جستجو مطالب
بررسی روش های آبگیری لجن با تاکید بر لجن های نفتی
رضا مستوری1*، نرگس کارگری2
چکیده
مراحل مختلف اکتشاف، تولید، پالایش و پخش نفت و محصولات پتروشیمی معمولا منجر به تولید حجم قابل توجهی لجن نفتی می گردد. از نقطه نظر اقتصادی، لجنی که دارای 10 درصد نفت باشد ارزش تصفیه و بازیافت نفت را دارا می باشد. در این مقاله روش های مختلف آبگیری لجن نظیر بسترهای لجن خشک کن، فیلتر پرس، فیلتر فشاری نواری، فیلتر سانتریفوژ و زباله سوزها مورد بررسی قرار گرفته و مزایا و معایب هر روش با تکیه بر تجارب به دست آمده از عملکرد این روش ها در ایران، توضیح داده شده است. همچنین در خصوص استفاده از مصرف مواد شیمیایی جهت کمک به آبگیری از لجن توضیحاتی ارائه شده است.
کلمات کلیدی: لجن نفتی، روش های دفع لجن، مواد شیمیایی آبگیری لجن
1- مقدمه
اکتشاف، تولید، پالایش و پخش نفت و محصولات پتروشیمی معمولا منجر به تولید حجم قابل توجهی از لجن های نفتی می گردد. این لجن از منابع مختلفی نظیر کف مخازن ذخیره نفت، جداکننده های آب و نفت (Separator)، واحدهای شناورسازی (DAF/IGF)، تمیز نمودن تجهیزات فرایندی، لجن های بیولوژیکی تصفیه خانه های پساب، نشست نفت در مناطق نفتخیز، سایت های حفاری نفت و پالایشگاه ها حاصل می گردند [1].
ترکیب لجن های نفتی متفاوت بوده و بستگی زیادی به منشأ تولید و نیز شرایط ذخیره سازی آن دارد، اما به طور عمومی معمولا از مواد جامد، فلزات سنگین، آب و هیدروکربن (نفت) تشکیل می گردد. لجن های نفتی که در کف مخازن ذخیره نفت تشکیل می گردند معمولا دارای 10 الی 12 درصد مواد جامد، 30 الی 50 درصد آب و 30 الی 50 درصد وزنی نفت می باشند [2]. ترکیب شیمیایی لجن های نفتی از منابع مختلف در جدول (1) نشان داده شده است.
جدول (1): ترکیب شیمیایی لجن های نفتی مختلف [3]
از نقطه نظر اقتصادی، لجنی که دارای 10 درصد نفت باشد، ارزش تصفیه و بازیافت نفت را دارا می باشد [4]. به عنوان مثال در کشور هند سالانه 50000 تن لجن در پالایشگاه ها تولید می شود که حاوی حدود 30 تا 40 درصد نفت بوده و ارزش نفت آن حدود 800000 دلار می باشد [5].
ارزیابی چرخه حیات [1] (LCA) در خصوص بازیافت سوخت از لجن پالایشگاه ها نشان می دهد که با به کارگیری روش های جدید در پالایش و بازیافت سوخت، می توان انتشار گازهای گلخانه ای CO2، CH4 و N2O را به ترتیب به میزان 40026000، 1057 و 566 کیلوگرم به ازای هر پالایشگاه در سال کاهش داد [6].
در این مقاله روش های مختلف آبگیری و دفع لجن های نفتی حاصل از فعالیت تصفیه خانه های فاضلاب با تکیه بر تصفیه خانه هایی که وظیفه جداسازی آب و نفت را دارند، ارائه گردیده و مزایا و معایب هر یک از روش ها بررسی گردیده است.
2- روش های مختلف آبگیری و دفع لجن
2-1- بستر لجن خشک کن
بسترهای شنی به صورت حوضچه هایی هستند که از چند لایه شن با دانه بندی مختلف که هر لایه به قطر حدود 15 – 10 سانتیمتر می باشد، تشکیل شده اند. لجن نیمه تر با 20 درصد تا 30 درصد مواد جامد در این حوضچه ها ریخته شده و زیر نور خورشید رطوبت خود را از دست می دهد. خشک کردن لجن از این طریق در صورتیکه زمین به مقدار کافی و ارزان در دسترس باشد، کم هزینه ترین روش دفع لجن می باشد. از مشکلات این سیستم می توان به متصاعد شدن بو و گازهای سمی در مورد لجن های نفتی اشاره نمود. میزان عملکرد این سیستم ها بستگی به درجه حرارت محیط و رطوبت نسبی هوا دارد. در ایران، با توجه به آنکه مناطق نفت خیز عموما در جنوب کشور که دارای درجه حرارت بالا می باشد، قرار دارند، استفاده از بسترهای لجن خشک کن با عنایت به هزینه بسیار پایین آنها، بسیار رایج می باشد. لیکن تجربه مؤلفین این مقاله و بازدیدهای صورت گرفته بیانگر این نکته است که این بسترها در ایران تنها در مناطقی همراه با موفقیت بوده است که علاوه بر دمای هوای بالا، رطوبت محیط نیز پایین باشد. به عنوان نمونه این بسترها در منطقه عسلویه در جنوب ایران در استان بوشهر دارای عملکرد مناسب بوده لیکن در جزیره سیری در جنوب ایران و در داخل خلیج فارس، به دلیل رطوبت بالا حتی در فصل تابستان با مشکلاتی همراه بوده است. این امر در شکل (1) نشان داده شده است.
