СПОСОБ ОЧИСТКИ ЛЬДИН/СНЕГА ОТ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ЛЕДОПЛАВИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PURIFICATION OF ICE FLOES/SNOW FROM OIL POLLUTION AND A HEAVY-FUEL COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области охраны окружающей природной среды, в частности к очистке льдин и снега, покрытых загрязненными нефтепродуктами, и может применяться для оперативной ликвидации последствий техногенных аварий, связанных с разливом нефти на ледовой и снежной поверхности, обеспечения защиты водных и наземных ресурсов от нефтяных загрязнений, предотвращения распространения ареала нефтяного загрязнения и снижения вредного воздействия на окружающую природную среду.
Актуальность решения экологической задачи определяется тем, что одним из источников вредного воздействия на окружающую среду являются аварийные ситуации, связанные с разливом нефтепродуктов на ледовой поверхности. Сбор разлитых нефтепродуктов с поверхности льдин в зимних условиях крайне затруднен.
Анализ патентных исследований показал, что все известные способы и оборудование для удаления нефтепродуктов в основном предназначены для открытой водной поверхности, и не существует эффективного способа и оборудования для удаления нефти с поверхности льда. Это вызвано тем фактом, что нефтепродукты плотно прилипают к поверхности льдин с проникновением в их объем, что делает удаление загрязнений из кусков льда чрезвычайно трудным технологическим процессом.
Известна мобильная снегоплавильная установка, предназначенная для утилизации снега и льда. (Патент РФ на полезную модель №134947 «Мобильная снегоплавильная установка»). Установка содержит плавильный бункер с теплообменными трубами и снабжена трубопроводом для сброса растаявшего снега и льда в канализацию. Установка смонтирована на плавучей платформе с возможностью швартовки к набережной в зоне сброса снега и льда и снабжена водогрейным котлом, пар из которого поступает в теплообменные трубы. Сконденсированный в теплообменных трубах пар сбрасывается в сточную городскую канализацию. Недостатком такой установки является невозможность ее использования для очистки льда от нефтяных загрязнений
Известен способ и устройство, предназначенные для очистки льдин от нефтепродуктов. (Заявка WO 2012160239, публикация 29.11.2012). Загрязненные нефтепродуктами льдины поднимаются на борт судна и обрабатываются горячим маслом, отделяя находящиеся на льдинах нефтепродукты, которые сбрасываются в специальную сборную емкость, находящуюся на борту судна. Обработанные таким образом льдины сбрасывается в воду вне зоны загрязненного участка с помощью конвейера, а нефтепродукты вместе с маслом откачиваются из емкости. Недостатком данного способа и устройства реализации способа является его низкая эффективность очистки льда от нефтепродуктов, так как поверхностная обработка не позволяет очистить льдины от нефтепродукто, в сорбированных льдом, который в теплое время тает и нефтепродукты вновь попадают в водную среду, снова ее загрязняя.
Известен способ сбора нефти под ледовым покровом, включающий определение ареала нефтяного загрязнения, локализацию загрязненного участка водоема, сооружение окон в ледяном покрове, в которые нагнетается атмосферный воздух для образования направленного движения поверхностных слоев воды к одному из окон, откуда откачивается нефть, а воздух подается через нагнетательные патрубки, вмороженные в ледяные отверстия, нижние концы которых находятся под нефтью (см. заявление для выдачи патента РФ на изобретение "Способ сбора нефти под ледовым покровом", №2001107690/13, 6 Е02В 15/04). Однако такой способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что нижняя часть ледового покрова остается нефтезагрязненной до наступления теплого периода. При таянии льда нефть с его загрязненной нижней части попадает в воду, загрязняя ее, и создает неблагоприятные условия для обитания рыб, представителей животного и растительного мира в водоеме.
