Нефтеперерабатывающие заводы — источник загрязнения атмосферы. 
Расчет выбросов от установки АВТ. 
Технологическая печь П-2

КУРСОВАЯ РАБОТА

«НПЗ — источник загрязнения атмосферы. Расчет выбросов от установки АВТ. Технологическая печь П-2»

Основным энергоносителем и основным источником углеводородного сырья в России является нефть. Темпы развития нефтяной промышленности в бывшем Советском Союзе не имели аналогов в мире. В 1988 г. в России было добыто максимальное количество нефти и газового конденсата — 568,3 млн. т, или 91% общесоюзной добычи нефти. Ежегодный прирост добычи нефти составлял в среднем 25−20 млн. т. Начиная с 1999 г. ежегодный прирост добычи нефти в России составлял от 6,3 до 10,9% и суммарный темп добычи за последние пять лет вырос на 52% (соответственно с 302 млн. т до 458 млн. т). При этом нефтяная промышленность России унаследовала наращивание добычи нефти без должного учета последствий для промышленной и экологической безопасности. Ее деятельность в настоящее время сопряжена с работой нефтяных заводов, находящихся в упадочном техническом состоянии (средняя глубина переработки нефти не более 65%), и оборудования устаревшей системы автоматизации и высокой степенью изношенности. Поэтому предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России, — в том числе — по добыче и переработки нефти, несмотря на снижение объемов производства, остаются крупнейшими источниками загрязнения окружающей среды. На их долю приходится около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу, 27% сброса загрязненных сточных вод и до 70% общего объема парниковых газов.

Влияние нефтяной отрасли на состояние окружающей среды и здоровье населения земли неоспоримо является глобальным. Решение проблемы лежит в социально — экологическом воспитании общества и осознании того, что последствия будут иметь тоже глобальный характер.

Проблема выбросов газов и пыли является не менее актуальной, чем другие. Нефтеперерабатывающими предприятиями выбрасывается в атмосферу свыше 1050 тыс. т загрязняющих веществ, при этом доля улова на фильтрах составляет только 47,5%. Основной состав выбросов предприятия в атмосферу: 23% - углеводороды; окислы: 16,6% - серы, 7,3% - углерода, 2% - азота. По некоторым данным в российской нефтеперерабатывающей промышленности выбрасывается в атмосферу около 0,45% перерабатываемого сырья, в то время как на Западе — 0,1%. Значительный вклад в загрязнение атмосферы вносит и факельное хозяйство НПЗ. При сжигание топлива в факельных печах образуются аэрозольные частицы — продукт конденсации углерода и канцерогенные углеводороды типа бенз (а) пирен.

Влияние процессов сгорания углеводородных систем в двигателях транспортных средств и печах приводит к резкому увеличению содержания СО и СО₂ и кислых газов в атмосфере. Сжигание нефти, газа и угля сопровождается выбросом до 5 млрд. т. в год углекислого газа. На фоне уменьшения площади лесов наблюдается рост концентрации СО₂ в атмосфере от 0,03 до 0,041%. В воздухе городов над промышленными зонами доля СО₂ может достигать 0,1% отсюда следует реальность парникового эффекта.

В работе рассмотрены вопросы негативного влияния нефтеперерабатывающих производств на атмосферу. Описаны основные источники загрязнения атмосферного воздуха, его современное состояние. Рассмотрены источники загрязнения, на примере технологических печей атмосферно-вакуумной трубчатой установки и методы снижения выбросов в атмосферу от рассматриваемой установки.

1. Теоретический раздел

1.1 Атмосферно-вакуумные трубчатые установки

Технологические установки перегонки нефти предназначены для разделения нефти на фракции и последующей переработки или использования их как компонентов товарных нефтепродуктов. Они составляют основу НПЗ. На них вырабатываются практически все компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырье для вторичных процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья. Процессы перегонки осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (АТ) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

Атмосферные трубчатые установки могут быть следующих типов:

— с однократным испарением всех отгоняемых фракций в одной колонне;

— с предварительным испарением легких бензиновых фракций;

— с двукратным испарением в двух колоннах.

Схема перегонки нефти, основанная на принципе однократного испарения, приведена на рисунке 1. Нефть насосом 4 прокачивается через теплообменники в водогрязеотделитель 2 и далее под давлением, создаваемым тем же насосом, поступает в трубчатую печь 3, а затем в ректификационную колонну 5.

1 — сырьевой насос; 2, 4 — теплообменники; 3 — электродегидратор; 5 — печь; 6 — ректификационная колонна; I — сырая нефть; II — вода и соли; III — парогазовая смесь; IV — орошение; V-VII — компоненты светлых нефтепродуктов; VIII — мазут; IХ — водяной пар Рисунок 1 — Перегонка нефти по схеме однократного испарения По схеме перегонки при двукратном испарении (рисунок 2) нефть, подаваемая насосом 1, подогревается в первой группе теплообменников 2 и, отделенная от воды и грязи в водогрязеотделителе 3, проходит группу теплообменников 4, подается в первую ректификационную колонну 5, где из неё отбирается бензин. Отбензиненная нефть насосом 6 прокачивается через печь 7 во вторую ректификационную колонну 8, где разделяется на целевые фракции: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут.

1 — сырьевой насос; 2, 4 — теплообменники; 3 — электродегидратор; 5 — первая ректификационная колонна; 6 — насос; 7 — печь; 8 — основная ректификационная колонна; I — сырая нефть; II — смесь газов и легкого бензина; III — острое орошение; IV — горячая струя; V — парогазовая смесь; VI — орошение основной колонны; VII — IХ — компоненты светлых нефтепродуктов;, Х — мазут; ХI — водяной пар Рисунок 2 — Перегонка нефти по схеме двукратного испарения

Схема перегонки нефти, основанная на принципе предварительного испарения легких фракций, показана на рисунке 3.

