СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ ШЛАМОВЫХ АМБАРОВ И УТИЛИЗАЦИИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
METHOD OF ELIMINATING SLIME PITS AND RECOVERY OF OIL-BEARING WASTES

Данное изобретение относится к нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, а именно решению проблемы ликвидации открытых шламовых амбаров - опасного источника загрязнения окружающей природной среды.
При выборе того или иного способа ликвидации шламовых амбаров следует иметь в виду, что за период их длительной эксплуатации, исчисляемый не одним десятком лет, содержимое таких амбаров превращается в сложную расслоившуюся систему, в которой можно выделить три основных слоя: верхний слой (плавающий нефтешлам), средний слой (водную фазу) и нижний слой (донный осадок).
Образование таких слоев обусловлено тем, что открытые шламовые амбары наряду с их основным назначением длительное время являются еще и эффективными накопителями дождевых и талых вод, ежегодные объемы поступления которых для ряда регионов России соизмеримы с объемами отходов, складируемых в такие амбары.
В результате этого на объектах складирования нефтесодержащих отходов имеют место переливы плавающего нефтешлама через обваловку амбара, при объемах его заполнения нефтесодержащими отходами ниже проектных, чем объясняется причина низкой минерализации содержащихся в них слоев водной фазы.
3
Отличительная особенность плавающего нефтешлама в таких амбарах состоит в том, что такой нефтешлам, практически не содержащий легокипящих углеводородов, на 80-90 вес % состоит из осмолившихеся (под действиием солнечной радиации и кислорода воздуха) жидких нефтепродуктов, плотность которых может колебаться в пределах 0,890 0,950 г/см, с температурой застывания в пределах от - 2 до +10°С.
Кроме того, в плавающем нефтешламе может содержаться до 1-2% не осевших тонкодиспергированных глобул воды в виде мусора различные по составу и величине включения твердой фазы, количество которой может колебаться до 10 вес.%.
Донные осадки в шламовых амбарах в отличие от равномерно распределяемых по толщине слоев плавающего нефтешлами и водной фазы образуют в разных участках амбара разные по толщине и компонентному составу слои.
Это объясняется тем, что при длительной эксплуатации шламовых амбаров применялась разная технология и техника сброса в амбар нефтесодержащих отходов, при этом наряду с различиями в объемах, консистенции, компонентном составе и свойствах нефтесодержащих отходов сбрасываемых в амбар по периметру амбара менялись и места их сброса.
При этом у шламовых амбаров шириной более 20 м в его центральной части толщина донного слоя, как правило, на порядок меньше толщины донных слоев, формируемых по периметру боковых сторон амбара.
Большинство известных способов ликвидации шламовых амбаров рассчитано в основном на использование серийно выпускаемого оборудования и землеройной техники.
В качестве оборудования, используемого для извлечения из амбаров плавающего нефтешлама, используют нефтесборные ограждения или понтоны с установленными на них диспергаторами или шламовыми насосами.
Извлекаемый из амбара плавающий нефтешлам автобойлерами направляют на автономную установку его обезвреживания тем или иным способом, а откачиваемую из амбара водную фазу направляют на очистку в существующую систему водоподготовки.
Донные осадки, оставшиеся в амбаре после извлечения из него плавающего нефтешлама и водной фазы, представляющие собой разжиженные водой до мазеподобного состояния нефтесодержащие отходы, с содержанием в масс.%: нефтепродукта (10-25), воды (20-50) и различной твердой фазы - остальное.
При этом твердая фаза наряду с мелкими частицами механических примесей может содержать значительное количество мусора в виде разнообразных по размеру и природе происхождения твердых включений, которые из-за их сильной замазученности и отсутствия приемлемой (с экологической точки зрения) технологии их извлечения из амбара и обезвреживания, и объясняет причину того, что до сих пор ликвидацию открытых шламовых амбаров, после извлечения из них плавающего нефтешлама и водной фазы, осуществляют путем его засыпки нейтральными для окружающей природной среды твердыми отходами, например, строительным мусором, с последующей их утрамбовкой и покрытием плодородным слоем почвы.
