ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА "СОНОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И КОМПЛЕКС ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОКОВ"

УДК 66.061

МУЛЛАКАЕВ М.С., МУЛЛАКАЕВ Р.М., ХИСМАТУЛЛИН А.С. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА «СОНОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И КОМПЛЕКС ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОКОВ»

Ключевые слова: нефтезагрязненные стоки, методы очистки, ультразвук, химические реагенты, сонохимическая технология, мобильный комплекс, технико-экономическое обоснование технологии и комплекса.

Работа посвящена одной из актуальных проблем нефтяной отрасли - очистке нефтезагрязненных стоков. Показана перспективность разработки сонохимической технологии и мобильного комплекса очистки нефтезагрязненных стоков в условиях Западной Сибири и Крайнего Севера, а также приведено их технико-экономическое обоснование. Показано, что разработанный комплекс и сонохимическая технология обладают очевидными эксплуатационными преимуществами, в числе которых авторы выделяют универсальность модулей комплекса, которые легко вписываются в существующие технологические цепочки и не требуют существенных доработок; комплексность, обеспечивающую возможность эффективной очистки нефтезагрязненных вод; автономность реализации применяемых контуров, не нуждающихся в совмещении с дополнительной техникой; мобильность и компактность аппаратурного оформления, ресурсо- и энергосбережение.

MULLAKAEV, M.S., MULLAKAEV, RM., KHISMATULLIN AS.

TECHNICAL-ECONOMIC SUBSTANTIATION OF THE PROJECT "SONOCHEMICAL TECHNOLOGY AND THE COMPLEX FOR TREATMENT OF OIL-CONTAMINATED WASTES"

Key words: oil-contaminated effluents, treatment methods, ultrasound, chemical reagents, sonochemical technology, mobile complex, feasibility study of technology and complex.

The work is devoted to one of the urgent problems of the oil industry - the treatment of oil-contaminated wastewater. It shown the perspective for the development of sonochemical technology and a mobile complex for the purification of oil-contaminated effluents in the conditions of Western Siberia and the Far North, as well as it given their technical-economical substantiation. It is shown that the developed complex and sonochemical technology have obvious operational advantages, among which the authors highlight the versatility of the complex modules, which easily fit into existing technological chains and do not require significant modifications; complexity, ensuring the possibility of effective treatment of oil-contaminated waters; the autonomy of the implementation of the applied circuits that do not need to be combined with additional equipment; mobility and compactness of hardware design, resource and energy saving.

Предприятия нефтегазового комплекса являются стратегической отраслью экономики России, ее истинным богатством, но, одновременно, вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды [1].

В частности, при добыче нефти в РФ ежегодно из недр извлекается около 4 млрд. тонн загрязненной воды, большая часть которых используется для поддержания пластового давления. Перед закачкой обратно в пласт эта вода должна быть очищена, так как наличие загрязнений приводит к кольматации пор и каналов продуктивного пласта, снижая тем самым коэффициент продуктивности скважин. Отдельной проблемой является очистка почв и воды при разливах нефти. Нефтепродукты, находящиеся в водных экосистемах, пагубно действуют на все звенья экологической цепи - от микроскопических водорослей до млекопитающих. Между тем, потери нефти и нефтепродуктов в РФ в результате аварийных ситуаций при транспортировке и переработке нефти, достигают 4,8 млн. тонн ежегодно. Каждый год на трубопроводах происходит 20 тысяч аварий, причём в более чем 300 случаях разливается не менее 10 тысяч тонн нефти. В связи с изношенностью технологического и транспортного оборудования, такие разливы будут происходить все чаще, так как более 34 % имеющихся в РФ трубопроводов эксплуатируются уже более 30 лет [1-2].

Технологические процессы добычи нефти и газа, начиная от бурения скважин, добычи, подготовки, хранения и транспортировки нефти и газа, являются источниками загрязнения вод и грунтов. Различные органические и неорганические загрязнители присутствуют как в добываемом сырье, в технологических и сопутствующих выбросах, в различных отводимых водах, в образующихся твердых отходах. Также их увеличение связано с применением в производстве разнообразных химических веществ [3, 4].

