Экологический аспект выбора технологии битумного терминала - информационная статья от Битумные Технологии

Экологический аспект выбора технологии и оборудования на этапе проектирования битумного терминала

15 мин. 793 24.02.2023

Исследования Проектирование

Содержание

Статья вышла в журнале Экология промышленного производства, №4(120), 2022

Саенко С.С., к.т.н., доцент
Никулин Ю.Я., к.т.н., профессор
Дядченко В.А.

Введение

При проектировании битумных терминалов, в первую очередь при формировании резервуарного парка, основными факторами выбора количества и номенклатуры резервуаров являются: капитальные затраты, количество хранимых марок продукта, скорость выхода на рабочий режим, площадь участка под технологические нужды, противопожарные ограничения и ограничения по лимитам на энергию и др. В данной статье рассматривается степень загрязнения атмосферного воздуха резервуарами как фактор выбора номенклатуры резервуаров и технологии битумного терминала.

Резервуары битума являются источниками организованных загрязнений воздуха вследствие выделения паровоздушной смеси при заполнении резервуаров (так называемые «большие дыхания резервуара» или «рабочие потери») и при нагреве продукта (так называемые «малые дыхания резервуара» или «потери от дыхания») [1-4]. Итоговые значения выбросов могут быть получены расчетным путем.

Методика расчета

В российской практике на этапе проектирования учет загрязнения расчетным методом чаще всего выполняют на основе Методического пособия по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (ОАО «НИИ Атмосфера»). Методика позволяет рассчитать суммарные годовые выбросы от резервуаров и в первую очередь предназначена для расчета выбросов от расходных емкостей асфальтобетонных заводов. Данная методика фактически не учитывает габаритные размеры резервуара и его тип, конструктивные особенности крыши и степень наполнения, что является важным при расчете «потерь от дыхания» [5]. К тому же, руководство ОАО «НИИ Атмосфера» не позволяет проводить раздельно расчет по статьям «большие дыхания» и «малые дыхания», а также в полной мере учитывать особенности инновационных подходов к нагреву битумов (при использовании систем внутреннего нагрева битумов КУПОЛ [6]). Поэтому для данного исследования использовалась американская методика расчета загрязнений атмосферы по руководству АР42, обеспечивающая учет конструктивных особенностей резервуаров и позволяющая вести раздельно учет загрязнений от «рабочих потерь» и «потерь от дыхания». Ранние работы авторов показывают, что расчетные среднегодовые выбросы от битумных терминалов объемами от 2 000 до 25 000 м³, полученных по методике ОАО «НИИ Атмосфера» в 2-3 раза ниже, чем аналогичные по руководству АР42.

«Потери от дыхания» (Ls) и «рабочие потери» (Lw) с учетом рекомендаций ERA Environmental для резервуаров нагрева битумов [5] определяли по следующим формулам:

Lw = 0,0010 · Mv · Pva · Q · Kn · Kp,                               (1)

Ls = n · Vv · Wv · Ke · Ks,                                         (2)

где  Mv –  молекулярная масса паров битума, фунт/(фунт·моль);

Pva – давление насыщенных паров битума, фунт/дюйм²;

Q  – количество жидкости, перекачиваемое за год, фут³;

Kn –  коэффициент оборачиваемости;

Kp – коэффициент произведения рабочих потерь;

n – количество циклов нагрева;

Vv – объём парового пространства, фут³;

Wv –  стандартная плотность паров жидкости, фунт/фут³;

Ke –  коэффициент расширения парового пространства в сутки;

Ks –  коэффициент насыщения вентилируемых паров.

Стандарт АР42 предусматривает расчет суммарных выбросов (Lt), как сумму «потерь от дыхания» (Ls) и «рабочих потерь» (Lw).В российской практике на этапе проектирования учет загрязнения расчетным методом чаще всего выполняют на основе Методического пособия по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (ОАО «НИИ Атмосфера»). Методика позволяет рассчитать суммарные годовые выбросы от резервуаров и в первую очередь предназначена для расчета выбросов от расходных емкостей асфальтобетонных заводов. Данная методика фактически не учитывает габаритные размеры резервуара и его тип, конструктивные особенности крыши и степень наполнения, что является важным при расчете «потерь от дыхания» [5]. К тому же, руководство ОАО «НИИ Атмосфера» не позволяет проводить раздельно расчет по статьям «большие дыхания» и «малые дыхания», а также в полной мере учитывать особенности инновационных подходов к нагреву битумов (при использовании систем внутреннего нагрева битумов КУПОЛ [6]). Поэтому для данного исследования использовалась американская методика расчета загрязнений атмосферы по руководству АР42, обеспечивающая учет конструктивных особенностей резервуаров и позволяющая вести раздельно учет загрязнений от «рабочих потерь» и «потерь от дыхания». Ранние работы авторов показывают, что расчетные среднегодовые выбросы от битумных терминалов объемами от 2 000 до 25 000 м³, полученных по методике ОАО «НИИ Атмосфера» в 2-3 раза ниже, чем аналогичные по руководству АР42.

Расчетные выбросы

Функционально, в традиционной технологии подготовки битумов (с использованием догревочных емкостей) можно выделить два участка: участок длительного хранения и участок интенсивного нагрева. Участки длительного хранения как правило состоят из резервуаров номинальным объемом от 1000 до 5000 м³, в которых предусмотрен нагрев битума от температуры окружающей среды до 100-110 ℃ для внутризаводской перекачки. Участок интенсивного нагрева включает от 1-2 до нескольких резервуаров, номинальный объем каждого при этом кратен суточной производительности терминала. Чаще всего это горизонтальные или вертикальные резервуары от 30 до 400 м³, встречаются догревочные емкости объемом 1000 м³. В таких резервуарах осуществляется нагрев битума от конечной температуры подготовки на участке длительного хранения (100-110 ℃) до рабочей температуры отгрузки на внешний транспорт 150-160 ℃.

Расчетные суммарные выбросы на один цикл наполнения и нагрева резервуара с разбиением на категории: «потери от дыхания» и «рабочие потери» для резервуаров стандартных номинальных объемов по ГОСТ 31385 от 1000 до 5000 м³ представлены на рис. 1.


Рис.1. Расчетные выбросы от резервуаров участка хранения в традиционной технологии подготовки битумов


«Потери от дыхания» для резервуаров номинальным объемом от 1000 до 5000 м³ находятся в диапазоне от 5,45% до 7,9% от общих суммарных выбросов на один цикл заполнения и последующего нагрева после длительного хранения.

Использование резервуаров меньшего объема в диапазоне до 3000 м³ обеспечивает незначительное снижение суммарных выбросов – до 10-20 кг/цикл, а использование одного резервуара РВС 5000 по сравнению с группой из РВС2000+РВС3000 позволяет сократить суммарные выбросы всего на 50 кг/цикл.

Расчетные суммарные выбросы на 1000т подготовки битума на участке интенсивного нагрева для резервуаров номинальных объемов от 50 до 400 м³ представлены на рис. 2.


Рис. 2. Расчетные выбросы от резервуаров участка интенсивного нагрева в традиционной технологии подготовки битумов


Как и для резервуаров большого объема участка хранения, выбросы у догревочных емкостей участка интенсивного нагрева в первую очередь формируются за счет рабочих потерь, потери от дыхания в общем объеме составляют не более 3,5 %. При этом предпочтительно использование вертикальных резервуаров, обеспечивающих снижение потерь от дыхания при том же номинальном объеме на 1-1,3% на каждые 1000т нагретого битума. Например, для резервуаров объемом 100 м³, суммарные выбросы при вертикальном исполнении резервуара сокращаются на 40 кг на 1000т битума по сравнению с резервуарами в горизонтальном исполнении.

При сравнении диаграмм на рис. 1 и 2 видно, что основным источником выбросов в атмосферу на терминалах с традиционной технологией подготовки битумов являются участки интенсивного нагрева. В первую очередь это рабочие потери, формируемые в результате внутризаводской перекачки с участка хранения на участок интенсивного нагрева.

При использовании технологии внутреннего нагрева битумов Купол участок хранения битума, является также и участком интенсивного нагрева. Битум в резервуаре большого объема нагревают до температур не ниже температуры текучести, а интенсивный разогрев битума до температуры отгрузки 150-160 ℃ осуществляют во внутреннем устройстве купольного типа. По мере выдачи битума, битум из основного объема хранения поступает во внутреннее устройство самотеком, при такой схеме не происходит рабочих потерь.

В случае, когда резервуарный парк состоит из трех и более резервуаров, на терминалах с технологией внутреннего нагрева битумов Купол, выделяют дополнительно участки хранения, состоящие из стандартных резервуаров большого объема. В такой схеме подачу битума с участка хранения на участок хранения и интенсивного нагрева (в резервуар с системой Купол) обеспечивают самотеком, что также не приводит к рабочим потерям.

Суммарные выбросы от резервуаров с системами Купол представлены на рис. 3. Для равнозначного сравнения представлены суммарные выбросы от резервуарного парка (участок хранения и участок интенсивного нагрева) при традиционной технологии подготовки. В зависимости от номинального объема резервуара выбросы при традиционной технологии подготовки от 6,6 до 13,3 раз больше, чем при использовании систем внутреннего нагрева Купол, что объясняется сокращением объемов перекачки битума внутри терминала. При использовании большого парка значения для резервуаров с системами Купол на рис. 3 могут быть дополнены выбросами для стандартных резервуаров из диаграммы на рис. 1.


Рис. 3. Расчетные выбросы от резервуаров с традиционной технологией подготовки (догревочные емкости) и с использованием систем внутреннего нагрева Купол


Совершенствование подходов

Для выбора резервуарного парка и технологии битумного терминала можно использовать критерий суммарных выбросов терминала:

∑Lt = ∑ni=1 Lj1t ⋅  njt ⋅ Njt + B ⋅ Lj2t/1000 + ∑ni=1 Lj3t ⋅  njt ⋅ N3                     (3)

 Lj1t - суммарные потери (выбросы) от резервуаров j-номинального объема участка хранения, т/цикл. Принимается из диаграммы на рис. 1;

 njt - количество резервуаров j-номинального объема на участке хранения, ед.;

Njt - оборачиваемость резервуаров j-номинального объема участка хранения за рассматриваемый период, раз;

B - масса битума, проходящая подготовку на участке интенсивного нагрева, тонн. При использовании технологии внутреннего нагрева битумов Купол ;

Lj2t - суммарные потери (выбросы) от резервуаров j-номинального объема участка интенсивного нагрева, т/1000тонн. Принимается из диаграммы на рис. 2;

N3 - оборачиваемость резервуаров с системами Купол за рассматриваемый период (без учета докачек из резервуаров хранения), раз. При использовании технологии с догревочными емкостями ;

Lj3t - суммарные потери (выбросы) от резервуаров с системами Купол j-номинального объема, т/цикл. Принимается из диаграммы на рис. 3;

Резервуарные парки, для которых суммарные выбросы терминала меньше, являются предпочтительными с позиции сокращения загрязнений атмосферы.

Заключение

На основе изложенного можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Основным источником организованных выбросов от резервуаров битумного терминала, независимо от технологического участка, являются рабочие потери, происходящие вследствие операций наполнения резервуаров. Доля выбросов от рабочих потерь составляет до 90-95% от общих суммарных выбросов.

2. Особенности работы участка интенсивного нагрева битумов на терминалах с традиционной технологией приводят к тому, что основные загрязнения атмосферы приходятся на догревочные емкости. На каждые 1000т хранения и нагрева суммарные выбросы от догревочных резервуаров превышают суммарные выбросы от резервуаров хранения более чем в 5 раз. При этом использование вертикальных резервуаров на участке интенсивного нагрева является более предпочтительным и позволяет несколько снизить суммарные выбросы в атмосферу.

3. Наименьшие суммарные выбросы в атмосферу у резервуаров, оборудованных системами внутреннего нагрева Купол. Исключение перекачек между резервуарами, значительно сокращает объемы рабочих выбросов. По сравнению с традиционной технологией, технология внутреннего нагрева Купол экологичнее и снижает суммарные выбросы в атмосферу до 13 и более раз.

Список литературы

1.     Anthony J. Kriech, Ceinwen A. Schreiner, Linda V. Osborn & Anthony J. Riley (2018) Assessing cancer hazards of bitumen emissions – a case study for complex petroleum substances, Critical Reviews in Toxicology, 48:2, 121-142, DOI: 10.1080/10408444.2017.1391170

 2.     Generation of Bitumen Fumes for Inhalation Studies in Rats Part 1: Workplace Samples and Validation Criteria. Annals of Occupational Hygiene. 2006;50(8):789-804. 

 3.     Law BF, Stone S, Frazer D, Siegel PD. Characterization of laboratory simulated road paving- like asphalt by high-performance liquid chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2006;3(7):343-50. doi: 10.1080/15459620600732795. 

 4.     Eurobitume (European Bitumen Association), Heritage Research Group, Kriech AJ. Bitumen Fume Composition as A Function of Binder Temperature - Physical and Chemical Analysis of Binder Fumes At Various Relevant Temperatures Using Two Different Laboratory Fume Generation Techniques. 2006 Report.

5.     Hot and Heated Liquid Storage Tank Emissions. Best Practices for Understanding the Science of Hot & Heated tanks. ERA Environmental Guide. Саенко С.С. Правильный подход / С.С. Саенко // Автомобильные дороги – июнь 2021 – № 6 (1075) – С.130-135.