Такой способ ликвидации нефтешламовых амбаров с «захоронением» в них донных осадков не исключает возможность постоянного во времени загрязнения грунтовых вод токсичными веществами, содержащимися в донных осадках т.е. не может считаться экологически приемлемым техническим решением утилизации этих осадков.
Анализ известных разработок, направленных на рациональное решение проблемы обезвреживания нефтесодержащих отходов, показал, что из многообразия предлагаемых способов ее решения наибольшее предпочтение отводится термическим, биологическим и химическим способам. (Позднышев Г.Н. и др. - Перспективные способы добычи нефти и ликвидации нефтяных загрязнений. - Самара. Изд. дом «Бахрах-М», 2004 г.).
Преимущества термического способа переработки нефтешламов, осуществляемого, например, путем их сжигания в вращающихся печах, состоят в том, что одновременно с нефтешламами в печах сжиганием производят обезвреживание и различных замазученных отходов и прочий сгораемый мусор.
Недостатком данного способа является значительный расход жидкого топлива или газа, необходимого для обеспечения в печах непрерывного горения, а также опасность загрязнения атмосферы дымовыми газами, содержащими вещества, токсичные для окружающей природной среды.
Преимуществом биологического способа обезвреживания нефтесодержащих отходов, например, путем их распределении в поверхностном слое почвы является простота исполнения, использование оборудования, применяемого в сельском хозяйстве, и применение биопрепаратов, рекомендованных для стимулирования процесса естественной биодеградации нефтепродукта в почве природными бактериями.
Недостатки способа - отсутствие эффективности при температуре почвы ниже +10°С, когда содержание нефтепродукта в почве превышает 5 вес.%, и, как следствие этого, для снижения содержания в почве вносимого нефтепродукта, необходимость изъятия на длительный период времени значительных площадей пахотных земель.
Кроме того, в зависимости от источника формирования нефтесодержащих отходов, высока вероятность загрязнения изъятых из оборота земель веществами, не поддающимися обезвреживанию биологическими методами, например, солями тяжелых металлов, или веществами с повышенной радиоактивностью и др.
Химические способы обезвреживания и утилизации нефтесодержащих отходов по ряду показателей выгодно отличаются от термических и биологических способов.
Основой химических способов обезвреживания нефтесодержащих отходов является связывание (локализация) и химическая нейтрализация ядовитых веществ негашеной известью, известная как «Технология ДКР» (Ф.Бельзинг. Локализация и химическая нейтрализация ядовитых веществ негашеной известью. Ганноверский университет г.Велс, совместно с фирмами Фест-Альпине ГмбХ, Австрия и Лео-Консал AG, Германия. 1990 г.).
Согласно «Технологии ДКР» локализация и подавление биологической активности вредных веществ в замазученных грунтах или грунтах, загрязненных различными вредными веществами, достигается при их смешивании в определенных пропорциях с тонкодисперсными или порошкообразными веществами, обладающими высокой адсорбционной или химической активностью, например, глинопорошком, или каменной мукой, или негашеной известью (оксидом кальция).
При этом не столь важно, «уничтожаются» ли вредные вещества или снижается их концентрация в обрабатываемой системе (нефтешламе или замазученном грунте), главным в данной технологии является локализация вредных веществ в обрабатываемой системе в форму твердого тела, из которого прекращается выделение вредных веществ в воздушную среду и воду.
Известен способ обезвреживания замазученных земель путем их смешивания с глиноземсодержащей каменной мукой в соотношении объемов как 2: 0,85, при диапазоне температур от 8°С до 35°С., при этом сорбционная емкость каменной муки должна быть около 0,6 кг/кг, а продолжительность перемешивания около 3 мин с последующим уплотнением образующейся системы в течение 12 ч. Такой способ обезвреживания замазученных земель обеспечивает адсорбционное связывание углеводородов на развитой поверхности твердых частиц каменной муки, что препятствует их выделению в воздушную среду при длительном нахождении обезвреженной системы на открытом воздухе.
В таком виде обезвреженная земля может быть использована для отсыпки откосов свалок или при строительстве дорог (Патент Швейцарии №671217,МКИ СО 21 9/00, Co2F 1/66, фирма Umwelttechnik AG, опубл. 15.08.1989).
Недостатком данного способа является большой расход и высокая стоимость применяемого адсорбента, являющегося ценным сырьем для изготовления термостойких керамических изделий
Кроме того, данный способ не исключает возможность выделения углеводородов из обезвреженной системы при температуре окружающей среды выше 20°С.
Известен способ обезвреживания и утилизации продуктов кислотной обработки призабойной зоны скважины путем смешивания образующего нефтешлама с адсорбентом, в качестве которого используют смесь раздробленных материалов растительного и минерального происхождения, взятых в соотношении масс 1:1, при этом в качестве материалов растительного происхождения используют торф или древесные опилки, а в качестве материалов минерального происхождения глину, или песок, или природный грунт.
Обезвреженную систему используют на промыслах для отсыпки технологических площадок (Патент РФ 226311. опубл. 20.12.2005).
Недостаток данного способа - низкая адсорбционная активность применяемого сорбента и, как следствие, возможность вторичного выделения вредных веществ в окружающую природную среду, что ограничивает область его применения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ утилизации отходов, содержащих нефть или нефтепродукт, заключающийся в том, что обрабатываемый нефтесодержащий отход смешивают с обезвреживающим компонентом, при этом в качестве обезвреживающего компонента используют, мас.% оксид кальция 10-40, оксид магния 3-5, нефтесодержащий отход до 100 (Патент РФ 2266311, опубл. 20.08.2002).
Основной недостаток данного способа состоит в том, что при указанных массовых соотношениях оксида кальция или магния, смешиваемых с нефтесодержащими отходами, не учитывается влажность (массовое содержание воды) в обрабатываемых отходах и продолжительность процесса перемешивания.
до
Отличительная особенность предлагаемого способа ликвидации открытых шламовых амбаров с извлечения, обезвреживанием и утилизацией нефтешламовых отходов, а именно плавающего нефтешлама. водной фазы и донного осадка, состоит в том, что в начале в шламовом амбаре определяют наиболее глубокое место (место с наименьшей толщиной донного осадка), где и устанавливают всасывающие патрубки двух насосов: один - для откачки отстоявшейся водной фазы, другой - для откачки высоковязкого плавающего нефтешлама, при этом на конце всасывающего патрубка насоса откачки водной фазы имеется приспособление, исключающее вторичное загрязнение откачиваемой воды компонентами донного осадки и плавающего нефтешлама, а у всасывающего патрубка насоса откачки плавающего нефтешлама имеется фильтр, исключающий попадание в насос частиц твердой фазы, при этом из шламового амбара откачку жидких нефтесодержащих отходов начинают с откачки водной фазы, которую без какой-либо дополнительной очистки направляют в буферный резервуар для ее последующего использования вместо пресной воды в различных технологических процессах, например, для приготовления буровых растворов или растворов для глушения скважин, а осевший на поверхность донного осадка плавающий нефтешлам с целью более полного его извлечения из шламового амбара другим насосом предварительно с помощью пара нагревают до 45-60°С, используя для данной цели передвижную установку (ППУ), применяемую в нефтегазовой отрасли для депарафинизации (пропаривания) скважин или в МЧС для отопления помещений, при этом подогретый паром плавающий нефтешлам откачивают в автогудронаторы и поставляют на установку подготовки нефти, где его используют в качестве абсорбента для улавливания легколетучих компонентов нефти или закачивают в сырую нефть перед резервуаром предварительного обезвоживания, при этом закачиваемый объем плавающего нефтешлама не должен превышать 1-2% объема сырой нефти, поступающей в резервуар предварительного обезвоживания нефти, при этом оставшийся в амбаре донный осадок предварительно перед его извлечением из амбара смешивают, например с помощью бульдозера, с адсорбентом, в качестве которого используют речной песок в объеме, равном объему оставшегося в амбаре донного осадка, при этом объем донного осадка - V рассчитывают по разности:
шa
н2o
пш
3
3
где V - объем накопленных в открытом амбаре нефтесодержащих отходов, м, a V и V, соответственно, объемы откаченной из шламового амбара водной фазы и плавающего нефтешлама, м, при этом процесс перемешивания донного осадка с адсорбентом осуществляют до превращения в амбаре липкого донного осадка в рыхлую массу - систему-I.
В амбаре в результате перемешивания донного осадка и песка происходит адсорбционное и адгезионное связывание осмолившихся нефтепродуктов на развитой поверхности зерен песка, а влажность (содержание воды) такой системе в результате «разбавления» донного осадка песком, а также вытеснение воды из объема системы-1 на гидрофобизированную поверхность песка, с которой более интенсивно происходит ее испарение, что способствует снижению влажности рыхлой системы-1, которая в отличие от мазеобразного донного осадка без налипания просеивается через металлическую сетку с 5 мм размером ячейки, что позволяет при ее извлечении из шламового амбара, например, с помощью ковшового крана, одновременно производить с помощью грохота, применяемого для фракционирования по размеру раздробленных пород, одновременно производить выделение из системы-1 более крупных частиц твердой фазы и мусора.
При этом важно отметить, что выделяемые из рыхлой системы-1 более крупные частицы твердой фазы и мусор очищаются в процессе перемешивания с песком от налипшего на них нефтепродукта, что позволяет их утилизировать вместе с другими инертными отходами для засыпки амбаров при их ликвидации,
система-1
СаО
3
Рыхлую, нефтесодержащую систему-1 с влажностью (обводненностью), не превышающей 10 вес.%, утилизируют после ее предварительного обезвреживания путем перемешивания с негашеной известью, при этом отличительная особенность предлагаемого способа состоит в том, что для каждого заданного объема обезвреживаемой системы-1 (V), в м, необходимое количество негашеной извести (Р), в кг, рассчитывают по формуле:
a
н2о
где коэффициент 3,1 - стехиометрическое соотношение реагируемых масс оксида кальция и воды, () - содержание воды в заданном объеме системе-1, в вес.%, в заданном объеме обезвреживаемой системы-1, при этом в предлагаемом способе продолжительность перемешивания данной системы с негашеной известью увеличивают практически на порядок.
2
Как известно, химическая реакция между оксидом кальция и водой сопровождается выделением значительного количества тепла и образованием микрочастиц гидроокиси кальция - Са(ОН), при этом, если в процессе обезвреживания системы-I химическая реакция между оксидом кальция и водой с образованием гидроокиси кальция происходит достаточно быстро (в течение 1-3 минут), то для достижения равномерного распределения микрочастиц гидроокиси кальция между зерен речного песка, покрытых адсорбционными и адгезионными слоями окисленного нефтепродукта, время перемешивания должно быть более продолжительным.
3
Увеличение времени перемешивания обезвреживаемой системы необходимо еще и для того, чтобы произошла химическая реакция между углекислым газом воздуха и гидроокисью кальция с образованием на поверхности зерен песка прочных оболочек из карбоната кальция - СаСО, что повышает эффективность процесса обезвреживания системы-I, превращая ее в практически безводный, порошкообразный продукт, который в отличие от речного песка обладает гидрофобными свойствами.
В табл.1 приведены экспериментальные данные процесса обезвреживания предлагаемым способом модельных систем-1 с влажностью (содержанием воды) от 2,5 до 32,5 вес.%, полученных перемешиванием равных объемов песка и отобранных из амбара проб донного осадка с обводнением от 5 до 65 вес %.
В каждой серии опытов исходя из содержания в заданном объеме системы-1 воды, по формуле (1) рассчитывали количество негашеной извести, необходимое для обезвреживания заданного объема системы-1, продолжительность перемешивания, необходимая для завершения данного процесса, оценивали по времени перемешивания при котором прекращается увеличение объема образующегося обезвреженного продукта.
Как следует из данных, приведенных в табл.1, в каждой серии опытов для завершения процесса обезвреживания негашеной известью системы-1, при колебании воды в системе-1 от 2,5 до 32,5 вес.%.%, время перемешивания должно быть не менее 20 мин, при этом объем обезвреженного продукта в зависимости от содержания в системе-1 воды и количества добавляемой негашеной извести увеличивался по-разному. Так, для систем-1 с содержанием воды от 2,5 до 10,2 вес.% объем обезвреженного продукта увеличивался примерно в 1-2 раза, а при содержании воды в системы-1 от 20,5 до 32,5 вес.% объем обезвреженного продукта увеличивался более чем в 3 раза.
3
3
Из данных табл.1 нетрудно рассчитать, что при использовании предлагаемого способа обезвреживания донных осадков, предварительно переведя их в систему-1 с содержанием воды не более 10 вес.%, для обезвреживания 1 м такой нефтесодержащей системы расход негашеной извести будет колебаться в пределах 80-300 кг, в то время как для обезвреживания известным способом 1 м донных осадков, обводненность которых, как уже отмечалось, колеблется в пределах 20-50 вес.%, расход негашеной извести может доходить до 1000 кг и более, что, по экономическим соображением, делает такой способ обезвреживания донных осадков неприемлемым.
Поэтому, если по ряду причин в шламовом амбаре, после извлечения из него водной фазы и плавающего нефтешлама, содержание воды в системе-1, образующейся при перемешивании донного осадка с равным объемом песка, будет превышать более 10 вес.%, то необходимо в такую систему, до ее извлечения из амбара, дополнительно добавлять речной песок до тех пор, пока содержание воды в системе-1 не снизится до величины ниже 10 вес.%.
Реализацию предлагаемого способа обезвреживания системы-1 путем ее перемешивания с негашеной известью осуществляют в вращающейся емкости автобетоносмесителя, объем которой во избежание потерь обезвреживаемого продукта, связанного с увеличении его объема, должен в два раза превышать объем загружаемой в нее системы-1, при этом время перемешивания системы-1 с негашеной известью должно быть не менее 20 мин, что обеспечивается процессом передвижения автобетоносмесителя от шламового амбара, где в его вращающуюся емкость загружают систему-1 с известым содержанием воды (определяемое весовым экспресс- методом) в объеме, равном 1\2 объема вращающейся емкости, и рассчитанное по формуле (1) необходимое количество негашеной извести, до пункта приема сухого, обезвреженного порошкообразного, гидрофобного продукта, пригодного для использования в дорожном строительстве, или в качестве гидроизолирующего материала при сооружении различных технологических площадок.
Такой сухой порошкообразный, обезвреженный гидрофобный продукт, предварительно расфасованный в 30 кг мешки из прочной полипропиленовой ткани, вместо мешков, заполненных песком, может более эффективно использоваться при экстренной защите жилых и прочих объектов от их подтопления паводковыми водами.
Таблица 1
Номер опыта
Компоненты системы - 1
Содержание воды, мас% в системе-1
Условия процесса обезвреживания
Объем обезвреженного порошка, см<sup>3</sup>
донный осадок, см<sup>3</sup>
речной песок, см<sup>3</sup>
навеска негашеной извести, мас.%
время перемешивания, мин
1
2
3
4
5
6
7.
Опыт-1
100
100
2,5
7,75
5
230
Опыт 2
100
100
2,5
7,75
10
250
Опыт 3
100
100
2,5
7,75
15
275
Опыт 4
100
100
2.5
7,75
20
280
Опыт-5
100
100
2,5
7,75
30
285
Опыт-6
100
100
2,5
7,75
60
280
Опыт 7
100
100
5,8
18,0
5
220
Опыт-8
100
100
5,8
18,0
10
300
Опыт-9
100
100
5,8
18,0
15
365
Опыт-10
100
100
5,8
18,0
20
370
Опыт-11
100
100
5,8
18,0
60
370
Опыт-12
100
100
10,2
32,0
5
300
Опыт-13
100
100
10,2
32,0
10
350
Опыт-14
100
100
10,2
32,0
15
490
Опыт-15
100
100
10,2
32,0
20
500
Опы-16
100
100
10,2
32,0
60
495
Опыт-17
100
100
20,5
64,0
5
350
Опыт-18
100
100
20,5
64,0
10
550
Опыт-19
100
100
20,5
64,0
15
690
Опыт-20
100
100
20,5
64,0
20
700
Опыт-21
100
100
20,5
64,0
60
695
Опыт-22
100
100
32,5
100
5
500
Опыт-23
100
100
32,5
100
10
750
Опыт-25
100
100
32,5
100
15
950
Опыт-26
100
100
32,5
100
20
990
Опыт-27
100
100
32,5
100
60
985