Защита
атмосферы от выбросов углеводородов из резервуаров для хранения и
транспортирования нефти и нефтепродуктов
В.Г.
Цегельский, д-р техн. наук, П.Н. Ермаков, инж., B.C. Спиридонов, канд. техн.
наук
НИИ ЭМ МГТУ
им. Н.Э. Баумана
Показана актуальность проблемы
испарения нефти и нефтепродуктов в процессах их транспортирования и хранения,
представлены существующие пути и способы ее решения. Приведена разработанная
авторами принципиальная технологическая схема системы улавливания легких
углеводородных фракций с использованием жидкостно-газового струйного аппарата.
Ежегодно по различным оценкам
[1] в атмосферу планеты выбрасывается 50...90 млн т углеводородов. Значительная
часть этих выбросов приходится на предприятия нефтеперерабатывающей и
нефтегазодобывающей отраслей промышленности. Удельные потери углеводорода за
счет их испарения на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) различных стран мира
составляют 1,1...1,5 кг на 1 т продукта [1]. Только в России в 1998 г. выбросы
углеводородов в атмосферу при добыче и переработке нефти составили 1168 тыс. т
[2].
Значительное загрязнение
атмосферного воздуха парами нефтепродуктов происходит при заполнении и
опорожнении резервуаров нефтехранилищ при так называемых "дыханиях"
резервуаров. С момента добычи до непосредственного использования нефтепродукты
подвергаются более чем 20 перевалкам, при этом 75 % потерь происходит от
испарений и только 25 % — от аварий и утечек [3]. Основная масса
"дышащих" резервуаров сосредоточена на нефтепромыслах,
нефтеперекачивающих станциях и в резервуарных парках нефтеперерабатывающих
заводов. Па долю резервуарных парков приходится примерно 70 % всех потерь
нефтепродуктов на НПЗ. В 1998 г. потери нефтепродуктов за счет "больших
дыханий" составили по нефтеперерабатывающей отрасли России примерно 270
тыс. т [2].
Загрязнение атмосферы парами
нефти и нефтепродуктов происходит также при наливе автомобильных и
железнодорожных цистерн на эстакадах и при заправке автомашин на АЗС. Удельные
потери нефтепродуктов при наливе железнодорожных цистерн в несколько раз
превышает потери из резервуаров. Суммарная резервуарная емкость автозаправочных
станций по данным на 1998 г. [2] составляет около 240 млн м3. За год
через эти мощности реализуется около 130 млн. т различных нефтепродуктов. По
расчетным данным [4] автозаправочные станции России выбрасывают в атмосферу в
течение года более 140 тыс. т паров углеводородов, автозаправочные станции
Германии — 145 тыс. т, Англии — 120 тыс. т.
Потери углеводородов при
"больших дыханиях" вызваны сжатием паровоздушной смеси (ПВС) в
газовом пространстве (ГП) резервуара поступающим в него жидким нефтепродуктом.
Когда давление в ГП достигнет некоторого предельного значения, происходит
выброс части ПВС в атмосферу через специальный "дыхательный" клапан.
Потери от "больших
дыханий" определяются рядом факторов: объемом, температурой и
газонасыщенностью закачиваемого в резервуар нефтепродукта, концентрацией паров
нефтепродукта в ПВС, давлением в ГП. Содержание паров в ГП повышается в
процессе заполнения резервуара, однако основная масса паров углеводородов
накапливается в ГП в период хранения нефтепродукта в резервуаре. Среднегодовые потери
от "больших дыханий" составляют около 0,14 % от объема хранимого
нефтепродукта [5].
Уменьшение объема выбросов паров
углеводородов в атмосферу может быть достигнуто различными путями: улучшением
герметизации емкостей; снижением абсолютных значений температуры ГП и хранимых
продуктов, а также уменьшением амплитуды их колебаний; уменьшением объема ГП в
резервуаре; улавливанием паров углеводородов, образующихся в резервуарах.
