В процессе добычи, переработки и транспортировки образуется большое количество отходов. Они представляют угрозу для экологии и здоровья человека, поскольку содержат углеводороды нефти, тяжелые металлы и летучие органические соединения. На сегодняшний день существует несколько способов переработки таких отходов, самыми популярными считаются сжигание, отверждение, окислительная и биологическая обработка. Однако каждый из них имеет ряд ограничений и недостатков — дороговизна, необходимость специального коррозионностойкого оборудования, риск утечки и многое другое.
Ученые Томского политеха разработали математическую модель и экспериментальную установку на ее основе, которая может сжигать нефтесодержащие отходы совместно с гидратным газом. Это газ, полученный в ходе регазификации газовых гидратов — соединений газа в ледяной и водной оболочке, которые также называют «горючим» льдом или замерзшим топливом будущего. Разработанная система учитывает стабильность, температуру и угол пламени, а также размеры подаваемых в камеру сгорания частиц. Это позволяет оценивать и в дальнейшем настраивать эффективность утилизации нефтяных отходов.
«Новую методику мы апробировали на утилизации типичного нефтяного шлама. Результаты экспериментальных исследований показали, что эффективной работы системы необходимо до 0,5 кг/ч гидратного газа, около 12 кг/ч нефтяного шлама. Газовые гидраты при этом повышают эффективность сгорания нефтесодержащего шлама — на 3 %», — отмечает заведующий лабораторией тепломассопереноса ТПУ Павел Стрижак.
По словам ученых, водяной пар, содержащийся в газовом гидрате, при сжигании снижает вредные выбросы. Так, концентрация оксида серы снизилась на 5 %, это в 8,5 раза меньше, чем при утилизации альтернативными методами. Концентрации угарного газа снизились на 11 %, это в 7,8 раза меньше, чем при утилизации другими методами. Содержание оксида азота уменьшилось на 15 %. В качестве побочного продукта процесса образуется чистая вода, которую можно использовать для бытовых и промышленных нужд.
Дополнительно ученые рассчитали параметры системы, чтобы можно было использовать тепловую энергию, вырабатываемую в процессе утилизации отходов, в системах отопления. Они смоделировали системы отопления для отдаленных населенных пунктов с суровыми климатическими условиями (до -30 °C) и населением 150, 700 и 2 500 человек.
«Наша модель утилизации отходов одновременно может давать экологически чистую тепловую энергию. При этом дополнительные затраты на работу такой системы не нужны. Это решение особенно актуально для отдаленных районов и на нефтегазовых месторождениях, поскольку позволяет полностью эффективно замкнуть производственный цикл и самообеспечивать такой населенный пункт», — добавляет ученый.
Над исследованием работали ученые лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики ТПУ и Института теплофизики им. С.С Кутателадзе СО РАН.
Исследования поддержаны грантом Министерства науки и высшего образования (№075-15-2024-543). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Thermochimica Acta (Q2, IF: 3,6).