شکل (1): بسترهای لجن خشک کن
الف) در منطقه عسلویه
ب) جزیره سیری
2-1- فیلتر پرس
آبگیری به روش فیلتر پرس یک فرایند ناپیوسته می باشد که در آن آبگیری از طریق خارج کردن آب از لجن در فشار بالا صورت می پذیرد. حاصل این فرایند یک کیک لجن می باشد که در مقایسه با دیگر تکنولوژی های موجود از میزان مواد جامد بالاتری برخوردار خواهد بود که مقدار آن تا 50 درصد مواد جامد نیز می تواند برسد. فیلتر پرس از یک سری صفحات پلی آمید یا پروپیلن تو رفته تشکیل شده است. این صفحات بین یک صفحه فلزی ثابت و یک صفحه متحرک که به جک هیدرولیک متصل است، قرار دارند و به هم فشرده می گردند. بین هر یک از این صفحات پارچه صافی قرار دارد که روی آنها و در فاصله خاص بین صفحات کیک تشکیل می شود و مایع صاف شده از پارچه صافی عبور می کند. زمانی که دستگاه فیلتر پرس پس از پایان عملیات باز می شود، کیک های لجن به پایین فرو ریخته و دستگاه تخلیه می گردد. پس از هر سری عملکرد، دستگاه باید با آب شستشو گردد. هر سیکل کاری آبگیری در این روش، 5/1 تا 4 ساعت به طول می انجامد [7] ، [8]. در شکل (2) نحوه استقرار یک نمونه از سیستم آبگیری لجن به کمک دستگاه های فیلتر پرس نشان داده شده است.
2-2- فیلتر نواری (Belt Filter Press)
در این روش از طریق فشار آوردن بر لجن، آب موجود در لجن از آن خارج می شود. مواد جامد و لجنی که بین دو عدد تسمه متخلخل قرار گرفته شده اند از میان درام (غلتک) هایی با اقطار مختلف عبور می نمایند.
شکل (2)
نحوه استقرار یک نمونه از سیستم آبگیری لجن به کمک دستگاه های فیلتر پرس(شهرک صنفی سهند)
هر چه تسمه جلوتر می رود، غلتکها کوچک تر شده و فشار وارده از طرف آنها بر تسمه های حاوی لجن بیشتر می شود. طراحی های مختلف برای این دستگاه ها وجود دارد اما اساس کارکرد تمامی آنها تقریبا بدین شرح می باشد: منطقه تثبیت شیمیایی، منطقه آبگیری ثقلی، منطقه آبگیری با فشار پایین و منطقه آبگیری با فشار بالا. یکی از موارد مهم در نگهداری سیستم های فیلتر نواری، تعویض تسمه های انتقال لجن می باشد که به طور متوسط در هر 2700 ساعت کارکرد باید تعویض گردند. در پیشنهاد برخی از سازندگان این مدت کارکرد تا 12000 ساعت نیز گارانتی می گردد[9] . میزان غلظت مواد جامد در این روش معمولا حدود 20 درصد می باشد که تا 50 درصد نیز با افزودن مواد شیمیایی و بسته به نوع لجن ورودی قابل افزایش است [8] ، [9].
شکل (3)
یک نمونه از دستگاههای نصب شده فیلتر نواری در منطقه پتروشیمی فجر نشان داده شده است.
شکل (3): سیستم آبگیری لجن با فیلتر نواری (پتروشیمی فجر، ماهشهر)
2-1-فیلتر آبگیری پیچشی (Screw Press)
فیلتر پیچشی دستگاهی است که از یک صفحه انتقال مارپیچی در داخل یک محفظه بهره می گیرد. برخلاف سیستم سانتریفوژ، در این روش سرعت چرخش محور مارپیچی بسیار کم بوده و با فشردن لجن مابین محور پیچش و کاسه بیرونی دستگاه، آب از لجن خارج می گردد. یکی از محاسن عمده این سیستم، صدای بسیار کم و پاکیزگی محیط کار می باشد. با افزودن 4 الی 6 گرم پلیمر به ازای هر کیلوگرم لجن، می توان به لجن با مقدار 20 الی 25 درصد مواد جامد دست یافت [8]. در شکل (4) یک نمونه از دستگاههای نصب شده فیلتر آبگیری پیچشی در پالایشگاه نفت پارس به همراه لجن آب گیری شده، نشان داده شده است.
دستگاه screw press
لجن خروجی از دستگاه اسکرو پرس
2-1-سانتریفوژ (Centrifuge)
در این روش، بر خلاف سایر روش های مکانیکی، به جای نیروی فشاری از نیروی گریز از مرکز جهت آبگیری لجن استفاده می شود. این سیستم نیروی گریز از مرکزی حدود 500 تا 3000 برابر نیروی ثقل g به لجن وارد شده و از این طریق آب داخل لجن و جامدات از یکدیگر جدا می شوند، مقدار غلظت جامدات در کیک لجن حاصل از این سیستم ها معمولا بین 15 تا 36 درصد بوده که در سیستم های پیشرفته به 50 درصد نیز می رسد. یکی از معایب این سیستم ها صدای زیاد ناشی از حرکت بسیار سریع واحدهای دوار آن می باشد [10]. در شکل (5) یک نمونه از دستگاه سانتریفوژ جهت آبگیری لجناب روغنی نصب شده در پتروشیمی فجر (ماهشهر) نشان داده شده است.
شکل (5): سیستم آبگیری لجن روغنی با فیلتر سانتریفوژ (پتروشیمی فجر، ماهشهر)
2-1-زباله سوز (Incinerator)
فرایندی که در زباله سوز رخ می دهد، عملا یک احتراق کامل است که در آن اکسیداسیون گرمازای سریع اجزاء قابل سوختن داخل لجن اتفاق می افتد. لجن آبگیری شده در درجه حرارت 420 تا 500 درجه سانتیگراد در حضور اکسیژن سوزانده می شود. جهت سوزاندن جامدات آلی موجود در لجن به دماهای بالاتر نظیر 760 تا 820 درجه سانتیگراد نیاز می باشد. در فرایند سوزاندن لجن، جامدات آلی به طور کامل اکسید شده و به دی اکسید کربن، بخار آب و خاکستر تبدیل می شوند. ذرات جامد و گازها به دودکش خروجی راه می یابند که بر مبنای محاسبه مقادیر آنها باید دودکش نیز به خوبی طراحی شود. لجن معمولا زمانی سوزانده می شود که بهره برداری یا پالایش آن یا عملی نباشد و یا بسیار غیر اقتصادی باشد. همچنین در مواقعی که زمین مورد دسترس بسیار کم باشد و یا به دلایل بهداشتی از این سیستم استفاده می شود. یکی از مهمترین مبانی طراحی زباله سوزها، مقدار رطوبت موجود در لجن می باشد. اگر در کیک لجن 30 تا 50 درصد جامدات (50 تا 70 درصد رطوبت) وجود داشته باشد، لجن به صورت خود به خودی و بدون نیاز به سوخت اضافی در دمای بالا خواهد سوخت. اما کیک لجن های با 20 تا 30 درصد مواد جامد (70 تا 80 درصد رطوبت) ممکن است به سوخت کمکی نیاز داشته باشند. به همین خاطر مشخص نمودن میزان رطوبت موجود در لجن بسیار با اهمیت بوده و در صورتیکه این مقدار بالا باشد، حتما لازم است تا مقدار رطوبت آن توسط سیستم های مکانیکی دیگر و یا خشک نمودن حرارتی (Thermal Drying) کاهش یابد. فاکتور مهم دیگر در طراحی زباله سوزها، تعیین ارزش حرارتی لجن می باشد. ارزش حرارتی روغن و کفاب لجن نفتی که از واحدهای DAF یا API به دست می آید معمولا حدود MJ/Kg 39 می باشد اما این مقدار باید با آزمایش دقیقا مشخص گردد. یکی از دلایل عدم موفقیت به کارگیری سیستم زباله سوز در ایران، عدم توانایی تعیین دو پارامتر کلیدی رطوبت و ارزش حرارتی لجن قبل از طراحی و سفارش خرید زباله سوزها می باشد که در نهایت احتراق بد لجن در دستگاه می تواند منجر به تولید آلودگی از طریق گازهای منتشره و یا ذرات جامدد معلق پخش شده از دودکش زباله سوز گردد [8].
در شکل (6) یک نمونه از دستگاه زباله سوز نصب شده در پتروشیمی فجر (ماهشهر) جهت سوزاندن لجن مازاد غیر قابل بازیافت نشان داده شده است.
شکل (6) دستگاه زباله سوز نصب شده در پتروشیمی فجر (ماهشهر) جهت سوزاندن لجن مازاد غیر قابل بازیافت
جدول (3): مقایسه فرایندهای مختلف آبگیری لجن [8]
|
فرایند |
محاسن |
معایب |
|
سانتریفوژ (Centrifuge) |
- فضای اشغالی نسبتا کم - امکان راه اندازی و توقف سریع - نیازی به توجه مداوم بهره بردار ندارد. - نمای ظاهری خوب - کنترل مناسب و محدود نمودن بو |
- هزینه سرمایه گذاری نسبتا بالا - میزان مصرف برق نسبتا بالا - لجنی که وارد این سیستم می شود نباید دارای دانه (grit) باشد. - محور چرخنده (scroll) دستگاه نیازمند تعمیرات ادواری می باشد که خود باعث توقف طولانی عملکرد دستگاه می گردد. - نیازمند افراد نگهداری متخصص می باشد. - جامدات نسبتا زیادی در آب تغلیظ شده وجود خواهند داشت. |
|
فیلتر فشاری نواری (Belt Fitter Press) |
- هزینه سرمایه گذاری و بهره برداری نسبتا کم می باشد. - برق مصرفی نسبتا کم - خاموش کردن دستگاه و توقف عملیات نسبتا راحت می باشد. - نگهداری آن نسبتا راحت می باشد. |
- عملکرد آن به کیفیت لجن ورودی بسیار وابسته است. - نوع پلیمر تزریقی و میزان آن بسیار حساس است. - به مقدار زیادی آب جهت شستشوی تسمه نقاله / نوارها نیاز است. |
|
فیلتر پرس (Pressure Filter Press) |
- غلظت جامدات در کیک لجن تولیدی نسبتا بالاست. - میزان جامدات معلق در آب فیلتر شده پایین است. - مناسب جهت لجن هایی که نگهداری آن مشکل می باشد. - جهت بالا بردن ظرفیت دستگاه می توان صفحاتی را اضافه نمود بدون آنکه سطح اشغالی افزایش یابد. - هزینه سرمایه گذاری نسبتا پایین |
- عملکرد دستگاه ناپیوسته (Batch) است. - هزینه راهبری نسبتا بالا - نیازمند افراد متخصص جهت راهبری می باشد. - معمولا نیازمند مواد شیمیایی تثبیت کننده غیر آلی می باشد که خود باعث بالا رفتن میزان لجن تولیدی می گردد. |
|
بسترهای لجن خشک کن و لاگون های خشک کن (Drying beds and Drying Lagoons) |
- در مواقعی که زمین به اندازه کافی موجود باشد، هزینه سرمایه گذاری این روش پایین است. - مصرف انرژی بسیار پایین - بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی یا نیاز کم بسیار کم - حداقل نیاز به بهره بردار و توجه به افراد متخصص |
- سطح اشغالی زیاد - لجن ورودی به این سیستم باید تثبیت شده باشد. - طراحی این واحدها نیازمند توجه به شرایط آب و هوایی منطقه می باشد. - جمع آوری کیک لجن از روی بستر کار وقت گیر می باشد. - پتانسیل ایجاد بو دارد. |
|
زباله سوز (Incineration) |
- حجم و وزن کیک لجن را تا حدود 95 درصد کاهش می دهد و در نتیجه ملازمات دفع لجن را کاهش می دهد. - کلیه عوامل بیماریزا را از بین می برد. - مواد سمی را کاهش داده یا از بین می برد. - در صورتیکه از انرژی تولید شده به هنگام سوختن استفاده مناسب شود، هزینه مصرف انرژی در تصفیه خانه کاهش می یابد. |
- هزینه سرمایه گذاری و بهره برداری بالا - پتانسیل به کارگیری بیوجامدات کاهش می یابد. - به افراد متخصص و آموزش دیده جهت راهبری و نگهداری نیاز دارد. - در صورتیکه خاکستر سوخته باقیمانده از حدود تعریف شده تجاوز نماید می تواند به عنوان زباله خطرناک تلقی گردد که در آن صورت نیازمند دفع ویژه خواهد بود. - تخلیه ذرات و گازهای سمی و غیر سمی به اتمسفر نیازمند پالایش کامل است تا خود مسبب آلودگی محیط زیست نگردد. |
2-تزریق مواد شیمیایی جهت آبگیری از لجن
تزریق مواد شیمیایی از گذشته جهت آبگیری لجن مورد توجه بوده است. در گذشته از مواد شیمیایی معدنی نظیر کروفریک (FeCl3)، آهک (CaO) استفاده می شد، ولی در دهه های اخیر مشخص گردیده که مواد شیمیایی آلی نظیر پلیمرهای کاتیونی و آنیونی مزیت های بیشتری نسبت به مواد شیمیایی معدنی دارند. با توجه به آنکه مصرف پلیمرها جهت تزریق به لجن کمتر می باشد، فضا جهت محلول سازی و ذخیره سازی این مواد کمتر بوده و راندمان کمتر آن ها نیز بهتر می باشد. به غیر از روش های غیر مکانیکی نظیر بسترهای لجن خشک کن و زباله سوزها تقریبا در تمام سایر روش ها افزودن مواد شیمیایی به آبگیری لجن کمک خواهد نمود. میزان تزریق پلیمرها در روش های آبگیری مختلف متفاوت می باشد اما به طور تقریبی حدود 7 – 2 گرم به ازای هر کیلوگرم جامد خشک می باشد [8]. در شکل (7) یک نمونه از پکیج آماده سازی و تزریق پلی الکترولیت که به منظور بالابردن راندمان عملکرد دستگاه اسکرو پرس جهت آبگیری لجن در پالایشگاه نفت پارس نصب شده است، ارایه شده است.
شکل (7) پکیج آماده سازی و تزریق پلی الکترولیت جهت بالا بردن راندمان آبگیری لجن در پالایشگاه نفت پارس
3-نتیجه گیری
لجن های نفتی معمولا دارای 10 الی 12 درصد مواد جامد، 30 الی 50 درصد آب و 30 الی 50 درصد وزنی نفت می باشند. از نقطه نظر اقتصادی، لجنی که دارای 10 درصد نفت باشد، ارزش تصفیه و بازیافت نفت را دارا می باشد. در میان روش های مختلف آبگیری از لجن، روش های بستر لجن خشک کن، فیلتر پرس، فیلتر فشاری نواری، فیلتر گریز از مرکز و زباله سوزها در ایران کاربرد داشته که تقریبا مهمترین معضل بکارگیری و طراحی دقیق آنها عدم مشخص بودن کیفیت و کمیت لجن در زمان طراحی و سفارش این سیستم ها می باشد. تجربه نشان داده است که همواره افزودن مواد شیمیایی به لجن باعث افزایش راندمان آبگیری لجن می گردد که در این میان پلیمرها (آنیونی / کاتیونی) عملکرد بهتری نسبت به مواد شیمیایی معدنی / غیر آلی ایفا می نمایند.
مراجع
[1] Manning, F. C., Thompson, R. E., 1995, Oil field processing, Volume 2. Crude oil, Tulsa, Pennwell books, P.5.
[2] Saikia, M.S.B., Bora, M.M., Dutta, N.N., 2003. Oil recovery from refinery sludge- a case study, CHEMCON-2003, Abstract number-CHM 027.
[3] Singh, A., Mullin, B., Ward, O., 2001. Reactor-Based Process for the Biological Treatment of Petroleum Wastes. Presented at the Petrotech 2001 Conference, Bahrain, October 29-31.
[4] Ramaswamy, B., Kar, D.D., De, S., 2007. A study on recovery of oil from sludge contaminating oil using froth flotation, Journal of Environmental Management 85, 150-154.
[5] Ghosh, A.K., Ray, S., Basu, J.K., 2000. To study and develop a process for the removal of oil from oily sludge. M. Tech. Thesis, Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology, Kharagpur, India.
[6] Elektorowicz, M., Habibi, Sh., 2005. Sustainable waste management: recovery of fuels from petroleum sludge. Canadian Journal of Civil Engineering 32(1), 164-169.
[7] U.S. EPA, 2000. Biosolids Technology Fact Sheet: Recessed-Plate Filter Press. Environmental Protection Agency.
[8] Turovskiy, I.S., Mathai, P.K., 2006. Wastewater Sludge Processing. John Wiley & Sons Publication, New Jersey, USA.
[9] U.S. EPA, 2000. Biosolids Technology Fact Sheet: Belt Filter Press. Environmental Protection Agency.
[10] U.S. EPA, 2000. Biosolids Technology Fact Sheet: Centrifuge Thickening and Dewatering. Environmental Protection Agency.
1-عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اراک E-mail: این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید
2-عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تاکستان E-mail: این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید