Загрязнение атмосферы происходит как в результате природных процессов, так и от хозяйственной деятельности человека, то есть из антропогенных источников.Загрязнение атмосферы естественным путем происходит при вулканических извержениях, пыльных бурях, лесных пожарах и т.д. При этом в атмосферу попадают твердые и газообразные вещества, относящиеся к непостоянным, переменным составным частям атмосферного воздуха.
Промышленные производства по количественному и качественному составу вредных выбросов разделяют на четыре группы.В нефтегазовой промышленности к производствам первой группы относятся, например, цеха с технологическими печами, работающими на природном газе и малосернистом мазуте; ко второй — производство азотной кислоты с каталитической очисткой; к третьей группе — цеха с дробильно-помольным оборудованием, сушильными барабанами, обогатительные фабрики; к четвертой группе — большинство нефтехимических производств, таких как производство полиэтилена, фенола, фталевого ангидрида, стирола, метанола, ацетилена и др.
При сжигании углеводородного сырья в энергетических установках образуются продукты их сгорания — различные компоненты: оксиды углерода, серы, азота.Оксид и диоксид углерода образуются при сгорании любого вида промышленного топлива. Наряду с оксидами углерода в продуктах сгорания топлив обнаруживаются формальдегид и другие продукты неполного сгорания (органические кислоты и др.). Наиболее существенное значение для экологии имеет наличие в составе выбросов формальдегида, обладающего высокой токсичностью и резким запахом. При сжигании угля или нефти с высоким содержанием серы образуется диоксид серы. Основным источником загрязнения атмосферы диоксидом серы на газоперерабатывающих заводах являются установки получения серы методом Клауса. Большие количества диоксида серы выбрасываются в атмосферу при производстве серной кислоты. Установки по ее производству имеются на раде нефтеперерабатывающих предприятий.
К загрязнителям атмосферы из числа кислых компонентов относят оксид углерода, сернистые соединения, оксиды азота.Вследствие этого у человека наступает аноксемия, отражающаяся, прежде всего, на центральной нервной системе. При вдыхании оксида углерода усиливается атеросклеротический процесс.
Прямого вредного воздействия газообразных углеводородов в окружающем воздухе на здоровье человека не обнаружено. Углеводороды и их производные, содержащиеся в атмосфере, опасны, прежде всего, как промежуточные продукты процессов образования окислителей, например, пероксиаце-тилнитрата (ПАН), ответственных за фотохимический смог.
В табл. 1.6 представлены данные о связи между концентрацией взвешенных частиц и их воздействием на человека и окружающую среду.
В последние 50—60 лет в поле зрения исследователей попали канцерогенные вещества, которые поступают в атмосферу с продуктами сгорания топлив, с газовыми выбросами нефтеперерабатывающих и коксохимических заводов.
К числу канцерогенов кроме 3,4-бензпирена и других полиароматических углеводородов относится также ви-нилхлорид, который может вызывать ангиосаркому печени и другие формы рака.До 1974 г. винилхлорид применяли в качестве пропеллента аэрозольных упаковок; после установления его канцерогенных свойств такое применение запрещено. Около 90% выбросов ви-нилхлорида в атмосферу образуется в производстве поливинилхлорида (при общем количестве выбросов в 100 тыс т/год).
Загрязнения, попадающие в атмосферу, могут претерпевать ряд химических превращений, приводящих к образованию нежелательных продуктов, являющихся, в частности, причиной фотохимического смога. Для атмосферных реакций, обычно происходящих при довольно низких температурах, важным фактором активации молекул является солнечный свет. «Бимолекулярное» взаимодействие кванта света с молекулой и вызываемые им последующие физические и химические изменения называются фотохимической реакцией.
Исходя из этого, можно дать следующее определение: ПДК вредного вещества в атмосфере — это максимальная его концентрация, отнесенная к определенному времени осреднения (20— 30 мин, 1 сут, 1 мес., 1 год), которая не оказывает ни прямого, ни косвенно-вредного воздействия на человека, его потомство и санитарные условия жизни.
Для регулирования качества окружающей среды введен и строго контролируется так называемый предельно-допустимый выброс (ПДВ), который устанавливают для каждого источника выброса вредных веществ (ВВ) в атмосферу. При этом должно соблюдаться условие, что выбросы ВВ данного источника в совокупности с выбросами других близлежащих источников не приведут к приземной концентрации, превышающей ПДК. В процессе установления ПДВ необходимо учитывать перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере.
К этой группе пылеулавливающих устройств относятся пылеосадительные камеры и инерционные и центробежные пылеуловители (циклоны). Основным достоинством этих устройств является простота конструкции, но пригодны они, главным образом, для предварительной грубой очистки.
В тех случаях, когда допустимо увлажнение очищаемого газа, применяются мокрые (гидравлические) пылеуловители. В этих аппаратах запыленный газ контактирует с жидкостью или орошаемыми ею поверхностями. Простейшей конструкцией является промывная башня (рис. 1.6), в которой имеется насадка из колец Рашига, орошаемая водой или другой жидкостью.
В последнее время для очистки газа стали широко применять скоростные газопромыватели, в которых под влиянием движущегося с большой скоростью газового потока происходит раздробление, распыление капелек жидкости, за счет чего увеличивается поверхность их соприкосновения. Образование капель небольшого размера, высокая турбулизация потока способствуют улавливанию в аппаратах частиц субмикронных размеров.
В барботажных аппаратах очищаемые газы в виде пузырьков проходят через слой жидкости; при этом вследствие большой поверхности контакта пузырьков газа с жидкостью процесс очистки газов от твердых частиц проходит с высокой эффективностью. Однако сложность изготовления аппаратов ограничивает их применение в промышленности.
Фильтрация через пористые материалы — один из наиболее совершенных методов очистки газов от твердых частиц. Газовый поток проходит через пористый материал различной плотности и толщины, в котором задерживается основная масса пыли. Для очистки газов применяют два вида промышленных фильтров: тканевые и зернистые.
В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта растут выбросы в атмосферу большого количества различных кислых веществ: диоксида и оксида углерода, оксидов серы и азота, сероводорода и др. Утилизация этих выбросов решает как экономические задачи, так и проблему защиты окружающей среды, поскольку наносится большой ущерб растительности, животному миру и человеку.
Диоксид углерода — относительно малотоксичный газ, содержание которого в атмосфере составляет 0,03%. Особого вреда он не приносит, если не считать возможности возникновения при дальнейшем увеличении его концентрации «парникового эффекта».
Схема очистки газа от С02 этим методом достаточно проста. Газ промывают холодной водой в башнях с насадкой (скрубберах) под давлением 1,5—2,5 МПа, так как с повышением давления растворимость диоксида углерода в воде возрастает. При этом из газа частично удаляется и сероводород, растворимость которого также увеличивается. Затем давление снижают, и из воды выделяется (десорбируется) газ, содержащий до 85% диоксида углерода (остальное — водород, азот, сероводород), который используют для получения сухого льда, карбамида, соды и других продуктов.
Очистка водными растворами алканоламинов. При подготовке различных технологических газов к переработке используется хемосорбция С02 этаноламинами. Принципиальная технологическая схема этаноламиновой очистки газа приведена на рис. 1.13.
Эффективными адсорбентами С02 являются цеолиты. Молекулы С02 достаточно малы — их диаметр составляет около 0,31 нмк (3,1 А), что позволяет им проникать во внутреннюю структуру большинства цеолитов.Наиболее часто для адсорбции С02 используется цеолит СаА. Вместе с С02 цеолиты поглощают и пары воды, поэтому одновременно с очисткой газов от С02 происходит их осушка. Десорбция поглощенных компонентов осуществляется понижением давления и повышением температуры.
Проблема очистки газов от диоксида серы является важной для газодобывающей и газоперерабатывающей промышленности и, несмотря на большое число предложенных и апробированных в производственных условиях методов, полностью не решена.
Методы очистки газов от S02 основаны на поглощении диоксида серы из газов растворами или суспензиями различных реагентов.В США для очистки дымовых газов от диоксида серы применяется известковый метод; в России к внедрению приняты также аммиачный и магнезитовый.
Процесс проходит через стадии образования бикарбоната и сульфита натрия.Часть 1. Охрана воздушного бассейна от вредных выбросов предприятий...
В зависимости от способа разложения бисульфита аммония различают несколько вариантов аммиачного метода.Выделяющийся S02 направляют на производство серной кислоты, часть которой используется для разложения бисульфита аммония, а часть выпускается как товарный продукт.
Часть 1. Охрана воздушного бассейна от вредных выбросов предприятий...Образовавшиеся кристаллы сульфита магния отделяют от воды центрифугированием и обжигают во вращающихся печах с получением диоксида серы и оксида магния. Последний возвращают в цикл поглощения, а 302 направляют на переработку в 803 и Н2Б04.
Сравнение известкового способа с аммиачным и магнезитовым показывает, что последние два имеют существенное преимущество — возможность организации циклического процесса с возвращением реагентов в цикл или получением товарных продуктов.
Эти методы предусматривают утилизацию диоксида серы непосредственно в серную кислоту.Известно несколько способов окисления диоксида серы, различающихся природой применяемого катализатора и механизмом: пиролюзитный, озоно-каталитический, жидкостно-контак-тный, радикально-каталитический, метод фирмы «Монсанто».
Источники выброса газов, содержащих оксиды азота, отличаются большим разнообразием. Нитрозные газы различаются по содержанию в них оксидов азота и других примесей, по степени окисления оксидов азота, температуре, давлению и т.д. Газы, содержащие оксиды азота, можно условно разделить на следующие группы.
Эти методы очистки газов от оксидов азота основаны на предварительном окислении N0 и последующем поглощении N02 и N 3 различными поглотителями.Окисление N0 в газовой фазе кислородом, используемое в промышленности, малоэффективно, так как скорость окисления очень низка. Использование для окисления обогащенного кислородом воздуха или озона нецелесообразно, поскольку в реакцию вступает очень незначительная часть этих окислителей.
Эти методы основаны на восстановлении оксидов азота до азота различными восстановителями в присутствии катализаторов или под действием высоких температур.Термическое разложение оксидов азота на элементы протекает с достаточной полнотой при очень высоких температурах (6 ООО—10 ООО °С), поэтому необходимо применение эффективных катализаторов и восстановителей.
В связи с тем, что оксиды щелочных металлов обладают низкой удельной активностью, их применяют нанесенными на различные носители: активный уголь, красный шлам — отход переработки бокситовых руд в производстве алюминия, оксид алюминия, алюмосиликат и синтетический цеолит.
Эти методы основаны на поглощении оксидов азота жидкими или твердыми сорбентами.Абсорбция оксидов азота целесообразна при санитарной очистке газов от оксидов азота при степени окисления близкой к 50%. В качестве абсорбентов можно применять растворы соды, известкового молока, едкого натра, а также водные растворы кислого характера.
При сжигании серосодержащего топлива в атмосферу наряду с оксидами азота поступает значительное количество сернистых соединений, в частности, диоксида серы. Совместное присутствие в атмосферном воздухе ИОх и Б02 под воздействием фотохимических реакций приводит к резкому увеличению степени загрязнения воздуха. Поэтому при работе на сернистом топливе, как правило, установку для очистки газов от 1ЧОх компонуют совместно с установкой сероочистки.
Сущность большинства известных методов сводится к доокислению оксида азота и диоксида серы в высшие оксиды — пятиокись азота и серный ангидрид с использованием озона, перекиси водорода, оксида хрома и др. Полученные продукты растворяются в воде с образованием смеси азотной и серной кислот.
В настоящее время на стадии опытно-промышлен-ных испытаний находятся физико-химические методы совместной очистки от оксидов азота и серы, среди которых наибольшее распространение получили методы, основанные на применении ультрафиолетового излучения или облучения отходящих газов пучком ускоренных электронов. Сущность методов заключается в том, что, добавляя аммиак, дымовые газы облучают, например, пучками электронов. При этом оксиды серы и азота превращаются в сухие сульфат и нитрат аммония — традиционные компоненты химических удобрений. Образовавшиеся твердые частицы выделяют из газа обычными методами до поступления его в трубу.
От H2S очищают природный газ, газы различных нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессов — гидроочистки, крекинга, риформинга, пиролиза и др.Требования к степени очистки от H2S зависят от назначения газа. Если происходит очистка газов, выбрасываемых в атмосферу, то руководствуются ПДК; если же очистке подвергается технологический газ, то содержание H2S регламентируется требованиями процессов дальнейшей переработки. В частности, для химического синтеза содержание H2S в технологическом газе может находиться в пределах от 1 до 50 мг/м3. Сероводород, выделяемый при очистке, в дальнейшем перерабатывают в элементарную серу или серную кислоту.
Сорбционные методы можно условно разделить на две основные группы — абсорбционные и адсорбционные. Наиболее широко распространены первые, допускающие любое начальное содержание примесей в газе. Адсорбционные процессы, используемые при малых начальных содержаниях примесей [до 3—5% (об.)], позволяют глубоко очистить газ.
Основаны на превращении сероводорода в элементную серу в присутствии катализаторов, например, комплексных соединений хлорида железа с динатриевой солью эти-лендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б) или горячего раствора мышьяковых солей щелочных металлов.
Процессы очистки аминами. Наибольшее распространение получил метод хемосорбции, обеспечивающий степень очистки до 99,9%. При этом широко используют этаноламино-вую очистку. Моно- и диэтаноламины извлекают из газов как сероводород, так и диоксид углерода, а триэтаноламин — только сероводород.
Принципиальная технологическая схема этих процессов аналогична схеме очистки аминами, но несколько отличается режимными показателями (выше температура сорбции: 90—120 °С).Процесс очистки горячим поташом применяют для газов с высоким содержанием С02 и общей концентрацией кислых газов выше 5—8%.
Различными фирмами разработаны промышленные процессы очистки газа с использованием этих растворителей, рассчитанные на различные параметры как исходного газа (содержание и состав вредных примесей, количество выносимого конденсата и др.), так и очищенного (требования по глубине очистки, селективность по компонентам вредных примесей и др.).
Для выделения сероводорода можно использовать смеси алканоламинов с физическими абсорбентами (метанолом, бензиловым спиртом, сульфоланом). Таким образом, один из компонентов, например сульфолан, осуществляет физическую абсорбцию, а другой, алканоламин — хемосорбцию (сульфинол-процесс).
Физическая адсорбция. В последние годы для очистки природного газа от сероводорода широко применяют адсорбционные методы на цеолитах, наиболее эффективные из них СаА. Адсорбция протекает под давлением 1,7—5 МПа и обеспечивает остаточное содержание сероводорода около 2 мг/м3. Наряду с тонкой очисткой газа от сероводорода и других сернистых соединений на цеолитах происходит также его глубокая осушка. Цеолиты обладают высокой адсорбционной емкостью и селективностью по отношению к сероводороду. Для очистки больших количеств газа (до 200000 м3/ч) с низким содержанием сероводорода в качестве адсорбентов используют также активные угли. При этом степень извлечения сероводорода может достигать 99,5%. Сорбционные свойства углей могут быть повышены введением в их состав оксидов некоторых металлов: меди, железа, никеля, марганца, кобальта.
Методы очистки основаны на контактировании сероводородсодержащего газа с водным раствором соли железа с образованием серы и последующим окислением раствора кислородом воздуха в присутствии микроорганизмов.
Процесс мембранного разделения компонентов газов основан на их различной способности проходить через полупроницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны. Под давлением разделяемая газовая смесь подается в напорный канал, легкопроникающие компоненты проходят через мембрану, труднопроникающие — выводятся из разделительного аппарата.
Рассмотренные процессы очистки природного газа позволяют довести в нем содержание сероводорода до 5—10 мг/м3, то есть ниже, чем этого требуют отраслевые стандарты на содержание сероводорода. Однако ряд этих процессов (в частности, использующих МЭА) не позволяет удалить, или удаляет лишь в малой степени, тиолы (метил-, этил- и пропилтиолы). Их содержание в очищенном от сероводорода газе составляет до 1000 мг/м3 газа.
В тех случаях, когда требуется очень глубокая очистка природного газа (или ШФЛУ) от меркаптанов, особенно если газ направляют далее на низкотемпературную переработку, очистку ведут адсорбционным процессом на активных углях или цеолитах.
Применяют три метода каталитической очистки от меркаптанов: гидрирование, гидролиз и окисление.По убыванию реакционной способности сероорганические соединения можно расположить в следующий ряд: серооксид углерода — меркаптаны — тиофен.
Извлекаемая из природного газа смесь кислых газов наполовину и более по объему состоит из сероводорода. Остальная часть включает углекислый газ и небольшие количества серооксида углерода и углеводороды (метан, этан). Эта смесь кислых газов с целью получения из нее элементной серы утилизируется обычно на месте очистки природного газа.
После извлечения сероводорода его перерабатывают методом Клауса в элементарную серу. В модифицированном варианте окисление проводят в две стадии — термическую и каталитическую. На термической стадии ведут пламенное окисление со стехиометрическим количеством кислорода при 900—1350 °С. При этом часть сероводорода окисляется до диоксида серы.
Отходящие газы установки Клауса обычно содержат 1—2% (об.) сероводорода, до 1% (об.) диоксида серы, небольшие количества серооксида углерода, сероуглерода, капельной и паровой серы, а также водород, оксид углерода, углекислоту, водяные пары и азот.
При транспортировании углеводородов по трубопроводам потери возникают в резервуарных парках, на насосных станциях и линейной части трубопроводов вследствие утечек и испарения. Для снижения попадания углеводородов в окружающую среду применяют изоляционные покрытия от коррозии (битумные и битумно-резиновые мастики, пленочные полимерные материалы), используют электрохимические методы защиты, проводят систематический контроль за состоянием трубопроводов с помощью специальных детекторов утечек; используют гасители гидравлических ударов для предохранения трубопровода от гидравлических ударов, приводящих к авариям; внедряют средства автоматизации и телемеханизации.
Запасы воды на Земле. Запасы воды гидросферы Земли составляют около 1454 млн км3. Это воды Мирового океана, подземные и грунтовые воды, ледники, вода озёр и болот, рек и ручьёв, пары атмосферы. Известно, что вода находится в вечном круговороте по схеме океан — атмосфера — осадки — суша — стоки — океан, то есть теоретически её запасы неисчерпаемы и возобновимы. Тем не менее проблема воды на планете с каждым годом усложняется.
Проблема дефицита воды. В условиях растущего водопотреб-ления, вызванного ростом народонаселения и развитием промышленности и сельского хозяйства, возникла проблема дефицита воды. Так, на производство 1 т стали расходуется 300 т воды, 1 т капрона — 5600 т, 1 т бумаги — 1000 т, 1 т сахара — 100 т. Потребление воды промышленностью у нас в стране до 90-х годов удваивалось каждые 10 лет. Самым крупным её потребителем является сельское хозяйство, затем следует промышленность, энергетика и коммунальное хозяйство городов и сёл.
Сточные воды — это воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязнённые различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населённых пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.
Загрязнение воды. Сточные воды могут быть загрязнены естественными продуктами: отходами, поглощающими кислород; взвесями; различными ядовитыми веществами; нефтью, нефтепродуктами, различными отходами предприятий органического синтеза, детергентами, точный состав которых неизвестен.
Последствия загрязнения воды. Загрязнение океанских вод привело к тому, что за последние десятилетия в океане навсегда исчезло около тысячи видов морских животных, резко сократились запасы ценных видов промысловых рыб, ракообразных и моллюсков. Серьёзнейшей проблемой является возможность потери океаном своей стабилизирующей роли в поддержании в равновесии современного состава атмосферного воздуха вследствие угнетения флоры Мирового океана, на долю которой приходится 80% реакций фотосинтеза, осуществляющегося на планете, более 50% годового производства кислорода, около 90% ассимиляции образующегося углекислого газа. Важна роль океана и как источника разнообразной пищевой и промышленной продукции.
Источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Подавляющее большинство загрязнений поступает в водоёмы со стоками: бытовыми, ливневыми, промышленными и сельскохозяйственными.Подземные воды, в отличие от поверхностных, лучше защищены от загрязнений. Тем не менее отмечены серьёзные изменения качества подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин.
Группы стоков, различающиеся по загрязняющим веществам.Сточные воды первой группы сбрасывают нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза и синтетического каучука, коксохимические, газосланцевые и др. В этих стоках содержатся нефть и нефтепродукты, нафтеновые кислоты, углеводороды, спирты, альдегиды, кето-ны, поверхностно-активные вещества (ПАВ), фенолы, смолы, аммиак, меркаптаны, сероводород и др.
Нефть и нефтепродукты — загрязнители поверхностных и подземных вод. Нефть и нефтепродукты относятся к числу наиболее распространённых и опасных загрязняющих веществ природных вод. Помимо углеводородов в нефтях находятся кислород-, серу-и азотсодержащие соединения.
Взаимодействуя с содержащимися в воде и в донных отложениях органическими веществами, металлы могут образовывать органоминеральные комплексные соединения, зачастую обладающие чрезвычайно высокой устойчивостью. Металлы переносятся речными водами во взвешенном и растворённом состоянии, в некоторых случаях значительная часть содержащихся в воде металлов может быть представлена коллоидными формами.
Фильтруясь в почву, вода кислотных дождей уносит кальций, магний, калий и натрий. Их место занимают токсичные металлы, которые под воздействием влаги дают растворимые соли, легче впитываемые корнями растений. В то же время дожди убивают почвенные микроорганизмы, разлагающие органические остатки. Попадание кислотных дождей в водоёмы вызывает значительное повышение кислотности поверхностных вод. Выпадая на земную поверхность, они приводят к повышению кислотности почвы, негативно влияют на здоровье людей, урожайность сельскохозяйственных культур, особенно в период их начального роста, оказывают разрушающее действие на конструкционные материалы.
Поступающие в реки, озёра, водохранилища и моря загрязняющие вещества вносят значительные изменения в установившийся режим и нарушают равновесное состояние водных экологических систем, несмотря на способность водоёмов к самоочищению, основным фактором которого является биохимический распад органических веществ под действием микроорганизмов.
Обобщенный показатель окисляемых загрязнений в воде (БПК).Загрязняющие органические вещества, взаимодействуя с растворённым кислородом, окисляются до углекислого газа и воды, потребляя различное количество кислорода. Поэтому введён обобщённый показатель, позволяющий оценить суммарное количество загрязнений в воде, поглощающих кислород.
Показатель химического потребления кислорода (ХПК). Наряду с показателем БПК установлен показатель ХПК — химическое (бихроматное) потребление кислорода. Эти показатели для некоторых органических веществ приведены в табл. 2.2.
Предельно-допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в водоеме. В качестве ПДК вредного вещества в воде водоёмов, используемой для питьевых и культурно-бытовых целей, принимается максимальная концентрация, которая не оказывает прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья настоящего и последующих поколений, выявляемого современными методами исследования, при её воздействии на организм человека в течение всей жизни и не ухудшает гигиенические условия водопользования.
