CC BY
111
макроскопический (7 или 8 резонансных пиков), мезоскопический (2 или 3 резонансных пика) и микроскопический (2 резонансных пика) уровни деформирования.
По количеству и виду форм собственных частот колебаний все эти уровни также сильно отличаются. Так для макроскопического уровня деформирования характерно наличие нескольких тысяч всевозможных форм собственных частот, для мезоскопического уровня - это только всего несколько штук в основном крутильных форм, для микроскопического уровня - тоже очень мало собственных частот. Подробнее этот вопрос мы опишем в следующей статье.
Думаем, что подобное физическое обоснование может быть аналогично проведено и для не твердых тел.
Список литературы:
УДК 504.06
ГРНТИ 87.53.13
1. Архаров В.И. Мезоскопические явления в твердых телах и их мезоструктура // Проблемы современной физики. - М.: Наука.1980. С. 357-382.
2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. ВУЗов. Физика. 1982. № 6. С. 527.
3. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. -Новосибирск: Наука. 1985. - 229 с.
4. Шабуневич В.И. Масштабный эффект в динамике различных объектов. Примеры применения. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. - 262с.
5. Шабуневич А.В., Шабуневич В.И. Физическое обоснование важности цифры семь // Евразийский союз ученых (ЕСУ). 2017. № 11(44). С. 80-90
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕШЛАМОВ
DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2020.7.80.1137
Рящина А.Д.
Студент кафедры кафедры экологической и промышленной безопасности,
г. Москва Леонтьева С.В.
Канд. хим. наук, доцент кафедры экологической и промышленной безопасности,
г. Москва
ФГБОУ «МИРЭА-Российский технологический университет», г. Москва, Проспект Вернадского, д. 86
АННОТАЦИЯ
В настоящей работе приведена сравнительная характеристика традиционных методов обезвреживания и утилизации нефтесодержащих отходов. Базовые методы, используемые для этих целей, являются действенными, однако не лишены существенных недостатков. В связи с этим возникает потребность в поиске новых способов, которые будут экологичными и экономически выгодными. В качестве таких методов были предложены низкотемпературный пиролиз на установке Т-ПУ1, очистка нефтезагрязненных шламов с применением солнечной энергии, а также комплексная очистка нефтешламов. Главными их достоинствами являются соответствие современным экологическим нормам и образование в результате очистки продуктов, которые можно использовать в дальнейшем.
Был сделан вывод об уместности использования каждого из предложенных методов в зависимости от объема загрязнения.
ABSTRACT
This paper presents a comparative description of traditional methods of neutralization and disposal of oil-containing waste. The basic methods used for these purposes are effective, but they are not without significant drawbacks. In this regard, there is a need to find new ways that will be environmentally friendly and cost-effective. As such methods, low-temperature pyrolysis at the TPU 1 installation, purification of oil-contaminated sludge using solar energy, as well as complex purification of oil sludge were proposed. Their main advantages are compliance with modern environmental standards and the formation of products that can be used in the future as a result of cleaning. It was concluded that it is appropriate to use each of the proposed methods depending on the amount of contamination.
Ключевые слова: нефтешламы, обезвреживание нефтешламов, солнечная энергия, низкотемпературный пиролиз, комплексная очистка.
Keywords: oil sludge, oil sludge disposal, solar energy, low-temperature pyrolysis, complex cleaning.
Россия находится на одном из первых мест по уровню добычи, транспортировки и переработки нефти, поэтому проблема обезвреживания и утилизации нефтесодержащих отходов имеет
высокую степень актуальности. Ежегодно в России добывается около 400 млн. т. нефти, из которых от 1,5 % до 10 % (4,5 % млн. т. за год) теряется при добыче и транспортировке, приводя
катастрофическим загрязнениям окружающей среды [1].
Одним из существенных источников загрязнения окружающей среды являются нефтешламы. Под нефтешламами
подразумеваются образующиеся при добыче и подготовке нефти нефтесодержащие отходы, которые являются опаснейшими поллютантами и относятся ко II классу опасности [2].
Классификация
Нефтяные шламы имеют разнообразный состав, включающий в себя нефтепродукты, воды, песок, глину и прочие минеральные части. Соотношение всех элементов состава колеблется в очень широких пределах. Состав шламов зависит от глубины и типа перерабатываемого сырья, оборудования, схем переработки и прочих факторов [3]. В таблице 1 приведена классификация состава нефтешламов в зависимости от источника образования.
Таблица 1.