Практическая реализация этих
путей в виде организационно-технических решений представлена на рис. 1.
Сравнительная эффективность (%) снижения выбросов паров углеводородов некоторых
из этих систем составляет [1, 5, 6]:
рис. 1. Средства
сокращения потерь от испарения (УЛФ - улавливание лёгких фракций).
плавающие крышки (ПК) и понтоны
70..95
газоуравнительные системы
60..90
сорбционные системы
90..96
компрессионные системы
до 98
В настоящее время наибольшее
распространение за рубежом в качестве средств сокращения потерь углеводородов
получили ПК и понтоны. Они обеспечивают значительную степень сокращения потерь
и относительно дешевы и просты. Доля резервуаров с ПК и понтонами за рубежом
превышает 60 % [6] от общего числа резервуаров. В нашей стране доля резервуаров
с ПК и понтонами составляет около 20 % [6], однако эти средства сокращения
потерь являются одними из самых распространенных, так как до сих пор велико
число резервуаров, не имеющих никаких средств сокращения потерь от испарений.
Использование ПК и понтонов
связано с рядом конструктивных и технологических проблем, которые затрудняют их
применение. Основными из них являются:
потопление и заклинивание ПК и
понтонов из-за неравномерной нагрузки от атмосферных осадков, перекоса
направляющих труб, образования твердых отложений на стенках резервуара;
потери углеводородов со
смоченных стенок резервуара;
возможность загрязнения
хранимого нефтепродукта примесями из атмосферного воздуха;
повышенная пожаро- и
взрывоопасность.
Одним из наиболее перспективных
направлений развития средств улавливания углеводородных паров является
применение компрессионных систем улавливания легких фракций с использованием
жидкостно-газовых струйных, аппаратов (струйно-компрессорных установок) [6, 7].
В таких системах сжатие ПВС происходит за счет энергии высокоскоростных струй
рабочей среды, находящейся в различных агрегатных состояниях (жидкость,
двухфазная газожидкостная смесь). В этих установках для улавливания паров
легких фракций в качестве рабочей среды можно использовать нефтепродукт,
поступающий в резервуар, а затем подавать уловленные пары непосредственно в
нефтепродукт. При этом схема становится замкнутой. Струйно-компрессорные
установки (СКУ) для улавливания легких фракций обеспечивают высокую степень
сокращения потерь, обладают малой металлоемкостью и капиталоемкостью, просты и
надежны в эксплуатации. Работа струйного аппарата (эжектора) устойчива при
значительных колебаниях параметров и фракционного состава отсасываемого газа.
Принцип работы СКУ состоит в
следующем. Рабочая жидкость подается в эжектор через сопло с помощью насоса и
увлекает за собой пассивный поток паровоздушной смеси из резервуара. Часть
энергии рабочей жидкости в процессе смешения фаз передается пассивному потоку,
сжимая его. Одновременно происходит процесс интенсивной конденсации паров
углеводородов. Образовавшаяся на выходе из эжектора жидкостно-газовая смесь
разделяется в сепараторе, после чего осушенный сжатый воздух идет на дальнейшую
очистку или в атмосферу, а рабочая жидкость подается на вход насоса. В системе
предусмотрен теплообменник для отвода избытка теплоты, а также трубопроводы для
подвода свежей рабочей жидкости на подпитку системы и отвода избытка рабочей
жидкости со сконденсировавшимися парами углеводородов. Принципиальная схема
установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная
схема СКУ для улавливания лёгких фракций
Однако из-за недостаточной
изученности рабочих процессов в двухфазных струйных аппаратах, входящих в
состав СКУ для улавливания легких фракций, такие установки пока не применяются
в промышленной эксплуатации. Применение жидкостно-газовых струйных аппаратов
(эжекторов) в таких СКУ связано с рядом особенностей. Во-первых, рабочая
жидкость и сжимаемые пары представляют собой смесь широкого фракционного
состава, что затрудняет расчет таких эжекторов. Во-вторых, в струйном аппарате
активно идут взаимопараллельные процессы конденсации и абсорбции, которые
влияют на эффективность работы компрессорной установки данного типа.
