Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обеспечения экологической безопасности при обращении с твердыми отходами паїяедобьічи я&тястся актуальной во всем мире, но особенно остро проявляется в России практически в каждом нефтедобывающем регионе (Пиковский Ю.И., Рябчиков А.М., Михайловер МД., Ермолаев Г.М., и др.). Потери нефти, содержащейся в отходах, по экспертным оценкам составляют примерно 3 % отеє годовой добычи. При годовой добыче нефти в РФ 348-367 млн. т ежегодный объем образования нефгеотходов в России может доспи атъ до 10 млн. т. Важность проблемы определяется не только значительным количеством, но и негативным юзаействием нефгеотходов практически на вес шмпонешы природной среды. В результате их воздействия происходит существенное изменение природного состояния ішжологаческой среды, снижение естественной защищенности подземных вод, активизация геохимических и геомеханическітх процессов, смена естественного микробиоценоза (Костарев СМ., Глазовская МА, Пітковский Ю.И., Солнцева Н.П., и др.) Угрожающий рост накапливаемых ежегодно опасных нефгеотходов при отсуїствии необходимых масштабов их утилизации тіртіводиг к изъятию земельных ресурсов на длительные сроки. В го же время нефтеотходы относятся к вторичным материальным ресурсам и по своему химическому составу и полезным свойствам моїуг быть использованы в народном хозяйстве вместо первичного сырья (Ми-нигазимов И.С., Расветалов В.А., Зайнуллин Х.Н., Безрук В.М., Рацен З.Э. и др.)
Как показал анализ состояния проблемы и проведенные нами исследования, обращение с нефтеотходами до;іжно включать: минимизацию их образования, эколога-чески 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 проблему утилизации нефгеотходов не традищтонными деструктивньши 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 обра-щепия с нефтеотходами и соответствующих технических решений.
Система обращештя с отходами нефтедобычи должна включать следующие стадии: образоваште, раздельное накопление и сбор, транспортирование, переработку, обезвреживание и размещение в окружающей среде неутилизируемых остатков. В стожившейся практике болышгаства российских предприятий обращение с нефтеотходами сводится к их совместному сбору, транспорпфовке и временному размещению качественно разных потоков аіходов, что затрудняет их дальнейшее использование.
Применяемые технологии утилизации иефтеотходов, направлены на переработку, в основном, верхнего (нефтяного) слоя пщамонакопителей (Минигазимов Н.С, Брондз Б.И., Расветалов ВА, Ольхов П.П., Гильманов Х.Г. и др.). Обезвреживание нефтепромысловых шламов осуществляется преимущественно деструктивными методами, не позволяющими вернугь полезные компоненты отходов в ресурсооборот (Шангареев P.P., Зайнуллин Х.Н., Баширов В.В., Шангарин В Д. и др.). Результаты анализа сложившейся практики обращетшя 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-техиических 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.
П ред м ет не с л ело ва н ни. Технологические процессы получения материалов и продуктов с применением твердых отходов нефтедобычи (на примере асфальтосмоло-парафиновых 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.
Илея работы заключается в снижении техногенной нагрузки на природные геосистемы путем минимизации образования, получения отходов с заданными свойствами и вовлечения в рссурсооборот 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-экономическнй 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 оргаиомииералыюго гидроизоляционного материала на основе АСПО для противофильтрационной зашиты 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 полимерорганического материала на основе АСПО и термопласта; разработать составы полимероргапических гидроизоляционных материалов, технические условия, технологию производства материалов и конструкционные решения но 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-экопомическое 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-экономшескую эффективность утилизации ЛСПО в технологии брикетирования.
Методы исследований. Дія решения поставленных задач использован комплекс методов, включаюіщій: анализ и обобщение научно-технической литературы по исследуемому направлению; экспериментальные исследования в лабораторных и натурных условиях; материальный баланс; математттческую статистику, экспертные оценки; ранжирование; ABC-анализ; технико-экономический анализ; традиционные химические и физжо-химические методы, используемые для исследования структуры, свойств сырья, материалов и продуктов в иаілшсрсрабатьішошсй отрасли, производстве строигельных материалов и топливной промышленности.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту;
1. Концепция и принципы обращения с твердыми отходами нефтедобычи, обес-пе швающие эколошческую безопасность окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.
2. Классификация, методика расчета нормативов образования и размещения, результаты оценки ресурсного потенциала отходов нефтедобычи, критерии и методика выбора оптимальной технологии упшизации твердых отходов нефтедобычи в качестве вторичною сырья.
3. Научно обоснованные тсхішчсскис решения по применению органомшюраль-нош пщроизоляционного материала на основе АСПО.
4. Научные и практические основы производства и применения гидроизоляционных полимерорганичесгатх материалов на основе АСПО и термопластов.
5. Ресурсосберегающая технология ушлизации АСПО в производстве углеводородной коисервационной смазки.
6. Научно обоснованные технические решения по утилизации АСПО в техноло-1ии брикетирования.
Научная новизна результатов исследований:
Разработана концепция обращения с твердыми отходами нефтедобычи, рассматривающая их как элемент природао-ресурсной системы и базирующаяся на принципах: минимизации образования; раздельного сбора; получения отходов с заданными свойствами; обоїнщения и вовлечения в ресурсооборог групп отходов с ценными физико-химическими свойствами; экологически безопасного хранения, утилизации, обезвреживания и размещения в окружающей среде неушлизируемых 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 иефтеотходы, отходы ремонта, иефтегрунт, АСПО.
Определены основные факторы (массовое содержание в отходе нефтепродуктов, механических ітрітмесей и воды; массовая доля нефтеотхода в целевом продукте; происхождение отхода) и граіпічньїс условия, определяющие пригоді гость 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 цепных высокомолекулярных соединений - до 9Н% (в т. ч, асфальтснов 0,3-45 %, смол 0.8-20 %, парафинов 12-86 сУс. масел 6.5-50 %), рассматривающий ЛСПО в качестве полупродукта для дальнейшего использования.
Выявлена эмиссия нефтепродуктов при экстракции водой из органоминс-рального гидроизоляционного материала на основе ACTIO - 0,00065 мас.% и обоснована необходимость его изоляции сверху и снизу слоями глины по принципу «материал в обойме» в конструкции противофильтрационного 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 амии (С=14) - 0,1.
Впервые обоснована и подтверждена возможность утилизации АСПО в составе углеводородной консервационной смазки. Установлен оптимальный состав новой смазки, мае./?: АСПО 80-90. петролатум 10-20. присадка МНИ-7 - 1, обеспечивающий высокие эксплуатационные характеристики (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2003115983/04(016956) от 28.05.2003 г.).
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 N° 2237082).
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных методов теоретических исследований и анализа, большим объемом лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, выполненных но общепризнанным методикам; достаточной сходимостью результатов аналитических решений с результатами лабораторных и натурных исследований, использованием методов математической статистики.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
1. 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 «ЛУКОЙЛ-Пермнефть».
2. Разработаны технические условия на органоминеральный гидроизоляционный материал на основе АСПО ГУ 5775-1()5-02()69065-2000 «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 противофильтрашшпиой защиты опытного участка полигона захоронения ТБО гора Ермашсва Пермского района Пермской области» и реализована при строительстве экрана на участке (площадью 0,37 га) этою полигона. Использование предлагаемою материала обеспечивает снижение себесюимости строительства ііротивофильтрационного экрана в 2,74 раза по сравнению с экраном из полиэтиленовой пленки.
3. Разработана технология производства и применения полимерорганических щд-роизоляционных машриалов на основе АСПО и отходов полиэтилена. Разработаны технические условия ТУ 02 5893-001-02069065-2004 «Пошшерорганические гидроизоляционные материалы», согласовашіью ФГУП Фсдсрачьиый центр благоустройства и обращения с отходами Госстроя России. Технология внедрена на ООО «Сатури-Р» путем производства и использования материалов для пщроиюляции строіггсльньїх конструкций промышленного здания автоцентра в г. Перми. Экономический эффект от внедрения составил 106,2 тыс. руб.
4. Разработана технология утилизации АСПО в производстве новой углеводородной консервационной смазки и технические условия ТУ 02 5463-002-02069065-2004 «Смазка копсервациониая на основе ЛСПО», согласованные ОЛО «Энсргстик-Псрмскис моторы». Опытная партия смазки (130 кг) была получена и использована на ОАО «Энергетик-ИМ» 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.
5. Разработана ресурсосберегающая технология утилизации АСПО в технологии брикетирования с камеїшьім углем и техішческие условия ТУ 03 2090-003-02069065-2004 «Брикетированное топливо на основе АСПО», согласованные Куигурским городским мушщип&тьпым предприятием «Тсшюэисрго». Замена традиционного исфтссвя-зующего на АСПО экономит расход битума в количестве 0,08 т/т брикетов, а также стгжаетстоіімость сырья для 1 тонны брикетов в 1,4 раза.
6. Разработаны «Методические рекомендации по проведению внуїреннею Сдоб-ровольного) экологического аудирования на гфедггриятиях ООО «ЛУКОЙЛ -Пермнефть»; «Программа экологической безопасности ЗАО «Русская топливная компания» па 2000-2003 гг.». Материалы работы отражены в учебном пособии в рамках совместного европейского проекта ТНМ1ЇУС-ТАСИС TJЕР-10333-97 и используются в лекционных материалах и практических занятиях по курсу «Экологаческий менеджмент и аудит» для студентов ПГТУ и РМІІПК ПГТУ.
Личный вклад автора в выполнении работы заключался в разработке методологии исследований, постановке це;ш и задач, планировании, методическом руководстве и личном участии в проведении основного комплекса исследований, обработке, анали-:зс и обобщении результатов исследований, подготовке щСшжаций.
Апробация работы. Основное содержание работы было доложено, опубликовано и одобрено на 14 научных конференциях в том числе на 8 международных, 2 всероссийских, 4 рспюн&чьиых и межвуювеких.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 36 публикациях втом числе: 1 монографии, 1 учебном пособии, 13 статьях, 18 тезисов докладов, 2 патентах. Получено 1 положительное решение по заявке на вьщачу патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка лиісраіурьі - 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.PL Вайсману за советы и консультации при постановке цели и задач научных исследований, д. т. н., проф. В.Н. Коротаеву, аспирантке Т.В. Карачинцевой, K.T.H., доц. MA Татилову, кл.н., доц. Л.Е. Макаровой, инж. Н.Г. Луцуку за помощь в сборе и обработке материалов исследований.
