Организация системы оборотного водоснабжения нефтеперерабатывающего завода
Недавно прочитал статью об организации системы оборотного водоснабжения НПЗ. Показалась интересной, поэтому перевел ее с английского на русский язык (так что не кидайте помидорами, если кое-где получился не совсем литературный перевод).
Новые тренды в организации систем оборотного водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов
На нефтеперерабатывающих заводах используется огромное количество воды. А значит, существует большое количество способов сохранить средства, затрачиваемые на очистку сточных вод и организацию системы оборотного водоснабжения.
Среди первой десятки крупнейших корпораций в мире, шесть компаний являются нефтяными. Самые большие проблемы, которые приходится решать этим компаниям, существуют в подразделениях, занимающихся переработкой нефти. Им приходится расширять производственные мощности, производить продукты отвечающие требованиями рынка, работать над повышением экологической безопасности в соответствии с все более ужесточающимися требованиями природоохранного законодательства, снижать и оптимизировать издержки производства.
Если сделать анализ изменений соотношения стоимости бензина и сырой нефти во время экономических кризисов в прошлом, изучить недавний квартальный отчет Комиссии по ценным бумагам и биржам (10-Q) по ряду крупных нефтяных компаний, то, по крайней мере в настоящее время, кажется, что нефтяная промышленность - одна из немногих важных отраслей промышленности, наименее затронутая текущим американским экономическим кризисом. Однако если нисходящие тенденции развития экономики продолжатся, то рано или поздно нефтяная промышленность также будет испытывать значительные трудности.
Учитывая вышесказанное, возможно, сейчас самое лучшее время для НПЗ, чтобы увеличить инвестиции в проекты, которые приведут к снижению эксплуатационных издержек. Доля расходов нефтеперерабатывающих заводов на природоохранные мероприятия неуклонно растет. Снижение такого типа затрат - это хорошая возможность для менеджмента компании увеличить операционную прибыль предприятия. К сожалению, отделы по охране окружающей среды считаются центрами затрат нефтеперерабатывающих заводов, а не центрами получения прибыли. Кроме того, часто эти отделы не имеют достаточно ресурсов для того, чтобы осуществить масштабные мероприятия, которые существенно повлияют на финансовый результат деятельности организации.
Выбор водных потоков для организации оборотного водоснабжения
Наглядным примером является централизованная очистка сточных вод среднестатистического нефтеперерабатывающего завода. Руководители очистных сооружений часто вынуждены бороться за то, чтобы получить финансовую поддержку, кадры или внутренние услуги со стороны подразделений, которые выпускают конечную продукцию и являются центрами прибыли предприятия. При этом центры получения прибыли: ЭЛОУ, АВТ, установка каталитического крекинга, установка гидрокрекинга, установка замедленного коксования и т.п., потребляют огромное количество чистой воды. Затраты нефтеперерабатывающего завода в организации водоснабжения связаны, в основном, с обработкой обессоленной воды ЭЛОУ, воды для подпитки градирен и воды для котельных установок.
Рассмотрим следующие данные:
- Типичный нефтеперерабатывающий завод потребляет 2,5 м3 воды на 1м3 перерабатываемой сырой нефти.
- Типичный крупный НПЗ производит 35-45 тыс. м3/сутки сточных вод, которые собираются в центральном коллекторе. Обычно эта цифра не включает в себя промышленно-ливневые и хозяйственно-бытовые сточные воды, которые в дальнейшем также подаются на очистные сооружения.
- Учитывая расходы на водоподготовку и очистку стоков, крупный нефтеперерабатывающий завод затрачивает на обработку воды около 100’000 $ в сутки.
Уже много лет НПЗ изучают возможность очистки образующихся сточных вод непосредственно у источников их образования, например, после электродегидратора ЭЛОУ. Рассматривалась концепция, при которой сточные воды обрабатываются на локальных очистных сооружениях и используются повторно в технологическом процессе. В целом, основываясь на устаревших технологиях, большинство НПЗ считало такую схему непомерно дорогой. Считалось, что идея использовать высококвалифицированный персонал с технологических установок завода и привлекать его к управлению сложными процессами на локальных очистных сооружениях, скажем на ЛОС с установки первичной переработки нефти, приведет к значительному увеличению расходов по эксплуатации, не говоря уже о катастрофических последствиях для окружающей среды, в случае нарушения условий функционирования очистных сооружений.
ЭЛОУ является одним из самых крупных источников образования производственных сточных вод на нефтеперерабатывающем. Эти стоки, содержащие нефтяные углеводороды, аммоний и органическую серу, очень трудно обрабатывать. А требования к подаваемой воде очень высокие, как к паровому конденсату.
Исторически, традиционные способы очистки этих стоков считались чрезвычайно дорогими с точки зрения обработки воды для повторного использования. Однако современные технологии биологического удаления указанных выше трех основных загрязнителей, позволяют достичь «нулевого сброса» после ЭЛОУ и использования этой воды для внутренних нужд завода, увеличивая рентабельность предприятия.
Нулевой сброс
В течение последних семи лет несколько нефтеперерабатывающих заводов успешно реализовали программу локальной очистки сточных вод и повторного использования их в технологическом процессе. Первым предприятием, применившим описываемую технологию, стал завод Petrobras в Бразилии.
(нажмите на картинку, чтобы посмотреть в хорошем разрешении)
Центральным звеном в процессе очистки этих сточных вод является трех стадийный реактор биологической очистки. На первой стадии, для очистки от нефтепродуктов и углеводородов, используется наиболее эффективный вид технологии очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов - обработка активным илом. В данном случае используется реактор переменного действия (SBR-реактор) с автоматической системой управления циклами очистки в зависимости от содержания загрязняющих веществ. Ввиду высокого уровня автоматизации нет необходимости в высококвалифицированном персонале, который хорошо разбирается в процессах управления биологической очистки. Используется два SBR реактора, которые работают поочередно: в то время как первый наполняется, второй - опустошается. Следует отметить, что использование в данном случае мембранных биореакторов (MBR-реактор) (белее молодая технология), возможно, не является хорошим выбором, т.к. при этом будут потенциально более высокие расходы, связанные с выходом мембран из строя из-за наличия в воде нерастворенных нефтепродуктов.
На второй стадии используется погружной реактор с прикрепленной биопленкой. Основная задача этой стадии - удаление органических сернистых загрязнений, таких как меркаптаны, используя специальные бактерии, окисляющие сернистые соединения и разрушающие углеводороды. Этот тип реактора наилучшим образом подходит для обработки воды после ЭЛОУ как с точки зрения практичности, так и потому, что в нем нет движущихся частей для подачи растворенного воздуха. Конечно, часть серы окисляется в ходе обработки сточных вод на SBR-реакторе, однако этого недостаточно, чтобы достичь требуемого качества очистки на выходе. На второй стадии также происходит дополнительное окисление углеводородов, в частности, предельных углеводородов, углеводородов с двойной или тройной связью и других типов углеводородов, которые трудно удалить при наличии серы в сточных водах и которые требуют дополнительного времени для полного разложения.
И, наконец, на третьей стадии, благодаря процессам нитрификации, происходит удаление аммония в погружном реакторе с прикрепленной биопленкой. Безусловно, часть аммония будет удаляться еще на первой стадии в ходе очистки сточных вод от углеводородов бактериями. Но проведение процессов нитрификации на первом этапе является не лучшей идеей для автоматических реакторов периодического действия, т.к. требуются разные условия для нитрификации и для окисления углеводородов микроорганизмами. Нитрификация именно на третьем этапе очистки позволяет достичь оптимального режима обработки сточных вод, так как стоки данного типа характеризуются высокой нагрузкой по аммонию и требуется приложить дополнительные усилия по его извлечению. В описываемой схеме основные ингибиторы, препятствующие процессу нитрификации, уже удалены на 1-й и 2-й стадии биологической очистки.
Сам по себе процесс нитрификации хорошо изучен. Однако в данном случае, благодаря наличию стадии 1 и 2, на начальных стадиях очистки обеспечивается дополнительная защита чувствительных к составу воды нитрифицирующих бактерий и достигается плавность процесса очистки. Такой способ защиты процессов нитрификации на начальных стадиях реально не применялся на большинстве очистных сооружений НПЗ. Вероятно, это и есть основная причина, по которой в часто происходит нарушение работы биологической стадии очистных сооружений нефтеперерабатывающих заводов.
Что касается дальнейшего использования очищенной воды, то с точки зрения наибольшей эффективности и рентабельности, лучшим применением для нее является использование в качестве подпиточной воды котлов низкого давления, градирен и котлов высокого давления (см. рис. 1). Все остальные типы стоков, не отвечающие техническим требованиям, легко могут быть собраны, отведены и использованы для подачи обессоленной воды в соответствии с технологической схемой.
Практическое применение
Итак, что насчет обоснования затрат и возврата инвестиций? Очевидно, что база для финансовых расчетов будет значительно меняться в зависимости от условий на конкретном предприятии. Например:
- Подача воды: имеется ли собственный источник пресной воды или покупается очищенная вода у водоканала;
- Характеристики сырой нефти: West Texas Intermediate или Dubai Fateh.
- Состав технологических установок НПЗ: характеристики сточных вод на заводах топливного профиля отличаются от стоков заводов топливно-масляного профиля;
- Установленная система водоподготовки: ионообменные установки для обработки котельной воды или обратный осмос.
- Платежи за загрязнение окружающей среды: штрафы за сброс в водоемы рыбохозяйственного назначения или платежи за сброс в городские очистные сооружения.
Стоимость обслуживания трех стадийного биологического реактора в сравнении с другими технологиями очистки, которые позволяют достичь того же качества сточных вод оказывается значительно ниже, а значит эффективность инвестиций в реконструкцию очистных сооружений - выше. В результате анализа финансовых показателей работы очистных сооружений были получены следующие данные по стоимости очистки стоков крупных НПЗ, производящих весь спектр конечных продуктов переработки нефти:
1. Затраты на очистку сточных вод на трех стадийном реакторе составляют 4,49 $/1000 м3.
2. Затраты на очистку сточных вод с использованием другой, наиболее подходящей технологии, которая позволяет достичь требуемых для ЭЛОУ параметров воды составляют 249,38 $/1000м3.
Затраты по варианту 2 не включают в себя расходы по утилизации или регенерации активированного угля, введению химреагентов, таких как перманганат, пероксид, хлорирование, введения щелочи и т.д.
Принимая во внимание указанные выше цифры, можно рассчитать, что для нефтеперерабатывающих заводов среднего и крупного размеров, примерный срок окупаемости инвестиций составляет около 3 лет.
Давайте ответим на вопрос, какую выгоду получит НПЗ, используя новый инновационный метод очистки сточных вод?
- Вывод из системы централизованной очистки около 70 м3/ч сточных вод, что снижает эксплуатационные расходы и нагрузку на окружающую среду;
- Около 56 м3/ч воды с качеством, соответствующим подпиточной воде для паровых котлов будет собрано для подачи на котлы низкого давления, охлаждение теплообменников, что снижает расходы на водоподготовку;
- Достигнут значительный уровень экономии тепловой энергии, благодаря отводу тепла ЭЛОУ. Энергия не тратится впустую, т.к. благодаря изменению схемы водных потоков часть воды направляется на подпитку котла и снижается расход топлива на подогрев воды в деаэраторе.
Другие источники экономии средств
Кроме преимуществ, связанных с повторным использованием очищенной воды от электродегидраторов ЭЛОУ, существует несколько других источников сточных вод, образующихся на различных технологических установках по переработке нефти, которые имеют хороший потенциал снизить стоимость обработки сточных вод.
В особенности это касается воды, поступающей с установки вакуумной перегонки нефти и установки гидроочистки дистиллянтов. Даже если сточные воды содержат цианиды (они, например, попадают в воду на установке каталитического крекинга и установке замедленного коксования) - имеется возможность обработки на очистных сооружениях описанной конструкции. В данном случае конфигурация биореактора легко может быть изменена для биодеградации простых цианидов. Оставшиеся комплексные цианиды позже могут быть удалены на существующей системе подготовки котельной воды на ионообменной установке. Т.е. удаление цианидов не потребует дополнительных инвестиций в оборудование.
Во всяком случае, если НПЗ заинтересован организовать оборотное водоснабжение, то отправной точкой должно стать составление материального и теплового баланса всех водных потоков предприятия, включая анализ затрат на очистку каждого потока. Результатом такого исследования станет четкое понимание того, в каком месте можно получить максимальную отдачу от средств, вложенных в программу управления водным хозяйством нефтеперерабатывающего завода.
Автор: Dave Kujawski, Refinery Water Engineering & Associates, имеет более, чем 30-ти летний опыт в области очистки сточных вод промышленных предприятий, как в качестве штатного технолога нефтеперерабатывающего завода, так и в качестве внешнего консультанта. Он благодарит НПЗ Petrobras (Бразилия) за сотрудничество в этом инновационном проекте по организации оборотного водоснабжения.