УСТАНОВКА ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ДОННЫХ НЕФТЕШЛАМОВ, НЕФТЯНЫХ ПЕСКОВ, ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ И ДРУГОГО ПОДОБНОГО ИМ СЫРЬЯ

Установка по переработки донных нефтешламов, нефтяных песков, горючих сланцев и другого подобного им сырья.
Как общеизвестно, значительное количество месторождений углеводородного сырья заключается в нефтяных песках и горючих сланцах. Однако, их добыча и переработка с целью получения нефтепродуктов сложны, дороги и находятся, как правило, за границей рентабельности.
Ни подземная газификация, ни поднятое на поверхность и подвергнутое тепловой обработке сырье не нашли широкого применения не только из-за технологических трудностей, но и из-за низкого качества продуктов и сложности их дальнейшей переработки и реализации этих продуктов переработки в силу низкой активности тепломассобменных процессов переработки.
Донные нефтяные шламы (антропогенные продукты), также как и нефтяные пески (природные продукты) представляют собой сыпучие или пастообразные композиции твердых сыпучих материалов - песка, глины, почвы и тяжелых углеводородов в разных пропорциях и составах. Т.к. твердые сыпучие материалы имеют развитую поверхность зерен (внешнюю и внутреннюю) и, как правило, хорошо смачиваемую тяжелыми углеводородами, то отделение одних от других представляет собой значительную сложность.
Существуют два основных способа их разделения: отмывку жидкостями или термическое разложение и испарение.
Оба эти процесса имеют ряд существенных недостатков из-за сложных их физико-химических основ, и, в особенности, аппаратурного оформления установок их переработки.
Процесс отмывки недостаточно эффективен из-за трудности подбора растворителей-отмывателей, а также из-за сложности последующего разделения, полученных жидкостных смесей.
Термическое разложение связано с неизбежным коксованием тяжелых углеводородов и загрязнением отмытых твердых остатков коксом и трудноотделяемыми тяжелыми углеводородами.
Известны «Установка для переработки нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов» патент РФ 2330734, «Устройство для переработки нефтесодержащих грунтов и донных осадков» патент РФ 2402382. Все вышеперечисленные установки имеют недостатки, характерные для установок первого типа, где углеводороды отмываются растворами, а также в патенте РФ 2402382 не решена проблема с возможным
налипанием нефтепродуктов на шнек, что приведет в конечном итоге к выходу оборудования из строя.
Известны, также патент РФ № 2114153 «Установка термокрекинга тяжелых нефтяных остатков»; патент RU 2315079 «Реактор для переработки коксующихся отходов нефтепереработки в жидкое топливо и кокс».
Установка по патенту РФ № 2114153 позволяет перерабатывать тяжелые нефтяные остатки (например, нефтешламы) в смеси с твердым органоминеральным активатором и отличается ступенчатым отводом продуктов в газообразном виде с межступенчатым перемешиванием (или дезинтеграцией).
Установка громоздка, сложна и не надежна из-за большого количества ступеней. Она принята нами за прототип.
Реактор по патенту RU 2315079 весьма сложен по исполнению и ненадежен из-за возможности закоксования пазов, трубок и других элементов конструкции.
Имеется еще «Способ получения жидких продуктов из нефтяных остатков» патент РФ №2182923, установка с использование которого, по-видимому, может дать высокий выход светлых нефтепродуктов. Однако, для способа требуется применение специальных катализаторов, применение которых неоднозначно для различного сырья, что делает неопределенным устройство осуществляющей его установки.
Кроме того, последние три аналога предлагаемой установки не дают гарантии хорошей фильтрации продуктов, выходящих в газообразном состоянии от механических примесей в виде мелких частиц активаторов и катализаторов.
Настоящая заявка рассматривает установку, устроенную по второму способу-термолизу.
Низкие температуры до 400°C и краткое время проведения процесса термолиза позволяют удалить значительную часть тяжелых углеводородов без образования значительного количества кокса. Оставшаяся часть углеводородов может быть десорбирована и удалена при более высоких температурах.
