СПОСОБ СКОРОСТНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Название	СПОСОБ СКОРОСТНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Разработчик (Авторы)	Цодиков М.В., Хаджиев С.Н., Передерий М.А., Кадиев Х.М., Чистяков А.В., Мартынов Б.И., Константинов Г.И., Марин В.П.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2462500
Дата регистрации	03.12.2010
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

Описание изобретения

Изобретение относится к области нефтяной, нефтехимической, газовой, химической промышленности и к области охраны окружающей среды, и более конкретно, к способам утилизации нефтяных остатков и загрязнений, удаленных с водной или твердой поверхностей, а также из сточных вод, и может быть использовано для осуществления природоохранных мероприятий с получением ценных энергоносителей.

Разработка эффективных способов утилизации нефтяных остатков и загрязнителей является одной из важнейших экологических проблем современности. Нефтяная и нефтехимическая промышленность по масштабам и степени воздействия на природную среду относятся к числу отраслей, обладающих исключительно высокой экологической опасностью, что в большей степени объясняется привнесением в природную среду вредных углеводородных загрязнителей. Среди них наибольшую опасность представляют сырая нефть, нефтешламы, гудроны и другие вредные и токсичные вещества [1, 2].

Известно, что огромные объемы нефти и нефтепродуктов ежегодно выливаются при авариях на нефтепромыслах, нефтехранилищах, нефтепроводах, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, а также на объектах потребления нефтепродуктов - морских и речных портах, железнодорожных узлах, автохозяйствах, АЗС и т.д. [3].

Из отходов нефтеперерабатывающей промышленности наиболее многочисленными являются нефтешламы, на втором месте - гудроны, включая прямогонный гудрон - остаток после прямой перегонки нефти на горючие и смазочные компоненты и кислый гудрон - многотоннажный трудноутилизируемый отход нефтеперерабатывающей промышленности, образующийся при очистке масел (трансформаторных, конденсаторных, медицинских, парфюмерных и др.) концентрированной серной кислотой или олеумом. Кислый гудрон разной степени кислотности сбрасывают в пруды-накопители, где с течением времени происходит вымывание кислоты атмосферными осадками, а также выделение SO₂ и SO₃, в результате чего загрязняются водный и воздушный бассейны. Пруды занимают большие площади, содержащие многие тысячи тонн отходов, их общая масса в России и за рубежом достигает миллионов тонн, при этом кислые гудроны фильтруются сквозь почву, попадая в источники водоснабжения, что представляет реальную угрозу для населения. Поэтому решение проблемы утилизации гудрона будет способствовать созданию безотходного производства и охране окружающей среды [4].

Все отмеченное выше обусловливает высокую актуальность разработки процессов исчерпывающей деструкции нефтяных остатков и загрязнений, как одной из составляющей важнейших проблем сегодняшнего дня - проблемы разработки эффективных подходов к утилизации техногенных выбросов и промышленных отходов.

Известно, что наиболее эффективным, широко используемым методом фиксации и поглощения нефтепродуктов при очистке поверхности акваторий от нефтяных разливов, а также при очистке загрязненных почв и других твердых поверхностей является сорбция углеродными сорбентами, полученными на основе ископаемого угля, а также возобновляемой биомассы, по известным технологиям [5-8]. Образовавшийся при этом конгломерат «сорбент-нефтепродукт» чаще всего сжигают в котельных установках.

Известен метод очистки загрязненной водной поверхности с использованием гидрофобных углеродных сорбентов, которыми обрабатывают загрязненную поверхность воды, описанный в RU №2160632, B01J 20/20, С01В 31/08, 20.12.2000.

Известно использование для очистки жидких сред от нефти и нефтепродуктов сорбента, являющегося продуктом термообработки лузги зерен риса (RU №2259875, B01J 20/24, C02F 1/28, 10.09.2005).

