очистка нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов осуществляется в устройстве [3], снабженном съемной светопроницаемой оболочкой в виде цилиндрической формы из пластиковых емкостей, заполненных наполовину нефтяным маслом, максимально фокусирующей прямую и рассеянную солнечную радиацию, которая играет роль нагревателя. Устройство состоит из теплоизолированного корпуса, внутри окрашенного в черный цвет, поглощающего солнечные лучи. В качестве линзы можно использовать любую прозрачную цилиндрическую полиэтиленовую емкость. Сверху линзы для предотвращения теплопотерь накрываются полиэтиленовой пленкой. Таким образом, в течение светового дня солнечная радиация поступает на поверхность светопроницаемой оболочки в виде цилиндрической формы из пластиковых емкостей.

Разработанные устройства работают следующим образом (рис. 1). Для создания условии вытеснения нефти из грунта нефтезагрязненый грунт или нефтешлам смешиваются с водой, для чего сначала в устройство заливается вода, а сверху закладывается нефтезагрязненный грунт или нефтешлам. В устройстве в верхней части корпуса на металлическом каркасе устанавливаются съемные светопроницаемые оболочки в виде цилиндрической формы из пластика, наполовину заполненные нефтяным маслом, что позволяет максимально сфокусировать прямые и рассеянные солнечные радиации, которые играют роль нагревателя. В качестве светопроницаемой оболочки можно использовать любую прозрачную цилиндрическую полиэтиленовую емкость.

После насыщения грунта водой образуются каналы, через которые в процессе нагревания за счет солнечной энергии, начинают выделяться фракции нефти. Полученная продуктивная нефть через трубу, соединенную с корпусом, сливается в резервуар для сбора нефти. При нагреве нефтезагрязненного грунта и нефтешлама температура в устройстве составляет 60 °С при температуре окружающей среды 30 °С, нагрев осуществлялся в течение светового дня. Загрузка и разгрузка нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов осуществляется вручную или механизированным способом, хотя не исключена автоматизация данного процесса.

Основное назначение данных устройств состоит в воздействии естественной солнечной радиации различной плотности потока со значительным участием в этом процессе нефтяного масла максимально фокусирующем солнечные лучи. При этом смесь нефтезагрязненного грунта или нефтешлама с водой являются поглощающим и аккумулирующим элементом. Практическая реализация оптимального сочетания светопроницаемой оболочки в виде цилиндрической формы, наполненной наполовину нефтяным маслом, которая играет роль нагревателя, способствует максимальной фокусировке прямой и рассеянной солнечной радиации даже невысокой плотности, а дополнительно используемая полиэтиленовая пленка предотвращает теплопотери. Принципиальным отличием этой установки являются использование прямой и рассеянной радиации даже невысокой плотности, путем использования светопроницаемой оболочки в виде цилиндрической формы из пластиковых линз, заполненных наполовину нефтяным маслом, которая играет роль нагревателя, что устраняет необходимость применения традиционных источников энергии.

Разработанный эффективный способ очистки нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов с применением солнечной энергии, используя светопроницаемую оболочку в виде цилиндрической формы в совокупности, с полиэтиленовой пленкой накрываемой сверху, предотвращает теплопотери при нагреве в течение светового дня, а так же обеспечивает требуемый температурный режим в среде и достижение высоких показателей при получении продуктивной нефти.

Решающим фактором, определяющим направление утилизации шлама и нейтрализации их вредного воздействия на объекты природной среды, является состав и физико-химические свойства.

pic_9.tif pic_10.tif

pic_11.tif pic_12.tif

Рис. 1. Процессы очистки нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов

Эксперименты проводились с нефтесодержащими отходами в устройстве на нефтяных месторождениях. Для создания условий вытеснения нефти из грунта нефтесодержащие отходы смешали с водой, затем, поместив их в устройство произвели нагрев с применением солнечной энергии. В результате нагрева произошло отделение углеводородной части отхода из грунта. Для выяснения влияния термического воздействия солнечной энергии на свойство углеводородов было проведено исследование свойств термической извлеченной органической части отходов. Получаемая после термической переработки солнечной энергии углеводородная фаза по своим физико-химическим характеристикам значительно отличается. Результаты анализа извлеченной нефти из нефтесодержащего отхода показаны в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические свойства извлеченной нефти из нефтесодержащих отходов

Название свойств и способов

Плотность при 20 °С. Кг/м3

Плотность сдаваемой нефти, кг/м3

Содержание хлористых солей, мг/л

Обводненность нефти, %

Содержание механических примесей

Содержание серы

Норма по НД

830,0

833,7

100

0,5

0,05

0,6

Нагрев с применением солнечной энергии

852,1

942,7

407,9

35,0

0,0394

0,265

При использовании солнечной энергии создаются требуемые условия при извлечении нефти из грунта. Как следует из приведенных данных, продукт очистки нефтесодержащих отходов представляет собой ценное углеводородное сырье, которое можно переработать, или использовать для других целей [4].

