Способ обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов

Изобретение относится к энергосберегающим и экологически безопасным технологиям нефтеперерабатывающей промышленности и теплоэнергетики и может быть использовано при тепловой обработке водосодержащих нефтяных отходов с содержанием водной фракции не менее 60% низкопотенциальными теплоносителями с температурой 100-250°C с целью последующей утилизации нефтешламов путем сжигания в топках энергетических установок.

Известен способ обезвоживания нефти, заключающийся в нагреве водосодержащих нефтяных отходов в замкнутом объеме до температуры 65-90°C и их многократном перекачивании при помощи насоса (см. патент DE №3344526, МПК C10G 33/00, опубл. 20.06.1985).

Недостатком известного технического решения является повышенная температура нагрева водосодержащих нефтяных отходов, ухудшающая свойства нефтепродукта и способствующая его разложению на фракции.

В качестве ближайшего аналога принят способ обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, включающий их нагрев в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного до температуры, соответствующей температуре насыщения воды при соответствующем давлении в замкнутом объеме (см. патент РФ №2233310, МПК C10G 33/00, опубл. 27.07.2004).

Недостатками ближайшего аналога является неудовлетворительная степень обезвоживания нефтепродуктов.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является разработка эффективного способа обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, с целью их дальнейшей утилизации.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении степени обезвоживания нефтяных отходов (конечное содержание водяной фракции не более 20%) за счет обеспечения фазового перехода водяной фракции водосодержащих нефтяных отходов на основе утилизации теплоты низкопотенциальных теплоносителей, а также возможности использования конечного продукта в качестве присадок к рабочему топливу энергетических установок (котельных) без существенного снижения теплотехнических характеристик процессов горения.

Поставленная задача решается тем, что в способе обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, включающем их нагрев в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного до температуры, соответствующей температуре насыщения воды при соответствующем давлении в замкнутом объеме, водосодержащие нефтяные отходы предварительно нагревают до температуры 50-80°C, перемешивают и доводят их температуру до 100-110°C, после чего подают в замкнутый объем с давлением в нем 0,05-0,1 ата, в котором происходит распыление водосодержащих нефтяных отходов снизу вверх с отбором и удалением паров воды, далее организуют тонкопленочное стекание оставшейся нефтеводяной эмульсии по поверхностям, обогреваемым низкопотенциальными теплоносителями с температурой 100-250°C, с отбором и удалением паров воды. Кроме того, водосодержащие нефтяные отходы распыливают в замкнутом объеме с помощью форсунки с формированием факела распыла. Кроме того, водосодержащие нефтяные отходы нагревают до 100-110°C и подают в замкнутый объем при давлении 10-25 ата. Кроме того, в качестве низкопотенциальных теплоносителей используют дымовые газы с температурой 170-250°C или воду непрерывной продувки котлоагрегатов с температурой 100-150°C.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признак «водосодержащие нефтяные отходы предварительно нагревают до температуры 50-80°C» обеспечивает снижение вязкости нефтяных включений и их равномерное распределение в водосодержащих нефтяных отходах перед повторным нагревом до 100-110°C.

Признак «доводят их температуру до 100-110°C» обеспечивает оптимальную вязкость нефтяных фракций для последующего распыления.

Признак «с последующим распылением [водосодержащих нефтяных отходов] снизу вверх в замкнутом объеме с давлением 0,05-0,1 ата, в котором происходит распыление водосодержащих нефтяных отходов снизу вверх с отбором и удалением паров воды» обеспечивает высокую дисперсность рабочей среды и, как следствие, увеличение площади испарения водяной фракции из нефтеводяной эмульсии, что обусловливает непрерывное объемное вскипание водяной фракции в факеле распыла рабочей жидкости с одновременным отбором и удалением паров воды.

Признак «организуют тонкопленочное стекание оставшейся нефтеводяной эмульсии по поверхностям, обогреваемым низкопотенциальными теплоносителями с температурой 100-250°C, с отбором и удалением паров воды» повышает эффективность обезвоживания за счет отбора удаления паров воды из замкнутого объема и дополнительного поверхностного испарения водяной фракции за счет ее кипения в тонкой пленке нефтеводяной эмульсии, стекающей по обогреваемым поверхностям.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

На подготовительном этапе водосодержащие нефтяные отходы в виде смеси нефтяных включений и водонефтяных шламов с содержанием водной фракции не менее 60% нагревают до 50-80°C.

Поскольку водосодержащие нефтяные отходы содержат разное количество примесей и являются высоковязким продуктом, для транспортировки и переработки необходимо снизить их вязкость.

Для решения этой проблемы использовали нагрев, т.к. известно, что при увеличении температуры нефтепродуктов их вязкость уменьшается (Геллер З.И. Мазут как топливо. М.: Недра, 1965. 496 с., стр. 24, http://www.chem21.info/page/09702707604109822909420312210113517600106 7019142/).

В приведенных данных видно, что для различных нефтепродуктов при температуре ниже 50°C вязкость имеет довольно высокие значения, в интервале 50-90°C кривые имеют пологую форму и значения вязкости изменяются незначительно, а при температурах более 90°C вязкости становятся практически равнозначными.

В сравнении с ближайшим аналогом, предварительный нагрев до температуры выше 55°C обеспечивает более низкую вязкость нефтяных отходов, необходимую для их подачи в замкнутый объем. Нагрев до более высоких температур нерационален из-за высоких энергетических и материальных затрат при схожих показателях вязкости.

Далее обеспечивают равномерное распределение нефтяной фракции в водном объеме, например с помощью насоса объемного типа (роторный, винтовой, шестеренчатый и т.п.) и доводят их температуру до 100-110°C.

Оптимальная температура нагрева нефтяных отходов определялась исходя из условий обеспечения их оптимальной вязкости для распыления посредством механической форсунки (Блинов Е.А. Топливо и теория горения. Раздел - подготовка и сжигание топлива: Учебно-методический комплекс (учебное пособие). - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007. - стр. 11, табл. 1.1). При более низких температурах показатели вязкости не позволяют произвести эффективное распыление, при более высоких температурах возрастают энергетические и материальные затраты.

Также предварительно обеспечивают давление 0,05-0,1 ата в замкнутом объеме, содержащем механическую форсунку для распыления водосодержащих нефтяных отходов и поверхности для тонкопленочного стекания нефтеводяной эмульсии, обогреваемые низкопотенциальными теплоносителями.

В целях создания условий для вскипания водной фракции в объеме нефтяных отходов, в замкнутом объеме создавали давление ниже атмосферного (вакуум) для снижения температуры кипения водной фракции. Известно, что при диапазоне давлений 0,05-0,1 ата температура кипения водяной фракции составляет 33-45°C (Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967, стр. 28).

Существенная разница между температурой подачи нефтяных отходов на распыление (100-110°C) и температурой кипения водяной фракции (33-45°C) обуславливает интенсивный перегрев водной фракции нефтеводяной эмульсии, вследствие чего происходит вскипание части водяной фракции в короткие сроки (Хафизов Ф.Ш., Краснов А.В. Давление насыщенных паров для нефтепродуктов. Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, №3, стр. 411, рис. 3).

При большем давлении растет температура кипения, что ведет к снижению интенсивности перегрева водной фракции нефтеводяной эмульсии, в то же время 0,05 ата - это уже глубокий вакуум, создание которого требует слишком высоких энергозатратат.

Далее подготовленные водосодержащие нефтяные отходы подают в замкнутый объем на механическую форсунку с давлением распыла Р=16-20 кг/см² для их распыления снизу вверх.

Распыление повышает эффективность обезвоживания за счет обеспечения высокой дисперсности водосодержащих нефтяных отходов, в результате чего происходит увеличение суммарной площади испарения отдельных капель эмульсии (и, соответственно - выделение водяной фракции из капель нефтеводяной эмульсии), что обусловливает ускорение процесса объемного вскипания водяной фракции в вертикальном мелкодисперсном факеле распыла, этому также способствует пониженное давление в замкнутом объеме и подача в него нефтяных отходов при давлении 10-25 ата.

Существенным недостатком ближайшего аналога является то, что подкипание водной фракции происходит ступенчато и локально - только в верхнем слое объема нефтяных отходов (из-за циркуляции нефтяные отходы с более высокой температурой поднимаются вверх, а разрежение обеспечивают только над их поверхностью), толщину и время формирования которого сложно контролировать. Кроме того, расположение системы подогрева ниже средней линии замкнутого объема подразумевает его наполнение как минимум наполовину, а это не всегда представляется возможным.

В заявляемом решении выделение и вскипание водяной фракции происходит более равномерно, во всем объеме вертикального мелкодисперсного факела распыла, параметры которого можно регулировать за счет изменения температуры, давления и объема подаваемых в замкнутый объем нефтяных отходов, а также давления распыла используемой форсунки.

Затем организуют тонкопленочное стекание оставшейся нефтеводяной эмульсии по поверхностям, обогреваемым низкопотенциальными теплоносителями, при этом в тонкой пленке нефтеводяной эмульсии происходит пузырьковое кипение водяной фракции и ее испарение.

Температура низкопотенциальных теплоносителей (170-250°C для дымовых газов и 100-150°C для воды непрерывной продувки котлоагрегатов) выбрана исходя из условий обеспечения оптимальной вязкости нефтяных фракций в эмульсии для ее стекания по обогреваемым поверхностям с учетом тепловых потерь.

Известно, что нормируемая температура уходящих дымовых газов за хвостовыми поверхностями при работе котла на мазуте должна быть не ниже 160°C (Гусев Ю.Л. Основы проектирования котельных установок (учебное пособие для вузов) М., Стройиздат, 1973, стр. 94).

Вода непрерывной продувки как возможный теплоноситель при номинальной нагрузке котлов 14 ата имеет температуру не менее 194°C (Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара, изд-во Машиностроение, Москва, 1967, стр 37). Для ее использования в качестве греющего теплоносителя необходима предварительная очистка (для которой используют, например, сажеотстойники), где происходит остывание до 100-150°C (Киевский М.И., Лерман Е.А. «Очистка сточных вод хлорных производств», изд-во Техника, Киев, 1970 - стр. 57). Использование воды непрерывной продувки без предварительной очистки от сажистых включений приведет к загрязнению поверхности теплообмена и соответственно снижению его эффективности. В результате после очистки получают низкопотенциальный теплоноситель, готовый для дальнейшего использования в заявляемом способе без дополнительных операций, требующих энергетических и материальных затрат. При этом использование воды в качестве теплоносителя с температурой ниже 100°C неэффективно в силу малой тепловой мощности теплоносителя.

При более низких температурах низкопотенциальных теплоносителей вязкость нефтеводяной эмульсии повышается, как следствие, стекание по обогреваемым поверхностям происходит неравномерно (слоями, которые накладываются друг на друга) и медленно, кроме того, увеличивается толщина пленки нефтеводяной эмульсии, в результате эффективность обезвоживания снижается, а сроки, наоборот, увеличиваются из-за снижения интенсивности пузырькового кипения водяной фракции и ее испарения. При более высоких температурах возрастают энергетические и материальные затраты.

При распылении водосодержащих нефтяных отходов и тонкопленочном стекании нефтеводяной эмульсии обеспечивается одновременный отбор и удаление паров воды.

Обезвоженный продукт удаляется из замкнутого объема в сборную емкость.

Заявляемое изобретение позволяет производить обезвоживание нефтяных отходов с более высоким содержанием водяной фракции (не менее 60%, в ближайшем аналоге упоминали о 2%) с удалением свободной и связанной воды.

При этом выход за пределы заявляемых параметров в меньшую сторону приводит к снижению эффективности обезвоживания, а в большую - к необоснованным энергетическим и материальным затратам.

1. Способ обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, включающий их нагрев в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного до температуры, соответствующей температуре насыщения воды при соответствующем давлении в замкнутом объеме, отличающийся тем, что водосодержащие нефтяные отходы предварительно нагревают до температуры 50-80°C, перемешивают и доводят их температуру до 100-110°C, после чего подают в замкнутый объем с давлением в нем 0,05-0,1 ата, в котором происходит распыление водосодержащих нефтяных отходов снизу вверх с отбором и удалением паров воды, далее организуют тонкопленочное стекание оставшейся нефтеводяной эмульсии по поверхностям, обогреваемым низкопотенциальными теплоносителями с температурой 100-250°C, с отбором и удалением паров воды.

2. Способ обезвоживания по п.1, в котором водосодержащие нефтяные отходы распыливают в замкнутом объеме с помощью форсунки с формированием факела распыла.

3. Способ обезвоживания по п.1, в котором водосодержащие нефтяные отходы нагревают до 100-110°C и подают в замкнутый объем при давлении 10-25 ата.

4. Способ обезвоживания по п.1, в котором в качестве низкопотенциальных теплоносителей используют дымовые газы с температурой 170-250°C.

5. Способ обезвоживания по п.1, в котором в качестве низкопотенциальных теплоносителей используют воду непрерывной продувки с температурой 100-150°C.