Также известно использование для очистки воды от нефтепродуктов сорбента, содержащего обуглероженную льняную костру и сапропель (RU №2198987, Е02В 15/04, C02F 1/28, B01J 20/22, В09С 1/00, 20.02.2003).

Общим недостатком описанных способов является возникающая проблема сбора и утилизации сорбентов после адсорбции нефтяных продуктов, а также деструкции самих адсорбированных нефтяных продуктов.

Известен способ удаления и деструкции нефтяных загрязнений из воды и почвы, в котором загрязнения адсорбируют измельченным углем, например бурым, после чего подвергают деструкции с помощью микроорганизмов (DE 4303842, A62D 3/00, C02F 1/28, C12S 9/00, C09K 3/32, Е02В 15/04, 17.02.1994).

Недостатком данного способа является его сложность и длительность (несколько суток и более), связанная с необходимостью культивирования микроорганизмов.

В этом же источнике указана возможность сжигания адсорбированных загрязнений, но лишь для случая удаления их с твердых гладких поверхностей, таких как бетонные и асфальтовые покрытия, тогда как при авариях наиболее важной задачей является очистка водоемов и загрязненных почв.

Кроме того, в обоих случаях подвергнутые деструкции нефтяные загрязнения не используют в дальнейшем как полезные продукты и их состав не регулируют.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ скоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений, включающий их адсорбцию в порах углеродных сорбентов и обработку сверхвысокочастотным излучением при индуцированной температуре 200-1200°С менее 1 мин в потоке инертного газа (RU №2381256, C10G 15/08, C10G 25/00, C10G 25/08, C10G 32/02, B01J 19/08, 10.02.2010). Известный способ позволяет провести скоростную обработку нефтяных остатков с получением легких углеводородов, но не дает возможности получить в качестве продуктов деструкции синтез-газ, в котором преобладают водород и, в меньшей степени, СО.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа скоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений, позволяющего быстро и эффективно утилизировать нефтяные остатки и загрязнения - продукты техногенных выбросов, катастроф и промышленных отходов - с получением водородсодержащего газа.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ высокоскоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений, включающий их адсорбцию в порах углеродных сорбентов и обработку сверхвысокочастотным излучением в потоке газа, в качестве которого используют Ar или CO₂, в качестве углеродных сорбентов - сорбенты, выбираемые из ряда: сорбенты из бурого угля, газового угля, костры льна или древесных отходов. Указанную обработку проводят при индуцированной температуре 300-600°С в течение 5-10 мин до получения в качестве продукта деструкции газа, в составе которого преобладает H₂.

Согласно предлагаемому способу в качестве углеродных сорбентов используют сорбенты, обладающие тангенсом угла диэлектрических потерь, равным выше 8.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в:

- быстром и эффективном получении дешевого высококалорийного водородсодержащего газа из нефтяных продуктов техногенных выбросов, катастроф и промышленных отходов;

- возможности управлять процессом деструкции и получать продукты деструкции того или иного состава путем выбора потока газа (Ar или CO₂).

С целью определения пригодности углеродных сорбентов (УС) различной природы для высокоскоростной переработки нефтяных отходов и загрязнений тестировали ряд типовых УС, применяемых для сорбции углеводородов, на способность поглощать сверхвысокочастотное излучение. Для этого исследовали кинетику разогрева образцов УС при установленных оптимальных условиях облучения: плотность тока I=200 мA, мощность 540 Вт [9]. Для исследований использовали углеродные сорбенты: мелкодисперсные из древесных отходов (СДО)* и костры льна (СКЛ) [5-6]; сферический из газового угля (СГС) и дробленый (неправильная форма частиц) из бурого угля (СБД) [7, 8].

В табл.1 представлена характеристика пористой структуры исследуемых сорбентов, их насыпная плотность, зольность, содержание железа в минеральной части и электрофизические характеристики:

диэлектрическая проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ).