В условиях Западной Сибири и Крайнего Севера, где объекты, загрязняющие воды нефтепродуктами, удалены на большие расстояния, где отсутствуют очистные сооружения и дополнительная инфраструктура, очистка нефтезагрязненных стоков на местах становится особо актуальной задачей [5, 6].

Цель проекта. Осуществить технико-экономическое обоснование разработки сонохимической технологии и мобильного комплекса очистки нефтезагрязненных стоков производительностью 10 м3/ч в контейнерном исполнении для использования в условиях Западной Сибири и Крайнего Севера

Назначение проекта. Обеспечить Заказчика технологией и оборудованием для очистки загрязнённой воды от нефтепродуктов, металлов, ароматических и других органических загрязнений для повторного использования или последующего сброса в грунт или открытые водоёма. Технология должна быть применима в условиях Западной Сибири и Крайнего Севера, а оборудование - легко транспортируемо и возводимо, не требовать большого количества дополнительного сырья.

Область применения. Очистка пластовых вод, перед закачкой в скважины; очистка вод при разливах нефти, после мойки нефтезагрязненного оборудования или использования в производстве и др.

Задачи проекта. Задачами, которые должны быть решены в ходе реализации проекта, являются:

- обеспечение мобильности комплекса и отсутствия необходимости строительства специальных помещений;

- достижение степени очистки, необходимой для повторного использования воды или сброса в грунт или открытые водоёма;

- обеспечение применимости комплекса для очистки широкого спектра загрязнителей, в том числе от нефтепродуктов, ароматических соединений, металлов и др.

- уменьшение количества используемых реагентов и расходных материалов;

- уменьшение объёмов сепарированного осадка, их утилизация с возможностью их дальнейшего использования (например, в дорожном строительстве);

- обеспечение возможности управления процессом очистки с помощью разработанного автоматизированного рабочего места (АРМ) для обеспечения максимальной экономической эффективности комплекса.

Состав и назначение комплекса. Как отмечалось выше, решение этих задач может быть достигнуто на базе современных физико-химических методов очистки в сочетании с интенсификацией процесса с использованием ультразвукового воздействия [7]. В состав мобильного сонохимического комплекса очистки сточных вод входят следующие автономные блоки, смонтированные в отдельных контейнерах:

- отделения механических примесей (ОМП);

- реагентно-флотационной очистки воды (РФО);

- гальванокоагуляционной обработки воды (ГКО);

- ультрафиолетовой стерилизации и контрольной фильтрации воды (УФС).

Первичная очистка стоков от грубодисперсных минеральных и органических

загрязнителей, нерастворённых примесей будет осуществляться в блоке отделения механических примесей. В блоке ОМП будут удалены свободные углеводороды, плавающие на поверхности, эмульсии с размером частиц от 10-7-10-5 м, взвешенные вещества на 40-60 %, БПКполн. снижена на 20-40 %.

Следующая ступень очистки стоков вод нефтепродуктов будет осуществляться в блоке РФО, при этом в зависимости от количественного и качественного состава загрязнений будут применяться различные реагенты, такие как: Аква-Аурат (А10, А18 или А30), гидрохлорид алюминия марки Б, Праестол (852, 853, 857 или 2540) и др. Нами были проведены предварительные исследования, которые показали, что модуль предварительной ультразвуковой активации реагента (в течение 5-10 мин) позволяет значительно повысить эффективность реагента и повысить степень очистки на 15-20%, а следовательно снизить его расход [8, 9]. Для разработки блока РФО производительностью 10 м3/ч, с учетом имеющегося задела, требуется: оптимизация режимов обработки реагентов на базе АКФК с учетом производительности блоков, проведение компьютерного моделирования процесса в целом и отдельных блоков, входящих в состав комплекса, создание макетов УЗ модулей и проведение испытаний макетов, предварительных и приёмочных испытаний блока в целом с использованием модельных стоков.

Если стоки содержат, кроме нефтепродуктов, тяжелые металлы и другие органические соединения, оставшиеся после РФО, то дальнейшая очистка будет осуществляться блоком ГКО. Для реализации этого способа применяются проточные аппараты барабанного типа (гальванокоагуляторы), работающие в непрерывном режиме методом микроферритизации с использованием магнетита, получаемого электрохимическим путём непосредственно во вращающихся барабанах. При этом происходит образование магнитных форм оксидных соединений железа, большую часть которых составляет магнетит. Высокая эффективность и глубина очистки сточных вод обеспечивается одновременным действием нескольких механизмов удаления загрязнений: катодное осаждение катионов металлов, образование ферритов и клатратов, а также коагуляция грубодисперсных примесей - сорбция органических веществ на кристаллах оксидных форм магнетите.

Гальванокоагуляционный способ очистки воды был значительно усовершенствован с помощью УЗ активации наработанных в гальванокоагуляторе магнетита [10-12]. В результате кавитационных процессов достигается уменьшение размеров частиц дисперсной фазы, увеличивается площадь соприкосновения гальванокоагулянта с загрязнениями, очищается и активируется их поверхность. Это позволяет уменьшить расход реагента в 1,5-2 раза и увеличить скорость процесса по сравнению с классическим гальванокоагуляционным способом.

Доочистка воды будет осуществлена на третьей ступени с использованием блока ультрафиолетовой стерилизации и контрольной фильтрации воды (УФС), с целью повторного использования воды или сброса в грунт или открытые водоёмы. Для усиления гидродинамического эффекта в зоне обеззараживания, необходимо блок оснастить гидродинамическим излучателем производительностью 10 м3/ч, провести расчёт его геометрических параметров, изготовить и испытать. Также необходимо провести экспериментальные исследования с целью определения рациональных режимных параметров УЗО и УФС сточных вод, провести предварительные и приёмочные испытания блока на модельных стоках и на объекте Заказчика.

Комплекс создаётся для эксплуатации в промысловых условиях и состоит из различных технологических блоков, работающих с сопоставимой производительностью. Блоки будут размещаться в отдельных контейнерах, что позволит обеспечить возможность транспортировки комплекса на дальние участки, его размещения на малых площадях, быстрый монтаж и демонтаж. Установка комплекса осуществляется на ровной бетонной площадке на объекте заказчика и не требует постройки специальных помещений.

Для увеличения экономической эффективности разработана автоматическая система управления (АСУ) комплексом, со следующими функциями:

- приём контролируемых и регистрируемых параметры о характере загрязнений на входе и выходе комплекса и выдача команд управления ультразвуковым и технологическим оборудованием;

- сбор информации о технологических параметрах работы комплекса;

- обеспечение рационального режима расхода химических реагентов;

- наглядное отображение процессов работы комплекса по мнемосхемам;

- контроль и диагностика технического состояния комплекса;

- звуковая и цветовая сигнализация тревог и аварийных событий;

- распечатка протоколов работы комплекса.

Разработан модуль компьютерного управления УЗ генераторами. Необходимо провести адаптацию компьютерных программ с учетом поставленных задач, подобрать датчики для контроля стадий процесса и разработать программное обеспечение для единой систему управления комплексом [13, 14].

Ожидаемый результат. В результате выполнения проекта будет:

- разработан мобильный ультразвуковой комплекс и сонохимическая технология очистки нефтезагрязненных вод производительностью 10 м3/ч;

- передан Заказчику полный пакет технологической документации;

- произведены, испытаны и переданы Заказчику 2 опытных образца комплекса;

- разработаны и согласованы с Заказчиком методики применения комплекса в зависимости от количественного и качественного состава нефтезагрязненных стоков;

- разработана и передана Заказчику технологическая карта для производства и использования реагента, наиболее эффективного при эксплуатации комплекса.

Технико-экономическое обоснование проекта.

Работы по созданию сонохимической технологии очистки нефтезагрязненных стоков ведутся с 2008 года. Для осуществления комплексного сонохимического воздействия на жидкую дисперсную среду сконструирован ряд высокоэффективных проточных промышленных реакторов. Все созданные прототипы обеспечивают возможность введения реагентов непосредственно в процессе обработки.

В результате выполнения проекта планируется внедрить в производство сонохимическую технологию и комплекс очистки нефтезагрязненных стоков приводящие к повышению степени очистки, уменьшению расхода реагентов, снижению общего водопотребления за счёт повторного использования очищенной воды. Синергетика комбинированного воздействия даст возможность предложить режимные параметры УЗ воздействия и новые реагенты, обеспечивающие значительное повышение эффективности очистки стоков.

Ключевые этапы проекта.

Работы по проекту будут проведены в 3 этапа. Срок реализации каждого этапа и объем финансирования представлен в ниже приведённой таблице 1.

Таблица 1. Сроки реализации объем финансирования проекта

№ п/п Наименование работ Срок выполнения работ, месяцы Объем финансирования, тыс. руб.

1 НИР 6 24 650

2 НИОКР 12 43 600

3 ОПИ 12 25 600

Итого 30 93 850

1 этап - Научно-исследовательские работы.

На этом этапе на базе лабораторных исследований будет изучена кинетика очистки нефтезагрязненных стоков с использованием акустического воздействия, а также будут определены рациональные режимные и технологические параметры процесса очистки: концентрация нефтезагрязненных стоков до и после очистки, степень очистки, влияние температуры на скорость очистки, доза реагентов, влияние предварительной УЗ активации реагентов на степень очистки и расход реагентов, интенсивность и время УЗО на степень очистки др. Кроме этого проведена разработка методов расчёта основных стадий процесса и их аппаратурного оформления, подбор наиболее эффективных реагентов. Исследования будут проведены по методикам ГОСТ.

Будут проведены предварительные полевые испытания созданных прототипов проточных реакторов на нефтезагрязненных стоках Заказчика, оценены их режимные и технологические параметры сонохимической обработки. По результатам испытаний будет проведён выбор оптимальной конструкции оборудования. Сумма затрат на проведение НИР приведена в табл. 2.

Таблица 2. Сумма затрат на проведение НИР

№ п/п Наименование Сумма, тыс. руб.

1 Оборудование для лабораторных и стендовых исследований 4 000

2 Разработка программного обеспечения для УЗ генераторов 3 500

3 Изготовления и испытания макетов модулей УЗ активации реагентов 4 150

4 Изготовления стендов для проведения пилотных испытаний 5 000

5 Разработка эскизного и технического проекта комплекса 6 600

16 Доработки макетов по результатам испытаний 1 400

Итого 24 650

2 этап НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Результатом НИОКР будет являться комплект комплекса для очистки нефтезагрязненных стоков и сонохимическая технология его применения.

Будет спроектирован и разработан мобильный комплекс, позволяющей в промышленном масштабе осуществлять комбинированное акустическое и химическое воздействие на нефтезагрязненные стоки. После окончания НИОКР будут проведены приёмочные испытания оборудования согласно ГОСТ.

Сонохимическая технология очистки нефтезагрязненных стоков производительностью 10 м3/ч позволит:

- повысить степень очистки стоков на 30-40 %;

- возможность эффективной очистки нефтезагрязненных стоков при значительных колебаниях концентрации вредных примесей и любых значениях РН без предварительной коррекции;

- снизить расход реагента в 1,5-2 раза (в зависимости от реагента);

- снизить общее водопотребление, за счет повторного использования очищенной воды не менее чем в 6^8 раз;

- экономический эффект при внедрении комплекса будет обусловлен его универсальностью, мобильностью, автономностью, ресурсо- и энергосбережением.

Сумма затрат на НИОКР по данной технологии представлена в табл. 3.

Таблица 3. Сумма затрат на проведение НИОКР

№ п/п Наименование Сумма, тыс. руб.

1 Испытания доработанных макетов 2 100

2 Разработки программного обеспечения системы автоматизированного управления комплексом 2 500

3 Масштабирование и отработка рациональных режимных и технологических параметров в укрупнённом масштабе на пилотном стенде 1500

4 Разработка комплекта опытно-конструкторской и технологической документации на комплекс 5 500

5 Изготовление и испытание 2-ух опытных образцов комплекса в контейнерном исполнении 32 000

Итого 43 600

3 этап - ОПИ (опытно-промышленные испытания).

ОПИ данной технологии планируется провести в течение 1 года после окончания НИОКР. В рамках программы ОПИ общая сумма затрат составит 25 600 тыс. руб., которая представлена в табл. 4.

_Таблица 4. Сумма затрат на проведение ОПИ_

№ п/п Наименование Сумма, тыс. руб.

1 Разработки программ предварительных и приёмочных испытаний 1 400

2 Транспортировки и монтажа комплексов на объекте испытаний 6 700

3 Проведение пуско-наладочных работ 3 700

4 Проведение опытно-промышленных испытаний 4 500

5 Проведения приемочных испытаний 4 200

6 Корректировки РКД по результатам испытаний и ее подготовки для серийного производства 3 000

7 Обучения персонала для работы с комплексом 1 000

8 Лицензирования комплекса 1 100

Итого 25 600

Подводя итоги, приходим к выводу, что разработанный комплекс и сонохимическая технология обладают следующими эксплуатационными преимуществами:

1. Универсальность: модули комплекса легко вписываются в существующие технологические цепочки и не требуют существенных доработок;

2. Комплексность: возможность эффективной очистки нефтезагрязненных вод при значительных колебаниях концентрации вредных примесей и значений водородного показателя без предварительной коррекции;

3. Автономность реализации сонохимической технологии обеспечивается тем, что не нуждаться в совмещении с дополнительной техникой. В частности, энергоснабжение оборудования осуществляется генератором, работающем на прямогонном дизельном топливе или бензине что особенно актуально в условиях Западной Сибири и Крайнего Севера;

4. Мобильность: компактность аппаратурного оформления позволяет устанавливать контейнеры с технологическими модулями на шасси грузовых автомобилей или простейшем фундаменте в местах переработки

5. Ресурсосбережение:

- сонохимическая технология позволяет в 1,5-2 раза уменьшить расход химических реагентов при очистке;

- повторное использование очищенной воды на технологические и хозяйственные нужды;

4. Энергосбережение: эксплуатационные затраты значительно снижены за счёт автоматизации процессов управления.

Литература и источники

1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2018 году». - М.: Минприроды России; НПП «Кадастр», 2019. - 844 с.

2. МуллакаевМ.С. Современное состояние проблемы извлечения нефти // Современная научная мысль. - 2013. - №4. - С.185-191.

3. Ayhan Demirba§, Hisham S. Bamufleh, Gaber Edris, Walid Alalayah. Treatment of contaminated wastewater. Petroleum Science and Technology. - 2017. - Vol. 35. - No 9. - P. 883-889.

4. Raed A. Al-Juboori, Les Bowtell. Ultrasound technology integration into drinking water treatment train. In book: Sonochemical Reactions. Edited by Selcan Karakus, Intech Open. 2019.

5. Бронфман О.Е. Подготовка проектов по водоподготовке и очистке сточных вод // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2019. - №2 (134). - С.4-9.

6. Некрасова Т. П., Крючихина А.Е. Экономическая эффективность применения системы очистки сточных вод // Научно-технические ведомости Сб ГПУ. - 2012. - № 2-1. - С. 64-72.

7. Муллакаев М.С. Ультразвуковая интенсификация процессов добычи и переработки нефти, очистки нефтезагрязненных вод и переработки нефтешламов. - М.: НИИ ИЭП, 2019. - 412 с.

8. DottiM.R., KargarR., SayadiM.H. Water treatment using ultrasonic assistance: A review. Proceedings of the international academy of ecology and environmental sciences. - 2012. - Vol. 2. - № 2. - P. 96-110.

9. Половков С.А., Мещеряков С.В., Гонопольский А.М., Иванов М.В. Интенсификация реагентной очистки нефтесодержащих сточных вод виброакустическим воздействием // Безопасность в техносфере. - 2017. - Т.6. - №6. - С. 25-32.

10. Соложенкин П.М. Теоретические основы и практические аспекты гальванохимической очистки сточных вод // Вода и экология. - 2007. - №2. - С.3-17.

11. Кошелева М.К., Булеков А.П., Кереметин П.П., Чабаева Ю.А., Муллакаев М.С., Векслер Г.Б. Оценка эффективности ультразвуковой обработки реагента при очистке сточных вод от органических загрязнений // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. -№ 5. - С. 125-129.

12. Абрамов В.О., Векслер Г.Б., Муллакаев М.С., Баязитов В.М, Кручинина Н.Е., Кереметин П.П., Парилов П.С. Ультразвуковой гальванокоагуляционный комплекс очистки загрязненных вод // Экология и промышленность России. - 2009.

- № 10. - С. 46-49.

13. Vasilev I., Hismatullin A. The theory of fuzzy sets as a means of assessing the periods of service of asynchronous electric motors. Proceedings - 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2020. С. 9111887.

14. Khismatullin A.S. Automated software to determine thermal diffusivity of oilgas mixture. 2018. Т. 1015. С. 052013.

References and Sources

1. Gosudarstvennyj doklad «O sostoyanii i ob ohrane okruzhayushchej sredy Rossijskoj Federacii v 2018 godu». M., Minprirody Rossii; NPP «Kadastr», 2019. - 844 s.

2. MullakaevM.S. Sovremennoe sostoyanie problemy izvlecheniya nefti // Sovremennaya nauchnaya mysl'. -2013. - № 4. - S. 185-191.

3. Ayhan Demirba§, Hisham S. Bamufleh, Gaber Edris, Walid Alalayah. Treatment of contaminated wastewater. Petroleum Science and Technology. -2017. - Vol. 35. -No 9. - P. 883-889.

4. Raed A. Al-Juboori, Les Bowtell. Ultrasound technology integration into drinking water treatment train. In book: Sonochemical Reactions. Edited by Selcan Karakus, Intech Open. 2019. ISBN 978-1-83880- 002-4.

5. Bronfman O.E. Podgotovka proektov po vodopodgotovke i ochistke stochnyh vod. Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie. - 2019. - № 2 (134). - S.4-9.

6. Nekrasova T. P., Kryuchihina A.E. Ekonomicheskaya effektivnost' primeneniya sistemy ochistki stochnyh vod. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sb GPU. - 2012. - № 2-1. - S. 64-72.

7. Mullakaev M.S. Ul'trazvukovaya intensifikaciya processov dobychi i pererabotki nefti, ochistki neftezagryaznennyh vod i pererabotki nefteshlamov.

- M.: NIIIEP, 2019. - 412 s.

8. Dotti M.R., Kargar R., Sayadi M.H. Water treatment using ultrasonic assistance: A review. Proceedings of the international academy of ecology and environmental sciences. - 2012. - Vol. 2. - № 2. - P. 96-110.

9. Polovkov S.A., Meshcheryakov S.V., Gonopol'skij A.M., Ivanov M.V. Intensifikaciya reagentnoj ochistki neftesoderzhashchih stochnyh vod vibroakusticheskim vozdejstviem. Bezopasnost' v tekhnosfere. - 2017. - T. 6. -№ 6. - S. 25-32.

10. Solozhenkin P.M. Teoreticheskie osnovy i prakticheskie aspekty gal'vanohimicheskoj ochistki stochnyh vod. Voda i ekologiya. - 2007. - №2. - S. 3-17.