Категорически запрещается сбрасывать в водоёмы радиоактивные сточные воды.Выполнение этих требований является обязательным для проектировщиков, строителей и эксплуатационников; за их соблюдением установлен надзор, и виновные в их нарушении наказываются по закону. Правила ориентируют на преимущественное сокращение объёмов сточных вод с вредными примесями путём перехода и на прогрессивные технологии, уменьшающие количество отходов и загрязняющих веществ путём создания водооборотных циклов.
Системы водоснабжения подразделяют на хозяйственно-питьевые, производственные и противопожарные. На промышленных предприятиях и в населённых пунктах, в зависимости от качества воды, необходимых напоров и расходов, водопроводы устраивают либо раздельные, либо объединённые, хотя производственные редко объединяют с противопожарными. Например, на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов должно существовать раздельное водоснабжение, а на площадях газокомпрессорных станций магистральных газопроводов проектируют объединённый производственный, хозяйственно-питьевой и пожарный водопровод.
Водопотребление на предприятиях нефтегазового комплекса. Производства органических веществ из углеводородов нефти и газа (нефтехимическая и химическая промышленность), а также топлив, масел, углеводородного сырья химических процессов (нефтеперерабатывающая промышленность) относят к водоёмким. Большую часть воды расходуют для охлаждения и конденсации продуктовых потоков. В значительной части технологических процессов воду используют как растворитель или вводят в виде пара. Применяют её и как компонент химических реакций.
Остановимся на некоторых мероприятиях, позволяющих снизить потребление воды.Высокий расход воды на производственные нужды и соответственно значительные объёмы отводимых производственных сточных вод наблюдаются на объектах с водяным охлаждением агрегатов.
Промышленные сточные воды разделяют на загрязнённые, непосредственно контактировавшие с химическими веществами, и на условно чистые, применяемые, в основном, для целей охлаждения или нагревания в теплообменной аппаратуре. Основной путь уменьшения сброса в водоёмы загрязнённых и условно чистых вод — повторное их использование, то есть организация оборотного водообеспечения.
При проектировании замкнутых систем предусматривают соответствующие мероприятия по предотвращению возможных отрицательных последствий (биологического обрастания трубопроводов и охлаждающих аппаратов, накапливания механических примесей, коррозионно-агрессивных соединений, загрязнения атмосферы). Создание замкнутых систем на предприятиях зависит от особенностей технологии, требований к качеству получаемой продукции и используемой воды.
Схема организации оборотного водоснабжения буровой. На рис. 2.6 приведена структурная схема организации оборотного водоснабжения буровой.Кратковременное переключение 11 па. контур II позволяет направить излишки технологической жидкости в контур II, осветлить её, затем пополнить запас оборотной водой в блоке 2 или возвратить воду в природный кругооборот через блок доочистки 14, представляющий собой ёмкость со слоем активированного угля.
Опреснение оборотной и подпиточной вод. Увеличение содержания солей в оборотной воде требует её обессоливания или вывода части воды и замены её свежей. Осуществляется так называемая подпитка, или продувка системы, которая может быть сокращена до 1% и ниже при обессоливании оборотной воды. В ряде случаев требуется обессоливание и подпиточной воды.
Снижение потребности в подпитке системы позволяет брать из водоёма необходимое количество воды без возврата. Сильно минерализованную воду, которую необходимо сбросить из системы взамен подпитывающей воды, утилизируют известными способами.
Карбонатные отложения, их предупреждение и удаление. Взвешенные частицы, накапливающиеся в оборотной воде теплообменных систем, являются также центрами кристаллизации солей жёсткости и одновременно служат цементирующей основой для отложений карбоната кальция и магния на стенках теплообменных поверхностей и трубопроводов.
Биологические обрастания и борьба с ними. При оборотном водоснабжении возникает проблема борьбы с биологическими обрастаниями. Бактерии, проникая из открытых водоёмов в систему оборотного водоснабжения, поселяются на любой твёрдой поверхности, соприкасающейся с водой, развиваются, образуют поселения, называемые биологическими обрастаниями. Так, железобактерии ассимилируют растворённые соли железа, вызывая образование бугристых отложений в водопроводных трубах, сульфатвосстанавливающие бактерии окисляют органические соединения и одновременно восстанавливают сернистые соединения до сероводорода. Всё это вызывает коррозию металлических и бетонных поверхностей, загрязняет воду.
В табл. 2.5 приведены данные, характеризующие коррозионную активность оборотной охлаждающей воды по отношению к углеродистой стали.Для защиты от коррозии в оборотных системах применяют различные ингибиторы. Процесс коррозии приостанавливают хромат и дихромат калия. Они же замедляют биологическое обрастание. Для снижения коррозии воду обрабатывают также фосфатами, которые образуют плёнку, изолирующую металл от воды. В отличие от хроматов, фосфаты благоприятствуют развитию биологических обрастаний, поэтому эти химикаты иногда применяют совместно.
Требования к качеству подпиточной и оборотной вод. Требования к качеству воды для подпитки оборотных систем на ГПЗ, на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности — в табл. 2.6 и 2.7.
Типы очистных сооружений. Загрязнённые сточные воды собирают в системах водоотведения (канализации) и, в зависимости от степени и природы загрязнённости, очищают в различных сооружениях.Существует три основных типа очистных сооружений — локальные, общие/заводские, районные/городские.
Процеживание. В начале комплекса очистных сооружений сточные воды процеживают через решётки и сита для задержания крупных примесей. Решётки представляют собой металлическую раму, внутри которой установлен ряд параллельных стержней. Расстояние между стержнями 8—16 мм. Очистку решёток от задержанных отбросов производят с помощью механизмов. Снятые отбросы по транспортёру отправляют в дробилку и в измельчённом виде подают на переработку совместно с осадками очистной станции. Наибольшее распространение получили вертикальные решётки типа РВМ, а также грабли механические — ГМ.
Отстаивание. Для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей под действием силы тяжести и для разделения несме-шивающихся жидкостей с различной плотностью в песколовках, нефтеловушках, отстойниках различных конструкций осуществляют отстаивание.
