Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама

Авторы патента:

Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству гравия, щебня, керамзита, и может быть использован непосредственно на буровых площадках для изготовления пористых и плотных заполнителей, для теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных бетонов. Технический эффект от комплекса двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама, позволяет решить экологические задачи по обезвреживанию, и их полезной утилизации, за счет двойной термообработки. При первичной термообработке при температуре 300-500°С, за 8-20 минут удаляют избыточную влагу, обезвреживают буровые шламы от патогенных микроорганизмов, микроспор, и подсушивают до формовочной влажности 28-32%. При вторичной термообработке, скоростным обжигом, в течение 30-50 минут, в интервале температур 950-1200°С, завершают обезвреживание буровых шламов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания, все их составляющие, в том числе, возможные примеси тяжелых металлов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания связываются в прочную керамическую структуру с высокой степенью устойчивости. Варьирование технологическими параметрами позволяет получать обеззараженные строительные материалы с разными свойствами в зависимости от желаемой сферы применения: плотный гравий с плотностью 1,4 г/см³ с высокой прочностью R 50 кг/см²; поризованный гравий, который почти вдвое легче 0,8 г/см³. 1 п.ф., 1ил.

Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству гравия, щебня, керамзита, и может быть использован непосредственно на буровых площадках для изготовления пористых и плотных заполнителей, для теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных бетонов.

Освоение нефтяных и газовых месторождений, рост нефтедобычи в нашей стране привел к образованию больших объемов отходов бурения. Выход отходов бурения составляет 0,2-0,6 м³ на 1 метр проходки. Наибольшую опасность для объектов природной среды представляют производственно-технологические отходы бурения, которые накапливаются и хранятся на территории буровых [1].

Шламовые амбары занимают большие площади, а их содержимое является постоянным источником загрязнения окружающей среды, например Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) накоплено огромное количество отходов бурения - на 2002 г. свыше 4 млн. тонн [2].

С другой стороны, для удаленных нефтегазовых регионов, с учетом имеющегося в них дефицита строительных материалов и дороговизны их дальней транспортировки, актуальна полезная утилизация, образовавшихся при бурении эксплуатационных скважин, бурового раствора с выбуренной породой - буровых шламов, в материалы пригодные к применению, для дорожного строительства, для рекультивации отработанного карьера, для отсыпки нефтепроводов, для строительных и ремонтных работ и других технических целей.

С учетом этого разработка комплекса для обезвреживанию и утилизации буровых шламовых отходов чрезвычайно актуальна.

Известна «Технологическая схема установки для термического обезвреживания промышленных нефтесодержащих и твердых бытовых отходов» по патенту 75711. от 2008.04.07, опублик. 2008.08.20, МПК F23G 5/14, хранящихся в местах складирования (в аварийно-технологических амбарах или шламонакопителях), и ликвидации высвобождаемых шламонакопителей с последующей их рекультивацией и передачей восстановленных участков землепользователям.

Термообезвреживание, реализуемое предлагаемой установкой, основывается на пиролизе - деструкции органической части отходов, например, нефтешлама, при температуре 500-550°С с получением твердого остатка и горючих газов. Отличительной особенностью технологии термообезвреживания в предлагаемой установке является осуществление пиролиза во вращающейся муфельной печи с ретортой по принципу «труба в трубе» без доступа воздуха, при этом выделяющиеся при пиролизе горючие газы полностью сжигаются в топке печи, а дымовые газы используются для обогрева реторты.

Утилизированный грунт может быть использован для возделывания технических культур и посадок зеленых насаждений в черте населенных пунктов, а также для хозяйственных целей, например, для обустройства дорог, засыпки оврагов.

Для переработки буровых шламов процесс пиролиза не является оптимальным, поскольку не позволяет использовать потенциальные возможности данного сырья для получения качественных строительных материалов, таких как пористые заполнители, для теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных бетонов.

В установке использовано нестартатизованное оборудование, и сложные устройства для обеспечения герметичности для проведения процесса.

Известна «Установка по переработке нефтешлама» по патенту 2341547, от 2006.11.23, опублик. 2008.12.20, МПК C10G 1/00, F23G 5/20, которая может быть использована для переработки и утилизации нефтешлама. Устройство содержит питатель, через который подают нефтешлам во вращающийся барабан с горелками, испарителем и приемником газа, через которые поток отходящих газов с температурой, порядка 200-250°С, подают во вращающийся барабан. Через узел разгрузки негорючие инертные компоненты в виде песка, золы или грунта отправляют в накопитель.