Состав, % Нефтешламы
Замазу ченный грунт Донны й шлам Продукты зачистки резервуаро в Водонефтяна я эмульсия Ловушечна я нефть Буровы е шламы Амбарны й верхний слой
Механические примеси 50-90 15-50 5-10 1.5-15 0.05-0.5 11-25 0.5-1.5
Нефть, нефтепродукты До 10 10-30 50-70 30-80 70-90 7-14 90-95
Асфальтены - 6.5 42 5-10 4-15 - 9.5
Смолы - 18 20 10-20 10-45 - -
Парафины - 2.5 5.6 3-9 2-10 - 3
Вода До 20 До 60 25-40 До 70 До 15 75-90 1.5-5
В таблице 2 приведены химический и минеральный составы нефтешламов [4]. Химический состав нефтешламов и минеральный состав нефтешламов.
Таблица 2.
Наименование компонента Количество, масс.%
Органические составляющие Влага Сера Минеральная часть
Нефтешлам 72 10.2 1.8 16
Содержание компонентов, %
8Ю2 СаО Бе2О3 А12О3 Остальное
4.55 3.14 1.65 2.36 1.0 3.3
В результате старения нефтешламов происходит испарение летучих углеводородов, что приводит к увеличению концентрации железа и серы. Также из-за протекания со временем реакций окисления, полимеризации и поликонденсации образуются другие соединения, например, асфальтены могут переходить в карбоиды и карбены, которые являются нежелательными продуктами реакции ввиду их токсичности [4, 5, 6].Как правило, накопление нефтесодержащих отходов осуществляется на специально оборудованных для этого площадках или в бункерах, при этом их сортировка и классификация не производится. Однако такой способ обращения с подобными отходами не является надежным, потому что шламы способны
самовоспламенятьсяиз-за возможности развития микроорганизмов, протекания окислительных и других процессов. В связи с этим необходимо проводить их обезвреживание [3].
Для обезвреживания и утилизации нефтесодержащих отходов применяются различные методы:
•Физические;
•Химические;
•Физико-химические;
•Биологические.
Все эти методы можно объединить в два принципиально различных технологических подхода: первый подход предусматривает непосредственную переработку или утилизацию отходов. Второй основан на подавлении активности загрязнителя, например, путем его нейтрализации, разложения, связывания, локализации и т.д. [7].
Все методы, которые используются на сегодняшний день, обладают как достоинствами, так и недостатками. Все они для сравнения объединены в таблицу 3.
Таблица 3.
Сравнительная характеристика методов утилизации и обеззараживания нефтешламов[8].
Метод Разновидность метода Преимущества Недостатки
1 2 3 4
Высокая
Сжигание в печах различных конструкций эффективность обезвреживания, применимо для многих видов отходов Большие затраты по очистке и нейтрализации дымовых газов
Термический Пиролиз Высокая степень разложения, возможность использования продуктов разложения Высокие материальные и энергетические затраты
Электроогневое сжигание Создаются практически идеальные условия горения пламени сжигаемых отходов, высокая степень очистки дымовых газов Высокие материальные и энергетические затраты
Физический Гравитационное отстаивание Не требует больших капитальных и эксплуатационных затрат Низкая эффективность разделения
Разделение в центробежном поле Возможность интенсификации процесса Требуется специальное оборудование, дороговизна оборудования
Разделение фильтрованием Сравнительно низкие затраты, высокая степень надежности, высокое качество целевых продуктов, менее требователен к качеству сырья Необходимость смены и регенерации фильтрующихся материалов, образование неутилизируемых остатков
Кавитационное обезвоживание Экономически эффективный: снижение содержания воды в 2 раза Необходимость поддержания перепада давлений на аппарате не ниже определенных значений
Виброкавитационное измельчение Низкие энергозатраты, высокая степень эффективности, возможность утилизации разных по составу нефтешламов, в том числе и донных Затраты на оборудование
Химический Химическое капсулирование загрязняющих веществ гидрофобными реагентами на основе оксида кальция Простота технологии, быстрота утилизации, высокая эффективность процесса, Высокий расход реагентов на тонну нефтешлама, стоимость реагентов
возможность использования продуктов утилизации в качестве вторичных материальных ресурсов
Физико -химический Применение специально подобранных ПАВ, деэмульгаторов, диспергаторов Возможность интенсификации процессов при введении небольших количеств добавок Высокая стоимость реагентов, требуется специальное дозирующее и перемешивающее оборудование, образуются неутилизируемые остатки
Виброкавитационная экстракция, промыв с ультразвуком Выход товарной нефти, возможность утилизации грунтов Высокие эксплуатационные расходы, необходимость использования реагентов
Биологический Биоразложение с применением специальных штаммов бактерий Возможность интенсификации процесса, требуются незначительные капитальные и энергетические затраты Требуется значительная подготовка земельных участков и специальное оборудование
Биоремедиация Восстановление почвенного покрова Необходимость организации полигонов, строгая зависимость от температурных условий
Засеивание растениями Восстановление почвенного покрова Длительность процесса, требования к природным условиям
Среди всех этих методов базовыми являются термический и химический методы, существенными недостатками которых являются неэкологичность из-за образования при сжигании термоустойчивых и токсичных соединений (полиароматических углеводородов, диоксинов и фуранов) в отходящих газах, а также выбросов в атмосферу значительных количеств тяжелых металлов (свинца, кадмия, ртути, ванадия и др.).