Известен поверхностный метод сбора нефти из воды с льдом, когда нефть с поверхности льда смывается водой и затем откачивается (см. УДК 665.6/7 (043), Рабкина Е.В. Поверхностный метод сбора нефти из вод с льдом. М.: Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина. Тезисы докладов на Международной конференции по теме: "Новые технологии для очистки нефтезагрязненных вод, почв, переработки и утилизации нефтешламов", 10-11 декабря 2001, издательский дом "Ноосфера", с. 48). Однако при использовании указанного метода нефть, смываемая со льда, попадает в акваторию, загрязняя ее, и впоследствии затрачивается время на сбор и откачку нефти с обширного по площади водоема из-за растекания нефти. Кроме этого загрязненная нефтепродуктами льдина находится в воде и при смывании с нее нефти одна часть льдины обрабатывается водой, а другая часть льдины загрязняется смытой уже нефтью. Таким образом, процесс смывания нефти с льдины, находящейся в воде, становится малоэффективным.
Известен процесс очистки льдин от нефтепродуктов и устройство для его осуществления, описанное в патенте США (US №2010/0186647 A1, July, 29, 2010). Устройство состоит из модульных блоков дробилки, которые могут быть установлены с возможностью поворота на барже или другом судне. Вращающийся зубчатый барабан измельчает лед, загрязненный нефтепродуктами, смешивают его с подогретой оборотной водой, образуя суспензию из загрязненного нефтепродуктами льда и воды, которая с помощью шнеков передается в плавильные агрегаты, где происходит плавление льда. Образовавшаяся жидкая фаза смеси воды и нефтепродуктов из плавильных агрегатов транспортируется в сепараторный блок (гидроциклон), в котором отделяются нефтепродукты от воды. Нефтепродукты транспортируются в резервуар для хранения с последующей разгрузкой и утилизацией, а вода возвращается в линию смешивания с колотым морским льдом для образования суспензии льда и воды для повторения цикла очистки льдин от нефтепродуктов. Недостатками способа являются высокие эксплуатационные и энергетические затраты на очистку льдин от нефтепродуктов, сложность конструкции и недостаточная универсальность устройства.
Известен способ и устройство очистки ледового покрова реки от нефтяного загрязнения (Патент РФ №2220253, опубл.: 27.12.2003), заключающийся в локализации загрязненного участка, разрушении ледового покрова, смыве нефти с льдин паром или водой. Поставленная цель достигается тем, что каждая льдина извлекается из воды, нижняя загрязненная поверхность льдины обрабатывается паром над емкостью, а затем обеззараженная льдина сбрасывается опять в реку. Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. При аварийном разливе нефти на поверхности реки, покрытой льдом, определяется известным способом ареал нефтяного загрязнения, локализуется место загрязнения и известными способами собирают с поверхности водоема разлитую нефть. После сбора нефти с поверхности воды к месту загрязнения доставляются паропередвижная установка, грузоподъемный механизм и емкость для сбора нефти. Известными способами разрушают ледовый покров и когтями грузоподъемного механизма приподнимают льдины, удерживая их на весу над емкостью. Паром или теплой водой обрабатывают нефтезагрязненные части льдин. Нефть смывается теплой водой и попадает в емкость, откуда она подается в нефтяной коллектор системы сбора. Очищенные льдины опускаются обратно в воду, а когтями грузоподъемного механизма подбираются очередные нефтезагрязненные льдины.
Технической проблемой данного способа является невозможность извлечения сорбированных льдиной нефтепродуктов, находящихся внутри льдины, и, как следствие, невысокая эффективность процесса очистки. Кроме того, известный способ и устройство имеют ограниченное применение, так как могут функционировать только в водоемах с направленным течением воды, например на замерзших реках, в противном случае очищенные льдины будут перемешиваться с загрязненными и процесс очистки станет малоэффективным.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ очистки льда/снега от нефтяных загрязнений (см. SU 1006599 А1, кл. Е02В 15/04, опубл. 23.03.1983), заключающийся в обработке поверхности льдин теплоносителем с заданной температурой, при этом подлежащие очистке льдины помещают в бункер ледоплавильного отсека, обрабатывают теплоносителем, расплавляют их до образования водонефтяной эмульсии, которую направляют в сепараторный отсек, где отделяют воду от нефтяных фракций и очищают ее до требуемого уровня.
Технической проблемой известного способа очистки льда от нефтяных загрязнений является то, что он носит локальный характер и не позволяет эффективно очищать льдины от загрязнений, т.к. процесс очистки происходит только, как отмечено, с ледового покрова, не разрушая саму льдину. Абсорбированные нефтепродукты при такой тепловой обработке остаются в объеме льдины.
Кроме того, использование известного способа практически невозможно на больших акваториях, в которых отсутствует направленное течение воды, т.к. обработанные паром льдины должны уноситься по течению, освобождая место для следующих загрязненных льдин.
Отличия заявленного изобретения от прототипа заключаются в том, что теплоноситель используют в виде пара, при этом температура теплоносителя составляет 100-200°C, а сепараторный отсек выполнен снабженным фильтром. Отсутствие крышки приводит к образованию наледи на оборудовании и окружающем пространстве, что связано с дополнительными затратами по ее уборке после окончания работы установки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является удаление нефтепродуктов с ледовых участков аварийного разлива нефтепродуктов на любой акватории и суше, сокращение времени очистки с одновременным повышением эффективности процесса очистки загрязненных льдин нефтепродуктами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявленный способ очистки льдин/снега от нефтяных загрязнений, заключающийся в обработке поверхности льдин паром, а подлежащие очистке льдины помещают в бункер ледоплавильного отсека, обрабатывают паром при температуре 100-200°С, расплавляют их до образования водонефтяной эмульсии, которую направляют в фильтросепараторный отсек, где отделяют воду от нефтяных фракций и очищают ее до экологически требуемого уровня, процесс очистки льдин от нефтепродуктов осуществляют в автономном технологическом ледоплавильном комплексе в контейнерном исполнении, включающем парогенераторный, ледоплавильный и фильтросепараторный отсеки, разделенные между собой перегородками, где парогенераторный отсек используют для производства пара и обеспечения эффективного плавления льда в бункере ледоплавильного отсека, причем парогенераторный отсек выполняют состоящим из парогенератора и системы паропроводов, которые функционально связывают с ледоплавильным отсеком, в бункере которого плавят лед паром с образованием жидкой фазы водонефтяной эмульсии, при этом пар от парогенератора направляют в ледоплавильный отсек через теплообменники в виде перфорированных труб, расположенные по днищу и всем стенкам отсека, причем днище защищают от загружаемых в ледоплавильный отсек льдин решеткой, а между днищем и решеткой выполняют патрубок для перекачки эмульсии в фильтросепараторный отсек, состоящий из насосного агрегата и фильтросепаратора, функционально связанных между собой, при этом посредством насосного агрегата подают эмульсию в фильтросеператор, где отделяют воду от нефтепродуктов, очищают ее до требований санитарных норм с последующим отводом воды и нефтепродуктов по патрубкам в соответствующие сборные танки.
Предпочтительно, для исключения тепловых потерь, бункер ледоплавильного отсека оборудуют крышкой, которую открывают при загрузке загрязненного льда и закрывают в процессе интенсивного его плавления.
Предпочтительно, все наружные и внутренние элементы ледоплавильного комплекса выполняют из материалов, стойких к химически агрессивным средам, повышенной влажности и колебаниям температур, а также к высоким ударным нагрузкам.
Также заявлен ледоплавильный комплекс для очистки льдин/снега от нефтяных загрязнений, содержащий средство обработки льда/снега паром, отличающийся тем, что выполнен в виде контейнера, внутри которого расположены парогенераторный, ледоплавильный и фильтросепараторный отсеки, разделенные между собой перегородками, где парогенераторный отсек состоит из парогенератора и системы паропроводов, которые функционально связаны с ледоплавильным отсеком, при этом парогенератор соединен с ледоплавильным отсеком теплообменниками в виде перфорированных труб, расположенными по днищу и всем стенкам отсека, причем днище защищено от загружаемых в ледоплавильный отсек льдин решеткой, а между днищем и решеткой выполнен патрубок для перекачки эмульсии, выведенный в фильтросепараторный отсек, состоящий из насосного агрегата и фильтросепаратора, функционально связанных между собой, при этом выходной патрубок насосного агрегата соединен с фильтросепаратором, отводы от которого соединены с соответствующими сборными танками.
Предпочтительно, бункер ледоплавильного отсека оборудован крышкой, выполненной с возможностью открываться при загрузке загрязненного льда и закрываться в процессе его интенсивного плавления.
Предпочтительно, все наружные и внутренние элементы ледоплавильного комплекса выполнены из материалов, стойких к химически агрессивным средам, и предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности и температур, высоких ударных нагрузок.
В заявляемом изобретении льдины, помещенные в ледоплавильный отсек, функционально связаннй с парогенераторным отсеком, интенсивно расплавляются под действием пара с образованием водонефтяной эмульсии, что принципиально отличается от простой обработки поверхности льдин паром. В заявляемом способе льдины плавятся, и абсорбированные нефтепродукты, находящееся в объеме льдин извлекаются, перемешиваются с водой под действием струй пара с образованием водонефтяной эмульсии с дальнейшим эффективным разделением воды от нефти в сепараторном отсеке.
Кроме того, контейнерная (мобильная) компоновка позволяет работать на открытых акваториях вдали от берега. Наличие защитной решетки в ледоплавильном отсеке защищает перфорированные трубы (теплообменник), расположенные над днищем ледоплавильного отсека, от ударов при загрузке загрязненных льдин. Наличие крышки над ледоплавильным отсеком исключает испарение воды из отсека при работе комплекса.
Таким образом, эффект очистки воды от нефтепродуктов в заявляемом способе, состоит в полном (объемном) извлечении нефти с ледяной поверхности независимо от наличия или отсутствия течения водной поверхности.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показан ледоплавильный комплекс для очистки льдин от нефтяных загрязнений (вид сверху), где: 1 - контейнер, 2 - разделительные перегородки, 3 - парогенераторный отсек, 4 - ледоплавильный отсек, 5 - фильтросепараторный отсек, 6 - парогенератор, 7 - паропровод, 8 - коллектор, 9 - теплообменники, 10 - решетка, 11 - патрубок, 12 - насосный агрегат, 13 - фильтроэлементы, 14, 15 - грузовые шланги, 16 - крышка (на чертеже показана только часть элемента крышки).
Осуществление изобретения
Технический результат достигается за счет обработки загрязненных льдин паром с температурой 100-200°С, плавления льда с извлечением нефтепродуктов из всего объема загрязненных льдин и образования жидкой фазы водонефтяной эмульсии с последующим отделением нефтепродуктов от воды со степенью очистки воды до требований санитарных норм.
Данный процесс быстр и эффективен, позволяет очистить от нефтяных загрязнений любые ледовые участки на воде и суше благодаря тому, что процесс очистки льдин от нефтепродуктов осуществляется в автоматизированном технологическом ледоплавильном комплексе контейнерного исполнения, включающем функционально связанные отсеки - парогенераторный, ледоплавильный и фильтросепараторный, где парогенераторный отсек состоит из парогенератора и предназначен для производства пара температурой 100-200°С для обеспечения эффективного плавления загрязненного льда в бункере ледоплавильного отсека, представляющем собой емкость, связанную с парогенераторным отсеком паропроводом через коллектор с теплообменниками, выполненными в виде перфорированных труб, расположенных по всем плоскостям ледоплавильного отсека - бортов и днища, причем последнее защищено от загружаемых в бункер льдин решеткой и имеет патрубок, расположенный между днищем и решеткой, функционально связанный с насосным агрегатом, расположенным в фильтросепараторном отсеке, для подачи жидкой фазы водонефтяной эмульсии, образующейся при интенсивном плавлении загрязненного льда под действием пара из бункера ледоплавильного отсека в фильтросепараторный отсек, где происходит эффективное разделения нефтепродуктов и воды со степенью очистки последней до требований санитарных норм, после чего отделенные нефтепродукты и очищенная от загрязнений вода из фильтросепараторного отсека по грузовым шлангам отводится в соответствующие сборные танки.
Для уменьшения тепловых потерь бункер ледоплавильного отсека оборудован крышкой, которая открывается при загрузке загрязненного льда и закрывается в процессе плавления. Конструктивно все наружные и внутренние элементы ледоплавильного комплекса выполнены из материалов, стойких к химически агрессивным средам, и предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности и температур, высоких ударных нагрузок.
Таким образом, новизна способа и технического решения очистки льдин от нефтяных загрязнений состоит в том, что загрязненные льдины загружаются в ледоплавильный отсек и обрабатываются паром температурой 100-200°С с образованием жидкой фазы водонефтяной эмульсии, которая подается в фильтросепараторный отсек, где происходит эффективное отделение воды от нефтяных фракций и очищение ее до требований санитарных норм.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность отличительных признаков, характеризующих заявляемый способ и техническое решение, неизвестны, что позволяет сделать вывод о соответствии их критерию "существенные отличия», которыми в заявляемом ледоплавильном комплексе для очистки льдин от нефтяных загрязнений являются:
- интенсификатором таяния льда является пар температурой 100-200°С, вырабатываемый парогенератором, установленным в парогенераторном отсеке, и подаваемый в бункер ледоплавильного отсека через перфорированные трубы, расположенные по боковым стенкам и днищу, причем последнее защищено от ударных нагрузок загружаемых льдин решеткой;
- ввод пара температурой 100-200°С через перфорированные трубы в бункер ледоплавильного отсека и передача тепла к загрязненной ледяной массе приводит к интенсивному плавлению всего объема льда с образованием жидкой фазы водонефтяной эмульсии;
- жидкая фаза водонефтяной эмульсии подается через патрубок, расположенный между днищем и решеткой бункера ледоплавильного отсека, в фильтросепараторный отсек в составе насосного агрегата и фильтросепаратора, с помощью которых происходит эффективное разделение нефтепродуктов и воды со степенью очистки воды до требований санитарных норм, с последующим отводом очищенной воды и нефтепродуктов в соответствующие сборные танки;
- для уменьшения тепловых потерь при плавлении льда бункер ледоплавильного отсека оборудован крышкой, которая открывается при загрузке загрязненного люда и закрывается в процессе его плавления;
- все наружные и внутренние элементы ледоплавильного комплекса выполнены из материалов, стойких к химически агрессивным средам, и предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности и температур, высоких ударных нагрузок;
- контейнерное исполнение ледоплавильного комплекса в составе трех функциональных отсеков обеспечивает высокую готовность и технологическую эффективность объемной очистки льда и снега от разлитых нефтепродуктов на водной поверхности и суше со степенью очистки воды до требований санитарных норм.
Ледоплавильный комплекс для очистки льдин от нефтяных загрязнений представлен на чертеже и включает контейнер 1, разделенный перегородками 2 на три отсека: парогенераторный 3, ледоплавильный 4 и фильтросепараторный 5. Парогенераторный отсек 3 предназначен для производства пара и состоит из парогенератора 6, паропровода 7, причем последний сообщен через коллектор 8 с теплообменниками 9 для подачи пара в бункер ледоплавильного отсека 4, выполненными в виде перфорированных труб и расположенными по всем плоскостям бункера - бортов и днища, причем последнее защищено от загружаемых в бункер ледоплавильного отсека льдин решеткой 10, и имеет патрубок 11, расположенный между днищем и решеткой и функционально сообщенный с насосным агрегатом 12, расположенным в фильтросепараторном отсеке 5, для подачи жидкой водонефтяной эмульсии, образовавшейся при плавлении загрязненных льдин в бункере ледоплавильного отсека 4, в фильтросепараторный отсек 5, где на фильтроэлементах 13 происходит эффективное разделения нефтепродуктов и воды со степенью очистки воды до требований санитарных норм, после чегь отделенные нефтепродукты и очищенная от загрязнений вода по грузовым шлангам 14, 15 отводится в соответствующие сборные танки. Для уменьшения тепловых потерь бункер ледоплавильного отсека 4 снаряжен подвижной крышкой 16, которая открывается при загрузке загрязненного люда и закрывается в процессе интенсивного его плавления.
Все наружные и внутренние элементы ледоплавильного комплекса выполнены из материалов, стойких к химически агрессивным средам, и предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности и температур, высоких ударных нагрузок.
Ледоплавильный комплекс для очистки льдин от нефтяных загрязнений работает следующим образом. Загрязненные нефтепродуктами льдины на водной поверхности или суше загружаются в ледоплавильный отсек 4 независимым грузоподъемным механизмом (не показан). После полной загрузки емкости ледоплавильного отсека 4 загрязненными льдинами емкость автоматически закрывается крышкой 16. Теплоноситель температурой 100-200°С от парогенератора 4 через перфорированные трубы 9 подается в емкость ледоплавильного отсека, где под воздействием температуры происходит интенсивный процесс плавления загрязненного льда с образованием жидкой фазы водонефтяной эмульсии.
В процессе таяния льда уровень жидкой фазы водонефтяной эмульсии поднимается выше уровня патрубка 11, функционально связанного с фильтросепараторным отсеком 5 через насосный агрегат 12, который приводится в действие и подает водонефтяную эмульсию на фильтроэлементы 13, где происходит разделение нефтепродуктов и воды со степенью очистки воды до требований санитарных норм. Очищенная вода и нефтепродукты отводятся по грузовым шлангам 14 и 15 в соответствующие сборные танки (не показаны). После полного плавления льдин в емкости ледоплавильного отсека крышка 16 автоматически открывается и цикл очистки льдин от нефтяных загрязнений повторяется.
3
3
3
3
Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. При аварийном разливе нефти, которая попала на покрытую льдом водную поверхность или сушу известным грузоподъемным механизмом, например грейфером, поднимают загрязненные нефтепродуктами льдины и загружают в бункер ледоплавильного отсека. После загрузки бункера крышка 16 закрывается и включается парогенератор 6, который вырабатывает теплоноситель пар - с температурой 100-200°С. Последний по паропроводу 7 через коллектор 8 и теплообменники 9 направляется в бункер ледоплавильного отсека. Под действием теплоносителя загрязненные льдины плавятся с образованием водонефтяной эмульсии. При этом происходит интенсивное перемешивание нефтяного слоя и образовавшейся воды, что позволяет получить в зоне плавления загрязненных льдин гомогенную водонефтяную эмульсию. По окончании плавления всей массы загруженного льда включается насосный агрегат 12, который через патрубок 11 перекачивает водонефтяную эмульсию в фильтросепараторный отсек 5 на фильтроэлементы 13, на которых происходит разделение нефтепродуктов от воды, и разделенные компоненты по соответствующим грузовым шлангам 14 и 15 отводятся в сборные танки. Крышка 16 открывается, и процесс загрузки нефтезагрязненных льдин повторяется до тех пор, пока не будет очищен весь загрязненный участок акватории. Анализ воды после разделения водонефтяной эмульсии в фильтросепараторе показал снижение концентрации нефтепродуктов в воде с 2562 мг/дм до 1,29 мг/дм, что соответствует требованиям к подпиточной воде предприятий нефтеперерабатывающей промышленности - не более 1,5 мг/дм и требованиям к технической воде, сливаемой в городскую канализацию - не более 5 мг/дм. Контейнерное исполнение ледоплавильного комплекса обеспечивает мобильность его применения и позволяет использовать заявляемую технологию очистки льдов от нефтяных загрязнений на водных поверхностях, например устанавливать на морских и речных судах, а также для очистки снежных загрязненных участков на суше. Отличительным признаком заявляемого изобретения от известных технических решений является объединение в одном мобильном комплексе технологических процессов получения пара, плавления загрязненных нефтепродуктами ледяного или снегового участков покрова с образованием жидкой фазы водонефтяной эмульсии и очистки воды от нефтепродуктов до требований санитарных норм. Обработка загрязненного нефтепродуктами льда (или снега) паром температурой в пределах 100-200°С обусловлена тем, что при более низких температурах интенсивность плавления загрязненного льда резко падает, что снижает производительность ледоплавильного комплекса. Применение для плавления загрязненного льда (или снега) температур более высоких, чем 200°С, приводит к необходимости применения специальных жаропрочных материалов паропроводов, теплообменников и соответствующей запорной арматуры, а также к перерасходу топлива для получения теплоносителя, что экономически нецелесообразно.