CC BY
0УДК 504.06
Губайдуллин К.
студент, Университет Шеффилда (г. Хьюстон, США)
МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ НА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДАХ
Аннотация: работа посвящена рассмотрению методов снижения выбросов углеводородных паров и углекислого газа на нефтегазовых месторождениях, с акцентом на экологические и экономические аспекты. В статье рассмотрены различные технологии, такие как применение дисков-отражателей, плавающих крыш и понтонов, которые позволяют значительно уменьшить потери углеводородов при хранении и транспортировке нефти. Также освещены инновационные подходы, включая системы улавливания паров и использование азотных подушек. Особое внимание уделено перспективной технологии CCS (уловление и хранение углекислого газа), способствующей не только снижению выбросов СО2, но и повышению эффективности добычи нефти на нефтегазовых месторождениях. Описаны методы утилизации факельных газов с помощью жидкостно-кольцевых компрессоров, что позволяет извлекать ценные углеводородные фракции и снижать воздействие на окружающую среду.
Ключевые слова: тепловые выбросы, загрязнение, экологические проблемы, экология, утилизация выбросов, НПЗ.
Введение.
Человечество использует нефть на протяжении не менее 8000 лет. Представить современный мир без нефти крайне сложно. Нефть служит топливом для автомобилей, самолётов и кораблей, обеспечивает тепло в наших домах и является основой для множества повседневных материалов. Мир без нефти выглядел бы совершенно иначе. В Российской Федерации функционирует
около 40 крупных нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), каждый из которых перерабатывает более 1 миллиона тонн нефти в год, а также значительное количество малых НПЗ. Данные предприятия оказывают негативное воздействие на все компоненты окружающей среды.
Обеспечение экологической безопасности и соблюдение природоохранного законодательства на предприятиях нефтегазового сектора является актуальной задачей, направленной на минимизацию негативного воздействия на окружающую среду. Современное развитие нефтегазового сектора должно учитывать снижение выбросов парниковых газов, восстановление нарушенных ландшафтов и другие меры по предотвращению изменения климата. Политика нефтегазовой отрасли направлена на обеспечение экологической безопасности и охрану окружающей среды на всех этапах производственного процесса, от разведки до переработки углеводородов, с целью минимизации негативного воздействия на экосистемы и предупреждения аварийных ситуаций [1].
По уровню загрязнения окружающей среды нефтегазовая отрасль является одной из самых опасных, что обусловлено масштабами и многофункциональностью источников загрязнения, а также высокой токсичностью природных углеводородов. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми в атмосферу нефтеперерабатывающими предприятиями, являются: оксиды железа, марганец и его соединения, гидроксид натрия, оксид олова, свинец и его соединения, диоксид азота, аммиак, оксид углерода (сажи), диоксид серы и другие. Существенными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются факельные системы, через которые выбрасываются горючие и горюче-токсичные газы и пары. В среднем объемы сброса на факел составляют до 1% от перерабатываемой нефти, из которых 90% составляют углеводороды, 1,6% - водород, 2,6% - сероводород, остальное -водяной пар и азот [2].
Цель данной работы является рассмотрение методов утилизации тепловых выбросов на нефтеперерабатывающих заводах.
1. Источники загрязнения и их влияние на экологию.
Потенциальными источниками загрязнения окружающей среды в зонах влияния НПЗ и нефтехимических заводов (НХЗ) являются выбросы загрязняющих веществ, производственные сточные воды, пруды-накопители сточных вод, шламоотстойники и места хранения отходов (рис.1.). Также существенное загрязнение происходит из-за многолетних скоплений нефти и нефтепродуктов, возникших в результате эксплуатационных и аварийных утечек и проливов.
Выбросы токсичных веществ способствуют загрязнению атмосферного воздуха и прилегающих территорий на всех этапах технологического процесса переработки нефти. Источники выбросов НПЗ и НХЗ подразделяются на организованные (трубы, факельные установки, предохранительные клапаны и т.д.) и неорганизованные (испарения из резервуаров, газовыделения через неплотности оборудования и открытые поверхности очистных сооружений).
Нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия являются крупными потребителями воды, что приводит к образованию больших объемов сточных вод, содержащих нефтепродукты, масла, ароматические углеводороды, аммонийный азот, сульфаты и другие вещества. Сточные воды нефтехимических заводов также содержат алкилфенолы, бензол и его производные, спирты и карбоновые кислоты. Недостаточная степень очистки сточных вод приводит к загрязнению почвенных и водных ресурсов, а токсиканты, попадая в окружающую среду, подвергаются сложным трансформациям и вовлекаются в круговорот.