В связи с этим возникает необходимость в разработке новых способов, которые были бы выгодны как с экологической, так и с экономической точки зрения.
Одним из таких способов является низкотемпературный пиролиз на установке Т-ПУ1 (рисунок 1)[9].
Технологический процесс работы установки можно свести к следующим этапам:
•Загрузка реторты отходами через загрузочный люк;
•Установка загруженной реторты в печь;
•Присоединение парогазового трубопровода реторты к трубопроводу холодильника;
•Включение подачи охлаждающей воды к холодильнику;
•Загрузка на колосники и розжиг твердого топлива (дрова, уголь, брикеты из технического углерода);
•Повышение и поддержание температуры в печи до появления пиролизного газа при помощи твердого топлива.
Основными достоинствами установки являются:
1)Невысокая стоимость, компактность, простота в работе и обслуживании (по сравнению с другими пиролизными установками);
2)Установка не оказывает воздействие на поверхностные и подземные воды, т.к. вода, поступающая на охлаждение, циркулирует в замкнутой системе;
3)При работе установки максимальные приземные концентрации всех рассеиваемых веществ на границе ориентировочной санитарно-защитной зоны, не превышают ПДК;
4)Утвержденная в Государственной экологической экспертизе на оборудование санитарной-защитной зоны всего 100 метров;
5)Результатом процесса полукоксования является образование зольного остатка, который имеет широкий спектр применения: используется в качестве наполнителя в производстве резин, транспортерных лент, технических пластин, и многого другого, является пигментом для производства красок. Зольный остаток более низкого качества применяется в строительстве (из него делается тротуарная плитка, бетонные изделия и кирпич), в качестве твердого топлива, для приготовления модифицированного жидкого топлива, в качестве сорбента, заменителя активированного угля.
Производительность установкидо 8 м3 в сутки.
1 - ретортная печь; 2 - реторта; 3 - холодильник; 4 - сборник; 5 - сепаратор; 6 - система наддува
Рисунок 1. Пиролизная установка Т-ПУ1.
Другим инновационным методом является очистка нефтезагрязненных шламов с применением солнечной энергии [10, 11].
Устройство (рисунок 2) имеет теплоизолированный корпус (1), внутри окрашенный в черный цвет, сверху которого на металлическом каркасе (2) установлена съемная светопроницаемая оболочка в виде цилиндрической формы из пластиковых линз (3), заполненная наполовину нефтяным маслом (4),
максимально фокусирующая прямую и рассеянную солнечную радиацию даже невысокой плотности, которая играет роль нагревателя в устройстве. Светопроницаемая оболочка дополнительно накрывается полиэтиленовой пленкой (5) для предотвращения теплопотерь. Полученная продуктивная нефть после нагрева сливается в резервуар для сбора нефти (6), через трубу (7), соединенную с корпусом устройств.
1 - теплоизолированный корпус; 2 - нефтезагрязненный грунт или нефтешлам; 3 - металлический каркас; 4 - съемная светопроницаемая оболочка в виде цилиндрической формы из пластиковых линз; 5 - нефтяное масло; 6 - полиэтиленовая пленка; 7 - резервуар для сбора нефти; 8 - труба, соединенная с корпусом устройства Рисунок 2. Устройство для очистки нефтесодержащих отходов.
Устройство имеет ряд преимуществ: •Продукт очистки нефтесодержащих отходов представляет собой ценное углеводородное сырье, которое можно переработать, или использовать для других целей;
•Простота конструкции устройства; •Высокая производительность устройства; •Его относительная дешевизна;
•Использование такого устройства в значительной мере снизит уровень отрицательного воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду;
•Использование поглощенной и отраженной солнечной радиации, что устраняет необходимость применения традиционных источников энергии.
Третий возможный вариант - это комплексная технологическая установка утилизации нефтешламов [12].В нее входят различные компоненты:
•Инструменты для изъятия отходов из резервуара. Как правило, это погружные насосы, конструкция которых включает в себя систему подогрева небольшой площади. Альтернатива -экскаватор с ковшом.