При переработке и утилизации нефтешлама невозможно получить строительный материал с устойчивой стабильной структурой из-за низкой температуры термообработки.

Наиболее близким по технической сущности является «Полигон для очистки и обезвреживания выбуренного грунта комбинированным методом» по патенту 61162 от 2006.09.20, опублик. 2007.02.27, МПК B09B 3/00. На установке высокотемпературного обжига в печах, при температуре 1400°С, шлам обеззараживают. После спекания грунта, и достижения прочности 10 кг/см², обезвреженную массу используют для рекультивации отработанного карьера, для отсыпки нефтепроводов, для строительных и ремонтных работ и других технических целей.

При использовании данного полигона предусмотрено применение специальных компонентов для отверждения массы и вспучивания, большие затраты энергии для обезвреживания в течение 1 часа, путем высокотемпературного обжига при температуре 1400°С. На данном полигоне не обеспечивают обезвреживание патогенных микробов и микроспор, на первых этапах переработки, что создает угрозу для работающих с сырьевой смесью, на последующих устройствах полигона.

Задачей предлагаемого технического решения является обезвреживание и полезная утилизация буровых шламов в материалы пригодные к применению для строительных и ремонтных работ и других технических целей, непосредственно на площадке буровой установки, без доставки дополнительных компонентов.

Задача решена за счет комплекса двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама содержащего агрегат для формования гранул, устройство для спекания гранул, при этом, комплекс дополнительно снабжен агрегатом первичного, в течение 8-20 минут, при температуре 450-700°С, обезвреживания, выполненного в виде сушильного барабана: агрегат для формования гранул выполнен в виде шнекового пресса или дырчатых вальцов, устройство для спекания гранул и вторичного, в течение 30-50 мин, при температуре 950-1100°С, обезвреживания, выполнено в виде вращающейся печи высокотемпературного обжига.

Введение в комплекс устройства скоростной первичной термообработки за 8-20 минут, в виде сушильного барабана, позволяет при получении обеззараженного полуфабриката формовочной влажности значительно меньше, по сравнению с аналогами, тратить времени и энергоресурсов, и создать безвредные условия для работающих с сырьевой смесью и буровиков.

Введение в комплекс скоростного обжига в течение 30-50 минут, во вращающейся печи высокотемпературного обжига, при вторичной термообработке позволяет, при получении обезвреженной прочной керамической структуры, в разы, по сравнению с аналогами, снизить энергозатраты и ускорить изготовление строительного материала.

Разработанный комплекс двойного обезвреживания двойной термообработкой позволяет решить экологические задачи по обезвреживанию буровых шламовых отходов, а также задачи их полезной утилизации, с получением качественных строительных материалов, пористых заполнителей, для теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных бетонов.

Строительные материалы, получаемые по разработанной технологии, могут восполнить существующий дефицит в районах размещения буровых установок, и снизить остроту проблемы, покрывая часть этих потребностей.

Помимо экологического аспекта - снижения негативного воздействия на окружающую среду, уменьшения площадей, занятых отходами, следует учитывать и социально-экономический эффект: уменьшение платы за размещение отходов, получения прибыли от реализации продукта, создание дополнительных рабочих мест.

В результате первичной термообработки, выполняемой на начальном этапе переработки буровых шламов, будет обеспечено их обезвреживание от патогенных микробов, вирусов и микроспор. Это создает безопасные условия труда при дальнейшей работе со шламами на последующих технологических переделах.

Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама показан на чертеже, где агрегат первичного обезвреживания 1, приемный бункер формовочной массы 2, агрегат 3 для формования гранул с измельчителем, агрегат 4 для окатывания, уплотнения и дополнительной сушки полуфабриката, бункер накопитель 5 с питателем, агрегат 6 для спекания гранул, агрегат охлаждения 7, склад готовой продукции 8.

Комплекс работает следующим образом.

Шлам поступает в агрегат 1 первичного обезвреживания, выполненный в виде сушильного барабана с эффективными теплообменными устройствами и теплогенератором (на чертеже не показаны), который обеспечивает кратковременное интенсивное удаление избыточной влаги.

