Воздействие нефтегазовых объектов на окружающую среду

Воздействие объектов нефтегазового комплекса на атмосферу

Вся техническая мощь современной цивилизации базируется на использовании энергии, которая основана на изъятии кислорода воздуха. Все технологии получения энергии путем окисления разрушают атмосферу Земли, необратимо связывают атмосферный кислород в воду. Сжигание 1 кг бензина поглощает из воздуха 3,5 кг кислорода, реакции окисления продуктов мировой неФтедобычи в течение года поглощают из атмосферы около 12 млрд т кислорода. Сжигание добытого за год природного газа поглощает из атмосферы более 11 млрд т кислорода. Не случайно в воздухе мегаполисов содержится всего 17% кислорода вместо естественных 21%.

Буровые установки, нефтяные и газовые промыслы являются технологическими объектами, выделяющими в атмосферу различные загрязняющие вещества.

Загрязнение атмосферы при испытании продуктивных горизонтов может быть достаточно интенсивным несмотря на их кратковременный характер. Количество сжигаемых на факеле нефти и попутного газа зависит от дебита флюидов и по массе может составлять сотни тонн. Сам процесс сжигания может занять несколько недель.

В период бурения скважин основными источниками выбросов в атмосферу являются дизельные установки (табл. 6.1). В период цементации обсадных колонн продолжительностью до 24 ч общая мощность передвижной техники достигает 3600 кВт. Здесь может быть задействовано одновременно 5-6 дизелей. При нормальной работе дизеля в период проходки ствола и спускоподъемных операций за сутки выбрасывается (кг) .

Таблица 6.1. Состав и количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при бурении одной скважины установкой БУ 3000 БД

Вещества	ПДК в воздухе населенных мест,	ПДК в воздухе рабочей зоны,	Класс опасности	Выбросы, т/скв.
Оксид углерода	5,0	20,0	4	30,05
Диоксид азота	0,085	5,0	2	14,92
Сажа	0,15	4,0	3	5,60
Диоксид серы	0,5	10,0	2	19,79
Углеводороды	5,0	100	4	10,23

На фотографии Земли, сделанной со спутника ночью, хорошо видны нефтяные и газовые промыслы Западной Сибири, Мексиканского и Персидского заливов, Каспийского и Северного морей, освещенные горящими факелами. Сжигание попутного газа в факелах - это прямое загрязнение атмосферы. Горящие факелы загрязняют атмосферу сернистыми соединениями ,отчего в радиусе до 250 м от факелов полностью уничтожается всякая растительность, на расстояни до 3 км деревья сохнут и сбрасывают листья. В лицензиях на недропользование нефтяники берут на себя обязательства утилизировать до 90% попутного газа. В реальности утилизируются первые десятки процентов.

При бурении скважин источниками загрязнений атмосферы являются залповые выбросы при нефте- и газопроявлениях, сжигание углеводородов на факельных установках при очистке призабойной зоны пласта, термическое обезвреживание буровых шламов. длительные испытания пробуренных скважин, дизельные приводы и котельные установки на буровых.

Ежегодно в России в районах добычи нефти и газа в год происходит один неуправляемый выброс на 1000 скважин. Например, открытый выброс газа и конденсата, который произошел на разведочной скважине Кумжа-9 в дельте реки Печоры, не удавалось заглушить в течение шести с половиной лет: скважина ежесуточно выбрасывала в атмосферу 2 млн газа и сотни тонн конденсата.

При аварийных разливах нефти происходит загрязнение атмосферы за счет испарения низкомолекулярных углеводородов. Цельная величина выбросов углеводородов с поверхности разлитой нефти плотностью 0,85-0,89 при различных температурах и различной продолжительности испарения может быть определена с помощью табл. 6.2.