Нами было установлено, что структура пор и состав углеродных сорбентов в значительной степени оказывают влияние на уровень поглощения сверхвысокочастотного излучения. Динамика разогрева УС существенно зависит от наличия пор определенной структуры и содержания минеральных примесей (зольности) [10]. В зависимости от структуры, плотности и зольности углеродные сорбенты имеют разные электрофизические показатели.

Как видно из табл.1, снижение сорбирующих пор (Ws) и зольности (A^d) резко снижает диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь сорбентов, что обусловливает снижение их способности к поглощению сверхвысокочастотного излучения.

Кинетика разогрева УС при обработке сверхвысокочастотным излучением при плотности тока 200 мА и мощности облучения по сечению реактора до 4 мВт приведена в табл.2.

Как видно из результатов таблицы, сорбенты №3 и №4 с высокими электрофизическими показателями за 25-30 с обработки сверхвысокочастотным излучением разогреваются до 800-950°С. Мелкодисперсные сорбенты из древесных отходов (обр. №1) и из костры льна (обр. №2), характеризующиеся значительно более низкими электрофизическими показателями, при обработке сверхвысокочастотным излучением в течение 30 с разогреваются только до 610 и 630°С соответственно.

Приведенные в табл.1 и 2 данные наглядно показывают, что углеродные сорбенты, полученные из бурого и газового углей, с развитой структурой сорбирующих пор и высокой зольностью обладают высокой способностью к поглощению сверхвысокочастотного излучения. Было установлено, что за первые 5 с в порах этих сорбентов протекают нестационарные пробойные явления, вызывающие образование нестационарной плазмы.

В процессе нестационарного пробоя в течение 10-15 мин происходит деструкция устойчивых металлокомплексных и органических соединений [11]. Макро- и крупные мезопоры представляют собой псевдоконденсаторы, в объеме которых зарождаются нелинейные пробойные явления [10]. В неравновесных условиях пробойных явлений при индуцированном нагреве до температур 300-600°С разложение органических субстратов, адсорбированных в микро- и мезопорах, происходит значительно быстрее, чем их диффузия и последующая десорбция.

Было также установлено, что при обработке сверхвысокочастотным излучением в среде Ar и CO₂ в течение 5-10 мин при 300-600°С в составе образующегося газа преобладает H₂, при этом применение CO₂ повышает глубину разложения и содержание синтез-газа в составе газа.

На практике цели изобретения достигаются следующим образом.

На каждый из 4-х образцов УС, характеристика которых приведена в табл.1 и 2, методом пропитки из раствора органического растворителя наносили нефтепродукт в различных концентрациях, далее из образцов отгоняли растворитель сначала при комнатной температуре, затем в вакуумном шкафу при пониженном давлении 10 мм рт.ст. и температуре 40°С в течение 5 ч. В качестве нефтепродукта использовали два вида гудрона, полученных из западно-сибирской нефти (I) и битуминозной нефти Московского нефтеперерабатывающего завода (II). Гудрон наносили из раствора в петролейном эфире с концентрацией относительно массы сорбента: 10, 20 и 30 мас.%.

Основные физико-химические параметры гудрона представлены в табл.3.

Углеродный сорбент (УС) с адсорбированным в порах гудроном помещают в кварцевый проточный реактор, установленный в рабочую камеру сверхвысокочастотной установки, и воздействуют сверхвысокочастотным излучением в потоке аргона и углекислого газа.

Затем газ, выходящий из реактора, проходит через микросепаратор, охлаждаемый до -50÷-70°С, и поступает в приемную емкость, из которой подается на анализ в хроматограф. Скорость газового потока составляет 8-12 см³/мин. Опыты проводят при индуцируемой излучением постоянной температуре 300 и 600°С. После окончания опыта и охлаждения системы УС выгружают и анализируют на остаточное количество содержащихся в нем нефтяных остатков.

В качестве источника сверхвысокочастотного излучения используют применяющийся в бытовых микроволновых печах магнетрон М-140 (частота генерации 2,40-2,50 ГГц), имеющий полную взаимозаменяемость с иностранными аналогами. Питание цепи анода магнетрона осуществляется с выхода однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения, блок питается от сети переменного тока напряжением 220 Вт (50 Гц). Напряжение на первичной обмотке высоковольтного трансформатора регулируют с помощью ЛАТР'а - лабораторного автотрансформатора, что позволяет управлять уровнем генерируемой мощности в широких пределах. В блоке питания магнетрона предусмотрено автоматическое выключение напряжения анода в случае отклонения задаваемых принудительно режимов технологического процесса и самопроизвольного нарушения установленного режима питания магнетрона по цепи анода.

Рис.1. Принципиальная схема установки скоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений с применением сверхвысокочастотного излучения (1 - микроволновый генератор (магнетрон); 2 - волноводный тракт; 3 - поглощающая керамика; 4 - камера поглощения; 5 - термопара; 6 - ловушка для жидкости; 7 - хроматограф; 8 - ваттметр (энергия до поглощения); 9 - ваттметр (энергия после поглощения)).

Определение остаточного количества нефтяных остатков в образцах УС проводят с помощью ускоренной жидкостной экстракции с последующим анализом полученных экстрактов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Для экстракции образцов применяют автоматический экстрактор фирмы Dionex модели ASE200.

Хроматографический анализ проводят на приборе фирмы GILSON с детектором UV2000. Растворитель - гексан/изопропиловый спирт в соотношении 95:5, температура экстракционной ячейки - 90°С, давление -200 атм, время экстракции - 30 мин. Аналитическая колонка - Zorbax Sil: L=250 мм, внутренний диаметр - 4,6 мм, размер частиц неподвижной фазы - 5 мкм, подвижная фаза (элюент) гексан/изопропиловый спирт в соотношении 95:5, скорость подачи элюента 2 мл/мин, объем вводимой пробы 20 мкл, длина волны - 254 нм. Для калибровки используют стандартные растворы исходных гудронов с концентрацией от 0,1 мг/мл до 0,001 мг/мл.

Анализ газовой пробы осуществляют методом газожидкостной хроматографии - ГЖХ на хроматографе "Кристалл" с использованием пламенно-ионизационного детектора (для определения углеводородов) и катарометра (для определения кислородсодержащих компонентов). Анализ жидких фракций, образующихся в результате воздействия сверхвысокочастотного излучения, исследуют методом хромато-масс-спектрометрии.

Таким образом, предлагаемый способ скоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений под воздействием сверхвысокочастотного излучения отличается от традиционных термических способов деструкции высокой эффективностью и экологической чистотой и позволяет провести в короткое время утилизацию нефтяных выбросов с получением ценных компонентов, являющихся в настоящее время основными химическими энергоносителями - в водород и синтез-газ, что может стать наиболее эффективным, дешевым и экологически чистым методом утилизации многотоннажных отходов нефтяного гудрона и нефтяных разливов, количество которых в настоящее время достигает десятки миллионов тонн.

Формула изобретения

1. Способ высокоскоростной деструкции нефтяных остатков и загрязнений, включающий их адсорбцию в порах углеродных сорбентов и обработку сверхвысокочастотным излучением в потоке газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют Ar или CO_2, в качестве углеродных сорбентов - сорбенты, выбираемые из ряда: сорбенты из бурого угля, газового угля, костры льна или древесных отходов, а указанную обработку проводят при индуцированной температуре 300-600°С в течение 5-10 мин до получения в качестве продукта деструкции газа, в составе которого преобладает Н₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродных сорбентов используют сорбенты, обладающие тангенсом угла диэлектрических потерь, равным или выше 8.

Изобретение "СПОСОБ СКОРОСТНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ" (Цодиков М.В., Хаджиев С.Н., Передерий М.А., Кадиев Х.М., Чистяков А.В., Мартынов Б.И., Константинов Г.И., Марин В.П.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога