Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. Анализ состояния проблемы обращения с твердыми
отходами нефтедобычи и направление поиска ее решения 15
1.1. Образование, основные характеристики, влияние на природные
геосистемы отходов нефтедобычи 16
1.2. Анализ условий образования, состава и свойств асфальто-смоло-
парафиновых отложений (АСПО) 22
Состав и свойства АСПО 24
Классификация АСПО по компонентному составу 29
Коллоидно-химические свойства АСПО 32
Адгезионные связи в АСПО и адгезия АСПО к различным материалам 34
Известные направления утилизации АСПО 36
Обоснование способов утилизации АСПО в качестве вторичного материального ресурса 41
Состояние системы обращения твердых отходов нефтедобычи в России 47
Анализ основных направлений использования нефтеотходов в качестве вторичного сырья 55
Использование нефтеотходов в дорожном строительстве.... 56
Использование нефтеотходов при производстве строительных материалов 58
Использование нефтеотходов в топливной промышленности 60
Прочие направления использования нефтеотходов 62
Результаты анализа направлений использования нефтеотходов в качестве вторичного сырья 63
1.5. Постановка целей и задач исследований 67
Глава 2. Разработка стратегии и мероприятий по снижению
экологической нагрузки на природные геосистемы при
обращении с твердыми отходами нефтедобычи 71
2.1. Эколого-экономический анализ и оценка действующей на территориальном уровне системы обращения с отходами
нефтедобычи в России 71
2.1.1. Описание действующей на территориальном уровне системы
обращения с твердыми отходами нефтедобычи 71
2.1.2. Расчет эколого-экономического ущерба от существующих
схем движения твердых отходов нефтедобычи 81
2.1.3. Оценка действующей системы обращения с твердыми
отходами нефтедобычи в России 86
Концепция и принципы обращения с твердыми отходами нефтедобычи 88
Разработка классификации твердых отходов нефтедобычи
(на примере Пермской области) 90
Разработка методики расчета образования и размещения отходов нефтедобычи 94
Анализ ресурсного потенциала твердых отходов нефтедобычи.... 102
Предлагаемая схема обращения с твердыми отходами нефтедобычи 104
Критерии выбора технологии утилизации твердых отходов нефтедобычи в качестве вторичного сырья 110
t Глава 3. Разработка технологии применения органоминерального
гидроизоляционного материала на основе АСПО 118
3.1. Характеристика компонентов, приготовление, методы и
результаты лабораторных исследований образцов материала 120
3.2. Методика проведения натурных исследований свойств экрана с
применением органоминерального гидроизоляционного
материала на экспериментальной площадке 127
Результаты натурных исследований 130
Разработка технологии и организации строительства противо-фильтрационного экрана с применением органоминерального гидроизоляционного материала на основе АСПО 132
Технико-экономический анализ предлагаемого способа утилизации АСПО в составе органоминерального гидроизоляционного материала 139
Глава 4. Разработка технологии получения и применения
гидроизоляционного материала на основе АСПО
и термопластов 146
4.1. Анализ процессов формирования структур полимерорганического
материала 146
Влияние свойств полиэтилена 151
Влияние свойств и структуры АСПО 154
4.2. Разработка оптимальных составов полимерорганического
гидроизоляционного материала 155
Характеристика компонентов, приготовление и методы испытаний образцов полимерорганического материала 158
Результаты лабораторных исследований получения состава
для противофильтрационной защиты 159
4.2.3. Результаты лабораторных исследований получения состава
для кровельной и гидроизоляционной мастики 167
4.3. Рекомендации по применению полимерорганических материалов
на основе АСПО и отходов полиэтилена 174
Область применения, составы композиций и конструкции 174
Рекомендации по производству работ 183
4.3.3. Разработка технологии и организации строительства
с применением полимерорганического материала 186
4.3.4. Технико-экономический анализ предлагаемого способа
і утилизации АСПО в составе полимерорганического
материала 189
Глава 5. Разработка технологии получения и применения
углеводородной смазки на основе АСПО 193
5.1. Анализ процессов формирования структуры углеводородной
смазки на основе АСПО 193
Влияние структуры и свойств АСПО 199
Влияние свойств твердых углеводородов 207
Влияние присадок 210
5.2. Разработка оптимального состава углеводородной смазки на основе
АСПО 211