При этом, возможно, образующийся кокс и другие механические примеси хорошо очищены от углевдородов, что делает экологически допустимым захоронение последнего в очищенном грунте.
Твердые ископаемые, такие как горючие сланцы, торфа, а также отходы древесины и бумажной промышленности при переработке следует измельчить.
Основная цель нашей установки - извлечь из сырья жидкие и газообразные углеводороды и отправить в отвал или в использование облагороженные экологически нейтральные твердые продукты термолиза.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки:
1. Реактор термолиза;
2. Сырье;
3. Система нагрева реактора;
4. Спираль-движитель;
5. Рукавный газопылевой фильтр;
6. Теплообменник;
7. Конденсатор;
8. Хладагент: вода или воздух;
9. Конденсат;
10. Синтетическая нефть;
11. Вода или воздух;
12. Газ, циркулирующий через реактор термолиза;
13. Газовый компрессор;
14. Абгаз;
15. Водяной или воздушный холодильник;
16. 3-х фазный сепаратор;
17. Конденсат;
18. Фильтрующий элемент рукавного фильтра с обратной короткоцикловой продувкой;
19. Реактора облагораживания в виде цилиндрической трубы с вращающимся внутри него спиральным движителем;
20. Воздух;
21. Воздушный компрессор;
22. Технический углерод;
23. Хладагент - воздух или вода, снимающий излишки тепла с технического углерода через стенку реактора 19;
24. Мотор-редуктор;
25. Шлюзовые питатели;
26. Регулятор расхода;
27. Регулятор давления «до себя»;
28. Сброс газа;
29. Азот;
30. Электромагнитные клапаны;
2
31. Слив конденсата HO;
32. Азотная установка.
Реактор термолиза 1, представляющий собой металлическую трубу, в начале которой находится шлюзовой питатель 25 для приема перерабатываемого сырья 2 (нефтешламы или нефтяные пески). Внутри реактора 1 находится спираль-движитель сырья 4. Таким образом, реактор 1 представляет собой трубчатый спиральный транспортер, снабженный системой нагрева: электрическим ТЭН'ом или радиационным или (и) конвективным нагревом. В конце реактора 1 расположен рукавный газопылевой фильтр 5 с фильтрующим элементом 18, который изготовлен из нержавеющей сетки (ГОСТ 3187-76).
Фильтр 5 служит для отделения пыли твердого продукта термолиза от газов.
На выходе твердого продукта из фильтра расположен реактор облагораживания 19 твердых продуктов термолиза, так же в виде спирального транспортера.
И реакторы 1 и 2 и фильтр объединены в единую сквозную систему для обеспечения непрерывного движения сырья и твердых продуктов термолиза. В конце реактора 19 расположен выход готового твердого продукта 22 через шлюзовый питатель 25.
В верхней части фильтра 5 расположен выход газообразных продуктов.
Для привода во вращение спирали служит мотор-редуктор 24, расположенный либо в начале реактора 1, либо в конце реактора 19 (если спираль едина для сквозной системы реактор 1-фильтр 5-реактор 2) либо оба мотор-редуктора 24 (если спирали P1 - фильтр 5, и фильтр 5 - реактор 19 разъединены). Для охлаждения твердых продуктов в конце реактора 19 служит хладоагент 23 - воздух или вода.
Для отжига твердых продуктов в реакторе 19 служит воздух 21. Для разбавления воздуха 21 и заполнения всей системы инертным газом (азотом) 21 имеются воздушный компрессор 21 и азотная установка 32.
Для рекуперации тепла между циркулирующим газом 12 и газом реакции установлен теплообменник 6.
Для конденсации жидких продуктов 9 установлен конденсатор 7, представляющий собой вертикальный теплообменник, нижняя часть которого является сборником
конденсата 9. Хладоагент 8 для конденсата 9. Хладоагент 8 для конденсации паров в конденсаторе 7.
Для сжатия абгаза 14 установлен газовый компрессор 13.
2
Для разделения абгаза 14 на циркулирующий газ 12, сбросной газ 28, конденсат 17, конденсат Н0 31, служат холодильник 15, 3-х фазный сепаратор 16, регуляторы расхода 26 и 27.