Также проведены исследования одним из физико-химических методов дифференциально-термическим анализом нефтезагрязненных отходов до и после тепловой обработки с применением солнечной энергии (рис. 2). Дифференциально-термический анализ выполнялся с помощью установки «Derivatograph Q – 1500 D» со скоростью нагрева 10 °С в минуту до 1000 °С.

На кривой нагревания ДТА нефтезагрязненного грунта до обработки зафиксирован интенсивный растянутый экзотермический эффект с максимумами в интервале температуры от 200 до 680 °С, сопровождаемый потерей массы 12,7 %. Потеря массы указывает на выгорание присутствующих компонентов нефти: углеводородов. Экзоэффект при (+)260 °С связан с термическим разложением углеводородов метанового ряда. Экзоэффект (+)320 °С – разложение парафинистой фракции. Экзоэффекты (+)410 °С и (+)480 °С – разложение углеводородов нафтенового ряда. Экзоэффект (–)570 °С – связан с кристаллизацией высокомолекулярных углеводородов нефти парафинового состава (озокерита).

pic_13.tif

Рис. 2. Дериватограммы нефтезагрязненных грунтов до обработки (а) и после нагрева с применением солнечной энергии (б)

После солнечной обработки нефтезагрязненного грунта термограмма претерпела изменения. Экзоэффекты с максимумами (+)480 °С и (+)570 °С стали менее интенсивными, что указывает на разложение углеводородов высокотемпературной фракции углеводородов с потерей массы 4,6 %. Эндоэффект (–)100 °С связан с разложением адсорбированной воды.

Сравнивая влияние методов обработки (с применением солнечной энергий) можно сделать следующие выводы:

1) Тепловая обработка нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии уменьшает интенсивность экзоэффектов: (+)410 °С, (+)480 °С и (+)570 °С, (+)620 °С, относящихся к эффектам высокомолекулярных углеводородов нефти парафинового состава и приводят к разложению углеводородов.

2) Тепловая обработка с применением солнечной энергии действует больше на высокотемпературную углеводородную составляющую мазута. Экзоэффект (+)570 °С ниже чем (+)480 °С.

Для выяснения влияния теплового воздействия солнечной энергии на свойства углеводородов было проведено исследование компонентного состава нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов и их твердых остатков после предварительной обработки с использованием солнечной энергии в разработанном устройстве. Компонентный состав нефтезагрязненных грунтов и нефтешламов и их твердых остатков после предварительной очистки с использованием солнечной энергии показаны в табл. 2.

Таблица 2

Компонентный состав нефтяных отходов и их твердых остатков до и после предварительной очистки с использованием солнечной энергии

Нефтяные отходы

Состав, масс. %

Органическая часть

Механические примеси

Вода

До очистки

Нефтешлам

Нефтезагрязненный грунт

76,8

30,5

8,0

67,4

15,2

2,1

После очистки

Твердый остаток нефтешлама и песка

Твердый остаток нефтезагрязненного грунта

8,79

8,65

83,21

84,35

8,0

7,0

Таким образом, после предварительной очистки нефтесодержащих отходов с применением солнечной энергии в грунте содержание твердых остатков не превышает 8,65–8,79 %. После очистки молекулярная масса углеводородов приближается по абсолютной величине к битуму, а соотношения углерода к водороду изменяется согласно приведенному ряду: битумы (6,29–10,7) > нефтезагрязненные грунты или нефтешлам (8,56–8,79). Преимуществами такого способа очистки нефтяных отходов в целях разделения нефтяной и минеральной частей являются простота конструкции устройства, его высокая производительность и относительная дешевизна.

Разработанный способ очистки нефтесодержащих отходов решает важную экологическую проблему утилизации нефтесодержащих отходов, способствует восстановлению и предотвращению деградации природных комплексов, снижению загрязнения почвенного слоя и водоемов. Это позволит утилизировать нефтяные амбары и шламонакопители по всему нефтедобывающему региону. Таким образом, данная технология утилизации нефтесодержащих отходов в достаточной мере снизит уровень отрицательного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду.


Библиографическая ссылка

Абдибаттаева М.М., Рысмагамбетова А. ПЕРЕРАБОТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ МЕТОДОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2012. – № 12. – С. 32-37;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=31128 (дата обращения: 27.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074