Многолетние исследования почвы в районах размещения НПЗ показывают, что почва загрязняется ядовитыми веществами в радиусе до трёх километров и на глубину до 60-80 см. Зона активного загрязнения почвы объектами нефтехимической и нефтеперерабатывающей отрасли составляет 1-3 км от предприятий при общем распространении поллютантов на расстояние не менее 20 км.
Производственная деятельность НПЗ и НХЗ приводит к ухудшению санитарно-гигиенического состояния близлежащих территорий. В результате их функционирования в атмосферный воздух поступает более 200 специфических загрязнителей, включая канцерогены (бенз(а)пирен, формальдегид, бензол и т.д.) и другие токсичные вещества. Загрязнение атмосферного воздуха находится в прямой зависимости от объема перерабатываемой нефти и размеров потерь нефтепродуктов [3].
Рис.1. Влияние на окружающую среду [4].
2. Методы утилизация тепловых выбросов на нефтеперерабатывающих заводах.
Утилизация углеводородных паров на нефтегазовых месторождениях является ключевым методом снижения выбросов вредных веществ в атмосферу и повышения экономической эффективности добычи [5]. Существенное загрязнение воздуха углеводородами происходит при операциях по заполнению, хранению и опорожнению резервуаров с нефтепродуктами. В настоящее время оценить объемы сжигаемого газа затруднительно из-за отсутствия систем учета на многих месторождениях. По оценкам, речь идет о десятках миллиардов кубометров газа в год на глобальном уровне. Примерный состав ПНГ представлен в таблице 1.
Таблица 1. Примерный состав ПНГ [5].
№ Компонент Доля, %
1 Метан (СН4) 61
2 Этан (С2Н6) 8
3 Бутан (С4Н10) 5
4 Изобутан (С4Н10) 4
5 Пропан (С3Н8) 17
6 Другие 5
Наиболее доступным и широко применяемым методом является установка дисков-отражателей под дыхательными клапанами, что позволяет снизить потери от испарения на 30-40%. Использование плавающих крыш и понтонов позволяет сократить объем газового пространства в резервуаре и уменьшить потери от испарений на 70-99%, в зависимости от конструкции и материалов. Хранение нефтепродуктов под избыточным давлением азота, создавая так называемую «азотную подушку», может уменьшить потери до 90%, но этот метод имеет высокую стоимость.
Системы улавливания паров, такие как сорбционные и компрессионные, позволяют извлекать углеводороды из паровоздушных смесей с эффективностью до 98%. При выборе методов необходимо учитывать физико-химические свойства нефтепродуктов [5].
Также возможно снизить углеродный след в нефтедобывающих районах России посредством внедрения технологии ССШ, направленной на извлечение углекислого газа из промышленных выбросов и его повторное закачивание в нефтяные скважины. Что позволяет существенно повысить эффективность добычи нефти за счет снижения ее вязкости при растворении углекислого газа и разрушения асфальтено-парафиновых отложений. Технология ССШ, связанная с улавливанием и переработкой углекислого газа, признана перспективной. Основными источниками промышленного получения СО2 являются природный газ и выбросы промышленных предприятий. Важно соблюдать баланс между извлечением углеводородов и количеством хранимого диоксида углерода [7].
Суть методики состоит в создании кластеров, объединяющих источники выбросов углекислого газа в единую транспортную систему для доставки на нефтяные месторождения. При этом важен выбор оптимального потенциала использования СО2 на основе опыта американских проектов. Рассматривается вероятность утилизации углекислого газа в зависимости от уровня его закачки в поровое пространство нефтяных пластов.
При закачке СО2 наблюдается увеличение объема нефти из-за растворения в ней углекислого газа, что снижает ее вязкость и улучшает проницаемость. Циклическая закачка углекислого газа в сочетании с добавлением специальных композиций позволяет разрушать отложения тяжелых углеводородов и улучшать проницаемость пластов [8].
При сверхкритических условиях СО2 становится эффективным растворителем, снижающим вязкость нефти и способствующим ее лучшему извлечению. Этот метод показывает высокую эффективность, особенно при работе с нефтью высокой вязкости. Применение технологии ССШ на объектах
ТПТ «РИТЭК-Самара-Нафта» продемонстрировало значительное снижение вязкости нефти и повышение эффективности ее добычи [9].
