Принципиально новый подход к проблеме улавливания ЛФУ при хранении нефтепродуктов может быть реализован на основе способа разделения паровоздушной смеси за счет конденсации паров легких углеводородов в контактном теплообменнике при барботаже паровоздушной смеси через слой охлажденного продукта. В качестве охлаждающей среды при этом используется жидкий азот. Ранее данный способ не применялся на практике ввиду трудоемкости доставки жидкого азота к месту хранения нефтепродуктов. Применение стирлинг-технологий позволяет решить проблему путем регенерации жидкого азота непосредственно на нефтебазе и тем самым сделать вышеуказанный способ улавливания высокорентабельным за счет снижения себестоимости процесса, исключения транспортных расходов на доставку жидкого азота и безвозвратной потери азота.

Одним из специфических свойств нефти и нефтепродуктов является испаряемость легких фракций углеводородов (ЛФУ) при их хранении. ЛФУ - основная причина технологических потерь ценного сырья и вредных выбросов в окружающую атмосферу. По оценкам отечественных специалистов, в России только за год потери бензина от испарения на нефтебазах составляют более 100 тыс. тонн.

Потери происходят вследствие так называемых «больших и малых дыханий» резервуаров.

«Большие дыхания» происходят при вытеснении паровоздушной смеси в окружающую среду в процессе заполнения нефтепродуктами резервуара. При этом объем газового пространства уменьшается. Обратное явление - поступление воздуха в резервуар - отмечается при откачке продукта. Объем такого «большого дыхания» приблизительно соответствует поступившему в резервуар количеству продукта. Потери растут при увеличении числа циклов приема-откачки резервуаров и зависят от климатической зоны.

Вот данные о потерях нефтепродуктов в наземных резервуарах со стационарными крышами (в т/год)

Потери при «малых дыханиях» вызываются колебаниями температуры окружающей среды. При повышении температуры воздуха в дневное время поверхности резервуара нагреваются, и в результате увеличивается испарение нефтепродуктов, особенно легколетучих фракций. А следовательно, увеличиваются давление и температура парогазовой смеси в резервуаре. Возрастание давления влечет за собой срабатывание дыхательного клапана и выход паровоздушной смеси в окружающую среду. В ночное время при охлаждении продукта давление смеси снижается, создается частичный вакуум и происходит обратное явление - воздух через впускной клапан поступает в газовое пространство резервуара.

В настоящее время для утилизации (снижения потерь) ЛФУ при хранении нефти и нефтепродуктов применяются различные методы и устройства: газоуравнительные системы, факельное сжигание, мембранное разделение смеси ЛФУ, азотное охлаждение, адсорбция (активированный уголь), абсорбция (нефтяные масла), плавающие крыши, понтоны и т.д. У каждой из перечисленных технологий есть свои достоинства. Общим же недостатком является то, что они не могут гарантированно обеспечить улавливание ЛФУ.

В Институте проблем нефтехимпереработки АН РФ была проведена сравнительная оценка уровня загрязнения атмосферы в результате внедрения описанных методов в товарно-сырьевых парках нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Сравнительная оценка выполнена по принципу нормирования (приведения массы выброса к эквивалентной массе диоксида серы, который используется в расчетах индекса загрязнения атмосферы ИЗА). Коэффициенты эффективности для методов снижения потерь ЛФУ таковы:

Стальной резервуар с дыхательной арматурой - 220

Стальной резервуар с понтоном - 88

Группа стальных резервуаров с газоуравнительной линией - 66

Резервуар с конденсаторной системой ПКХМ - 35

Технология УЛФ- 2

Очевидно, что наиболее эффективными по снижению выбросов в атмосферу паров нефтепродуктов являются установки улавливания легких фракций (УЛФ). В настоящее время существует большое количество таких установок, с различным конструктивным исполнением и принципами работы. При высокой эффективности существующие установки этого типа обладают рядом недостатков: они дорогостоящи, имеют сложное оборудование и систему управления, требуют наличия потребителей сухого газа и т.д.

Поэтому вопрос разработки средств сокращения выбросов паров нефтепродуктов при их хранении на нефтебазах остается открытым. Решение проблемы возможно при широком внедрении современных методов снижения испарения, а также при условии хранения нефтепродуктов в герметичных резервуарах, исключающих выделение загрязняющих веществ в атмосферу.

Автором разработаны не имеющие аналогов в мире новые технологии по улавливанию ЛФУ на основе низкотемпературных холодильных машин Стирлинга (стирлинг-технологии).

Данная технология относится к классу конденсационных систем. Улавливание ЛФУ происходит за счет их охлаждения с последующей конденсацией. Низкотемпературные холодильные машины Стирлинга высокоэффективно работают в диапазоне до -250 °С, что позволяет сжижать при атмосферном давлении весь спектр легких углеводородов. Эффективность применения низкотемпературных машин Стирлинга для охлаждения и конденсации газообразных углеводородов доказана многолетней эксплуатацией систем реконденсации на зарубежных газовозах. Многоцелевые газовозы типа «Pythagore», «Teviot», «Lincoln Ellsworth», «Thales» предназначены для перевозки метана, этана, пропилена, пропана, бутана и т.д. Диапазон температур перевозки от -160 °С до -10 °С. В качестве ожижителей газов применялись машины Стирлинга фирм «Werkspoor» и «Philips». Установки работают в автоматическом режиме без присутствия обслуживающего персонала.

Низкотемпературная машина Стирлинга отечественного производства из состава воздухоразделительной установки «ЗИФ-1002» имеет на уровне 223К (- 50 °С) холодопроизводительность, обеспечивающую улавливание и конденсацию паров ЛФУ нескольких крупных резервуаров с нефтепродуктами.

На основе стирлинг-технологий разработаны несколько типов систем по долговременному хранению нефтепродуктов (все технические решения патентуются).

Системы долговременного хранения нефтепродуктов на основе стирлинг-технологий классифицируются по принципу функционирования таким образом:
- установки с непосредственным сжижением ЛФУ в низкотемпературных машинах Стирлинга;
- установки термостатирования газового пространства резервуаров нефтепродуктов на основе КГМ Стирлинга и азотного контура.

Принципиально новый подход к проблеме улавливания ЛФУ при хранении нефтепродуктов может быть реализован на основе способа разделения паровоздушной смеси за счет конденсации паров легких углеводородов в контактном теплообменнике при барботаже паровоздушной смеси через слой охлажденного продукта. В качестве охлаждающей среды при этом используется жидкий азот. Ранее данный способ не применялся на практике ввиду трудоемкости доставки жидкого азота к месту хранения нефтепродуктов. Применение стирлинг-технологий позволяет решить проблему путем регенерации жидкого азота непосредственно на нефтебазе и тем самым сделать вышеуказанный способ улавливания высокорентабельным за счет снижения себестоимости процесса, исключения транспортных расходов на доставку жидкого азота и безвозвратной потери азота.

В настоящее время в России и за рубежом серийно выпускается большое количество различных модификаций высокоэффективных машин Стирлинга на температурном уровне жидкого азота -77К (-196°С), холодопроизводительностью от 0,9 до 46 кВт, которые могут быть использованы при создании установок по улавливанию ЛФУ из резервуаров с нефтью и нефтепродуктами.

Предварительные расчеты показали высокую экономическую и экологическую эффективность данной технологии. Для оценки технико-экономической эффективности применения систем утилизации ЛФУ использовался резервуарный парк нефтебазы «Ручьи» (Санкт-Петербург). Результаты технико-экономического расчета эффективности применения систем улавливания ЛФУ на основе низкотемпературных Стирлинга таковы:
- общая стоимость проекта - 27 млн. руб.
- эксплутационные годовые расходы - 4,19 млн. руб.
- стоимость сэкономленных за год нефтепродуктов - 19,08 млн. руб.
- стоимость предотвращенных годовых штрафных санкций за выбросы ЛФУ в окружающую среду за год — 0,872 млн. руб.
- годовой экономический эффект от внедрения системы - 15,76 млн. руб.
- срок окупаемости системы утилизации ЛФУ с учетом штрафных санкций за экологический ущерб - 1 год 8 мес.

Применение установок улавливания ЛФУ на основе стирлинг-технологий позволит:
- сохранить ту часть нефтепродуктов, которая ранее терялась безвозвратно в связи с отсутствием современных эффективных средств утилизации ЛФУ;
- получить дополнительную прибыль от реализации сохраненной части продукции;
- улучшить экологическую обстановку и условия труда обслуживающего персонала не только на самих нефтебазах, но и в расположенных рядом жилых массивах;
- уменьшить пожароопасность нефтебаз, повысить срок службы резервуаров и т.д.

Подробнее с текущей ситуацией и прогнозом развития нефтеперерабатывающей промышленности в России можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Нефтепереработка в России: анализ текущего состояния и прогноз развития».

Н. Г. Кириллов, федеральный эксперт научно-технической сферы ,
к.т.н., с.н.с., Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского,