Способ утилизации нефтешламов на основе анализа промышленной безопасности технологических процессов

Международный научно-исследовательский журнал  № 11 (42)  Часть 2  Декабрь

DOI: 10.18454/IRJ.2015.42.161 Тимошин А.Ф.1, Николаев А.П.1, Бердников А.Г.2

1 Инженер-эксперт, ООО Научно-технический центр «Экспертиза», г. Пенза,

2инженер-эксперт, ООО «Параметр», г. Пенза

СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ НЕФТЕШЛАМОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Аннотация

Для обезвреживания отходов предлагается комплексное технологическое решение с разделение отходов на жидкую (нефтепродукты, вода) и твердую фазы с последующим обезвреживанием нефтезагрязненного остатка химическим методом и получением продукта утилизации - наполнителя в композиционные материалы.

Ключевые слова: нефтешламы, утилизация, экология, нефтесодержащие отходы, композиционные материалы, промышленная безопасность.

Timoshin A.F.1, Nikolaev A.P.1, Berdnikov A.G.2 Engineer-expert, Ltd. Scientific-Technical Center "Expertise", Engineer-expert, Ltd. “Parameter”

METHOD OIL SLUDGE UTILIZATION BASED ANALYSIS OF INDUSTRIAL SAFETY

TECHNOLOGICAL PROCESS

Abstract

For neutralization of proposed technological solution to a complex separation of the waste into a liquid (oil, water) and the solid phase, followed by neutralization of oil-contaminated residue chemical method and give the product utilization -filler in composite materials.

Keywords: oil sludge, recycling, ecology, oily waste, composite materials, industrial safety.

Нефтешламы, образующиеся при добыче, транспортировке и переработки нефти в зависимости от условий их образования могут быть разделены на 3 основные группы: грунтовые, придонные и резервуарного типа. Нефтешламы грунтового типа образуются при разливах нефтепродуктов на почву, например, при авариях; придонного типа - при оседании нефтеразливов на дне водоемов; резервуарного типа - при перевозке и хранении нефтепродуктов в емкостях различного типа. Структура нефтешламов представляет собой физико-химическую систему, включающую в себя нефтепродукты, воду и минеральные добавки (глина, песок, окислы металлов и т.д.). Одной из причин образования резервуарных нефтешламов является взаимодействие нефтепродуктов с влагой, кислородом, механическими примесями и материалом стенок резервуара. Результатом таких взаимодействий является частичное окисление исходных нефтепродуктов с образованием смолоподобных соединений и коррозия стенок резервуара. Попадание в резервуары с нефтепродуктами влаги и механических загрязнений способствует образованию водно-масляных эмульсий и минеральных дисперсий. Все нефтешламы различаются по своим физикохимическим характеристикам, что обусловлено разным составом исходного сырья, условиями окружающей природной среды. В результате различных проводимых исследований нефтешламы резервуарного типа имеют широкий диапазон соотношений нефтепродукт, вода, механические примеси: углеводороды составляют от 5 до 90%, вода от 1 до 70%, твердые примеси от 0,8 до 65% [1].

При разработке технологии утилизации нефтешламов и анализе промышленной безопасности технологических процессов авторы использовали данные Атыраузского нефтеперерабатывающего завода (АНПЗ), с которым у ООО НТЦ «Экспертиза» имеются хозяйственные отношения. Физико-химические характеристики отходов и источники их образования на АНПЗ приведены в таблице 1.

Таблица 1 -Физико-химические характеристики нефтешламов, источники их образования

Наименование отходов Место образования отходов Физико-химическая характеристика отходов Количество отходов Использование отходов

т/сут т/год

Донный осадок (замазученный песок) Песколовка механических очистных сооружений Пастообразный. Нефтепродукт - 1%; Взвешенные вещества -29% Вода - 70% 0,168 45,542 Захоронение на полигоне твердых промышленных отходов

Донный осадок (нефтешлам) Механические очистные сооружения, установка химводоочистки Пастообразный. Нефтепродукт - 12% Взвешенные вещества -18% Вода - 70% 2,719 902,64 Захоронение на полигоне твердых промышленных отходов

Шлам биологический Сооружения биологической очистки стоков Пастообразный. Влажность - 65% Избыточный ил - 35% Вода - 65% 0,064 20,316 Захоронение на полигоне твердых промышленных отходов

Нефтеэмульсия (уловленные нефтепродукты) Сооружения механической очистки, очистные сооружения солесодержащих стоков Жидкий нефтепродукт до 30%, вода - 70% 1,464 484,53 Захоронение на полигоне твердых промышленных отходов

Активированный уголь(доочистка сорбционная) Очистные сооружения Уголь - 4,17 Захоронение на полигоне твердых промышленных отходов

103

Международный научно-исследовательский журнал  № 11 (42)  Часть 2  Декабрь

В наиболее упрощенном виде нефтешламы представляют собой многокомпонентные устойчивые агрегативные физико-химические системы, состоящие главным образом, из нефтепродуктов, воды и минеральных добавок (песок, глина, окислы металлов и т.д.). Главной причиной образования резервуарных нефтешламов является физикохимическое взаимодействие нефтепродуктов в объеме конкретного нефтеприемного устройства с влагой, кислородом воздуха и механическими примесями, а также с материалом стенок резервуара. В результате таких процессов происходит частичное окисление исходных нефтепродуктов с образованием смолоподобных соединений и ржавление стенок резервуара. Попутно попадание в объем нефтепродукта влаги и механических загрязнений приводит к образованию водно-масляных эмульсий и минеральных дисперсий. Поскольку любой шлам образуется в результате взаимодействия с конкретной по своим условиям окружающей средой и в течение определенного промежутка времени, одинаковых по составу и физико-химическим характеристикам шламов в природе не бывает. По результатам некоторых исследований [1-4] в нефтешламах резервуарного типа соотношение нефтепродуктов, воды и механических примесей (частицы песка, глины, ржавчины и т.д.) колеблется в очень широких пределах: углеводороды составляют 5-90%, вода 1-52%, твердые примеси 0,8-65%. Как следствие, столь значительного изменения состава нефтешламов диапазон изменения их физико-химических характеристик тоже очень широк. Плотность нефтешламов колеблется в пределах 830-1700 кг/м3, температура застывания от -3оС до +80оС. Температура вспышки лежит в диапазоне от 35 до 120оС.

При длительном хранении резервуарные нефтешламы со временем разделяются на несколько слоев с характерными для каждого из них свойствами.

Верхний слой представляет собой обводненный нефтепродукт с содержанием до 5% тонкодисперсных механических примесей и относится к классу эмульсий "вода в масле". В состав этого слоя входят 70-80% масел, 6-25% асфальтенов, 7-20% смол, 1-4% парафинов. Содержание воды не превышает 5-8%. Довольно часто органическая часть свежеобразованного верхнего слоя нефтешлама по составу и свойствам близка к хранящемуся в резервуарах исходному нефтепродукту. Такая ситуация обычно имеет место в расходных резервуарах автозаправочных станций.

Средний, сравнительно небольшой по объему слой представляет собой эмульсию типа "масло в воде". Этот слой содержит 70-80% воды и 1,5-15% механических примесей.

Следующий слой целиком состоит из отстоявшейся минерализованной воды с плотностью 1,01-1,19 г/см3. Наконец, придонный слой (донный ил) обычно представляет собой твердую фазу, включающую до 45% органики, 52 -88% твердых механических примесей, включая окислы железа. Поскольку донный ил представляет собой гидратированную массу, то содержание воды в нем может доходить до 25%.

В зависимости от состава и физико-химических свойств нефтешламов резервуарного типа применяются различные технологические схемы для их утилизации. Например, нефтешламы жидко-вязкой консистенции подвергают разделению на нефтепродукт, воду и твердые механические примеси с целью дальнейшего использования полученных нефтепродуктов по установленной схеме. Переработка нефтешламов с предварительным механическим разделением фаз экономически обоснована при высоком содержании в них органики, используемой в качестве одного из компонентов сырья для коксования или добавок в котельные топливо. Кроме того известны способы использования таких нефтешламов без предварительного разделения фаз в смесях с торфом, угольной пылью, опилками, иными горючими веществами и отходами в качестве брикетированного котельного топлива, строительных материалов и топливных элементов.

На одну тонну перерабатываемой нефти приходится 7 кг нефтешламов, что приводит к большому скоплению последних в земляных амбарах нефтеперерабатывающих предприятий. Шламы представляют собой тяжелые нефтяные остатки, содержащие в среднем 10-56% нефтепродуктов, 30-85% воды, 1,3-46% твердых примесей. Нефтяные шламы можно использовать по нескольким направлениям: возврат в производство (при обезвоживании и сушки) с целью последующей переработки в целевые продукты; использование их в качестве топлива, однако это связано с большими материальными затратами. К нефтяным шламам можно добавлять негашеную известь (5 -50%) и после сушки в естественных условиях использовать в качестве наполнителя при изготовлении строительных материалов. Одним из основных способов утилизации нефтяных шламов является сжигание в печах различной конструкции (камерных, кипящего слоя, барабанных и др.). Печи кипящего слоя широко используют для отходов, содержащих не более 20% твердых примесей. При сжигании шламов, содержащих до 70% твердых примесей, распространение получили вращающиеся печи барабанного типа.

Традиционно собранные в процессе зачистки резервуаров нефтешламы жидко-вязкой консистенции подвергаются разделению на нефтепродукт, воду и твердые механические примеси. Эта фаза переработки имеет своей целью извлечение из шламов нефтепродуктов с исходными свойствами и их использование по прямому назначению. Существуют два основных способа фазового разделения жидковязких нефтешламов - механический и химический. Для более глубокой очистки нефтепродуктов иногда прибегают к комплексной технологии.

Несмотря на большое разнообразие технологических приемов механического разделения фаз обратных эмульсий, широкое практическое их применение экономически необоснованно по следующим соображениям.

Технология разделения фаз жидковязких нефтешламов сложна и экономически не выгодна, поскольку затраты не регенерацию нефтепродуктов несопоставимы с планируемым эффектом использования жидких горючих (бензина, масла и т.д.).

Операции по переработке жидковязких нефтешламов с предварительным механическим разделением фаз целесообразны лишь при высоком содержании в шламах органики.

Химический способ разделения нефтеэмульсий с целью регенерации и повторного использования углеводородных продуктов по их прямому назначению (легкие фракции нефтепродуктов, масла и т.д.) основан на использовании специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ), играющих роль деэмульгаторов.

104

Международный научно-исследовательский журнал  № 11 (42)  Часть 2  Декабрь

Исходя из физико-механических особенностей коллоидных ПАВ, необходимо проводить целенаправленный выбор деэмульгатора нефтеэмульсий в каждом конкретном случае.

Одним из наиболее распространенных реагентов в практике утилизации нефтешламов служит окись кальция или негашеная известь, действие которой обусловлено ее способностью вступать в экзотермическую реакцию с водой. Во втором варианте утилизации жидко-вязких нефтешламов резервуарного типа они предварительно подвергаются частичному выпариванию на водяной бане.

Таким образом, все рассмотренные традиционные способы утилизации нефтешламов оказываются неэффективными, с точки зрения практической технологии, т.е. либо требуют специального оборудования, либо больших затрат энергии, либо специальных адсорбентов и коагулянтов, производство которых является сложным и энергоёмким производством.

В работе предлагается эффективный способ утилизации резервуарных нефтешламов, путем получения из них аппретированных наполнителей для композиционных материалов [5-6]. Для обезвреживания отходов подбирается комплексное технологическое решение, обеспечивающее ресурсооборот: при необходимости осуществляется предварительное разделение отходов на жидкую (нефтепродукты, вода) и твердую фазы с последующим обезвреживанием нефтезагрязненного остатка химическим методом и получением продукта утилизации -наполнителя в строительные материалы. При этом, утилизация нефтешлама и синтез композита, рассматриваются системно, как сложная техническая система, испытывающая на себе комплекс воздействий и имеющую целый ряд управляемых параметров [7, 8]. Такой подход требует учета теории и практики моделирования КМ, методов математического моделирования КМ, математического аппарата моделирования материалов, кинетических закономерностей формирования физико-механических и эксплуатационных свойств композитов [9-10]. Проведенный анализ теории и практики утилизации нефтешламов позволяет заключить, что математического моделирование является основным методом исследования и синтеза новых технологий обезвреживания отходов и создания экологически чистых композитов с заданными свойствами [7-10].

Для решения задачи создания эффективной технологии утилизации нефтешламов путем переработки их в компоненты экологически чистых композитов была использована система компьютерно-имитационного моделирования композитов, включающая в себя методологические принципы моделирования различных структур КМ, методики проведения численного и натурного эксперимента, методы моделирования макроструктуры композита с учётом моделирования микроструктуры, а также алгоритмы и комплексы программ, обеспечивающие получение эффективной технологии синтеза композитов с заданными свойствами и параметрами структуры [9-10].

Примерная технологическая схема утилизации показана на рисунке 1.

105

Международный научно-исследовательский журнал  № 11 (42)  Часть 2  Декабрь

Нефтешлам подается в бункер, где попадает в сепаратор шнекового типа. Вода удаляется для последующей химической очистки любым их известных способов. Обезвоженный нефтешлам через диафрагму-клапан лепесткового типа подается на ленту конвейера. В последующем, он совмещается с вяжущим и формуется в изделие. Регулирование степени обезвоживания позволяет применить практически любое из известных вяжущих: гидравлического твердения, минерально-элементные, полимерные смолы и т.д. [7, 10- 12].

Большинство резервуарных нефтешламов подлежат прямой утилизации в процессах изготовления дорожных и строительных материалов в качестве сырья. Входящие в состав нефтешламов смолы, парафины и другие высокомолекулярные соединения обладают, как известно, поверхностно-активными и вяжущими свойствами [13]. Именно эту особенность нефтешламов можно эффектно использовать при их утилизации. Обладая высокой адсорбционной способностью, жидковязкие нефтешламы сравнительно легко распределяются по поверхности практически любой дисперсной минеральной фазы [13]. При этом благодаря физико-химическому взаимодействию нефтешлама с минеральной дисперсной средой, происходит хемосорбционное поглощение загрязнителей, в том числе окислов тяжелых металлов, минеральной матрицей и их обезвреживание, что было установлено экспериментами с привлечением методов ядерно-магнитного резонанса и акустической эмиссии. Процессы преобразования таких коллоидно-дисперсных систем в дорожно-строительные или композиционные материалы специального назначения могут регулироваться с помощью специально подобранных реагентов для получения экологически безопасных композиций с нужными технологическими характеристиками.

Выводы

Проведенный анализ теории и практики утилизации отходов нефтепереработки в России и за рубежом показывает, что нефтесодержащие отходы образуются на всех этапах добычи и переработки нефти, что обусловлено как несовершенством техники и технологии, так и человеческим фактором. Нефтешламы и замазученные грунты являются наиболее крупнотоннажными промышленными отходами, оказывающими существенное негативное воздействие на окружающую природную среду. Для снижения класса опасности нефтесодержащих отходов все более широкое применение в нашей стране и за рубежом находят биологические методы переработки, как одни из самых экологически эффективных. Однако далеко не всегда продукты переработки нефтесодержащих отходов находят квалифицированное использование.

В настоящее время осуществление утилизации нефтяных шламов сопряжено со многими трудностями из-за их сложного и разнообразного состава. В связи с возрастающими требованиями к охране окружающей среды проблема обезвреживания нефтезагрязненных материалов является весьма актуальной и требует как разработки новых, так и совершенствования существующих методов их утилизации.