Кроме этих методов, разработаны и другие способы утилизации, которые пока не получили широкого распространения: синтез моторных топлив или других продуктов (например, метанола) на месте (Gas to Liquid, GTL), переработка на мини-газоперерабатывающих заводах на месторождении, сжижение нефтяного газа, транспортировка в виде газовых гидратов и другие. Отсутствие широкого применения этих методов связано с нерешенными технологическими и инфраструктурными проблемами, но они рассматриваются как перспективные [10].
Также интересным представляется рассмотрение технология применения жидкостно-кольцевых компрессоров компании Flowserve SIHI для решения данной проблемы, позволяющая значительно снизить воздействие вредных газов на окружающую среду, а также повысить энергоэффективность производства за счет извлечения и возврата в технологический процесс ценных углеводородных фракций, принося предприятиям дополнительную финансовую выгоду.
Корпорация Flowserve предлагает систему утилизации факельных и сбросных газов. Известно, что системы сжатия факельных и сбросных газов должны обладать высокой эксплуатационной гибкостью, поскольку свойства этих газов требуют соблюдения безопасности и работы при низких температурах. Преимущества жидкостно-кольцевой технологии Flowserve SIHI заключаются в нескольких ключевых аспектах: прежде всего, это гибкость конструктивных решений и низкие рабочие температуры. Основываясь на жидкостно-кольцевой технологии, концепция системы позволяет эффективно улавливать поток насыщенного загрязненного газа и предотвращать нежелательный перенос жидкости. Непрерывная подача охлаждающей рабочей жидкости обеспечивает поддержание стабильной температуры, необходимой для безопасного сжатия опасных, коррозионно-активных технологических газов, чувствительных к изменениям температуры.
Отсутствие контакта между внутренними компонентами системы минимизирует их износ, снижает нагрев, вибрацию и уровень шума, а также уменьшает потребность в обслуживании. Результатом интенсивного взаимодействия между газом и рабочей жидкостью является практически изотермическое сжатие, что сводит к минимуму степень загрязнения газа и продлевает срок службы подшипников и торцовых уплотнений. Дополнительным преимуществом использования жидкостно-кольцевой технологии для утилизации газов является отсутствие необходимости в применении теплообменников для охлаждения сжатого газа. На рисунке 2 представлена принципиальная схема системы утилизации факельных и сбросных газов.
Рис.2. Принципиальная схема системы утилизация факельных и сбросных газов [9].
Сбор факельного и сбросного газа осуществляется из различных источников, что приводит к значительным вариациям в составе газа и нагрузке на оборудование. В типичном факельном газе могут присутствовать азот, водород, метан, пропан, сероводород, пентан, гексан и диоксид углерода. При сжатии гексан и пентан могут конденсироваться, что в свою очередь может нарушить процесс, в котором используется рабочая жидкость. Различные компоненты газа и жидкой фазы проявляют себя по-разному в процессе сжатия.
Для точного моделирования поведения газов и жидкостей в процессе сжатия компания Flowserve SIHI применяет специализированные программные средства. Жидкостно-кольцевой компрессор данной компании способен эффективно сжимать все известные газы, устойчиво работая даже при наличии конденсирующихся газов. Меняющаяся нагрузка может быть сбалансирована с помощью клапана регулирования расхода или путем установки нескольких компрессоров, работающих параллельно. Регулирующий клапан компенсирует падение производительности и предотвращает кавитацию в системе. Трехфазный сепаратор отделяет углеводородные фракции от рабочей жидкости, минимизируя её загрязнение. Применение теплообменника оптимизирует расход электроэнергии и отводит тепло, возникающее при конденсации.
Выбор рабочей жидкости зависит от назначения системы и может включать воду, масло или растворитель, используемый в установках регенерации растворителей. Для работы с коррозионно-активными средами обычно используется нейтрализующая жидкость. Корпуса жидкостно-кольцевых компрессоров, применяемых для утилизации газов, изготавливаются из нержавеющей стали, дуплексной аустенитно-ферритной стали, коррозионно-стойкого сплава Hastelloy или титана. Правильный выбор рабочей жидкости и материала корпуса, а также способность системы функционировать при переменной нагрузке и изменяющемся составе газа, обеспечивает её эксплуатационную гибкость.
Таким образом, применение перечисленных средств и технологий позволяет снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и повысить
экономическую эффективность нефтехимических и топливно-энергетических комплексов. Дополнительно следует рассматривать методы утилизации нефтешлама, такие как термическое, физическое, химическое и биологическое разложение, что также способствует снижению экологического воздействия [9].
Заключение.
Таким образом в данной работе были проанализированы современные методы снижения выбросов углеводородных паров на нефтегазовых месторождениях, акцентируя внимание на их экологическую и экономическую эффективность. Представленные технологии, такие как применение дисков-отражателей, плавающих крыш и понтонов, показали свою эффективность в уменьшении потерь углеводородов. Инновационные системы улавливания паров и применение азотных подушек обеспечивают дополнительное снижение выбросов. Технология CCS представлена как перспективное направление для увеличения эффективности добычи нефти и снижения углеродного следа. Утилизация факельных газов с использованием жидкостно-кольцевых компрессоров позволяет не только минимизировать выбросы, но и извлекать ценные углеводородные фракции, что улучшает общую рентабельность производственного процесса. Также перспективными являются методы переработки нефтешлама, которые вносят значительный вклад в уменьшение экологического воздействия нефтегазовой отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Recovery and Utilization of Low-Grade Waste Heat in the Oil-Refining Industry Using Heat Engines and Heat Pumps: An International Technoeconomic Comparison. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://natural-
sciences.ru/ru/article/view?id=37828 (дата обращения 25.06.2024);
2. Степанова Н.Е. Экологическая безопасность и охрана окружающей среды на нефтеперерабатывающем предприятии // Успехи современного естествознания. 2022. № 5. С. 78-83;
3. Бактыбаева З.Б., Сулейманов Р.А., Валеев Т.К., Рахматуллин Н.Р. Оценка воздействия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности на эколого-гигиеническое состояние объектов окружающей среды и здоровье населения (обзор литературы) // Медицина труда и экология человека. 2018. №4 (16). С.12-26;
4. Нефтеперерабатывающий завод. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://project5266.tilda.ws/refinery (дата обращения 25.06.2024);
5. Vapor Recovery Units. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://w.epa.gov/natural-gas-star-program/vapor-recovery-units (дата обращения 25.06.2024);
6. Нор П. Е. Способы очистки от нефтешлама и снижения выбросов в атмосферный воздух от объектов резервуарных парков нефтеперерабатывающих предприятий // Молодой ученый. 2015. № 21 (101). С. 64-66;
7. Афанасьев С.В., Волков В.А. Диоксид углерода как реагент интенсификации нефтедобычи // Neftegaz.ru. Деловой журнал. 2020. № 8. С. 3035;
8. Патент RU № 2733774. Способ выделения диоксида углерода из дымовых газов и устройство для осуществления способа. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2733774C1_20201006 (дата обращения 25.06.2024);
9. Афанасьев С.В., Волков В.А. Снижение углеродного следа в нефтедобыче // «Neftegaz.RU». 2021. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://magazine.neftegaz.ru/articles/ekologiya/701799-snizhenie-uglerodnogo-sleda-v-neftedobyche/ (дата обращения 25.06.2024);
10. Гулянский М.А., Котенко А. А., Крашенинников Е.Г., Потехин С.В. Методы утилизации нефтяного газа: технологические и экономические аспекты, новые решения на основе мембранных технологий . [Электронный ресурс]
Режим доступа: https://сферанефтьигаз.рф/grasys-2013-5/ (дата обращения 25.06.2024);
11. Решения для утилизации факельных газов. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://kron-pump.ru/poleznaya-informatziya/resheniya-dlya-utilizatsii-fakelnykh-gazov/ (дата обращения 25.06.2024)
Gubaidullin K.
The University of Sheffield (Houston, USA)
METHODS OF UTILIZATION OF GREENHOUSE GAS EMISSIONS AT OIL REFINERIES
Abstract: work is devoted to the consideration of methods for reducing emissions of hydrocarbon vapors and carbon dioxide in oil and gas fields, with an emphasis on environmental and economic aspects. The article discusses various technologies, such as the use of reflector discs, floating roofs and pontoons, which can significantly reduce the loss of hydrocarbons during oil storage and transportation. Innovative approaches, including vapor capture systems and the use of nitrogen pillows, are also highlighted. Special attention is paid to the promising CCS technology (carbon dioxide capture and storage), which contributes not only to reducing CO2 emissions, but also to improving the efficiency of oil production in oil and gas fields. Methods of utilization offlare gases using liquid-ring compressors are described, which makes it possible to extract valuable hydrocarbon fractions and reduce environmental impact.
Keywords: thermal emissions, pollution, environmental problems, ecology, emissions utilization, refineries.