Первичную термообработку шлама проводят кратковременно и интенсивно в сушильном барабане, при температуре теплоносителя 300-500°С за 8-20 мин. За это время шлам доводят до формовочной влажности 28-32% и одновременно обезвреживают его от патогенных микроорганизмов, микроспор.

Для повышения интенсивности процесса принята прямоточная тепловая схема подачи материала и сушильного агента.

При температуре 200°С формовочная влажность Wф=30% достигается через 23 минуты, а полное высыхание (нулевая влажность) - через 80 мин. С повышением температуры сушки до 300-400°С время подсушки до влажности 30% уменьшается и составляет соответственно 17 и 9 мин.

Таким образом, установлено, что при температуре 300-500°С происходит интенсивная подсушка шлама.

В приемный бункер 2 подают безвредную формовочную массу. Это создает безопасные условия труда уже на начальном этапе переработки шлама и при дальнейшей работе на последующих агрегатах и устройствах комплекса.

Обезвреженную от патогенных микроорганизмов и микроспор массу, для повышения ее структурной однородности и влажности, пропускают через роторно-дисковый измельчитель агрегата 3 для формования гранул, что дает возможность получать одинаковые по размеру уплотненные гранулы, что улучшает процесс обжига, делает его более стабильным и эффективным, исключая недожог.

Включение в комплекс агрегата 3 для формования гранул в виде дырчатых формующих вальцов, шнекового пресса или гранулятора, способствует уплотнению полуфабриката, ускоренному формированию прочной керамической структуры в условиях последующего скоростного обжига.

Полуфабрикат поступает в агрегат 4 для окатывания уплотнения и дополнительной сушки, где, перед вторичной термообработкой, подсушивают полуфабрикат до остаточной влажности 10-15%, в результате чего прочность при сдавливании гранул возрастает до Rсд=10,7...11,5 кг/см².

Включение в комплекс агрегата 4 для окатывания, уплотнения и дополнительной сушки гранул полуфабриката усиливает вышеуказанные положительные эффекты и, кроме того, обеспечивает повышение прочности гранул, направляемых на обжиг, и их неразрушаемость при последующем обжиге в высокотемпературной вращающейся печи.

Использование при этом тепла отходящих газов из печи высокотемпературного обжига повышает энергоэффективность процессов.

Высокая прочность гранул полуфабриката обеспечивает их неразрушаемость в бункере накопителе 5 с питателем, и при перемещении к другим устройствам и агрегатам комплекса.

Из бункера накопителя 5 гранулы полуфабриката поступают в агрегат для спекания гранул 6, где гранулы подвергают вторичной термической обработке в режиме скоростного обжига в течение 30-50 мин, в интервале температур 1000-1200°С. Температуру обжига выбирают, в зависимости от свойств строительного материала, который планируется получить. При Тобж=1050°С, из данного сырья получают гравий с наибольшей прочностью 50 кг/см², а при обжиге на грани слипания Т 1100°С - поризованный гравий с минимальной плотностью 0,83 г/см³.

Включение в комплекс агрегата для спекания гранул, в виде вращающейся печи 6 высокотемпературного обжига, обеспечивает завершение процесса обезвреживания буровых шламов, поскольку все их составляющие, в том числе, возможные примеси тяжелых металлов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания связываются в прочную керамическую структуру, с высокой степенью устойчивости к атмосферным воздействиям, сохраняющую прочность и неразрушаемость в процессе долговременной эксплуатации, что характеризуется высокими показателями коэффициента размягчения получаемого строительного материала Кр=0,8-0,9.

Об этом свидетельствует проведенные испытания долговечности материалов после обжига.

Высокая дисперсность частиц в составе буровых шламов (34,7% - частицы размером менее 0,005 мм, в том числе 18,3% - менее 0,001 мм) оказывает большое влияние на скорость, температуру и полноту протекания физико-химических процессов при обжиге. Известно, чем меньше частицы сырья, тем быстрее и полнее протекают физико-химические процессы твердофазового, а затем смешанного спекания в присутствии жидкой фазы, образующейся при пиропластическом размягчении массы. И именно от этого зависит прочность, которую материал приобретает после обжига, и качество обеззараживания.

Детальное изучение высокотемпературного этапа обжига показало, что активный процесс спекания и обеззараживания протекает в температурном интервале 950-1100°С, о чем свидетельствует возрастающая прочность обжигового материала. Подъем температуры выше 1000°С приводит к пиропластическому размягчению массы и появлению жидкой фазы. При этом наблюдается поризация сердцевины гранул и увеличения объема гранул в результате их вспучивания.

Варьирование технологическими параметрами позволяет получать обеззараженные строительные материалы с разными свойствами в зависимости от желаемой сферы применения: плотный гравий с плотностью 1,4 г/см³ с высокой прочностью R 50 кг/см²; поризованный гравий, который почти вдвое легче 0,8 г/см³.

После двойного обеззараживания гранулы подают через агрегат охлаждения 7, на склад готовой продукции 8.

Проведенные опытные работы показали возможность полного обезвреживания шламовых отходов и получения из них строительного материала в виде гравия с плотностью 830-1400 кг/м³ .

К настоящему времени, проведены опытные испытания шлама в заводских условиях, выполнены проектные работы, подобрано стандартное оборудование и ведется строительство комплекса по переработке и обезвреживанию буровых шламов.

Основные устройства и агрегаты, из которых состоит комплекс, широко опробованы на практике, отличаются простотой и надежностью, что позволяет гибко варьировать:

- технологическими параметрами, такими, как продолжительность и температура на основных технологических переделах, и за счет этого, направленно менять гранулометрический состав, и изменять свойства получаемого строительного материала - получать более легкий пористый гравий, либо плотный с высокой прочностью;

- оптимальной подборкой оборудования, в соответствии с желаемой производительностью комплекса, что позволяет перерабатывать до 40-50 тыс.м³ в год бурового шлама.

Строительные материалы, получаемые на устройствах и агрегатах, включенных в комплекс, характеризуются стабильной долговечной структурой. Долговечность материалов была подтверждена испытаниями по ряду методик, которые применяются для строительных материалов. Были проведены испытания водопоглощения, определение потерь после кипячения, определение коэффициента размягчения, определение морозостойкости. Данные показатели характеризуют устойчивость структуры материала после обжига и его долговечность. Испытания выполняли в соответствии с методиками ГОСТ 9758-80 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний».

Возможные сферы применения строительного гравия и щебня, получаемых из шламовых отходов буровых установок на комплексе двойной термообработки: дорожное строительство, легкие конструкционные бетоны для промышленного и жилищного строительства.

Получение таких строительных материалов имеет большое значение для удаленных нефтегазовых регионов с учетом имеющегося в них дефицита строительных материалов и дороговизны их дальней транспортировки.

Технический эффект от комплекса двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама, позволяет решить экологические задачи по обезвреживанию, и их полезной утилизации, за счет двойной термообработки. При первичной термообработке при температуре 300-500°С, за 8-20 минут удаляют избыточную влагу, обезвреживают буровые шламы от патогенных микроорганизмов, микроспор, и подсушивают до формовочной влажности 28-32%. При вторичной термообработке, скоростным обжигом, в течение 30-50 минут, в интервале температур 950-1200°С, завершают обезвреживание буровых шламов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания, все их составляющие, в том числе, возможные примеси тяжелых металлов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания связываются в прочную керамическую структуру с высокой степенью устойчивости.

Список литературы.

1. Быков Н.Ю., Гуменюк А.С., Литвиненко В.И. Охрана окружающей среды при строительстве скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1985. - 37 с.- (Обзор, информ. Сер. Коррозия и защита окружающей среды в нефтегазовой промышленности).

2. Шевелева Т.Н., Рамзова С.А. Отходы производства//Информационный бюллетень «О состоянии окружающей природной среды Ханты-Мансийского автономного округа». НПЦ «Мониторинг». Ханты-Мансийск, 2003.-С.85

Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама, содержащий агрегат для формования гранул, устройство для спекания гранул, отличающийся тем, что комплекс дополнительно снабжен агрегатом первичного в течение 8-20 мин при температуре 450-700°С обезвреживания, выполненным в виде сушильного барабана; агрегат для формования гранул выполнен в виде шнекового пресса или дырчатых вальцов; агрегат для спекания гранул и вторичного в течение 30-50 мин при температуре 950-1100°С обезвреживания выполнен в виде вращающейся печи высокотемпературного обжига.