5.2.1. Характеристика компонентов, приготовление и методы
I испытаний образцов смазки 213
5.2.2. Результаты лабораторных исследований образцов смазки... 215
5.3. Рекомендации по получению и применению углеводородной
смазки на основе АСПО 220
Технология производства смазки на основе АСПО 220
Технические условия на смазку на основе АСПО 232
Технико-экономический анализ предлагаемого способа утилизации АСПО в составе углеводородной смазки 232
Глава 6. Разработка технологии получения брикетированного
топлива на основе АСПО 239
6.1. Анализ процессов формирования структуры брикетированного
топлива на основе АСПО 240
Влияние структуры и свойств АСПО 243
Влияние структуры и свойств углей 253
Влияние условий взаимодействия 258
6.2. Разработка оптимального состава топливного брикета на основе
АСПО 261
6.2.1. Характеристика компонентов, приготовление и методы
испытаний образцов брикетов 263
6.2.2. Результаты исследований образцов брикетов 264
6.3. Рекомендации по получению брикетированного топлива на основе
АСПО 273
6.3.1. Технология производства угольных брикетов на основе
АСПО 273
6.3.2. Технология подготовки АСПО для использования в
качестве связующего брикетного топлива 275
6.3.3. Технические условия на угольные брикеты на основе
АСПО 278
6.3.4. Технико-экономический анализ предлагаемого способа
утилизации АСПО в качестве связующего угольных
брикетов 279
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 283
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 288
ПРИЛОЖЕНИЯ
\
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обеспечения экологической безопасности при обращении с твердыми отходами нефтедобычи является актуальной во всем мире, но особенно остро проявляется в России практически в каждом нефтедобывающем регионе (Пиковский Ю.И., Рябчиков A.M., Михайловер М.Д., Ермолаев Г.М., и др.). Потери нефти, содержащейся в отходах, по экспертным оценкам составляют примерно 3 % от ее годовой добычи. При годовой добыче нефти в РФ 348-367 млн. т ежегодный объем образования нефтеотходов в России может достигать до 10 млн. т. Важность проблемы определяется не только значительным количеством, но и негативным воздействием нефтеотходов практически на все компоненты природной среды. В результате их воздействия происходит существенное изменение природного состояния геоэкологической среды, снижение естественной защищенности подземных вод, активизация геохимических и геомеханических процессов, смена естественного микробиоценоза (Кос-тарев СМ., Глазовская М.А., Пиковский Ю.И., Солнцева Н.П., и др.) Угрожающий рост накапливаемых ежегодно опасных нефтеотходов при отсутствии необходимых масштабов их утилизации приводит к изъятию земельных ресурсов на длительные сроки. В то же время нефтеотходы относятся к вторичным материальным ресурсам и по своему химическому составу и полезным свойствам могут быть использованы в народном хозяйстве вместо первичного сырья (Минигазимов Н.С., Расветалов В.А., Зайнуллин Х.Н., Безрук В.М., Рацен З.Э. и др.)
Как показал анализ состояния проблемы и проведенные нами исследова
ния, обращение с нефтеотходами должно включать: минимизацию их обра-
( зования, экологически безопасное обращение, максимальное их разделение
на группы уже на стадии образования для обеспечения возможности применения наиболее рациональных способов утилизации или обезвреживания каждой группы отходов, разработку экономически доступных и технически осуществимых технологий для вовлечения отходов в ресурсооборот. Необходима разработка методологических подходов, позволяющих решать про-
7 блему утилизации нефтеотходов не традиционными деструктивными способами, а методами повышения потребительских свойств, очистки от лишних примесей и компонентов, концентрирования, обезвоживания и другими способами обогащения с применением отходов в смежных областях производства. Такие подходы по вовлечению отходов в ресурсооборот должны быть положены в основу стратегии обращения с нефтеотходами и соответствующих технических решений.
Система обращения с отходами нефтедобычи должна включать следующие стадии: образование, раздельное накопление и сбор, транспортирование, переработку, обезвреживание и размещение в окружающей среде неути-лизируемых остатков. В сложившейся практике большинства российских предприятий обращение с нефтеотходами сводится к их совместному сбору, транспортировке и временному размещению качественно разных потоков отходов, что затрудняет их дальнейшее использование.