Поэтому актуальным является усовершенствование способа переработки нефтесодержащих отходов в части совместной утилизации различных отходов переработки нефти, снижения класса опасности утилизируемых отходов и получения рекультивационных композиционных материалов с высокими потребительскими свойствами. Эта задача была решена на основе математического моделирования с применением системного, энергетического и информационно-алгоритмического причинно-следственного подходов в предложенном способе обезвреживания отходов нефтепереработки и получении продукта утилизации - аппретированного наполнителя в композиционные материалы.

Литература

1. В.С. Владимиров, Д.С. Корсун, И.А. Карпухин, С.Е. Мойзис. Переработка нефтешламов резервуарного типа. -

М., 2004.

2. Кононенко Е.А. Утилизация промышленных отходов нефтегазовой отрасли и применение обезвреженных отходов в качестве вторичных материальных ресурсов. Автореферат дис..канд. техн. наук - Краснодар, 2012. - 24 с.

3. Методологические принципы математического моделирования и синтеза композиционных материалов из отходов нефтепереработки / Бормотов А.Н., Кузнецова М.В., Колобова Е.А. // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2013. - № 2 (38). - С. 85-94.

4. Утилизация серы как отхода переработки нефти при изготовлении радиационно-защитных композиционных материалов / Бормотов А.Н., Колобова Е.А. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2012. - № 2 (6). - С. 200-206.

5. Теоретические основы компьютерного моделирования структурообразования дисперсных систем / Бормотов

А.Н., Прошин И.А., Васильков А.В. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2011. -Т. 17. - № 2. - С. 542-551.

6. Методологические принципы выбора оптимальных наполнителей композиционных материалов / Прошин А.П., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А., Бормотов А.Н. // Известия высших учебных заведений. Строительство. -2004. - № 10. - С. 15-20.

7. Бормотов А.Н. Математическое моделирование и многокритериальный синтез композиционных материалов специального назначения. Дисс. на соискание уч. степ. доктора техн. наук / Пензенский государственный технологический университет. - Пенза, 2011.

8. Теоретические основы математического моделирования композитов из отходов нефтепереработки / Бормотов

А.Н., Кузнецова М.В., Колобова Е.А. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - Т. 1. - № 9 (13). - С. 173-182.

9. Бормотов А.Н., Прошин И.А., Королев Е.В. Имитационное моделирование деструкции и метод прогнозирования стойкости композиционных материалов / Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2010. - № 4. - С. 113-118.

10. Многокритериальный синтез композита как задача управления / Бормотов А.Н. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 16. - № 4. - С. 924-937.

106

Международный научно-исследовательский журнал  № 11 (42)  Часть 2  Декабрь

11. Глетглицериновые строительные материалы для защиты от радиации / Королев Е.В., Бормотов А.Н., Иноземцев А.С., Иноземцев С.С. // Строительные материалы. - 2009. - № 12. - С. 69-71.

12. Сверхтяжелый бетон для защиты от радиации / Баженов Ю.М., Прошин А.П., Еремкин А.И., Королев Е.В., Бормотов А.Н. // Строительные материалы. - 2005. - № 8. - С. 6-9.

13. Исследование реологических свойств композиционных материалов методами системного анализа / Бормотов

А.Н., Прошин И.А. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2009. - Т. 15. - № 4. С. 916-925.

References

1. VS Vladimirov, DS Korsun, IA Karpuhin, SE Moyzis. Waste sludge reservoir type. - M., 2004.

2. Kononenko EA. Disposal of industrial waste oil and gas industry and the use of the neutralized waste as secondary material resources. Abstract of dis..kand. tehn. sciences - Krasnodar, 2012. - 24 p.

3. Methodological principles of mathematical modeling and synthesis of composite materials from the waste oil refining / Bormotov AN, Kuznetsova MV, Kolobov EA // Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2013. - № 2 (38). - Pp. 85-94.

4. Utilization of sulfur as a waste oil processing in the manufacture of radiation-protective composites / Bormotov AN, Kolobov EA // XXI century: the results of past and present problems plus. - 2012. - № 2 (6). - Pp. 200-206.

5. Theoretical basis of computer simulations of structure formation of disperse systems / Bormotov AN, Proshin IA, Vasilkov AV // Bulletin of Tambov State Technical University. - 2011. - V. 17. - № 2. - Pp. 542-551.

6. Methodological principles for selecting the optimum filler composite materials / Proshin AP Danilov AM, Korolev, EV, Smirnov VA, Bormotov AN // Proceedings of the higher educational institutions. Building. - 2004. - № 10. - Pp. 15-20.

7. AN Bormotov. Mathematical modeling and multi-criteria synthesis of composite materials for special purposes. Diss. on competition sci. deg. the doctor techn. science / Penza State Technological University. - Penza, 2011.

8. Theoretical basis of mathematical modeling of composites from refinery waste / Bormotov AN, Kuznetsova MV, Kolobov EA // XXI century: the results of past and present problems plus. - 2013. - T. 1. - № 9 (13). - Pp. 173-182.

9. Bormotov AN, Proshin IA, Korolev EV. Simulation of destruction and prediction method of resistance of composite materials / Bulletin of Izhevsk State Technical University. - 2010. - № 4. - Pp. 113-118.

10. Multi-criteria synthesis of the composite as a task management / AN Bormotov // Bulletin of Tambov State Technical University. - 2010. - V. 16. - № 4. - Pp. 924-937.

11. Glet-glycerol building materials to protect from radiation / Korolev EV, Bormotov AN, Inozemtsev AS, Inozemtsev SS // Building Materials. - 2009. - № 12. - Pp. 69-71.

12. Super-heavy concrete for radiation protection / Bazhenov YM, Proshin AP, Eremkin AI, Korolev EV, Bormotov AN // Building Materials. - 2005. - № 8. - Pp. 6-9.

13. Investigation of the rheological properties of composite materials by means of system analysis / Bormotov AN, Proshin IA // Bulletin of Tambov State Technical University. - 2009. - V. 15. - № 4. - Pp. 916-925.

DOI: 10.18454/IRJ.2015.42.085 Тихомиров А.А.1, Соболев Н. В.2, Изотов Ю.А.3

:ORCID: 0000-0003-2184-6577, Кандидат физико-математических наук, 2студент, 3студент, Петрозаводский государственный университет

Работа выполнена при поддержке программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 годы ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ

ТОКОВОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Аннотация

В статье рассмотрено - возможность использование переходных процессов на примере асинхронного двигателя в микропроцессорных терминалах релейной защиты для повышения надежности срабатывания защиты.

Ключевые слова: переходный процесс, терминал релейной защиты, надежность.

Tikhomirov A.A.1, Sobolev N.V.2 , Izotov U.A.3

:ORCID: 0000-0003-2184-6577, PhD in Physics and Mathematics, 2student, 3student, Petrozavodsk State University THE APPLICATION OF TRANSITION MODE OF ASYNCHRONOUS MOTOR FOR CURRENT

PROTECTIVE RELAY FORMATION

Abstract

The article considers the possibility of application of transition mode of asynchronous motor for current protective relay formation.

Keywords: transition mode, protective relay, asynchronous motor.

Релейная защита, такая как токовая, дистанционная и т.д. может быть выполнена как на электромеханической, так и на микропроцессорной основе и иметь связи между защищаемыми объектами [1]. Связь между защищаемыми объектами позволяет сопоставлять между собой ток, напряжение, частоту и согласовывать действия релейной защиты на различных участках защищаемого объекта [2].

Выполнение релейной защиты на микропроцессорной основе имеет ряд недостатков основным, из которых является снижение надежности по сравнению с электромеханическими устройствами. Тем не менее, преимущества цифровых технологий, которые заключаются в возможности применения многих видов релейных защит в рамках одного устройства релейной защиты, увеличение быстродействия защит приводят к тому, что появляется возможность введения новых типов релейной защиты.

107