•Инструмент для зачистки резервуаров. Это специальный трактор, разжижающий шлам. Образовавшиеся отходы удаляются при помощи насоса.
Первичная переработкапредполагает нагрев с последующим перемешиванием и осветлением. Из смеси удаляются крупные примеси (к примеру, камни). Для повышения эффективности фильтрации используется нагрев. Далее отходы перемешиваются с реагентами для их разделения на различные компоненты: воду, нефть и твердые элементы. Заключительный этап - вывоз отфильтрованных отходов на специальный полигон или же их повторное использование в производстве.
Схематичное представление процесса комплексной очистки нефтешламов представлено на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема комплексной очистки нефтешламов.
Нефтяной шлам подается в емкость, где происходит смешение и разогрев его от 40 до 80 °С. Далее нефтешлам подается в декантирующую центрифугу. Под действием центробежной силы в декантирующей центрифуге происходит разделение на три фазы: водную, нефтяную и твердую. Вода отводится в емкость и далее направляется на очистные сооружения. Нефтяная фаза выходит в промежуточную подогреваемую емкость и далее перекачивается на завод. Твердая фаза транспортируется на полигон, где производят биологическую доочистку [13].
Преимущества комплексной очистки: •Материал, получаемый в результате очистки имеет минимальные примеси, что позволяет использовать его в дальнейшем (например, при укладке асфальтобетона.
•В воде по результатам очистки остается минимальный объем примеси нефти: не больше 1.5-
2%, что облегчает биологическую очистку в дальнейшем.
•Установка по очистке нефтешламов отличается высокой эффективностью
(производительность составляет до 15000 тонн уничтоженных отходов в год).
•Результаты очистки соответствуют современным экологическим нормам.
•Образование углеводородов, которые возможно вторично применять при создании нефтесодержащих продуктов[12].
Все методы, рассмотренные выше, являются экологичными, однако ни один из них не является универсальным: каждый из них может быть использован в зависимости от того, какой объем нефтешламов необходимо очистить и какой результат ожидается от этой очистки. В таблице 4 приведена сравнительная характеристика выбранных методов.
Таблица 4.
Сравнение предлагаемых технологий.__
^ч. Метод Критерии4^ сравнения Низкотемпературный пиролиз на установке Т-ПУ1 Очистка нефтешламов с использованием солнечной энергии Комплексная очистка
1 2 3 4
Стоимость обслуживания Стоимость установки-2950000 руб. Потребляет 1 кВт электроэнергии и работает за счет вырабатываемого природного газа. Экономический эффект для предприятия 641 147.43 рублей в год [14]. 5 000 000 - 8 000 000 руб [15].
Производительность До 8 куб. м./сутки - до 15000 тонн отходов в год
Получаемый продукт Зольный остаток, имеющий широкий спектр применения Ценное углеводородное сырье, которое можно переработать, или использовать для других целей Углеводороды, которые возможно вторично применять при создании нефтесодержащих продуктов; Материал с минимальными примесями, используемый в дальнейшем (например, при укладке асфальтобетона).
Необходимость дополнительного обучения сотрудников Особые навыки не требуются Не требуется Не требуется
Влияние на состояние окружающей среды При работе установки максимальные приземные концентрации всех рассеиваемых веществ на границе ориентировочной санитарно-защитной зоны, не превышают ПДК; Утвержденная в Государственной экологической экспертизе на оборудование санитарная-защитная зона составляет 100 метров. Способ решает важную экологическую проблему очистки нефтезагрязненных грунтов, способствует восстановлению и предотвращению деградации природных комплексов, снижению загрязнения почвенного слоя и водоемов. В воде по результатам очистки остается минимальный объем примеси нефти: не больше 1,5-2%; результаты очистки соответствуют экологическим нормам.
Недостатки Высокомолекулярные элементы не расщепляются Сложность конструкции. Для нагрева использован масляный нагреватель, который требует использования традиционного вида энергии, что вызывает дополнительные расходы. Длительность процесса; значительные энергозатраты
На основании данных, приведенных в таблице 3, можно сделать вывод, что метод низкотемпературного пиролиза на установке Т-ПУ1 и очистка нефтешламов с использованием солнечной энергии будут уместны в случае, если требуется очистить небольшое количество нефтешламов.
Если речь идет о большом количестве нефтесодержащих отходов, а также об отходах, которые долгое время хранились в резервуарах, то рационально использовать комплексную очистку, которая позволяет очищать резервуары объемом до 5000 м3.
Список литературы:
1.Ахметов А.Ф., Гайсина А.Р., Мустафин И.А. Методы утилизации нефтешламов различного происхождения // Нефтегазовое дело. 201!. Т. 9. № 3. С. 108 - 111. [Akhmetov AF, Gaisina AR, Mustafin IA. Methods of utilization of oil sludge of various origin. Oil and Gas business. 2011;9(3):108-11L(In Russ).]
2.БрязгинаЕ.Ю., НасыровР.Р. Утилизация нефтесодержащих отходов на цементном производстве // Фундаментальные исследования. -2013. - № 10-6. - С. 1200-1202.[Bryazgina EY, Nasyrov RR. Utilization of oil-containing waste in cement production. Fundamental research. 2013;10(6):1200-1202.(In Russ).]
З.ЭкоВебСервис / Классы опасности отходов. URL:http://www.ecowebservice.ru/klassy-opasnosti-othodov.
4.Ярославцева А.А. Оценка эффективности использования термических методов при переработке нефтесодержащих отходов: дипломная работа (диссертация магистра). Тольяттинский государственныйуниверситет, Тольятти, 2019. - 97 с. [Yaroslavtseva AA. Evaluation of the effectiveness of using thermal methods in the processing of oil-containing waste: thesis (master's thesis). TolyattistateUniversity, Tolyatti, 2019;97. (InRuss).]
5.Весникова А.В., Бургонутдинов А.М.. Химическое воздействие отходов асфальтогранулята на объекты экосистемы при их временном складировании // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2017. - №2. - с. 59. [VesnikovaAV, BurhanuddinAM. Chemical impact of asphalt granulate waste on ecosystem objects during their temporary storage. Transport. Transport construction. Ecology.2017;(2):59.(InRuss).]
6.Нагорнов С.А., Романцова С.В., Черкасова Л.А. Исследование состава нефтяных шламов // Вестник ТГУ. - 2001. - вып.1. - C. 26-28. [Nagornov S.A., Romantsova SV, Cherkasova L.A. Investigation of the composition of oilslurries. Vestnik TSU. 2001;(1):26-28. (InRuss).]
7.Хайдаров Ф.Р., Хисаев Р.Н., Шайдаков В.В., Каштанова Л.Е. Нефтешламы. Методы переработки и утилизации: Монография: .- Уфа., 2003. - 74 с. [KhaidarovFR, HisaiRN, SaidakovVV,
Kashtanova L E. Sludge. Recycling and disposal methods: Monograph. Ufa, 2003;74.(InRuss).]
8.Литвинова Т.А. Современные способы обезвреживания и утилизации нефтесодержащих отходов для ликвидации загрязнения окружающей среды // Научный журнал КубГАУ. - 2016. -№123(09). [Litvinova TA. Modern methods of neutralization and utilization of oil-containing waste for elimination of environmental pollution. The scientific journal of the Kuban state agrarian University. 2016;123(09).(InRuss).]
9.Пиролиз - Экопром. URL: http://piroliz-ecoprom.ru/?yclid=3858363631220580962.
10.А.с. № 62876. Устройства для очистки нефтезагрязненных почв, грунта или нефтешлама от нефтепродуктов / Абдибаттаева М.М. и др. -0публ.15.01.2010.бюл. № 1.[A. S. No. 62876. Devicesforcleaningoil-contaminatedsoils, soiloroilsludgefrompetroleumproducts / AbdibattayevaMM. etal. - Publ. 15. 01. 2010. Byul. no. l.(InRuss).]
11.Абдибаттаева М.М., Рысмагамбетова А. Переработка нефтесодержащих отходов с использованием инновационных методов // Современные наукоемкие технологии. - 2012. - № 12. - С. 32-37. [Abdybachaev MM, Ismagambetova A. Treatment of oily wastes using innovative methods. Modern science-intensive technologies, 2012;(12):32-37.(InRuss).]
12.Полиинформ / Современные способы утилизации нефтешламов. URL: http://www.polyinform.ru/node/1753.
13.Geum,ru / Переработка и утилизация нефтешламов. URL: http://geum.ru/doc/work/113619/20000.php.
14.ЖубандыковаЖ.У. Разработка способа утилизации нефтезагрязненных грунтов с применением солнечной энергии: Автореф... дис. кан. тех. наук. - А.: 2009. - 28 с. [ZhubandykovaZhU. Development of a method for utilization of oil-contaminated soils with the use of solar energy: author's abstract ... dis. Kan. tech. nauk. - A.: 2009;28. (InRuss).]
15.StudRef / Соколов Л.И. Переработка и утилизация нефтесодержащих отходов. / Стоимость зарубежного оборудования. URL: https://studref.com/403977/ekologiya/stoimost_zarube zhnogo_oborudovaniya.