Всё многообразие отстойников условно можно разделить на три группы: вертикальные, горизонтальные и радиальные.Вертикальные отстойники применяют при расходах сточных вод до 10 000 м3/сут. При больших расходах применяют горизонтальные или радиальные отстойники со следующими размерами (в м): длина 24—36, ширина 6—9, глубина 3—4, диаметр радиальных отстойников 18—54.
Фильтрование нефтесодержащих сточных вод применяют после отстоя сточных вод в отстойниках или после биологической очистки для удаления соответственно эмульгированных нефтепродуктов и суспендированных частиц.
Очистка сточных вод от диспергированных частиц нефти, нефтепродуктов и механических примесей, осуществляемая в сепараторах, центрифугах и гидроциклонах, основана на использовании центробежной силы, которую можно получить вращением ротора (барабана), содержащего разделяемую смесь — эмульсию/суспензию, или вращением разделяемого потока. В жидкостных центробежных сепараторах и центрифугах вращающимся является ротор, в гидроциклонах — поток жидкости.
Флотация. Очистка сточных вод методом флотации заключается в извлечении нерастворённых примесей с помощью тонко диспергированного в сточной воде воздуха. Флотационные установки используют для удаления из сточных вод масел, нефтепродуктов, жиров, смол, ПАВ и других органических веществ, гидроксидов, твёрдых частиц полимеров, волокнистых материалов, а также для разделения иловых смесей. При этом можно удалять более мелкие капли веществ, что не удаётся при гравитационном отстое.
Напорная флотация. Наибольшее распространение получил напорный метод, при котором часть поступающих на очистку сточных вод насыщается воздухом под давлением. После сброса давления растворённый воздух выделяется из сточных вод, образуя пузырьки диаметром 30—120 мкм, на которые налипают частицы загрязнений: в этом случае ускоряется всплытие последних на поверхность. Обычно рабочее давление в напорной ёмкости 0,3— 0,5 МПа, время пребывания 1—2 мин.
Адсорбционная очистка. Используется для удаления из сточных вод биологически жёстких органических веществ, трудно поддающихся бактериальной атаке. Этот метод применяют для локальной очистки стоков от токсичных соединений и в технологии так называемой независимой (от биохимической) физико-хи-мической очистки. Адсорбция обеспечивает глубокую очистку вод замкнутого водопотребления и доочистку сточных вод от органических веществ.
Нейтрализация. Этот метод позволяет предотвратить коррозию водоотводящих сетей и очистных сооружений, нарушение биохимических процессов в биологических окислителях и водоёмах.Для нейтрализации кислых сточных вод применяют взаимную нейтрализацию кислых и щелочных сточных вод, обработку известковым молоком (раствором гашеной извести в воде). При небольших объёмах кислой воды эффективно фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, мел и др.). В результате нейтрализации сточных вод образуются нерастворимые и плохо растворимые соли кальция, которые могут отлагаться на стенках оборудования. Поэтому необходимы периодическая очистка открытых желобов и кратковременная промывка трубопроводов чистой водой.
Окисление загрязнителей. Этот метод применяют в тех случаях, когда их нельзя извлечь либо разрушить другими методами. Для окисления ядовитых цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана, используют соединения хлора (гипохлорит кальция или натрия, хлорную известь).
Мембранные методы. Они наиболее перспективны для тонкой очистки воды, водных растворов, сточных вод, очистки и концентрации растворов высокомолекулярных веществ. Процессы мембранного разделения зависят от свойств мембран, потоков в них и движущих сил.
Биохимическая очистка является одним из основных методов глубокой очистки сточных вод. Она позволяет удалить из сточных вод разнообразные органические соединения при несложном аппаратурном оформлении и сравнительно невысоких эксплуатационных затратах.
Биологическое обезвреживание сточных вод химических производств основано на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать в качестве источников питания разнообразные неорганические и органические соединения, подвергая их биохимическим превращениям.
Сооружения биологической очистки химических предприятий могут иметь различные технологические схемы, которые выбирают в зависимости от характеристик поступающих промышленных сточных вод и цели технологического процесса очистки.
При небольших количествах сточных вод (до 1000 м3/сут) биохимическое окисление успешно проводят в погруженных дисковых вращающихся фильтрах. Биологическая плёнка развивается на поверхности тонких пластмассовых дисков большого диаметра, насаженных на вращающийся вал. Диаметр дисков 2—3,5 м, толщина 10—20 мм, зазор между ними и цилиндрическим днищем 15—20 мм. Низ дисков примерно на одну треть погружен в аппарат (бассейн), содержащий сточную воду. Когда поверхность дисков находится в воздухе, происходит аэрация. Микробиологическая плёнка развивается на поверхности дисков. Органические загрязнения сорбируются биоплёнкой при погружении дисков в воду и эффективно окисляются в биоплёнке при её прямом контакте с воздухом.
Биофильтры с объёмной насадкой целесообразно применять для полной биологической очистки, при этом их производительность по снятым органическим загрязнениям в зависимости от конструктивных особенностей составляет 200—800 г БПК на 1 м3 объёма насадки в сутки.
Наибольшие технические и экономические трудности вызывает обезвреживание солесодержащих стоков, количество которых на заводах нефтепереработки и нефтехимии составляет 5—10%. Промышленное применение в мировой практике и у нас в стране таких методов, как электродиализ, обратный осмос, ионный обмен пока ограничено извлечением отдельных видов специфических загрязнений и глубокой доочисткой сточных вод с умеренным солесодержанием. Метод выпаривания под вакуумом имеет предпочтение для опреснения морской воды.
Одной из проблем защиты окружающей среды, тесно связанной с очисткой сточных вод, является ликвидация осадков — шламов механической и физико-химической очистки, а также избыточного активного ила.Что касается последнего, то он в значительной степени выводится на иловые площадки, где гниёт, загрязняя окружающую среду. Утилизация активного ила требует предварительного обезвоживания. Этот процесс имеет следующие стадии: предварительное уплотнение, обезвоживание, термическую сушку (сжигание).
Извлечение из недр огромных количеств углеводородов, откачка подземных вод, сооружение подземных хранилищ и коммуникаций, закачка в недра промышленных отходов, большое количество искусственных отложений на поверхности земли — всё это вызывает необратимые процессы в недрах и на поверхности территорий.
Источниками загрязнения почвы в результате деятельности НГК могут быть: нефть, отработанные нефтепродукты и растворители, поверхностно-активные вещества, нефтяные шла-мы, кислые гудроны, кубовые остатки, отработанные твёрдые сорбенты и катализаторы, различные некондиционные жидкие продукты, смолы, тяжёлые металлы, их соли и оксиды, сульфиды, сульфаты, хлориды, алюминийсодержащие продукты, активный ил биологических очистных сооружений, осадки сточных вод и др.
Наблюдение за санитарным состоянием почвы включает определения санитарно-физико-химические, санитарноэнтомологические, санитарно-гельминтологические, санитарно-бактериологические и вирусологические.Загрязнённость почвы органическими веществами, в частности углеводородами нефти и газа, оценивается первой группой исследований по комплексному показателю «санитарное число», представляющему собой соотношение количества почвенного белкового и органического азота. Показатели загрязнённости почвы по санитарному числу приведены ниже (табл. 3.1).
Важное значение приобретает рекультивация земель после использования их под объекты НГК, которая должна проводиться согласно ГОСТ 17.5.3.04—83 «Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель».
Вопросы эффективного обезвреживания нефте-шламов и ликвидации амбаров-накопителей нефтеперерабатывающих и нефтедобывающих предприятий выступают на первый план в условиях все более жестких правил лицензирования и землеотвода, предъявляемых разрешительными органами.
Нефтяная промышленность по уровню отрицательного воздействия на окружающую среду занимает одно из первых мест среди ведущих отраслей народного хозяйства. Все компоненты биосферы в районах нефтедобычи испытывают интенсивную техногенную нагрузку, приводящую к нарушению равновесия в экосистемах.
Шламы бурения. Разнообразие загрязнителей зависит от состава реагентов, использующихся в процессе бурения скважин. В отличие от шламов нефтехимических заводов состав буровых шламов можно предсказать, зная реагенты, с помощью которых велась проводка скважин — буровые растворы, промывочные жидкости. В основном эти жидкости имеют углеводородную основу, а добавляемые в них компоненты — большую подвижность при попадании в воду и почву (сульфит-спиртовая барда, поверхностно-активные вещества — ПАВ, дизельное топливо и др.). Кроме того, при прохождении продуктивного горизонта в процессе бурения шлам содержит пропитывающую нефть.
Токсические характеристики шламов. Скапливание на производственных территориях жидких отходов может привести к интенсивному загрязнению почвы, воздуха и грунтовых вод. Из веществ, входящих в состав шламов, наибольшую опасность для почвогрунтов представляют минеральные соли, нефть и нефтепродукты.
Определение фазового состава. Определение индивидуальных компонентов, входящих в состав шлама, может быть выполнено только после специальной пробоподготовки — разделения шлама на фракции (твердая фаза, вода, нефтепродукты) или его растворения (органические растворители, кислотная обработка).
Определение степени опасности отходов. Нефтяные шламы исследуют для установления их класса опасности по основным загрязнителям и показателям токсичности. Для характеристики жидких и твердых отходов используют стандартные методики (СТП 17-099—88), базирующиеся на анализе водных вытяжек из шламов.
Выбор метода обезвреживания в основном зависит от количества содержащихся в шламе нефтепродуктов. Все методы переработки шламов можно разделить на недеструктивные и деструктивные.
Термические методы обезвреживания нефтяных шла-мов. Наиболее эффективным, хотя и не всегда экономически рентабельным, считается термический метод обезвреживания шлама. Обработка шлама при больших температурах (до 500 °С) позволяет полностью освободиться от органических соединений до образования твердых отходов.
Фирма «Тоталь» (TOTAL) предлагает отработанные буровые растворы и буровой шлам подвергать обработке в установке для отделения твердой фазы от жидкой, действие которой основано на обезвоживании с помощью центрифуги после флокуляции. В комплект установки, помимо флокулирующей системы и центрифуги, входит эффективная система очистки бурового раствора, включая вибросита, песко- и илоотделители. Буровой раствор пропускают через флокуляционную систему. В центрифуге после прохождения раствора через систему очистки твердая фаза отделяется. Отделенная вода используется повторно для приготовления свежего бурового раствора, что позволяет снизить потребность в воде для этих целей на 70%. В результате, по сравнению с обычной схемой, объем отработанного бурового раствора, подлежащего удалению, снижается на 60—80%. Обработанная твердая фаза до транспортировки сохраняется на специально отведенных площадках.
Экстракционные методы. Экстракция, используемая для извлечения нефтяного компонента, основана на селективной растворимости нефтепродуктов в органических растворителях, в качестве которых используются фреоны, спирты, водные растворы ПАВ; растворители должны полно и достаточно просто регенерироваться.
Отмыв шлама водой. Этот метод применим для промысловых шламов.Можно использовать технологию для отмыва не водой, а раствором ПАВ. После отмыва шлама вода с ПАВ, содержащая углеводороды, может использоваться в технологических целях: для приготовления растворов, как жидкость предотвращения асфальто-смолистых и парафиновых отложений (АСПО), в качестве тампонажных составов, жидкостей для глушения скважин.
Применение нефтешлама в качестве сырья является одним из рациональных способов его использования, т.к. при этом достигается определенный экологический и экономический эффект. При производстве продукции не требуется специального оборудования и дополнительной энергии.
Эффективных способов обработки и утилизации придонного слоя амбарных нефтешламов (содержание механических примесей в нем достигает 70%), широко применяемых на промыслах и НПЗ, в отечественной практике нет. Для обработки такого вида нефтешлама применение эффективных деэмульгаторов, композиций реагентов и комбинированной технологии недостаточно. Необходимо техническое обеспечение процесса надежными аппаратами-разделителями, гидроциклонами, центрифугами, фильтр-прессами, декантерами и т.д. Сбор и удаление донных нефтешламов трудно осуществить. Трудность в основном заключается в больших геометрических размерах шламонакопи-телей и зачастую в отсутствии удобных подходов к ним. В настоящее время действующих заборных устройств для удаления донных нефтешламов не существует.
В настоящее время в большинстве случаев практикуется захоронение полужидкой массы и нетекучего осадка непосредственно на территории буровой в шламовых амбарах после предварительного подсыхания их содержимого. Однако это не предотвращает загрязнения природной среды, т.к. содержащиеся в твердых шламах нефтепродукты, вследствие подвижности и высокой проникающей способности, мигрируют в почвогрун-ты, вызывая в них отрицательные процессы.
Поскольку при обработке шламов не всегда удается достичь одностадийного процесса, как это было показано ранее, то используют комплексные схемы обработки.Зачастую только механические или физико-химические методы не могут дать эффективного разделения, и, следовательно, обезвреживания из-за высокой стабилизации дисперсии (шлама). При этом отмечается закономерность: чем более продолжительное время хранится шлам и сложнее пути его образования, перекачки и транспортировки, тем выше его стабильность. И в таких случаях обычно применяют комплексные схемы переработки, включающие отстаивание, флотацию, дегазацию, кондиционирование, осушку, обработку коагулянтами и флокулянтами, уплотнение, разделение. Заключительными стадиями обработки могут быть: размещение на специальных полигонах с применением биотехнологий, сжигание, использование в строительстве и других отраслях промышленности. Примером такого подхода служит приведенная на рис. 3.12 комплексная схема обработки шламовых отходов фирмы «Дегремон» (ОеЕгетоШ:).
В настоящее время изучается возможность использования твёрдых нефтяных отходов (шламов и нефтяной грязи) для приготовления диспергированных активированных эмульсионных топливных смесей при помощи аппаратов УДА (универсальных дезинтеграторов-активаторов), в которых одновременно осуществляются диспергирование, смешивание и активация компонентов с изменением их физико-химических свойств. После обработки на УДА некоторые шламы можно использовать в качестве котельного топлива непосредственно или в смеси с топочным мазутом.
На очистных сооружениях объектов НГК скапливается большое количество осадков, содержащих органические и неорганические соединения. Наибольшее количество их образуется при биохимической очистке сточных вод. В зависимости от состава осадки сточных вод подвергают непосредственной утилизации, переработке, хранению в почве или специальных сооружениях.
Кубовыми остатками называют продукты, образующиеся в технологических процессах при выпаривании, экстракции, ректификации, фильтрации и др.Некондиционные жидкие продукты — жидкости, не отвечающие требованиям ТУ или ГОСТов, использование и переработка которых экономически нецелесообразны.
Наиболее рациональным и экономически целесообразным является, безусловно, изыскание путей полезного использования производственных шламов, образующихся в больших количествах на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических предприятиях.
Несмотря на сокращение в последнее время применения серной кислоты для очистки масел и парафинов и прекращение применения её для очистки керосинов и бензинов, масштабы сернокислотных отходов весьма значительны.
Загрязнение окружающей среды отработанными смазочными материалами. Значительная часть попадающих в биосферу нефтепродуктов приходится на отработанные смазочные материалы: масла, пластичные смазки и смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), которые в связи с высокой токсичностью, канцерогенностью и низкой биологической раз-лагаемостью (10—30%) представляют собой существенную экологическую опасность.
Использование в качестве компонентов котельных топлив (до 70—90% от объёма собранных масел). Из-за повышенной зольности отработанных масел их можно использовать в котельных топливах в количестве не более 20—25%.
Обезвреживание отработанных смазочных материалов необходимо при их переработке с получением не только масел, но и топлив, поскольку сжигание последних может привести к существенному загрязнению атмосферы. Следует ожидать, что в ближайшем будущем стадия обезвреживания сырья станет необходимой ступенью всех промышленных процессов.
Термин мониторинг (М) образован от латинского слова monitor — наблюдающий, предостерегающий — так называли впередсмотрящего матроса на парусном судне. В современном понимании термин М впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 г., а уже в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (ОС) появились первые предложения по глобальной системе Мониторинга окружающей среды (МОС).
Геологический мониторинг. Он должен также отслеживать геологический риск, технологические и экономические возможности его предупреждения, например, в природно-технических системах «геологическая среда — объекты газовой промышленности». В таких системах наблюдается тесная взаимосвязь и взаимозависимость обеих ее составляющих. С одной стороны, непрерывно развивающаяся геологическая среда воздействует на состояние объектов газовой промышленности, особенно на подземные объекты и оборудование; с другой — указанные техногенные системы при нерациональном природопользовании способны вызывать негативные последствия, например, искусственно возбудить геодинамические процессы и нарушить тем самым природное геодинамическое равновесие.
Принцип подобного ЭМ, буквально наземный, чаще всего связан не с площадными, а с протяженными объектами, например, с системами, транспортирующими газ, нефть, с продуктопроводами и т.п.Трассы таких трубопроводов проходят, как правило, через несколько регионов с различными природно-климатическими, геолого-тектоническими, инженерно-геологическими условиями, и наблюдаются существенные различия протекающих вблизи трубы процессов, влияющих на эксплуатационную надежность трубопровода.
МАС — сравнительно новый по принципу организации вид ЭМ, который рассматривает последствия как проектных аварий, т.е. возникающих в результате отказа технических средств или одной, не зависящей от исходного события, ошибки персонала, для которой исходные условия возникновения и последствия определены проектом, так и максимальных гипотетических аварий — таких как фонтанирование скважин без сжигания пластовой продукции, разрушение трубопроводов промыслов — установки обработки газа (или ГПЗ), магистральных газопроводов и т.п.