Таблица 6.2. Удельная величина выбросов углеводородов в атмосферу с певерхности разлитой нефти () при различных температурах и продолжительности испарения

Слой нефти, м	Продолжительность испарения, 24 ч			Продолжительность испарения, 120 ч			Продолжительность испарения, 240 ч
0,01	0,3	0,9	5,7	1,0	4,9	6,5	1,3	6,2	6,6
0,05	0,8	2,4	9,4	2,7	8,0	10,9	3,8	10,4	11,1
0,1	1,1	3,6	15,4	4,0	12,8	18,3	6,0	17,4	18,8
0,5	2,7	9,3	29,3	10,4	23,6	36,3	16,4	34,0	37,4
1,0	3,8	13,7	47,6	15,5	37,3	60,8	25,0	56,3	63,0

На всех НПЗ происходят значительные выбросы УВ в атмосферу. Это испарение нефти и нефтепродуктов с открытых поверхностей очистных сооружений. Утечки жидкостей и паров происходят из насосов и компрессоров. Обычно предохранительные клапаны сбрасывают газы на факел, но при перегрузке факела газа сбрасывают в атмосферу. Оборотные воды при уносе и испарении с градирен также загрязняют атмосферу.

При первичной переработке нефти на установках АВТ попутный нефтяной газ попадает в атмосферу через неплотности аппаратуры и предохранительные клапаны ректификационных колонн и сепараторов. Большое количество легких УВ уходит в атмосферу через дыхательные клапаны, открытые люки, при наливе и сливе нефтепродуктов. Это так называемые неорганизованные выбросы.

Организованные выбросы - это выбросы из дымовых труб, эжекторов вакуумсоздающих систем, вытяжных вентиляционных систем. С ними в атмосферу поступают большие количества углеводородов, оксида углерода, оксидов серы и азота, сероводород, аммиак, фенолы и др. На 1 т перерабатываемой нефти из печей выбрасывается около 600 дымового газа.

Параметры процесса горения углеводородов

Нефтезаводские факелы служат для ликвидации вредных токсичных газов и паров, выделяющихся при нарушении технологии, аварийных ситуациях. Факельное хозяйство НПЗ необходимо проектировать с учетом полного улавливания и утилизации горючих газов и паров, сбрасываемых на факел, а также конденсата нефтепродуктов, образующихся в факельной системе.

Горение - это химическая реакция соединения горючих компонентов топлива с кислородом (окислителем) с выделением тепла.

Для сравнения по энергетической ценности различных видов топлива вводится понятие условное топливо. В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива с теплотой сгорания 29,33 МПа/кг.

Соединение компонентов углеводородного топлива с кислородом при горении происходит в результате стехиометрических реакций, в которых отношения количеств исходных веществ соответствует условию получения конечных продуктов горения.

Реакция полного сгорания углеводородов выражается следующим стехиометрическим уравнением:

где и - компоненты продуктов полного сгорания топлива.

Если в составе топлива имеется кислород, который участвует в процессе горения, то на величину его объема уменьшается расход окислителя, необходимого для полного сгорания топлива.

При сжигании углеводородного топлива в качестве окислителя в основном используется воздух. Для упрощения расчетов реакций горения топлива в воздухе принимается, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. При этом условии стехиометрическое уравнение реакции горения метана в воздухе имеет следующий вид:

где в объеме продуктов сгорания содержится: углекислого газа 9,51%, паров воды 19,01%, азота 71,48%. Из подобных стехиометрических уравнений определяется теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания углеводородного топлива.

Высшей теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы количества топлива при условии конденсации водяных паров в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания не учитывает тепло конденсации водяных паров в продуктах сгорания. У природного газа, содержащего 25% водорода по массе, значения высшей и низшей теплоты сгорания соответственно составляют 39800 и 35610 кДж/кг; у бензина - 47347 и 43995 кДж/кг; у каменного угля - 20992 и 19844 кДж/кг. Температура уходящих продуктов сгорания, как правило, превышает . конденсации водяного пара не происходит, поэтому теплотехнические расчеты выполняют на основе низшей теплоты сгорания топлива.

Коэффициентом избытка окислителя (воздуха) называется отношение количества окислителя, подаваемое на горение, к его теоретически необходимому количеству. При горючая смесь называется богатой, поскольку горючее находится в избытке, при смесь называется бедной, так как в избытке находится окислитель. В обоих случаях часть теплоты, выделяющаяся при горении, затрачивается на нагревание излишнего компонента.

Воспламенение газовых смесей может происходить в результате самовоспламенения и зажигания. Наименьшая концентрация газа в смеси, обеспечивающая распространение пламени, называется нижним пределом воспламеняемости. Значения пределов воспламеняемости метана в воздухе: нижний предел - 5,3%; верхний - 14,0%.

Температура воспламенения газов не является физико-химической константой. Для стехиометрической смеси метана с воздухом температура воспламенения может изменяться в диапазоне от 545 до .

Пространственно-ограниченная зона самоподдерживающейся химической реакции горения называется пламенем. Пламя является границей, отделяющей свежую газовую смесь от продуктов сгорания. Распространение пламени в газовых смесях происходит при значительных градиентах температур и концентраций. Реакция горения распространяется послойно в свежую смесь, которая превращается в продукты горения. Предельными являются нормальное распространение пламени при медленном горении и детонационное - при взрывном горении.

Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость движения фронта пламени относительно свежей смеси в направлении, нормальном к его поверхности. Это движение обусловлено процессом передачи теплоты молекулярной теплопроводностью.

При горении газовоздушной смеси, вытекающей из трубки в условиях ламинарного режима, над ее устьем образуется конусообразное пламя ( рис. 6.2), которое имеет две зоны: внутренний конус 1 и наружный конус 2. Внутренний конус представляет собой поверхность остановленного фронта пламени, где происходит выгорание части горючего, обеспеченное первичным воздухом. На поверхности конуса имеет место равенство нормальной скорости распространения пламени и нормальной составляющей скорости потока в трубке газовоздушной смеси.

Рис. 6.2. Схема пламени при ламинарном истечении газовоздушной смеси

Стехиометрическая газовоздушная смесь для метана (9,5%) характеризуется значением нормальной скорости распространения пламени =0,28 м/с, ацетилена (7,7%) - 1,0 м/с. водорода (29.5%) - 1,6 м/с.

В промышленных горелочных устройствах сжигание углеводородных газов производится, как правило, в турбулентных потоках. При турбулизации потока фронт пламени искривляется, разбивается на отдельные островки, изогнутые участки пламени перемещаются нерегулярным образом, скорость горения увеличивается.

Максимальная температура горения в стехиометрическом объеме сухого воздуха некоторых газов (): водород - 2235; метан - 2043; бутан - 2118; этилен - 2284; ацетилен - 2620.

Сжиженные газы имеют большую концентрацию тепловой энергии в единице объема. При испарении 1 сжиженного пропана его объем в газообразном виде составляет 290 . Сжиженные газы легко перевозить в железнодорожных и автомобильных цистернах.

При горении углеводородов окисление их основных компонентов происходит с выделением тепла:

При недостатке кислорода происходит неполное окисление и образуется оксид углерода -угарный газ.

Содержащиеся в углеводородах серо- и азотосодержащие примеси сгорают с образованием оксидов серы и азота. Сероводород - горючий высокотоксичный газ. выбрасываемый объектами нефтегазового комплекса. Среднесуточная ПДК в воздухе населенных пунктов - 0,008 . Природные газы могут содержать значительное количество сероводорода. Например, природный газ Астраханского месторождения содержит до 25% сероводорода.

Нефтяное моторное топливо является наиболее массовым видом нефтепродуктов, оно же относится к основным источникам загрязнения окружающей среды. С продуктами сгорания бензина и дизельного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается (млн т): оксидов серы - 80; оксидов азота - 50; оксида углерода - 300. Особенности загрязнения атмосферного воздуха газовыми выбросами автомобилей следующие: малая высота выброса и низкая степень рассеивания; высокая токсичность выбросов; прямое воздействие на человека в районах с высокой плотностью населения.

Таблица 6.3. Состав отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, % об.

Компоненты	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель
Азот	74-77	76-78
Кислород	0,3-8,0	2-18
Вода	3,55	0,5-4,0
Углекислый газ	5-12	1-10
Оксид углерода	1-10	до 0,5
Оксиды азота	0,1-0,5	до 0,4
Оксиды серы	до 0,002	до 0,03
Углеводороды	до 0,10	до 0,50
Альдегиды	до 0,2	до 0,009
Сажа	до 0,04	до 1,10
Бенз(а)пирен	до 0,00002	до 0,00001

Из приведенных в табл. 6.3 компонентов к вредным выбросам относятся все кроме первых четырех. При использовании в двигателях внутреннего сгорания одной тонны моторного топлива в атмосферу выбрасывается до 90 кг вредных веществ. Карбюраторные двигатели лидируют по выбросам оксида углерода, дизельные двигатели - по выбросам оксидов азота, серы и твердых частиц.

Содержащиеся в углеводородах серосодержащие примеси сгорают с образованием оксидов серы.

Оксид углерода - токсичный газ без цвета, запаха и вкуса - лишает ткани тела необходимого кислорода. Максимальная разовая ПДК в населенных пунктах - 3 . Повышение выбросов наблюдается при холостом ходе двигателя и большой доле тяжелых фракций в составе моторных топлив.

Диоксид углерода - бесцветный тяжелый газ. повышенное содержание которого в воздухе вызывает сердцебиение и удушье. ПДК в воздухе составляет 1%.

Диоксид серы - бесцветный газ с резким запахом - губительно влияет на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушает металлы и ткани. При фотохимических реакциях образует в воздухе аэрозоли. Порог раздражающего действия - на уровне 20 .

Сажа - является вредным веществом III класса опасности. В воздухе разовая ПДК газовой сажи составляет 0,15 . В момент образования представляет собой высокодисперсные частицы диаметром до 10 нм, состоящие из элементарного углерода. Обладает большой адсорбционной способностью к тяжелым углеводородам и канцерогенным гетероциклическим соединениям, что делает сажу опасной для человека и животных.

Для регулирования качества окружающей среды введен и строго контролируется предельно-допустимый выброс (ПДВ), который устанавливается для каждого источника выброса вредных веществ в атмосферу. ПДВ есть обоснованная техническая норма выброса вредных веществ из промышленных источников в атмосферу. На предприятиях нефтегазовых отраслей работы по нормированию выбросов начинают с инвентаризации вредных выбросов, проводимой предприятиями и специализированными организациями.

Наиболее эффективным методом обезвреживания шламов считается термический метод, когда шламы сжигаются в печах разных конструкций. Этот метод позволяет уничтожить токсичные примеси в шламах и получить полностью обезвреженную твердую фазу. Однако при сжигании шламов химические соединения, содержащие хлор, превращаются в токсичные диоксины, которые вместе с выбросами печей попадают в атмосферу.

Следствием выбросов в атмосферу диоксидов серы и азота являются кислотные дожди, основными составляющими которых являются слабые растворы азотистой, азотной и серной кислот. Кислотные дожди могут выпадать на больших расстояниях от источника выбросов оксидов серы и азота вследствие переноса их воздушными массами. Кислотные дожди оказывают разрушающее воздействие на конструкционные материалы и действуют на дыхательную систему человека.

При сжигании на факельных установках попутного газа и других углеводородов необходим избыток кислорода на 10-15% больше стехиометрического количества. Оборудование для сжигания в этом случае включает горелку, установленную на стальной трубе, по которой идет газ.

По способу расположения факельной горелки установки могут быть высотными и наземными. В высотных установках ( рис. 6.3) продукты сгорания непосредственно поступают в атмосферу. В наземных установках горелка расположена на небольшом расстоянии от земли, а продукты сгорания отводятся в атмосферу через дымовую трубу.

Рис. 6.3. Устройство факельной установки

Процессы горения оказывают на климатическую систему Земли двойное воздействие: во-первых, уменьшают содержание кислорода в атмосфере, истощая озоновую защиту Земли и уменьшая атмосферное давление, во-вторых, выбрасывают огромное количество разогретых водяных паров и углекислого газа. Считается, что следствием выбросов в атмосферу парниковых газов - углекислого газа, метана и закиси азота - является глобальное потепление климата на планете. Только возобновляемые источники энергии и топливо, не связывающее при горении атмосферный кислород в воду, станут основой энергетики в ближайшем будущем. Технологиям, которые безвозвратно уничтожают кислород атмосферы, в новой эколого-энергетической цивилизации места не будет.