Использовать отходы нефтедобычи в системах отопления позволяет новая технология, разработанная группой исследователей из лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики ТПУ и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Предложенный метод сжигания нефтесодержащих отходов с помощью «горючего льда» позволяет снизить вредные выбросы в сравнении с другими способами утилизации. Выделяющееся тепло можно использовать для обогрева отдаленных населенных пунктов и инфраструктуры нефтегазовых месторождений.
От добычи, переработки и транспортировки нефти остается большое количество опасных отходов, содержащих нефтяные углеводороды, тяжелые металлы и летучие органические вещества. При этом у существующих технологий их утилизации, таких как сжигание, отверждение, биологическая и окислительная обработка, есть свои минусы: риск утечек, дороговизна, специальное сложное оборудование и многое другое.
Перспективную альтернативу предлагают исследователи ТПУ — сжигать нефтесодержащие отходы вместе с гидратным газом. Он выделяется в результате регазификации газовых гидратов, представляющих собой горючий газ в оболочке изо льда и воды (отсюда другое их название — «горючий лед»). Новая технология позволяет снизить объем вредных выбросов и с пользой применить выделяющееся тепло.
Деталями проекта с корреспондентом «Научной России» поделился один из авторов работы, инженер-исследователь молодежной лаборатории газовых гидратов ТПУ Кирилл Витальевич Виногродский.
«Газовый гидрат — твердое кристаллическое соединение, похожее на снег или лед. “Горючим льдом” его называют в силу захватывания молекулами воды молекул горючего газа, выделяющегося при незначительном нагреве газового гидрата. Природный газовый гидрат образуется и находится на дне морей и океанов, в местах, где есть условия для его формирования: высокое давление (более 20 бар) и температура ниже 0 °С. Мы же получаем искусственный газовый гидрат в реакторах гидратообразования, — рассказал К.В. Виногродский. — Известна технология поточного синтезирования газового гидрата, действующая в промышленных масштабах в Японии. Но японские коллеги получают газовый гидрат в виде суспензии. В такой форме он недостаточно хорошо сохраняет стабильность при транспортировке, а извлечение из него лишней воды требует применения дополнительных устройств. В нашем же случае мы получаем газовый гидрат в виде порошка, который можно транспортировать на дальние расстояния при относительно низком давлении, а в зимнее время в России транспортировка может осуществляться с использованием естественного холода».
Инженер-исследователь молодежной лаборатории газовых гидратов ТПУ Кирилл Витальевич Виногродский.
Фото: Александр Волков / пресс-служба Томского политехнического университета
Работа над технологией началась с построения математической модели, после чего идея воплотилась в экспериментальной установке для сжигания отходов нефтедобычи. При расчетах есть возможность варьировать различные параметры — от температуры и угла пламени до размеров сжигаемых частиц. Это помогает подбирать лучшие условия для утилизации отходов.
Технологию опробовали на типичном нефтяном шламе. Испытания показали, что для эффективной работы в установку нужно загружать около 12 кг/ч нефтяного шлама при подаче до 0,5 кг/ч гидратного газа.
Использование гидратного газа позволило снизить токсичные выбросы от сжигания нефтесодержащих отходов. Так, концентрация угарного газа снизилась на 11%, что в 7,8 раза меньше, чем при других способах утилизации. Концентрация оксида серы SO2 упала на 5%, то есть стала в 8,5 раза меньше. А содержание оксидов азота в выбросах снизилось на 15%. Кроме того, добавление гидратного газа повысило на 3% саму эффективность сгорания отходов.
«Экспериментальная установка представляет собой котельное оборудование, имитирующее промышленный водогрейный котел. В камере сгорания зажигаются два факела. На первую горелку из блока регазификации подается гидратный газ. Нагрев газового гидрата происходит за счет отбора части теплоносителя, который, в свою очередь, подогревается в теплообменнике, установленном внутри камеры сгорания. Через второе горелочное устройство, направленное к оси газовой горелки под углом в 45°, распыляются нефтесодержащие отходы. Попадая в горящий факел гидратного газа, отходы воспламеняются и сгорают, при этом выделяющиеся дымовые газы нагревают теплоноситель», — объяснил К.В. Виногродский.
Побочный продукт от сжигания нефтесодержащих отходов с гидратным газом — чистая вода, пригодная для использования в быту и промышленности.
Экспериментальная камера для сжигания отходов нефтедобычи.
Фото: Александр Волков / пресс-служба Томского политехнического университета
Но самое главное — ученые продумали, как использовать тепловую энергию от процесса утилизации в системах отопления. Они разработали три разные модели технологии для обогрева населенных пунктов в условиях морозов (до -30 °C) с разной численностью населения: 150, 700 и 2,5 тыс. чел. Новое решение особенно ценно для удаленных территорий, расположенных рядом с нефтегазовыми месторождениями, где такой подход к отоплению позволит перейти к самообеспечению и замкнутому производственному циклу.
«Предлагаемая схема ориентирована на применение в труднодоступных районах, расположенных вблизи месторождений газа и нефти, которые негазифицированы вследствие низкой экономической эффективности транспортировки газа посредством трубопроводов. Газификация малонаселенных пунктов на этих территориях представляет собой актуальное направление исследований. Кроме того, важно обеспечить тепловой и электрической энергией производственные и жилые объекты на самих месторождениях, — отметил К.В. Виногродский. — Процесс утилизации отходов и отопления может выглядеть следующим образом. Сначала попутные газы, извлекаемые в процессе разработки угольных шахт или эксплуатации нефтяных скважин, направляются в реактор гидратообразования для синтеза гидрата. Ключевые компоненты, необходимые для формирования гидрата, — газ и вода, поэтому в реактор также необходимо подавать воду. Полученный газовый гидрат переваливается в специальную емкость и транспортируется до потребителя (в основном на котельные станции), где подвергается нагреву водой, предварительно подогретой в экономайзере (теплообменнике. — Примеч. корр.). Подвод тепла инициирует регазификацию гидрата, в результате которой образуются газ и вода. Выделившаяся вода возвращается в технологический цикл для собственных нужд, а гидратный газ подается в топку котельного оборудования, выполняя функцию факела подсветки. Последний обеспечивает предварительный разогрев камеры сгорания и инициирует устойчивое горение основного топлива — угольного шлама или нефтяного шлама в зависимости от типа разрабатываемого месторождения.
Как было упомянуто выше, созданный нами экспериментальный стенд имитирует водогрейный котел. Наша задача при разработке технологии и заключалась в том, чтобы новое решение можно было с минимальными затратами внедрить в существующее котельное оборудование».
Результаты исследований представлены в журнале Thermochimica Acta. Работа получила поддержку Министерства науки и высшего образования (грант №075-15-2024-543).
«В ходе экспериментальных исследований был установлен ряд преимуществ новой технологии, — подчеркнул К.В. Виногродский. — Во-первых, подсветка факелом гидратного газа помогла снизить время задержки зажигания низкосортного топлива, что позволяет эффективнее утилизировать промышленные отходы в стандартных котельных агрегатах без значительных конструкционных изменений. Во-вторых, за счет использования гидратного газа, имеющего в составе пары воды, снижаются антропогенные выбросы. В-третьих, использование попутных газов для синтеза гидрата вовлекает их в энергетический сектор, позволяя получать полезную энергию, что отличает подход от современных методов факельной утилизации».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Александр Волков / пресс-служба Томского политехнического университета.