Применяемые технологии утилизации нефтеотходов, направлены на переработку, в основном, верхнего (нефтяного) слоя шламонакопителей (Ми-нигазимов Н.С., Брондз Б.И., Расветалов В.А., Ольхов П.П., Гильманов Х.Г. и др.). Обезвреживание нефтепромысловых шламов осуществляется преимущественно деструктивными методами, не позволяющими вернуть полезные компоненты отходов в ресурсооборот (Шангареев P.P., Зайнуллин Х.Н., Ба-широв В.В., Шантарин В.Д. и др.). Результаты анализа сложившейся практики обращения с нефтеотходами позволяют констатировать: в стране не существует комплексного решения проблемы утилизации отходов от добычи нефти, ликвидации и рекультивации мест их размещения.
Это позволяет сделать вывод о том, что разработка научных и практических основ ресурсосберегающих технологий использования твердых отходов нефтедобычи для обеспечения экологической безопасности природных геосистем является важной народно-хозяйственной задачей, для решения которой требуется разработка новых концептуальных подходов и эколого-технических решений.
Объект исследований. Нефтедобывающая промышленность, как отрасль народного хозяйства, в которой образуются отходы; нефтеотходы, как источник загрязнения окружающей среды и вторичные ресурсы; обращение с твердыми отходами нефтедобычи; материалы и продукты, полученные на основе нефтеотходов.
Предмет исследований. Технологические процессы получения материалов и продуктов с применением твердых отходов нефтедобычи (на примере асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО)).
Цель работы. Обеспечение экологической безопасности окружающей среды при обращении с нефтеотходами путем разработки и внедрения научно обоснованных ресурсосберегающих технологий использования твердых отходов нефтедобычи.
Идея работы заключается в снижении техногенной нагрузки на природные геосистемы путем минимизации образования, получения отходов с заданными свойствами и вовлечения в ресурсооборот твердых отходов нефтедобычи с использованием их полезных свойств и ценных компонентов для производства экологически безопасных материалов и продуктов, обладающих высокими потребительскими свойствами.
Основные задачи исследований:
Провести эколого-экономический анализ действующей системы движения нефтеотходов и разработать стратегию обращения с твердыми отходами нефтедобычи, обеспечивающую ресурсосбережение и экологическую безопасность при их движении.
Разработать классификацию отходов нефтедобычи для обоснования выбора оптимальной технологии утилизации, методику расчета нормативов образования и размещения, оценить ресурсный потенциал твердых нефтеотходов, выявить основные факторы и граничные условия, определяющие пригодность отходов в качестве техногенного сырья; разработать критерии и методику выбора оптимальной технологии утилизации твердых отходов нефтедобычи.
Обосновать экологическую безопасность применения органомине-рального гидроизоляционного материала на основе АСПО для противо-фильтрационной защиты полигонов захоронения отходов; разработать конструкцию защитного экрана и исходные данные для проектирования технологической схемы устройства гидроизоляционного экрана; оценить эколого-экономическую эффективность предложенного способа утилизации АСПО.
Установить особенности формирования структуры полимерорганиче-ского материала на основе АСПО и термопласта; разработать составы поли-мерорганических гидроизоляционных материалов, технические условия, технологию производства материалов и конструкционные решения по их применению; обосновать экономическую эффективность применения полученных материалов.
Изучить механизм структурообразования углеводородной смазки на основе АСПО; разработать состав, технологию и технические условия получения смазки; выполнить эколого-экономическое обоснование утилизации АСПО в производстве смазки.
Проанализировать факторы, влияющие на формирование структуры угольного брикета и обосновать возможность использования в качестве связующего АСПО; разработать состав, технологию и технические условия получения брикетированного топлива, обосновать эколого-экономическую эффективность утилизации АСПО в технологии брикетирования.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплекс методов, включающий: анализ и обобщение научно-технической литературы по исследуемому направлению; экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях; материальный баланс; математическую статистику, экспертные оценки; ранжирование; ABC-анализ; технико-экономический анализ; традиционные химические и физико-химические методы, используемые для исследования структуры, свойств сырья, материалов и продуктов в нефтеперерабатывающей отрасли, производстве строительных материалов и топливной промышленности.
10 Основные положения диссертации, выносимые на защиту;
Концепция и принципы обращения с твердыми отходами нефтедобычи, обеспечивающие экологическую безопасность окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.
Классификация, методика расчета нормативов образования и размещения, результаты оценки ресурсного потенциала отходов нефтедобычи, критерии и методика выбора оптимальной технологии утилизации твердых отходов нефтедобычи в качестве вторичного сырья.
Научно обоснованные технические решения по применению органо-минерального гидроизоляционного материала на основе АСПО.
Научные и практические основы производства и применения гидроизоляционных полимерорганических материалов на основе АСПО и термопластов.
Ресурсосберегающая технология утилизации АСПО в производстве углеводородной консервационной смазки.
Научно обоснованные технические решения по утилизации АСПО в технологии брикетирования.
Научная новизна результатов исследований:
Разработана концепция обращения с твердыми отходами нефтедобычи, рассматривающая их как элемент природно-ресурсной системы и базирующаяся на принципах: минимизации образования; раздельного сбора; получения отходов с заданными свойствами; обогащения и вовлечения в ресур-сооборот групп отходов с ценными физико-химическими свойствами; экологически безопасного хранения, утилизации, обезвреживания и размещения в окружающей среде неутилизируемых твердых остатков этих отходов.
Разработана классификация отходов нефтедобычи, являющаяся базой для выбора оптимальной технологии их обезвреживания, переработки и утилизации, основанная на характеристике источников их образования, агрегатном состоянии и составе, включающая следующие группы: жидкие нефтеот-ходы, отходы ремонта, нефтегрунт, АСПО.
Определены основные факторы (массовое содержание в отходе нефтепродуктов, механических примесей и воды; массовая доля нефтеотхода в целевом продукте; происхождение отхода) и граничные условия, определяющие пригодность твердых отходов нефтедобычи в качестве техногенного сырья для различных отраслей промышленности.
Разработана система критериев и предложена методика выбора оптимальной технологии утилизации нефтеотходов, основанная на расчете комплексного ресурсо-эколого-экономического критерия по каждой технологии.
Обоснован новый ресурсный подход к отходу нефтедобычи - АСПО, основанный на полезных структурно-механических, химических, коллоидно-химических, адгезионных свойствах отложений, обусловленных высоким содержанием ценных высокомолекулярных соединений - до 98% (в т. ч. ас-фальтенов 0,3-45 %, смол 0,8-20 %, парафинов 12-86 %, масел 6,5-50 %), рассматривающий АСПО в качестве полупродукта для дальнейшего использования.
Выявлена эмиссия нефтепродуктов при экстракции водой из органо-минерального гидроизоляционного материала на основе АСПО - 0,00065 мас.% и обоснована необходимость его изоляции сверху и снизу слоями глины по принципу «материал в обойме» в конструкции противофильтраци-онного экрана для обеспечения экологической безопасности материала при использовании.
Впервые исследовано взаимодействие АСПО с полиэтиленом и доказана возможность получения полимерорганических материалов с высокими прочностными и гидрофизическими свойствами. Разработан состав нового гидроизоляционного покрытия, мас.%: АСПО 40-50, отходы полиэтилена 50-60 (патент РФ № 2211817) и новой гидроизоляционной мастики, состав мас.%: АСПО 89,9-94,9, отходы полиэтилена 5-Ю, четвертичный фторированный амин (С=14) - 0,1.
Впервые обоснована и подтверждена возможность утилизации АС
ПО в составе углеводородной консервационной смазки. Установлен опти-
12 мальный состав новой смазки, мас.%: АСПО 80-90, петролатум 10-20, присадка МНИ-7 - 1, обеспечивающий высокие эксплуатационные характеристики (патент РФ № 2238301).
Впервые обоснована и доказана возможность утилизации АСПО в качестве связующего для каменноугольного брикета. Установлены оптимальные технологические параметры процесса брикетирования с АСПО. Определено оптимальное соотношение компонентов в состав нового топливного брикета, мас.%: АСПО 72-78, уголь марки Г 22-28, обладающего высокими потребительскими свойствами (патент РФ № 2237082).
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспе-чивается применением современных методов теоретических исследований и анализа, большим объемом лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, выполненных по общепризнанным методикам; достаточной сходимостью результатов аналитических решений с результатами лабораторных и натурных исследований, использованием методов математической статистики.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
Разработаны «Методические рекомендации по расчету норм образования и размещения отходов нефтедобычи на предприятиях нефтяных компаний Пермской области», утвержденные Пермским областным управлением по охране окружающей среды. Рекомендации использованы при разработке «Проекта образования и размещения нефтеотходов на объектах ООО «ЛУ-КОЙЛ-Пермнефть».
Разработаны технические условия на органоминеральный гидроизоляционный материал на основе АСПО ТУ 5775-105-02069065-2000 «Гидроизоляционные смеси» (согласованные Федеральным центром экологии и благоустройства Госстроя РФ) и технология его применения. Технология использована при разработке «Технико-экономического обоснования устройства гидроизолирующего экрана на основе нефтеотходов для системы проти-вофильтрационной защиты опытного участка полигона захоронения ТБО го-
13 pa Ермашева Пермского района Пермской области» и реализована при строительстве экрана на участке (площадью 0,37 га) этого полигона. Использование предлагаемого материала обеспечивает снижение себестоимости строительства противофильтрационного экрана в 2,74 раза по сравнению с экраном из полиэтиленовой пленки.
Разработана технология производства и применения полимероргани-ческих гидроизоляционных материалов на основе АСПО и отходов полиэтилена. Разработаны технические условия ТУ 02 5893-001-02069065-2004 «Полимерорганические гидроизоляционные материалы», согласованные ФГУП Федеральный центр благоустройства и обращения с отходами Госстроя России. Технология внедрена на ООО «Сатурн-Р» путем производства и использования материалов для гидроизоляции строительных конструкций промышленного здания автоцентра в г. Перми. Экономический эффект от внедрения составил 106,2 тыс. руб.
Разработана технология утилизации АСПО в производстве новой углеводородной консервационной смазки и технические условия ТУ 02 5463-002-02069065-2004 «Смазка консервационная на основе АСПО», согласованные ОАО «Энергетик-ПМ». Опытная партия смазки (130 кг) была получена и использована на ОАО «Энергетик-ПМ» для консервации электросилового оборудования. Применение АСПО обеспечивает снижение расхода товарного сырья на 0,85 т/т смазки, уменьшение его стоимости в 3,6 раза в сравнении с пушечной смазкой при равных показателях качества.
Разработана ресурсосберегающая технология утилизации АСПО в технологии брикетирования с каменным углем и технические условия ТУ 03 2090-003-02069065-2004 «Брикетированное топливо на основе АСПО», согласованные Кунгурским городским муниципальным предприятием «Тепло-энерго». Замена традиционного нефтесвязующего на АСПО экономит расход битума в количестве 0,08 т/т брикетов, а также снижает стоимость сырья для 1 тонны брикетов в 1,4 раза.
14 6. Разработаны «Методические рекомендации по проведению внутреннего (добровольного) экологического аудирования на предприятиях ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефть»; «Программа экологической безопасности ЗАО «Русская топливная компания» на 2000-2003 гг.». Материалы работы отражены в учебном пособии в рамках совместного европейского проекта ТЕМ-ПУС-ТАСИС TJEP-10333-97 и используются в лекционных материалах и практических занятиях по курсу «Экологический менеджмент и аудит» для студентов ПГТУ и РМЦПК ПГТУ.
Личный вклад автора в выполнении работы заключался в разработке методологии исследований, постановке цели и задач, планировании, методическом руководстве и личном участии в проведении основного комплекса исследований, обработке, анализе и обобщении результатов исследований, подготовке публикаций.
Апробация работы. Основное содержание работы было доложено, опубликовано и одобрено на 14 научных конференциях в том числе на 8 международных, 2 всероссийских, 4 региональных и межвузовских.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 36 публикациях в том числе: 1 монографии, 1 учебном пособии, 13 статьях, 18 тезисов докладов, 3 патентах РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы - 306 наименований и приложений. Изложена на 317 стр., содержит 36 рис. и 71 табл.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту проф., д. мед. н. Я.И. Вайсману за советы и консультации при постановке цели и задач научных исследований, д. т. н., проф. В.Н. Коротае-ву, аспирантке Т.В. Карачинцевой, к.т.н., доц. М.А. Тагилову, к.т.н., доц. Л.Е. Макаровой, инж. Н.Г. Луцуку за помощь в сборе и обработке материалов исследований.