1 — сырьевой насос; 2 — теплообменник сырой нефти; 3 — дегидратор; 4 — теплообменник обезвоженной и обессоленной нефти; 5 — испаритель (эвапоратор); 6 — насос; 7 — печь; 8 — ректификационная колонна; I — сырая нефть; II — вода и соли; III — парогазовая смесь; IV — смесь водяных и бензиновых паров; V — орошение; VI-VII — компоненты светлых нефтепродуктов; IX — водяной пар.

Рисунок 3 — Перегонка нефти по схеме предварительного испарения По этой схеме нефть насосом 1 подается через систему регенерации тепла (теплообменники 2) и после отделения от воды грязи в водогрязеотделителе 3, пройдя теплообменник 4, поступает в испаритель 5, где из нефти отделяются легкие фракции. Из испарителя 5 нефть горячим насосом 6 подается через трубчатую печь 7 в ректификационную колонну 8. Легкие фракции из испарителя поступают в основную колонну и ректифицируются вместе с более тяжелыми фракциями. В описанной схеме испарение осуществляется двукратно, но ректификация паров проводится совместно. [1]

Эффективность процесса вакуумной перегонки мазута, как и при перегонке нефти, зависит как от параметров технологического режима, так и от конструктивных особенностей отдельных узлов блока: печи, трансферной линии, узла ввода сырья, конструкции тарелок, насадок.

Основное назначение вакуумной перегонки мазутов: получение широкой фракции 350−550⁰С (и выше) — сырья для каталитических процессов и дистиллятов для производства масел и парафинов. В отношении требований к качеству сырья эти две задачи различаются по четкости ректификации, но общим условием является максимальный отбор дистиллятов при минимуме потерь их с остатком. Эти требования влияют на технологические и конструктивные решения, а также аппаратурное оформление вакуумной перегонки мазута. К настоящему времени мощности вакуумных колонн достигают 3 млн т/год, а их диаметры увеличились до 8,6−9,0 м. В соответствии с повышением мощностей изменялись и конструкции вакуумных колонн. В практике перегонка мазута осуществляется в основном по трем схемам, приведенным на рис. 4, а, б, в.

Рис. 4. Варианты схем (а, б, в) вакуумной перегонки мазута Состав мазута, поступающего на вакуумный блок из атмосферной колонны, регламентируется содержанием фракций, выкипающих до 350⁰С. Традиционно считают, что содержание светлых должно составлять не более5% (масс.), так как их рост приводит к увеличению диаметра вакуумной колонны, затрудняет полную конденсацию паров на верху колонны и увеличивает загрузку вакуумосоздающей системы. Необходимо отметить, что содержание светлых фракций в мазуте определяется фракционным составом (а именно температурой конца кипения) получаемого в атмосферной колонне дизельного топлива. [11]

Для регулирования (стабилизации) состава сырья вакуумной колонны и одновременно с этим повышения отбора светлых (до 98% от потенциала) между атмосферной и вакуумной колоннами в некоторых патентах рекомендуют помещать буферную ступень испарения мазута.

Температура нагрева сырьевого потока (мазута) определяется температурой его термического разложения, которое ведет к образованию неконденсируемых газов разложения.

Схемы орошения вакуумных колонн определяют как отбор и качество продуктов, так и стабильность режима работы. Одной из существенных особенностей вакуумных колонн является использование верхнего орошения, предназначенного для полной конденсации паров, поэтому верхняя секция часто называется конденсационной.

Для полной конденсации паров вверху вакуумной колонны (по сравнению с атмосферной) требуется значительно больше тарелок циркуляционного орошения, чтобы обеспечить те же значения тепла конденсации. [7]

Для создания максимального температурного напора и равномерной нагрузки на тарелки ВЦО рекомендуется схема порционной подачи охлажденной флегмы. Предполагается, что при такой схеме, кроме углубления конденсации и сокращения потерь сверху колонны, обеспечивает гибкость и стабильность режима верха колонны и вакуумосоздающего устройства.

Промежуточное циркуляционное орошение (ПЦО) почти во всех вакуумных колоннах создается за счет подачи части охлажденного выводимого бокового погона на несколько тарелок выше его вывода. В вакуумных колоннах вторичной перегонки широкой масляной фракции ПЦО часто работает индивидуально, под тарелкой вывода бокового погона.

Во многих проектах нижнее циркуляционное орошение — НЦО располагается на самых нижних тарелках концентрационной секции колонны или на две-три тарелки выше секции ввода сырья. НЦО играет роль конденсатора смешения и его не следует помещать вблизи ввода сырья, так как конденсируются и охлаждаются не только тяжелые, но и целевые компоненты.

Обычно перегонка мазутов осуществляется с вводом водяного пара в низ отгонной части колонны в количестве 1−7% на мазут. Однако с позиций повышения эффекта отпарки углеводородных фракций существует верхний предел расхода пара в 1,5%. Подача водяного пара в вакуумную колонну вызывает много отрицательных эффектов. К тому же экспериментально показано, что ввод водяного пара до 7% увеличивает высоту колонны на размер эквивалентной тарелки.

Важным конструктивным элементом вакуумной колонны является узел ввода сырья и разделения паровой и жидкой фаз в сечении питания. От того, насколько полно отделена паровая фаза сырья от жидкой и насколько равномерно по сечению колонны они распределены, во многом зависит работа вакуумной колонны в части отбора дистиллятов и их качества. Поэтому проектирование узла ввода питания имеет важное значение. [7]

1.2 Технологические печи

Трубчатые печи (рисунок 5) на АВТ установках служат для нагрева нефти (отбензиненной нефти), мазута и бензина, они обеспечивают основной поток тепла, вносимого в ректификационные колонны, и энергетический потенциал их разделительной способности.

1 — форсунки; 2 — муфели; 3 — футеровка; 4 — огнеупорная перевальная стена; 5 — несущие конструкции свода; 6 — кровля; 7, 8 — потолочный и подовый экраны; 9 — конвекционная секция змеевика; 10 - дымоход; I и II — вход и выход нагреваемого потока Рисунок 5 — Двухкамерная трубчатая печь с наклонным сводом Трубчатая печь — высокотемпературное термотехнологическое устройство с рабочей камерой, огражденной от окружающей атмосферы.

Печь предназначена для нагрева углеводородного сырья теплоносителем, а также для нагрева и осуществления химических реакций за счет тепла выделенного при сжигании топлива непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи используют при необходимости нагрева среды (углеводородов) до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230⁰ С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов.

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.

Трубчатая печь — это строительно-технологическое сооружение, состоящее из следующих функциональных узлов: фундамента, каркаса, футеровки, змеевика, горелок, утилизаторов тепла, дымовой трубы и гарнитуры.

Фундамент печи сооружают из монолитного или сборного железобетона и конструктивно изолируют от воздействия высоких температур. На фундамент через несущие стойки каркаса печи опирается вся масса печи.

Каркас печи — основная несущая металлическая конструкция, воспринимающая нагрузки от веса огнеупорной футеровки, трубчатого змеевика, вспомогательных узлов (а в некоторых печах — и дымовой трубы).

Футеровка предназначена для защиты каркаса печи от воздействия высоких температур и создания вторичного теплового излучения, повышающего тепловую эффективность (к. п. д.) печи. Для снижения теплопотерь через футеровку и создания безопасных условий эксплуатации печи с внешней стороны футеровка покрывается слоем теплоизоляции.

Технологический змеевик печи — это наиболее ответственная часть печи, изготовляемая из дорогостоящих горячекатаных бесшовных труб и работающая в наиболее тяжелых температурных и коррозионных условиях. Цельносварной змеевик проще по устройству, надёжен, герметичен, а главное — он целиком помещается в топку печи или камеру конвекции, что позволяет лучше герметизировать топку и в целом печь и исключить вредные подсосы воздуха извне.

Горелки (или форсунки) служат для сжигания топлива, подаваемого в топку печи. При этом они должны обеспечивать полное сжигание топлива, давать устойчивый факел пламени, иметь высокую производительность (для сокращения числа горелок на одну печь), быть конструктивно несложными и простыми в эксплуатации, обладать возможностью их включения в систему автоматического регулирования работы печи.

По типу используемого топлива различают горелки газовые, горелки на жидком топливе (мазутные) и комбинированные на газовом и жидком топливе (газо-мазутные). Газовые горелки по организации сжигания в них топлива бывают пламенные и беспламенные (панельные).

В пламенных горелках газ сжигается с образованием факела, являющегося основным первичным излучателем в топке, а в беспламенных — в многотуннельной керамической панели так, что пламя из нее не выходит, а сама она раскаляется до высокой температуры и служит излучателем тепла. Из таких панелей набирается основная площадь боковых стен топки, и эти стены излучают тепло на экран змеевика. Все остальные типы горелок подают в топку факелы пламени. Горелка ГП может работать как раздельно на газе или мазуте, так и одновременно сжигать оба вида топлива.

Дымовая труба выполняет две основные функции — создает необходимую тягу в топке печи и отводит вредные дымовые газы (содержащие оксиды углерода, азота, серы и углеводороды) на большую высоту для лучшего их рассеяния в атмосфере. Естественная тяга создается дымовой трубой за счет разницы плотностей окружающего воздуха и дымовых газов. При этом, чем больше высота трубы, тем выше разрежение в топке или на выходе из конвекционной камеры. Обычно при высоте трубы 40 м разрежение после воздухоподогревателя составляет 0,2−0,3 кПа. Если естественная тяга, создаваемая дымовой трубой, оказывается недостаточной для создания минимально допустимого разрежения в топке — 0,1−0,2 кПа (из-за большого гидравлического сопротивления печи по газовому тракту или малой высоты трубы), то создают принудительную тягу. Для этого на потоке дымового газа после его выхода из воздухоподогревателя устанавливают дымосос (вентилятор), отсасывающий дымовой газ из печи и выбрасывающий его в дымовую трубу.

По своей конструкции и компоновке с печью дымовые трубы бывают трех типов — металлические индивидуальные, металлические общие и железобетонные. [7]

Индивидуальные металлические дымовые трубы обслуживают обычно одну печь и устанавливаются либо непосредственно на печи (если камера конвекции расположена над топкой), либо рядом с печью (если дымовые газы отводятся через газоход под подом печи).

Общие металлические дымовые трубы устанавливаются на земле для обслуживания группы печей (2−4 печи), независимо от направления вывода дымовых газов из печи. В этом случае система отвода дымовых газов из каждой печи объединяется в общий газоход (под землей или над печами) и по нему газы вводятся в дымовую трубу. При установке таких труб непосредственно на печи их высота обычно небольшая (20−30 м), а в случае, если труба устанавливается рядом с печью на земле, ее высота может достигать 50−60 м.

Металлические дымовые трубы, как и газоподводящие коллекторы (газоходы) до них, внутри облицовывают теплостойким слоем торкретбетона, защищающим металл трубы от воздействия высоких температур и паров слабой кислоты, образующейся при температурах ниже точки росы. Кроме того, футеровка трубы защищает ее и от эрозионного износа твердыми частицами, содержащимися в дымовых газах.

Железобетонные дымовые трубы устанавливают на современных мощных установках для обслуживания всей группы из 4−5 печей с общим для всех печей дымососом. Высота их обычно составляет 120−180 м. Изнутри такие трубы футеруют тепло-кислотостойкой облицовкой.

Гарнитура трубчатой печи включает ее вспомогательные конструкционные и эксплуатационные узлы — подвески и трубные решетки для змеевика, предохранительные окна и люки-лазы, гляделки, шиберы дымоходов.

Трубчатые печи (рисунок 6) имеют камеру сгорания 1, в которой факелообразно сгорает жидкое или газовое топливо, поступающее через форсунки 2, и отделённую перевальной стенкой 3 конвекционную камеру 4. В потолочной и фронтовой частях камеры сгорания, расположены трубы 5, обогреваемые непосредственно лучеиспусканием факела трубы конвекционной камеры. [11]

1 — камера сгорания; 2 — форсунки; 3-стенка; 4 — камера конвекционная; 5 — трубы камеры сгорания, 6 — трубы конвекционной камеры.

Рисунок 6 — Схема трубчатой печи

Характеристика источника выделения загрязняющих веществ

Дымовые газы — это наиболее крупнотоннажный газовый поток, загрязняющий атмосферу продуктами горения топлива в печах АВТ. Горючие элементы топлива окисляются кислородом воздуха. В составе дымовых газов кроме азота, диоксида углерода, пары воды, и небольшого количества избыточного кислорода (1,2%) содержатся вредные оксиды азота, а также продукты неполного сгорания топлива оксид углерода и продукты термического разложения топлива — ПАУ.

Основные реакции горения При сжигании топлива происходит окисление углерода и его соединений с кислородом воздуха с образованием диоксида углерода (или углекислого газа) СО₂ в качестве конечного продукта полного окисления (сгорания) вода:

С + О₂ = СО₂;

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О;

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О Побочные процессы при горении топлива В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятньгх тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, подавляющая доля, которых составляет монооксид углерода СО (угарный газ):

C + ЅО₂ = СО

CmHn+(m+n/2) O₂=mCO+n/2H₂O

С + СО₂ = 2СО (при сжигании твердого топлива) Отметим, что при условии полного горение в продуктах сгорания имеется лишь незначительное количество СО, оно увеличивается с ростом температуры в зоне горения и с увеличением концентрации свободного О₂

Оксид углерода (СО), представляет собой бесцветный, безвкусный газ, обладающий токсическим действием. Попадая в организм, СО реагирует с гемоглобином крови, препятствуя нормальному переносу кислорода, в результате возможно отравление. Исследования показали, что воздействие СО, даже в сравнительно малых количествах, может вызвать нарушение поведения, неощутимые для пострадавшего.

Окислы азота. При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционно-способным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды:

NОх = NО + NО₂ + N₂О

Окислы азота, сбрасываемые с дымовыми газами, образуются как за счет высокотемпературных процессов в факеле (фиксация атмосферного азота), так и за счет окисления азотсодержащих соединений самого топлива. На выходе из трубы окислы азота дымовых газов состоят на 85−90% из N0 и на 10−15% из двуокиси азота. В атмосфере происходит быстрое окисление N0 в М0₂, что усиливает отрицательное воздействие дымовых газов на природу и живые организмы, поскольку двуокись азота более токсичен.

NO + О₃ = NO₂ + О₂

Следует выделить три источника в образовании окислов азота:

— «топливные» NO_X

термические NO_X

«быстрые» NO_х.

«Топливные» NOх. Термин служит для обозначения окислов азота, образующихся из азотсодержащих компонентов топлив. В большинстве проведенных исследований была обнаружена прямо-пропорциональная зависимость концентрации образующихся окислов азота от содержания азота в исходном топливе.

СmНnNу + О₂ = СО₂ + Н₂О + NОх Термические NОх. Эти окислы образуются за счет окисления молекулярного азота атомарным кислородом (механизм Зельдовича).

О₂+ М = О + О + М — 494 кДж/моль (инициирование) О + N₂ = NO + N — 314 кДж/моль

N + О₂ = NO + О + 134 кДж/моль О + О + М = О₂ + М + 454 кДж/моль (обрыв цепи)

В большинстве топочных устройств время пребывания продуктов сгорания в топке не превышает 1−5 сек., а время достижения равновесных концентраций NО при температурах 1800−1900 К составляет 23−24 сек. Учитывая, что термические окислы образуются в узком температурном интервале, где время нахождения продуктов не превышает доли секунды, можно утверждать, что при образовании оксида азота в установках не достигаются равновесные концентрации.

«Быстрые» оксиды азота. Данный вид окислов азота образуется в зоне достаточно низких температур в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота и последующим взаимодействием атомарного азота с гидроксильной группой ОН. Эта реакция протекает достаточно интенсивно даже при температурах 1600 К, когда образования термических окислов практически не происходит. Также в результате взаимодействия с пероксидным радикалом НО₂^? по реакции:

СО + НО^? = СО₂ + Н^?

Н^? + О₂ — НО^? + О^?

Н^? + О₂ + М = НО₂^?

^{NO + НО}₂^{? = NO}₂ ^{+ ОН?}

Диоксид азота NO₂ представляет собой пар буро-красною цвета, оказывающий раздражающее воздействие на дыхательные пути и приводящий к отеку легких.

Оксиды серы SO₂ и SO_3. Содержащаяся в топливе сера является источником образования оксидов серы SO_х. В твердых топливах сера содержится в трех видах: органическая, колчеданная и сульфатная. В состав газообразных топлив сера входит только в виде Н₂S и меркаптанов. Сера в мазуте входит в состав серосодержащих органических соединений и в меньшей степени она присутствует в виде серовода и элементной серы. При сжигании сернистых топлив присутствующая сера окисляется до сернистого ангидрида.

СmНnSх + O₂ = CО₂ + Н₂О+ SО₂

Часть (1−5%) SО₂ затем доокисляется до серного ангидрида SО₃ в ходе гомогенных реакций при горении топлива SО₂ + ½О₂ = SО_3, а также в результате гетерогенных реакций на поверхности нагрева с участием катализаторов (V₂O₅, Fe₂O₃)

SО₂ + ½О₂ + kat = SО₃

Бенз (а) пирен. Молекулы полиароматических углеводородов (ПАУ) содержат циклы из шести атомов углерода с тремя двойными связями (так называемые бензольные ядра). Они образуются в результате неполного сгорания любых углеводородных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) локальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избытком топлива. Таким образом, суммарная эмиссия ПАУ (наряду с выбросами СО) является мерой неэффективности процесса горения топлива.

Бенз (а) пирен — самый токсичный из ПАУ: обладает канцерогенными свойствами. Количество ПАУ, поступающих в атмосферу с дымовыми газами, в значительной степени зависит от качества и вида сжигаемого топлива. ПАУ гораздо меньше при сжигании жидкого топлива и минимален при сжигании газа. Он существенно зависит от режима сжигания: при химическом недожоге количество ПАУ в дымовых газах может возрастать в 10−50 раз за счет содержания их в саже. [2,11]

Непосредственное образование ПАУ происходит в реакциях пиролиза и синтеза в процессе горения топлива. Механизм их образования представляет собой сложный многостадийный процесс, который пока в достаточной мере не выяснен. Предполагается, что он имеет радикально-цепной характер и включает несколько стадий.

Схематично механизм образования бенз (а) пирена может быть представлен следующим образом:

CmHn ®С₂Н₂®С₄Н₆® С₂₀Н₁₂

или при пиролизе метана

20СН₄ ®10С₂Н₂+ 60Н₂®С₂₀Н₁₂ + 34Н₂

Бенз (a) пирен C₂₀H₁₂ - твёрдое кристаллическое вещество желтого цвета с температурами плавления 179 °C и кипения 500-570 °C. Поэтому в газовом тракте котлов Б (а) П в зависимости от температуры процессов сгорания может находиться в газообразном, жидком (аэрозоли) или твёрдом состояниях.

1.4 Очистка газов от загрязняющих веществ

1.4.1 Очистка топочных газов от диоксида серы

Уменьшение содержания серы в топочных газах может достигаться разными методами: использованием малосернистых углей, предварительным удалением серы из угля, снижением количества серы, выделяющейся в газовую фазу при горении (связывание серы, например, в сульфат кальция), удалением серы из топочных газов, предварительной переработкой нефти, угля, сланца в жидкое или газообразное горючее (с удалением серы). Поскольку наиболее широко в мировой практике применяются методы обессеривания топочных газов и предварительное удаление серы из нефти и угля, этим методам уделяется основное внимание. Удаление серы при переработке нефти является стандартной операцией.

Основными промышленными методами очистки топочных газов от диоксида серы являются абсорбция и добавление сорбентов в зону горения. С помощью этих методов из топочных газов можно удалять более 90% SO₂. Обычно применяются абсорбционные методы — известковый и известняковый, мокры, полусухие и сухие. Основные их недостатки — образование большого объема сульфитов и сульфатов и сложность утилизации последних. Известны также циклические (регенерационные) методы, например магнезитовый, применение которых позволяет получать концентрированный поток SO₂ и возвращать сорбент в начало процесса. Однако эти методы имеют свои недостатки и используются значительно реже. [2]

Применяется также подача известняка в зону горения, в кипящий слой или подачу пульпы (известняка и воды) в газовый тракт. Но проблема та же: использование золы и шлака ограничено из-за вторичного загрязнения воды и почвы сульфатами.

Известковый и известняковый методы. Основные химические реакции, протекающие при взаимодействии SO₂ с пульпой гидроксида кальция или известняка, описываются следующими уравнениями:

СаО + Н₂О = Са (ОН)₂

Са (ОН)₂ + СО₂ = Са СО₃ + Н₂О Са СО₃+ СО₂+ Н₂О = Са (НСО₃)₂

Са (НСО₃)₂ + SO₂ + Н₂О = СаSО₃ 2Н₂О + 2СО₂

СаSО₃ 2Н₂О + Ѕ О₂ = СаSО₄ 2Н₂О Образующийся в процессе улавливания SO₂ сульфит кальция плохо растворим в воде и образует мелкокристаллический осадок СаSО₃ 2Н₂О. Под действие воздуха он частично переходит в сульфат кальция. При абсорбционном выделении SO₂ происходит также очистка газа от частиц летучей золы и других веществ. Поэтому образующаяся пульпа имеет сложный переменный состав и содержит смесь сульфита и сульфата кальция, непрореагировавшего СаСО₃ или Са (ОН)₂, частиц летучей золы и других веществ. Это в значительной мере затрудняет дальнейшее использование образующего шлама. В большинстве случаев его сбрасывают в отвал, где он является источником вторичного загрязнения окружающей среды.

Разработаны и освоены в промышленности методы очистки дымовых газов от SO₂ с получение строительного гипса. Окисление сульфита кальция и кристаллизация гипса. Окисление сульфита кальция и кристаллизация гипса протекают при подкислении, поэтому предусмотрены подача серной кислоты и продувка воздухом.

Магнезитовый метод.

Сущность метода состоит во взаимодействии SO₂ с суспензией Mg (ОН)₂ по реакции:

Mg (ОН)₂ + SO₂ + 5 Н₂О = MgSO₃ 6Н₂О Достоинствами метода являются его цикличность, высокая эффективность (степень очистки 90−92%), возможность утилизации SO₂. Основной недостаток процесса — большое количество твердофазных стадий, что приводит к сильному абразивному износу аппаратуры и загрязнению среды твердыми частицами. Весьма значительными являются и энергетические расходы на разложение сульфита и сульфата магния.

Аммиачные методы В основе этих методов лежит процесс абсорбции SO₂ раствором сульфита аммония:

SO₂ + (NН₄)₂ SO₃ + Н₂О = 2NН₄НSО₃

В дальнейшем в результате химических превращений из образующегося гидросульфата аммония выделяют оборотный раствор (NН₄)₂ SO₃ и концентрированный поток SO_2.

Недостатком всех аммиачных методов очистки является необходимость глубокого охлаждения газов перед стадией абсорбции.

Общий недостаток всех абсорбционных методов — необходимость дополнительного нагрева очищенных газов перед их выбросом в атмосферу.

Очистка дымовых газов с получением серы В ряде стран разработан регенерационный циклический способ очистки дымовых газов от оксидов серы с получением серы. Топочные газы очищаются от пыли в электрофильтрах и дочищаются водой, при этом происходит очистка от тяжелых металлов. Далее SO₂ взаимодействует в абсорбере с раствором сульфида натрия:

2SO₂ + Na₂ S = Na₂ SО₄ + 2 S

Образовавшаяся пульпа подкисляется и нагревается в автоклаве до 150−170⁰С, сера при этом плавится и отделяется, а раствор сульфата натрия взаимодействует далее с оборонным сульфидом бария:

Na₂ SО₄ + ВаS = ВaSО₄ + Na₂S

Раствор сульфида натрия направляется на начальную стадию процесса на улавливание диоксида серы, а осадок сульфата бария — в печь для восстановления коксом:

ВaSО₄ + 2C = BaS + 2CO₂

1.4.2 Очистка отходящих газов от оксидов азота

Основным антропогенным источником выбросов оксидов азота в атмосферу в настоящее время являются процессы сжигания органического топлива на стационарных установках и двигателях внутреннего сгорания. На их долю приходится более 95% всех выбросов. Одна из основных трудностей улавливания оксидов азота из отходящих газов, как и оксидов серы, связана со сравнительно малой концентрацией при объемах выбрасываемых газов.

Весьма распространенными поглотителями оксидов азота являются растворы соды, едкого натра и карбоната аммония, известковое молоко. Известно, что процесс очистки отходящих газов от оксидов азота протекает в две стадии: сначала оксиды азота взаимодействует с водой с образованием кислот, затем происходит нейтрализация кислот щелочами.

Адсорбционные методы В случае небольших объемов газов нашли применение адсорбционные методы. Хорошим сорбентом оксидов азота служит активированный уголь, но его применение затрудняется из-за легкой окисляемости, что может привести к сильному разогреву и даже к возгоранию угля (при значительных концентрациях оксидов азота). Силикагель по адсорбционным свойствам несколько уступает углю, но он более прочен и не окисляется кислородом, а окисление NO в NO₂ в его присутствии протекает даже быстрее. Однако широкому распространению этих методов препятствует то, что одновременно сорбируются и другие примеси, в результате снижается адсорбционная емкость сорбентов и осложняются процесс десорбции и использование ценных компонентов.

Каталитическое восстановление.

Одним из основных, хорошо освоенных промышленных методов очистки отходящих газов от оксидов азота является их восстановление на катализаторе до молекулярного азота. При использовании неселективного катализатора восстановитель расходуется не только на восстановление азота, но и вступает во взаимодействие с кислородом, обычно содержащимся в газовом потоке. В качестве восстановителя применяются водород, природный газ, оксид углерода. Катализаторами обычно служат элементы платиновой группы. Температура процесса колеблется от 400 до 800⁰С.

Наиболее широкое распространение получило селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком:

6NO + 4NН₃ = 5N₂ + 6Н₂О

6NO₂ + 8NН₃ = 7N₂ + 12Н₂О Карбамидный метод.

Метод позволяет очищать дымовые газы от оксидов азота на 95% и практически полностью удалять оксиды серы из них. Процесс не требует предварительной подготовки газов, в результате очистки образуются нетоксичные продукты — N₂, CO₂, H₂O, и (NH₄)₂SО_4. Эффективность метода практически не зависит от колебаний входных концентраций оксидов азота и серы. [1]

В общем виде процесс описывается приведенными ниже уравнениями реакций:

NO + NO₂ + (NH₂)₂СО = 2Н₂О + СО₂ + 2N₂

SO₂ + (NH₂)₂СО + 2Н₂О + ½ О₂ =(NH₄)₂SO₄ + СО₂

Снижение выбросов оксидов азота в атмосферу путем регулирования процесса горения.

Наряду с установкой газоочистного оборудования в конце технологического цикла сжигания топлива весьма эффективными являются ряд режимных и технологических мероприятий, позволяющих существенно снизить количество образующихся в процессе горения оксидов азота. К этим мероприятиям относятся:

сжигание с низким коэффициентом избытка воздуха;

рециркуляция части дымовых газов в зону горения;

сжигание топлива в две и три ступени;

применение горелок, позволяющих понизить выход No_х;

подача влаги в зону горения;

интенсификация излучения в топочной камере;

выбор профиля топочной камеры, которому отвечает наименьший выход No_х.

Следует отметить, что указанные мероприятия способны в той или иной мере подавить образование No_х из азота воздуха, но не могут предотвратить их образования из азота, имеющегося в составе топлива. [6]

выброс печь атмосфера загрязнение

1.4.3 Очистка отходящих газов от оксида углерода и углеводородов.

Основным методом очистки от оксида углерода и углеводородов в промышленности являются сжигание в пламени, а также термическое и каталитическое окисление. Наиболее известным примером сжигания является широко применяемое в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности сжигание в факеле, т. е. В открытой горелке, направленной вверх. К недостаткам процесса, помимо потерь углеводородов при горении следует отнести образование оксидов азота, а следовательно, вторичное загрязнение атмосферы.

В условиях термического и каталитического окисления обезвреживание углеводородов и оксида углерода протекает при более низких температурах и образования значительных количеств оксидов азота не происходит.

К общим недостаткам процессов обезвреживания газовых выбросов путем сжигания относится необходимость организации дополнительной очистки газов при наличии в сжигаемых органических соединениях, кроме углерода и водорода, окисляемых до диоксида углерода и воды, фтора, хлора, серы и т. д. В этом случае в продуктах сгорания могут оказаться соединения, куда более токсичные, чем первоначальные. [4]

2. Основная часть. Установка АВТ — источник загрязнения атмосферы

2.1 Общие сведения о НПЗ

ЗАО «Краснодарский нефтеперерабатывающий завод Ї Краснодарэконефть», г. Краснодар, ул. Захарова 1.

Завод по первичной переработке нефти ЗАО «Краснодарэконефть» основан в 1911 году. Проектная мощность 3 млн. т/г. Общая численность работающих ЗАО «Краснодарэконефть» Ї 1000 человек. Количество рабочих дней в году Ї 365 при непрерывном цикле производства.

ЗАО «Краснодарэконефть» является предприятием топливного профиля с глубиной переработки Ї 61,08%. Сырье предприятия Ї малосернистые краснодарские и западносибирские нефти с содержанием серы до 0,6%, поступающие на предприятие по трубопроводу. ЗАО «Краснодарэконефть» вырабатывают широкий ассортимент товарной продукции: бензин прямой гонки, бензин «Экстра», топливо реактивное, дизельное, моторное, печное, мазут, битумы дорожные и строительные.

В состав ЗАО «Краснодарэконефть» входят:

Основное производство:

Ї установка АВТ;

Ї установка АТ-2;

Ї экстракционная установка;

Ї установка БУ-3;

Ї установка производства нафтената натрия (МНУ);

Ї цех резервуарных парков и коммуникации (ЦРП и К);

Ї цех ВИК.

Вспомогательное производство:

Ї паро-котельный цех;

Ї электроцех;

Ї ремонтно-механический цех (РМЦ);

Ї слесарная мастерская КИП;

Ї центральная заводская лаборатория (ЦЗЛ);

Ї автотранспортный цех;

Ї стоянка личного автотранспорта;

Ї маневровый тепловоз;

Ї пожарная часть ПЧ-15;

Ї столовая;

Ї прачечная.

ЗАО «Краснодарэконефть» имеет 5 установок по переработке нефти:

Ї электрообессоливающая (ЭЛОУ);

Ї атмосферновакуумная трубчатка (АВТ);

Ї атмосферная трубчатка (АТ);

Ї экстракционные (два года не работают, т.к. высокая себестоимость);

Ї битумные. КТНЭ.280 202.З10.КР.ГП. Генеральный план предприятия.

Продуктами переработки являются:

Ї прямогонный бензин, который далее направляется на другие завод для повышения октанового числа (до 92);

Ї керосин с повышенной плотностью (от 0,92 до 0,93);

Ї дизельное топливо (летнее, зимнее);

Ї мазут (гудрон — сырье для битумных установок, вакуумный газоиль — для каталитического крекинга).

Состав подземного водозабора: 12 артезианские скважины, расположенные на территории предприятия. Суммарный дебит скважин составляет 485 м³/час. Оборудование: насосы марки ЭЦВ8−25−100, эрлифты.

Забор воды из реки Кубань производится насосной станцией, расположенной на правом берегу реки Кубань на 224 км от устья. Вода насосом 6НДВ производимостью 180 м³/час подается в оборотный отсек на пополнение системы оборотного водоснабжения (СОВ). Имеется рыбозащитное сооружение.

Сброс хозбытовых сточных вод в количестве 39,7 тыс. м³/год, 157,7 м³/сутки производится в канализационный коллектор завода имени Седина и далее Ї на городские очистные сооружения города Краснодара.

Сброс производственных сточных вод от основного производства в количестве 85 642,2 тыс. м³/год, 23 463,6 м³/сутки и вспомогательного производства в количестве 217,7 тыс. м³/год, 596,4 м³/сутки производится на комплекс очистных сооружений мощностью 24 тыс. м³/сутки по нефтеловушке, 19,2 тыс. м³/сутки по микрофлотаторам и пруды доочистки №№ 1 — 5. Вода из пруда № 4 и первой секции пруда № 5 поступает в системы оборотного водоснабжения предприятия. Сточные воды, прошедшие систему струнной аэрации пруда № 5, сбрасываются по выпуску диаметром 0,5 м в реку Кубань на 224 км от устья.

2.2 Характеристика региона расположения предприятия

Климат района размещения предприятия ЗАО «Краснодарэконефть» — умеренно-континентальный. Коэффициент, зависящий от стратификации атмосферы, А равен 200. Поправочный коэффициент на рельеф местности — з равен 1,0. КТНЭ.280 202.З10.КР.СП. Ситуационный план района размещения предприятия.

Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца (июль) плюс 29,8°С. Средняя температура наружного воздуха самого холодного месяца (январь) равна минус 1,8°С. Среднегодовая температура, плюс 11,1°С.

Таблица 1 Ї Среднемесячная температура воздуха по месяцам

Преобладающее направление ветра Ї восточное. Скорость ветра, повторяемость превышения которой составляет менее 5% случаев, W = 7 м/с. Средняя повторяемость направления ветра и штилей приведена в таблице 2.2.

Таблица 2 Ї Средняя повторяемость направления ветра и штилей, %

Согласно СанПиН 2.2.½.1.1.1200 Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий для нефтеперерабатывающего завода (предприятие I класса опасности) должна быть соблюдена санитарно-защитная зона 1000 м.

Среднее количество осадков около 600 мм в год. Наибольшие суммы осадков за месяц отмечается, в основном, в теплое время года. При этом они в 1,5 — 2 больше, чем наибольшие суммы осадков зимой. В тёплый период число дней с осадками составляет от 50 до 60, в холодный период от 50 до 70. Максимум числа дней с ливневыми (более 10 мм) наблюдается в июне — июле (от 10 до 12 дней), в холодный период число дней с осадками более 10 мм составляет от 8 до 10.

Снежный покров появляется между 30 ноября и 10 декабря. Среднее число дней в году со снежным покровом составляет от 40 до 50. Максимальная декадная высота снежного покрова достигается от 15 до 20 см, обычно, в первой декаде февраля. Краснодарский край относится к 3-й климатической зоне.

Фоновые концентрации вредных загрязняющих атмосферный воздух веществ в районе расположения предприятия в города Краснодаре составляют (в мг/м³):

Диоксид азота Ї 0,14;

Оксид углерода Ї 9,0;

Углеводороды Ї 5,0;

Взвешенные вещества Ї 0,9;

Диоксид серы Ї 0,33;

Сероводород Ї 0,012.

2.3 Технологическая схема блока вакуумной перегонки мазута

Мазут 8.75, отбираемый с низа атмосферной колонны блока AT, прокачивается параллельными потоками через печь 2 в вакуумную колонну 1. Смесь нефтяных и водяных паров, газы разложения (и воздух, засасываемый через неплотности) с верха вакуумной колонны поступают в вакуумсоздающую систему. После конденсации и охлаждения в конденсаторе-холодильнике она разделяется в газосепараторе на газовую и жидкую фазы. Газы отсасываются двуххступенчатым пароэжекторным вакуумным насосом, а конденсаты поступают в отстойник для отделения нефтепродукта от водного конденсата. Верхним боковым погоном вакуумной колонны отбирают фракцию легкого вакуумного газойля (соляр) 8.37. Часть его после охлаждения в теплообменниках возвращается наверх колонны в качестве верхнего циркуляционного орошения.

Вторым боковым погоном отбирают широкую газойлевую (масляную) фракцию 8.38. Часть ее после охлаждения используется как среднее циркуляционное орошение вакуумной колонны. Балансовое количество целевого продукта вакуумного газойля после теплообменников и холодильников выводится с установки и направляется на дальнейшую переработку.

С нижней тарелки концентрационной части колонны выводиться затемненная фракция, часть которой используется как нижнее циркуляционное орошение, часть — может выводиться с установки или использоваться как рецикл вместе с загрузкой вакуумной печи.

С низа вакуумной колонны отбирается гудрон 8.76 и после охлаждения в теплообменнике возвращается в низ колонны в качестве квенчинга. В низ вакуумной колонны и змеевик печи подается водяной пар 1.8. [4]

2.4 Токсикологическая характеристика загрязняющих веществ

ГН 2.1.6.1338 ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест, ГН 2.1.6.1983 Дополнения и изменения 2 к ГН 2.1.6.1338 и ГН 2.1.6.2909Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест отражены в таблице 3.

Таблица 3 — Токсикологическая характеристика вредных веществ.

2.5 Воздействие вредных веществ на человека и окружающую среду

Влияние процессов сгорания углеводородных систем в двигателях транспортных средств и печах приводит к резкому увеличению содержанию СО, СО₂ и кислых газов в атмосфере. Сжигание нефти, газа и угля сопровождается выбросом до 5 млрд. т. в год углекислого газа. На фоне уменьшения площади лесов наблюдается рост концентрации СО₂ в атмосфере (от 0,03 до 0,041%). В воздухе городов над промышленными зонами и транспортными узлами доля СО₂ может достигать 0,1%, отсюда следует реальность парникового эффекта. В течение ХХ века средняя температура атмосферы увеличилась на 1⁰. Использование мазута и тяжелых котельных топлив на основе сернистых нефтей приводит к загрязнению окружающей среды оксидами серы, пятиокисью ванадия и бенз (а) пиреном.

Углеводородные системы — нефть, продукты ее переработки и газоконденсаты оказывают отрицательное воздействие на воздух, воду и почву. Предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России, в том числе — по добыче и переработке нефти, несмотря на снижение объемов производства, остаются крупнейшим в промышленности источником загрязнения окружающей среды. На их долю приходится около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу, 27% сброса загрязненных сточных вод, свыше 30% твердых отходов и до 70% общего объема парниковых газов. При этом, загрязняя окружающую природную среду, предприятия ТЭК несут существенные финансовые потери. Количество нефтепродуктов в водных объектах густонаселенных городов превышает предельно допустимую концентрацию в 9−15 раз, в сельской местности тысячи гектаров земли, частично и полностью, исключаются из хозяйственного оборота[2].

Не менее актуальна проблема выбросов газов и пыли. Результат воздействия — загрязнение атмосферы в виде запыленности и загазованности. Так, нефтеперерабатывающими предприятиями выбрасывается в атмосферу свыше 1050 тыс. т. загрязняющих веществ, при этом доля улова на фильтрах составляет только 47,5%. Основной состав выбросов предприятий в атмосферу: 23% - углеводороды; окислы: 16,6% - серы; 7,3% - углерода, 2% - азота. По некоторым данным, в российской нефтеперерабатывающей промышленности выбрасывается в атмосферу около 0,45% перерабатываемого сырья, в то время как на Западе — 0,1%. Непоправимый вред окружающей среде наносит факельное хозяйство YGP/ При сжигании топлива в факельных печах образуются аэрозольные частицы — продукты конденсации углерода и канцерогенные углеводороды типа бенз (а) пирена.

Экологические последствия загрязнения атмосферы Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами — от прямой и немедленной угрозы (смог и др.) до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает структурные компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние и в результате механизм гомеостаза не срабатывает.