Oczyszczanie ścieków w przemyśle naftowym i gazowym

• 1. Ścieki z przemysłu naftowego i gazowego: wyzwanie technologiczne
  • 1.1 Rozwiązania oparte na gospodarce o obiegu zamkniętym w zakresie ponownego wykorzystania wody w sektorze naftowo-gazowym
  • 1.2 Ścieki powstające w przemyśle naftowym i gazowym oraz alternatywne sposoby ich zagospodarowania
• 2. Przykład sukcesu SIGMA: uzdatnianie wody w elektrociepłowni UPT na Ibizie.
  • 2.1 Ogólne dane dotyczące projektu
  • 2.2 Opis oczyszczalni ścieków w jednostce produkcyjnej na Ibizie
• 3. Bibliografia

1. Ścieki z przemysłunaftowego i gazowego: wyzwanie technologiczne

1.1 Rozwiązania oparte na gospodarce o obiegu zamkniętym w zakresie ponownego wykorzystania wody w przemyśle naftowym i gazowym

Przemysł naftowy i gazowy dostarcza energię niezbędną do prowadzenia wielu działań ludzkich i przemysłowych.

Wysokie zużycie wody podczas wydobycia i przetwarzania ropy naftowej oraz gazu wymaga opracowania wydajnych, zrównoważonych i opłacalnych rozwiązań w zakresie oczyszczania ścieków powstających w rafineriach, a także osadów pochodzących ze studni wydobywczych. Ścieki te mają bezpośredni wpływ na zrównoważone gospodarowanie zasobami wodnymi, środowisko naturalne oraz inne gałęzie przemysłu i sektory.

Jednym z głównych celów środowiskowych branży naftowej i gazowej jestograniczenie zapotrzebowania na wodę, co wiąże się z wdrażaniem rozwiązań opartych na gospodarce o obiegu zamkniętym, które sprzyjająponownemu wykorzystaniu ściekóworaz oszczędzaniu zasobów i surowców, przyczyniając się w ten sposób do zrównoważonego rozwoju gospodarczego i środowiskowego.

Odpady wodne, po odpowiednim oczyszczeniu, mogą być ponownie wykorzystane w różnych zastosowaniach, takich jak na przykład:

• Nawadnianie przyległych terenów zielonych
• Sieć przepływowa przeciwpożarowa
• Systemy chłodnicze
• Kotły
• Woda do czyszczenia

1.2 Ścieki powstające w przemyśle naftowym i gazowym oraz alternatywne sposoby ich zagospodarowania

Trzy główne obszary działalności tej branży to:

• Wydobycie ropy naftowej i gazu ziemnego.
• Przetwarzanie ropy naftowej na jej frakcje.
• Wytwarzanie energii z produktów ropopochodnych i gazu ziemnego.

Ścieki z przemysłu naftowego i gazowego mogą wykazywać bardzo zróżnicowane właściwości w poszczególnych zakładach (wydobycie ropy naftowej, kraking, wykorzystanie paliw i gazu itp.), a ponadto same w sobie charakteryzują się zmiennością, jednak mają następujące podstawowe cechy:

• Wysoka zawartość tłuszczów, olejów i węglowodorów.
• Rozpuszczona materia organiczna.
• Resztki reszt res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res res
• Wysoka zawartość zawiesin.
• Znaczna lepkość.
• Sól sólna sólna Sól sólna sólna
• Metale metylo-metylo-dimetylodimetylo-dimethylodimetylo-dimethylodimetylo-dimethylodimety

W celu oczyszczenia tych ścieków konieczne jest opracowanie wydajnego, elastycznego i niezawodnego procesu, który łączy w sobie różne technologie.

Najskuteczniejsze technologie stosowane do oddzielania olejów, tłuszczów i węglowodorów to technologie API, CPI oraz flotacja z użyciem rozpuszczonego powietrza (DAF).

• API: specjalne zbiorniki, w których następuje naturalna separacja cięższych osadów. Substancje lekkie, o niskiej gęstości i łatwo unoszące się na powierzchni, są zbierane za pomocą zgarniaczy API i usuwane z wody.
• CPI: CPI (corrugated plate interceptor, czyli separator z falistymi płytami) to separator koalescencyjny z płytami, stosowany do oddzielania olejów i węglowodorów.

Technologie API i CPI można połączyć w ramach tego samego zbiornika w celu optymalizacji procesu.

• DAF: Systemy DAF umożliwiają flotację cząstek stałych w zawiesinie oraz substancji koloidalnych w celu ich oddzielenia od wody. Przed doprowadzeniem wody do urządzenia DAF konieczne jest przeprowadzenie procesu koagulacji i flokulacji w celu zgrupowania tych cząstek stałych i koloidów.

Inne, mniej popularne, ale równie skuteczne technologie to cyklony/hydrocyklony oraz systemy filtracji membranowej.

Tabela 1.Technologie stosowane w procesie oddzielania olejów, tłuszczów i węglowodorów.

Technologia	Cechy	Wydajność
Oddzielone API	Projekt należy opracować z uwzględnieniem czasu retencji	Nieskuteczny w przypadku olejów emulgowanych
Separator CPI	Projektuje się go w oparciu o gęstość, lepkość, temperaturę i natężenie przepływu. Czasy retencji są długie	Nie sprawdza się w przypadku olejów emulgowanych. Zazwyczaj łączy się go z separatorem API.
Osadnik DAF	Wprowadzenie wody pod ciśnieniem zawierającej rozpuszczone powietrze powoduje powstanie mikropęcherzyków, które umożliwiają unoszenie się kłaczków.	Bardzo wysoka skuteczność oddzielania cząstek stałych, olejów, tłuszczów i węglowodorów dzięki dobrze zaprojektowanemu systemowi koagulacji i flokulacji.
Hydrocyklony	Nadaje się do stosowania przy wysokich stężeniach olejów. Wysokie koszty utrzymania.	Wydajność wzrasta dzięki szeregowemu połączeniu kilku hydrocyklonów.
Filtracja membranowa	Wielkość porów: 0,01 µm	Skutecznie wydobywa rozproszone oleje i związki aromatyczne.

Najskuteczniejszymi technologiami usuwania rozpuszczonych związków organicznych są systemy adsorpcji, ekstrakcji i zaawansowanego utleniania.

Tabela 2.Technologie stosowane w usuwaniu rozpuszczonych związków organicznych.

Tabela 2.1. Absorpcja

Główny element	Cechy	Wydajność
Węgiel aktywny	Usuwanie benzenu, toluenu i śladowych ilości kurdu. Wymaga długiego czasu retencji i zależy od wielkości porów w adsorbencie.	Konieczne jest przeprowadzenie procesu aktywacji węgla. Skuteczność usuwania wynosi od 50 do 75%.
Zeolit	Usuwanie BTEX (benzenu, toluenu, etylobenzenu i ksylenu). Produkowane są kompaktowe moduły.	Skuteczność usuwania wynosi 70–80%. Wysokie koszty regeneracji. Zależy od hydrofobowości związków.
Orzech orzeł orzeł orze or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or Or	Usuwanie olejów i śladowych ilości serwatki.	Wydajność na poziomie 60–80%. Niski koszt surowca.
Nanokompozyty	Usuwanie olejów i śladowych ilości serwatki.	Zmniejszenie czasu kontaktu o 50%.
Polimerowy	Usuwanie benzenu, toluenu i śladowych ilości kurdu. Mogą to być tworzywa PET (politereftalan etylenu) lub polistyren.	Skuteczność nawet do 99%.

Tabela 2.2. Wydobycie

Główny element	Cechy	Wydajność
Rozpuszczalnik	Usuwanie tłuszczów wolnych i/lub rozpuszczonych.	Skuteczna, ale kosztowna ze względu na regenerację rozpuszczalnika. Rozpuszczalnik należy traktować jako odpad.

Tabela 2.3. Utlenianie

Główny element	Cechy	Wydajność
Fotokatalityczna	Usuwanie COT, fenoli, BTEX i TPH (całkowitej zawartości węglowodorów ropopochodnych). Duży wpływ pH. Katalizator: TiO₂	Usuwanie >80% związków BTEX, >95% TOC, >60% fenoli, >75% TPH.
UV / 03	Usuwanie kwasów benzenowych, amonowych i węglowodorów aromatycznych. Należy kontrolować pH, które nie może być zasadowe. Warunki niekorzystne przy wysokich stężeniach wodorowęglanów i Cl-.	Skuteczność >80%.

Szlam powstający podczas oczyszczania ścieków należy traktować jako odpad specjalny. Do jego odwadniania i stabilizacji stosuje się wysokowydajne technologie separacji, takie jak prasy filtracyjne i wirówki.

2. Przykład sukcesu SIGMA: uzdatnianie wody w elektrociepłowni UPT na Ibizie.

2.1 Ogólne dane dotyczące projektu

• LOKALIZACJA PROJEKTU: Elektrownia cieplna na Ibizie.
• WŁAŚCICIEL: Endesa.
• OPERATOR: Endesa Generación.
• ROK REALIZACJI PROJEKTU: 2012–2013.

DZIAŁANIE ELEKTROWNI: Elektrownia cieplna na Ibizie, znana również jako UPT, to elektrociepłownia o cyklu konwencjonalnym, położona na terenie gminy Ibiza. Posiada 13 aktywnych zespołów cieplnych o łącznej mocy 270 MW (sześć silników, cztery turbiny gazowe i trzy turbiny gazowe typu double), które wykorzystują gaz ziemny jako główne paliwo, a olej napędowy jako paliwo pomocnicze:

2 silniki o mocy 216 MW każdy

4 silniki o mocy 18,4 MW

1 turbina gazowa o mocy 25 MW

1 turbina gazowa o mocy 14 MW

2 turbiny gazowe o mocy 25 MW każda

3 turbiny gazowe o mocy 25 MW każda

CEL OCZYSZCZANIA: usunięcie olejów, węglowodorów i zawiesin z ścieków pochodzących z UPT. 

CHARAKTERYSTYKA WODY: wysoka zawartość olejów i węglowodorów oraz zawiesin: 1100 mg/l.

PROJEKT PROCESU: Oczyszczanie ścieków dzieli się na następujące etapy, których głównym celem jest usunięcie zawiesin, olejów i węglowodorów zawartych w wodzie:

• Proces wstępnego oddzielania oleju opałowego i węglowodorów z wykorzystaniem technologii API + CPI
• Proces oddzielania cząstek stałych poprzez przesiewanie i odpiaszczanie
• Proces precyzyjnej separacji węglowodorów
• Proces dozowania odczynników: koagulacja – flokulacja
• Oczyszczanie metodą flotacji DAF (urządzenie SIGMADAF FPAC-20-S)

WYDAJNOŚĆ:Zainstalowane urządzenia pozwalają osiągnąć stężenie poniżej 55 mg/l całkowitej zawartości zawiesin, olejów i tłuszczów, co oznacza skuteczność usuwania na poziomie 95%.

2.2 Opis oczyszczalni ścieków w jednostce produkcyjnej na Ibizie

GRUBA SEPARACJA PALIWA I WĘGLOWODORÓW, TECHNOLOGIA API + CPI.

System zaprojektowany przez SIGMA WATER GROUP wykorzystuje technologię płyt separacyjnych CPI do oddzielania węglowodorów wewnątrz zbiornika.

Zbiornik jest prostokątnym zbiornikiem o pochyłym dnie, wyposażonym w śrubę do usuwania osadów stałych oraz system skimmera do oddzielania węglowodorów i olejów, wykorzystujący technologię API.

Wyposażony jest w obieg grzewczy z wykorzystaniem ciepłej wody, wykonany z najwyższej jakości stali.

ODDZIELANIE CIELESNYCH PRZEZ PRZESIEWANIE I ODSADZANIE PIASKU

Zawiera nachylone sito oraz ślimak bezosiowy do podnoszenia oddzielonych cząstek stałych. Sekcja odpiaszczania wyposażona jest w poziomy ślimak transportujący piasek.

PRECYZYJNE ODDZIELANIE WĘGLOWODORÓW

Składa się z prostokątnego zbiornika o trapezowym dnie, wyposażonego w zestaw niezależnych lameli koalescencyjnych zapewniających optymalny rozkład wody. Zawiera system skimmera do oddzielania węglowodorów i olejów. Posiada obieg grzewczy zasilany gorącą wodą.

Urządzenie to stanowi część linii do przesiewania i odpiaskowania, uzupełniając kompaktowy system wykonany z najwyższej jakości stali.

Oczyszczanie fizykochemiczne i klarowanie metodą DAF

Oczyszczanie fizykochemiczne polega na dodaniu koagulantu i flokulantu w celu utworzenia kłaczków, które przylegają do zawieszonych w wodzie cząstek stałych, których nie można naturalnie oddzielić poprzez sedymentację ze względu na ich niską gęstość. Proces ten ułatwia również częściowe usunięcie substancji organicznych związanych z tymi cząstkami stałymi oraz usunięcie pozostałości olejów i węglowodorów, które mogły pozostać po poprzednim etapie oczyszczania.

Dodawanie koagulantu i flokulantu odbywa się w szeregowym zbiorniku wyposażonym w mieszadło, wykonanym z najwyższej jakości stali. Dostarczany jest system dozowania specjalnie zaprojektowany do usuwania tych zanieczyszczeń. Dawki te ustala się na podstawie wstępnych badań flokulacji przeprowadzonych w laboratorium, a następnie dostosowuje się je do skali przemysłowej.

Powstałe flokule sąoddzielane od wody za pomocą systemu flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF). Dla oczyszczalni ścieków UPT na Ibizie wyprodukowano i zainstalowano urządzenie SIGMADAF model FPAC 20.

ModelSIGMA DAF FPACto system flotacji powietrzem rozpuszczonym służący do oczyszczania ścieków. Są to urządzenia wykorzystujące separację krzyżową strumieni, charakteryzujące się dużą powierzchnią swobodną, na której gromadzi się osad flotacyjny. Pracują przy małych lub średnich przepływach (od 5 do 200 m³/h) oraz przy bardzo wysokim obciążeniu zanieczyszczeniami (całkowita zawartość zawiesin, oleje i tłuszcze, ładunek organiczny).

SystemyDAF FPAC zostałyspecjalnie zaprojektowane do oczyszczania ścieków o bardzo wysokim stężeniu substancji stałych (do 40 kg substancji stałych na m² wolnej powierzchni systemu), które nie unoszą się na powierzchni i wymagają dużej powierzchni do flotacji i separacji.

Powietrze flotacyjne jest niezbędne do poprawy flotacji kłaczków, gdy mieszanina emulsji, olejów i cząstek stałych wpływa na gęstość.

Pompa recyrkulacyjna kieruje część oczyszczonej wody do układu zwiększania ciśnienia i nasycania, umieszczonego na wylocie urządzenia DAF. Woda poddana recyrkulacji jest sprężana przez pompę do ciśnienia około 6 barów i mieszana ze sprężonym powietrzem. W ten sposób woda pod ciśnieniem ulega nasyceniu sprężonym powietrzem. W tych warunkach ciśnieniowych powietrze pozostaje rozpuszczone w wodzie.

W zbiorniku urządzenia DAF następuje rozprężanie, co powoduje powstawanie mikropęcherzyków powietrza.Mikropęcherzykirozpuszczonegopowietrzaumożliwiają usuwanie cząstek stałych, cząstek tłuszczów, olejów, węglowodorów i innych zanieczyszczeń, które nie mają wystarczającej wyporności. Pęcherzyki mają średnicę od 30 do 50 mikronów, co jest niezbędne do zapewnienia skutecznej flotacji. Pęcherzyki szybko przylegają do cząstek o podobnych lub większych rozmiarach i unoszą się na powierzchnię.

Ta mieszanka wody i pęcherzyków jest równomiernie rozprowadzana w komorze wlotowej urządzenia DAF. Uniesione cząstki są kierowane bezpośrednio do układu odwadniania w górnej części urządzenia, gdzie są usuwane za pomocą skimmerów. Osady, oleje, tłuszcze i węglowodory, które uniosły się w postaci piany, opuszczają urządzenie i są gromadzone w zbiorniku na osady.

Z kolei pływające kłaczki opuszczają instalację w postaci piany za pomocą systemu skimmerów i są zbierane do zbiornika na osad.

Osad opada do komory osadowej, znajdującej się na dnie urządzenia DAF, a następnie jest usuwany przez ślimakowy system odprowadzania osadu.

Oczyszczona woda opuszcza urządzenie poprzez regulowany system odpływu. Część tego strumienia oczyszczonej wody zostanie przekierowana przez pompę recyrkulacyjną do opisanego wcześniej systemu sprężania i nasycania.

3. Bibliografia 

Lavariega L. 2011, Systemy uzdatniania wody w przemyśle naftowym. Wydział Nauk Biologicznych, Autonomiczny Uniwersytet Juáreza w Tabasco. 17(33), 25–28.

Mesa S.L., Orjuela J.M., Ortega A.T., Sandoval J.A. 2018. Przegląd aktualnej sytuacji w zakresie gospodarki wodami produkcyjnymi w kolumbijskim przemyśle naftowym. Gestión y Ambiente. 21(1), 87–98.

Magazyn „Petroquímica On Line”. 2017. Branża naftowo-gazowa – jedna z najbardziej „krytycznych” na świecie.

Villegas J.P., Arcila N., Ortega D., Franco C.A., Cortés F.B. 2017. Usuwanie węglowodorów ze ścieków produkcyjnych przemysłu naftowego przy użyciu nanomateriałów pośrednich złożonych z SiO₂ funkcjonalizowanego nanocząstkami magnetycznymi. DYNA. 84(202), 6574.