Для подачи короткоимпульсной продувки фильтрующего элемента 18 фильтра 5, установлен электромагнитный клапан 30, в качестве обратной продувки используют газ из трехфазного сепаратора.
Сырье - нефтешлам или нефтяной песок, добытые или собранные из мест их нахождения проходят необходимую подготовку для удаления из них крупных фрагментов (как правило больше 10 см) и, при необходимости нейтрализации и активации их какими-либо добавками. Затем их подают на вход в реактор термолиза 1 и далее по мере продвижения внутри реактора 1, сырье нагревают с помощью системы 3 до температуры, близкой к 350°С и выше и давлении до 0.5 МПа, что приводит к термическому разложению тяжелых углеводородов в среде газа 12. Циркулирующий газ 12 из трехфазного сепаратора 16 подается в входную часть реактора 1.
Полученные в процессе термолиза более легкие углеводороды переходят в газообразное состояние, соединяются с циркулирующим газом 12, выводятся через фильтр 5 и направляются через теплообменник 6 в конденсатор 7 и далее.
Твердый продукт термолиза из реактора 1 спиралью-движителем 4 через фильтр 5 пропускают через реактор 19, где за счет газов, образовавшихся от дожигания остатков углеводорода и испарения воды десорбируются остаточные от термолиза углеводороды.
Дожигание микроостатков не десорбировавшихся углеводородов происходит за счет кислорода воздуха 20.
При десорбции и дожигании в результате дополнительного нагрева повышается температура в реакторе 19, что приводит к образованию небольшого количества кокса. Последний содержит только следы углеводородов, что позволяет экологически приемлемо захоронять или отправлять кокс в отвал с очищенным грунтом.
Очистка получающихся в процессе термолиза твердых продуктов, их облагораживание можно производить как отжигом кислорода воздуха, так и водяным паром, полученным при впрыске воды в конечную часть реактора облагораживания, охлаждая, при этом, получаемый твердый продукт за счет испарения воды.
В результате работы установки получают продукты: конденсат углеводородов 10 и 17, синтетическую нефть 10, очищенный грунт 22, сброс горючего газа 28 и конденсат воды.
Газ и часть углеводородного конденсата могут быть использованы для сжигания - нагрева и проведения термолиза в реакторе 1.
Процесс термолиза исследовался на установке хорошего пилотного масштаба (производительностью до 360 кг в сутки) на разных составах искусственно приготовленного сырья.
В качестве материала для изготовления реакторов и фильтра использовалась нержавеющая сталь.
Эксперименты дали положительные результаты: несмотря на высокое содержание серы в сырье (до 2%), в конденсате - синтетической нефти содержание серы составляло около 0.5%, очистка грунта от углеводородов была весьма высока (светопропускание по ГОСТ 25699.15-90 составляло 98-99%).
Подбор параметров термолиза (температура, циркуляция газа, время пребывания) как в реакторе 1, так и в реакторе 2 должны осуществляться путем опытных пробегов на пилотных установках, т.к. составы перерабатываемого сырья сильно вариабельны.
В некоторых экспериментальных пробегах на пилотной установке было зафиксировано забивание спираль-движителя смесью кокса, грунта и жидких тяжелых углеводородов.
Для ликвидации этого явления предлагается использовать для реактора термолиза спиральную самоочищающуюся систему, состоящую из 2-х или более шнеков (спиралей), как это описано в Heinz Herrmann "Schneckenmaschinen in der Verfahrenstechnuk", Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1972 стр 38-42, 47-58.
При однонаправленном вращение зацепляющимися спиралями они имеют свойство самоочищаться и на их рабочей поверхности не происходит образования нежелательных наростов (см. там же рис 31 на стр.40).
В реакторе облагораживания (19) наростов на спираль-движителях и корпусе замечено не было. Поэтому, на этом реакторе система самоочищающихся зацепляющихся спиралей предусматривать не надо.
В целом, установка по переработке донных нефтешламов и нефтяных песков показала себя работоспособной и может быть рекомендована для опытно-промышленной эксплуатации.