С целью создания действующих
промышленных систем для улавливания газов "дыхания" нефтяных и
нефтепродуктовых резервуаров и утилизации газов дыхания при заправке
железнодорожных и автомобильных цистерн авторами были проведены работы по
оптимизации конструктивных и технологических параметров СКУ с использованием
жидкостно-газовых струйных аппаратов с углеводородными рабочими телами. Расчеты
выполнены при производительности СКУ 1000 м3/ч, давлении всасывания
ПВС из резервуара 0,1 МПа, температуре рабочей жидкости +20...+30 °С для
нескольких степеней сжатия в диапазоне 1,5...10.
Ниже приведены расчетные
значения эффективности (%) улавливания паров углеводородов
струйно-компрессорной установкой для различных вариантов сжатия паровоздушной
смеси:
сжатие с учетом процессов абсорбции в объеме сепаратора
(модель СКУ с сепаратором)
70...90
сжатие с учетом процессов абсорбции в объеме сепаратора и
на тарелках абсорбционной колонной (модель СКУ с сепаратором и абсорбционной
колонной)
75...95
Эксперименты с использованием в
качестве рабочей среды некоторых углеводородных жидкостей (газойлевая и
дизельная фракции) показали эффективность и работоспособность СКУ для
улавливания легких фракций.
Степень улавливания
углеводородных паров струйно-компрессорными установками зависит от нескольких
факторов, в частности от фракционного состава отсасываемой паровоздушной смеси,
степени сжатия и температуры рабочей жидкости. Поэтому эффективность таких
систем колеблется в пределах 80...98 %. Мощность, потребляемая струйным
компрессором, также зависит от степени сжатия отсасываемой ПВС и изменяется в
пределах 20...250 кВт.
Применение СКУ для улавливания
легких фракций с использованием жидкостно-газовых струйных аппаратов с
углеводородным рабочим телом позволяет решить основные проблемы, вызываемые
испарением нефти и нефтепродуктов, и повысить экологическую безопасность
процессов их хранения и транспортирования:
значительно снизить загрязнение
атмосферного воздуха и окружающей среды технологическими выбросами из
резервуаров; повысить пожаро- и взрывобезопасность эксплуатации резервуаров;
достичь ощутимой экономии
ценного энергоносителя и утилизацией уловленных паров;
обеспечить постоянство состава
хранимого нефтепродукта.
Список
литературы
Кавнев Г.М., Моряков Н.С.,
Загвоздкин В.К., Ходякова В.А. Охранана воздушного бассейна на предприятиях
нефтепереработки и нефтехимии в связи с переходом на новые экономические методы
управления. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1989. (Тем. обзор).
Федеральный справочник
"Топливно-энергетический комплекс России". "Родина-Про",
1999.
Земенков Ю.Д., Малюнин Н.Ан,
Маркова Л.М., и др. Резервуары для хранения нефтей и нефтепродукгов: Курс
лекций. Тюмень: ТюмГНГУ. 1998.
Транспорт и хранение
нефтепродуктов // Научно-технический информациионный сборник. М.: 1997. № 1.
Блинев И.Г., Герасимов В.В.,
Коршак А.А., Новоселов В.Ф., Седелев Ю.А. Перспективные методы сокращения
потерь нефтепродуктов от испарения в резервуарах. М:ЦНИИТЭнефтехим. 1990 (Тем.
обзор)
Коршак А.А., Блинов И.Г.,
Новоселов В.Ф. Системы улавливания легких фракций нефти и нефтепродуктов из
резервуаров: Учебное пособие. Уфа.:Изд. Уфим. нефт. институра. 1991
Прохоренко Ф.Ф., Андреева Г.А.
Герметизированная система хранения испаряющихся нефтепродуктов в резервуарах и
защита окружающей среды. М.: ЦНИИТЭнсфтехим. 1991. (Тем. обзор).