روند‌های در حال توسعه در تصفیه لجن نفتی و رونق تقاضا برای کوره‌های شکست کم‌حجم

فشار روبه‌رشد لجن نفتی و عوامل نظارتی

پدیده: افزایش حجم لجن نفتی در فرآیندهای تصفیه و پتروشیمی

بر اساس داده‌های IEA از سال 2023، پالایشگاه‌های نفت و واحدهای پتروشیمی حدود 35 درصد لجن بیشتری نسبت به ده سال گذشته تولید می‌کنند. دلایل اصلی این افزایش عبارتند از: پردازش نفت خام سنگین‌تر و مبارزه با زیرساخت‌های قدیمی که دیگر به اندازه گذشته کارآمد نیستند. آنچه در اینجا مطرح است، لجن ضخیمی است که از ترکیب هیدروکربن‌های مختلف با آب و ذرات جامد تشکیل شده است. این ماده انواع مشکلات را برای عملیات ایجاد می‌کند. لوله‌ها به طور منظم مسدود می‌شوند، مخازن ذخیره به سرعت پر می‌شوند و هر سال بین 12 تا 18 درصد از فضای موجود را اشغال می‌کنند و همیشه خطر بروز آتش‌سوزی نیز وجود دارد. به عنوان مثال، یک پالایشگاه خاص در منطقه مرکزی آمریکا سال گذشته فقط برای تعمیر تجهیزاتی که به دلیل تجمع لجن از کار افتاده بودند، حدود چهار میلیون دلار هزینه کرد. این هزینه‌ها دلیل این است که بسیاری از واحدها شروع به سرمایه‌گذاری در راه‌حل‌های بهتری مانند کوره‌های کراکینگ کرده‌اند که می‌توانند این مواد زاید را به طور موثرتری مدیریت کنند.

اصل: مقررات محیط زیستی که استانداردهای سخت‌گیرانه‌تری برای دفع فراهم می‌کنند

طبق دستورالعمل جدید زباله‌های خطرناک سال 2024 اداره حفاظت از محیط زیست (EPA)، شرکت‌ها موظفند حداقل 90 درصد از هیدروکربن‌های قابل استفاده را از لجن زباله خود بازیابی کنند، این در حالی است که الزام قبلی تنها 75 درصد در سال 2020 بود. واحدهایی که نتوانند این استانداردها را رعایت کنند، با جریمه‌های سنگینی به میزان پنجاه هزار دلار برای هر تن زباله تصفیه نشده روبرو خواهند شد. این مقررات در واقع در چارچوب تلاش‌های جهانی برای پایداری قرار می‌گیرد که تا پایان این دهه، هدف کاهش تقریباً نصف زباله‌های صنعتی را دنبال می‌کند. برای کسب‌وکارهای کوچک و متوسط که می‌خواهند با رعایت این مقررات هزینه‌های سنگینی متقبل نشوند، فناوری‌های تبدیل حرارتی مانند کوره‌های کراکینگ عملاً تنها گزینه واقع‌بینانه موجود به شمار می‌روند. بیشتر مدیران کارخانه‌ها با این نظر هم‌راستا هستند که اگرچه هزینه اولیه این سیستم‌ها بالا است، اما در بلندمدت نسبت به روش‌های سنتی دفع زباله، صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها ایجاد می‌کنند.

مطالعه موردی: مجازات‌های نظارتی در منطقه ساحلی خلیج فارس ناشی از دستکاری غیرمجاز لجن

سه پالایشگاه در منطقه ساحلی خلیج فارس در سال 2023 مجموعاً 2.7 میلیون دلار جریمه شدند، زیرا لجن آن‌ها در آزمون‌های سمیت سازمان حفاظت از محیط زیست (EPA) شکست خورد. وقتی بازرسان به بررسی موضوع پرداختند، دریافتند که روش‌های ضعیف تیمار حرارتی موجب شده بود میزان مواد مضری به نام هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای یا PAHها در لجن 22 درصد بیشتر از حد مجاز تنظیمات اعلام شده باشد. پس از دریافت این مجازات‌ها، هر یک از پالایشگاه‌ها کوره‌های شکست مدولار جدیدی را در واحدهای خود نصب کردند. ظرف حدود شش ماه، سطح PAHها از 15 قسمت در میلیون به 8 قسمت در میلیون کاهش یافت. بر اساس تحقیقی که موسسه پونمن در سال گذشته منتشر کرد، این بهبود سالانه حدود 740 هزار دلار هزینه احتمالی نقض‌های آینده را برای شرکت‌ها صرفه‌جویی کرد و همچنین به حفاظت از اکوسیستم‌های محلی در برابر فرآورده‌های زاید آلوده کمک نمود.

چگونه کوره‌های شکست کم‌حجم امکان تبدیل حرارتی کارآمد لجن نفتی را فراهم می‌کنند

درک فرآیند تبدیل حرارتی لجن نفتی در کوره‌های شکست کم‌حجم

کوره‌های شکست کم‌حجم برای تجزیه هیدروکربن‌های پیچیده موجود در لجن نفتی از روشی به نام تجزیه حرارتی کنترل‌شده استفاده می‌کنند. وقتی این ماده لجنی را در معرض سطوح حرارتی مدیریت‌شده قرار می‌دهیم، سیستم به طور موثری تمام اجزای آلی را تبخیر می‌کند و تنها اجزای سنگین‌تر مانند بقایای فلزی را پشت سر می‌گذارد. چیزی که این واحدها را واقعاً کارآمد می‌کند، رویکرد طراحی ماژولار آنهاست. این بدین معنی است که آنها می‌توانند حتی زمانی که با انواع مختلفی از مواد زاید با ترکیبات متفاوت روزانه مواجه می‌شوند، به‌طور کارآمدی کار کنند. برای هر کسی که در حوزه مدیریت پسماند فعالیت می‌کند، این انعطاف‌پذیری یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی است که به طور مداوم با آن مواجه هستند را حل می‌کند.

مکانیسم‌های کلیدی فرآیند: شکست گرماگیر و بازسازی بخار

شکستن گرماگیر مرحله اولیه را به خود اختصاص می‌دهد و هیدروکربن‌های زنجیره‌ای بلند را به فراکسیون‌های سبک‌تر تجزیه می‌کند. همزمان با آن، اصلاح بخار با تبدیل قیرهای باقی‌مانده به گاز سنتز (بیشتر H₂ و CO) از تجمع کربن جلوگیری می‌کند. این مکانیسم دو مرحله‌ای بهره‌وری انرژی را 10 تا 15 درصد نسبت به سوزاندن معمولی افزایش می‌دهد، مطابق با مقاینات اخیر در زمینه تیمار حرارتی.

نقطه داده: 85 تا 92 درصد بازیابی محتوای آلی در واحدهای شکستن نمونه (EPA، 2022)

آزمایش‌های نمونه EPA در سال 2022 نشان دادند که کوره‌های شکننده کوچک 85 تا 92 درصد از محتوای آلی موجود در لجن نفتی را بازیابی کرده و آن را به سوخت‌های قابل استفاده مجدد تبدیل می‌کنند. این عملکرد با تقاضای رو به رشد برای راهکارهای تبدیل پسماند به انرژی در واحدهای تصفیه‌خانه‌هایی که با مقررات سخت‌تر دفن در محل‌های پر کننده مواجه هستند، هم‌خوانی دارد.

بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند برای حداکثر بهره‌وری در کوره‌های شکننده

بهینه‌سازی دما: محدوده ایده‌آل 450 تا 650 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر شکستن هیدروکربن‌ها

نقطه بهینه برای فورن شکست بازدهی در somewhere بین ۴۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارد. این دامنه دمایی توانایی تجزیه بیشتر مواد آلی را بدون هدر دادن بیش از حد انرژی فراهم می‌کند. وقتی دما پایین‌تر از ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌آید، معمولاً هیدروکربن‌های باقی‌مانده از واکنش‌های ناکامل دیده می‌شوند. از سوی دیگر، گذشتن از ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد فقط باعث می‌شود سوخت اضافی سوزانده شود و لایه‌های آجری مقاوم در برابر گرما را سریع‌تر از حد لازم فرسوده کند. بر اساس برخی تحقیقات منتشر شده توسط وزارت انرژی در سال ۲۰۲۳، کارکرد این سیستم‌ها در حدود ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد مصرف انرژی را در مقایسه با روش‌های قدیمی پیرولیز تقریباً ۱۸ درصد کاهش می‌دهد و در عین حال به تقریباً آن ۹۲ درصد نرخ تبدیل مطلوب نزدیک می‌شود.

زمان ماندگی و تأثیر آن بر خلوص گاز سنتز و کاهش قیر

نگه داشتن مواد در راکتور به مدت حدود 8 تا 12 دقیقه معمولاً باعث تولید سیلیسی گاز با کیفیت بهتری می‌شود، چون زمان کافی برای تجزیه کامل هیدروکربن‌های سنگین فراهم می‌کند. وقتی فرآیند خیلی کوتاه انجام شود، ممکن است مقدار قیر در سیستم افزایش یابد، گاهی تا 14 درصد وزنی، که این امر باعث اختلال در مراحل بعدی می‌شود. از سوی دیگر، طولانی کردن بیش از حد چرخه فقط منجر به استهلاک اضافی انرژی می‌شود و فایده چندانی ندارد. برخی از شرکت‌های بزرگ صنعتی آزمایش‌هایی انجام داده‌اند که نشان می‌دهد پس از حدود 10 دقیقه در راکتور، به سیلیسی گازی با خلوص حدود 95 درصد دست می‌یابند. این عدد در واقع همان عدد حیاتی است که بیشتر واحدها باید به آن برسند تا محصولشان بتواند استانداردهای صنعتی را پاس کند.

کنترل نسبت هم ارزی برای تعادل بخشیدن به فازهای اکسیداسیون و پیرولیز

حفظ نسبت معادل‌سازی (ER) در محدوده 0.25–0.35، دسترسی بهینه اکسیژن را برای اکسیداسیون جزئی فراهم می‌کند، بدون اینکه احتراق کامل آغاز شود. این محیط «کم‌اکسیژن» باعث حداکثر شدن میزان تولید مایعات و کمینه شدن انتشار CO₂ می‌گردد. شبیه‌سازی‌های فرآیندی نشان می‌دهند که انحراف 0.05 در ER، موجب کاهش تا 22% در میزان زیست‌نفت و افزایش 30% در انتشار ذرات معلق می‌شود (دستورالعمل‌های فرآیندی EPA، 2022).

تعادل بین میزان انرژی ورودی و کارایی بازده محصول

اپراتورها باید تعادل زیر را حفظ کنند:

پیکربندی بهینه معمولاً به راندمان انرژی کلی 85 تا 88 درصد دست می‌یابد، در حالی که بیش از 90% هیدروکربن‌های قابل بازیابی را بازیابی می‌کند - معیاری که در ارزیابی‌های میدانی سال 2023 در 47 واحد عملیاتی تأیید شده است.

ارتقا کیفیت و ارزش خروجی از شکستن گل نفتی

طراحی‌های جدید کوره شکستن، مسیرهای نوینی را برای تبدیل گل نفتی به محصولات با ارزش بالا فراهم می‌کنند، در حالی که استانداردهای سختگیرانه زیست‌محیطی را رعایت می‌کنند.

ارتقای کیفیت زیست‌نفتی از طریق ادغام شکستن کاتالیزوری

افزودن کاتالیزورها به فرآیندهای شکست حرارتی، کیفیت سوخت بیو-اُیل را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد، به‌ویژه اینکه هم گرانروی و هم سطح گوگرد را کاهش می‌دهد. پیشرفت‌های جدید در فناوری کاتالیزورهای زئولیتی، تولید هیدروکربن‌های قابل‌استفاده را در مقایسه با روش‌های استاندارد شکست حرارتی بدون کاتالیزور، به میزان ۱۸ تا ۲۳ درصد افزایش داده‌اند. تحقیقات در زمینه تبدیل مواد، این رویکرد را همچنان پشتیبانی می‌کنند و نشان می‌دهند که در صورت تمایل به دستیابی به محصولاتی که پالایشگاه‌ها می‌توانند با آن‌ها کار کنند و نه فقط بیو-اُیل خام، استفاده از پردازش کاتالیزوری امری ضروری است.

چالش‌ها و پیشرفت‌های موجود در تصفیه گاز سنتز

سینتی گاز حاصل از لجن نفتی معمولاً دارای 12-15% آلاینده‌های ذره‌ای است که نیازمند تصفیه پیشرفته جهت بازیابی انرژی می‌باشد. سیستم‌های غشای سرامیکی نسل سوم اکنون به راندمان فیلتراسیون 99.2% در دمای 550 درجه سانتی‌گراد دست می‌یابند و استفاده مستقیم از سینتی گاز در توربین‌های سیکل ترکیبی را امکان‌پذیر می‌کنند. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که این سیستم‌ها هزینه‌های پاکسازی را نسبت به واحدهای سنتی تمیزکننده 40% کاهش می‌دهند.

بیوچار به عنوان یک محصول جانبی با ارزش افزوده

بازمانده جامد از کوره‌های کراکینگ دارای دو فایده زیست‌محیطی است:

• اصلاح خاک : خاک‌های اصلاح شده با بیوچار در مناطق خشک 30-50% قابلیت نگهداری آب بیشتری نشان می‌دهند
• جذب کربن : محتوای کربن پایدار در بیوچار حاصل از لجن بیش از 80% است و این امر آن را در برنامه‌های اعتبار کربنی تحت رهنمودهای IPCC مؤهل می‌کند

این جریان‌های ارزشی لجن نفتی را از یک مسئله به یک دارایی در چارچوب اقتصاد دایره‌وار تبدیل می‌کنند.

نوآوری‌ها و فواید اقتصادی اتخاذ کوره کراکینگ کمپکت

کوره‌های کراکینگ ماژولار امکان فرآوری لجن نفتی در محل را فراهم می‌کنند

فناوری کوره ترک خوردگی مدولار دارد روش ما را برای مقابله با مشکلات لجن نفتی تغییر می‌دهد و اجازه می‌دهد تا پردازش دقیقاً در محل تولید انجام شود، نه اینکه همه چیز را به جای دیگر منتقل کنیم. بر اساس گفته کارشناسان داخلی صنعت، این واحدهای کوچکتر و سیار هزینه‌های حمل و نقل را در مقایسه با روش‌های قدیمی پردازش مرکزی حدوداً ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهند. برای کسانی که در پلاتفرم‌های فراساحلی یا در میانه خیابان‌های دورافتاده روی خطوط تصفیه کار می‌کنند، این موضوع تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. این سیستم‌ها قادرند هر ساعت از ۲ تا ۵ تن لجن را پردازش کنند، در حالی که فضایی در حدود یک سوم کمتر از تجهیزات سنتی را اشغال می‌کنند. چنین کارایی دلیل این است که امروزه بسیاری از بهره‌برداران دارند روی چنین سیستم‌هایی سویچ می‌کنند.

پیشرفت‌های علم مواد: آستین‌های ن refractory برای افزایش عمر کوره

پیشرفت‌های انجام‌شده در زمینه کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی، عمر عملیاتی کوره‌های ترک‌دار را تا 200–300% افزایش داده است. پوشش‌های ن refractory امروزی می‌توانند در برابر دماهایی بالاتر از 800 درجه سانتی‌گراد مقاومت کنند و همچنین از خوردگی ناشی از اجزای اسیدی لجن جان سالم به در ببرند. بهبود دوام به این ترتیب، زمان توقف برای نگهداری و تعمیرات را 45–55% کاهش می‌دهد، مطابق به تحقیقات متالورژی انجام‌شده در سال 2023.

مطالعه موردی: به کارگیری واحدهای کوچک کرکینگ در پلتفرم‌های دریایی

یکی از بهره‌برداران بزرگ در خلیج مکزیک با استفاده از کوره‌های ترک‌دار ماژولار روی پلتفرم‌های تولید، موفق به دستیابی به نرخ تبدیل 92% از لجن به سوخت شد. این روش به‌کارگرفته‌شده، ریسک‌های حمل و نقل دریایی را از بین برد و هزینه‌های پردازش را به میزان 18 دلار در بشکه نسبت به گزینه‌های ساحلی کاهش داد.

تحلیل هزینه-منفعت: سرمایه‌گذاری اولیه در برابر پس‌انداز بلندمدت در دفع پسماند

اگرچه کوره‌های شکستن کوچک نیازمند هزینه‌های اولیه ۲۰ تا ۳۵ درصدی بیشتری نسبت به سیستم‌های احتراق هستند، اما بهره‌برداران می‌توانند با کاهش هزینه‌های دفع، سرمایه‌گذاری خود را در مدت ۱۸ تا ۳۰ ماه بازگردانند. مدل اقتصادی ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که در صورت پردازش روزانه ۵۰ تن یا بیشتر، صرفه‌جویی در طول عمر دستگاه به بیش از ۲/۸ میلیون دلار در واحد می‌رسد.

کاهش ردپای کربنی از طریق بازیابی منابع از لجن نفتی

کوره‌های شکننده نوین ۸۵ تا ۹۰ درصد از جرم لجن را به هیدروکربن‌های قابل استفاده تبدیل می‌کنند و این امر منجر به کاهش ۶۲ تا ۶۸ درصدی انتشار دی‌اکسید کربن نسبت به دفع در محل دفن زباله می‌شود. این رویکرد حلقه‌بسته به اهداف اقتصاد دایره‌وار کمک می‌کند و همچنین معادل ۱۲۰ تا ۱۵۰ دلار اعتبار کربنی به ازای هر تن لجن پردازش شده ایجاد می‌کند.

‫سوالات متداول‬

علل اصلی افزایش تولید لجن نفتی در پالایشگاه‌ها چیست؟

علل اصلی شامل پردازش نفت خام سنگین‌تر و زیرساخت‌های قدیمی می‌شود که منجر به کاهش بهره‌وری و تجمع بیشتر لجن می‌شود.

پیامدهای مدیریت نادرست لجن برای پالایشگاه‌ها چیست؟

دست‌اندازی نادرست می‌تواند منجر به جریمه‌های مالی، آسیب به تجهیزات و خسارات زیست‌محیطی شود. واحدها ممکن است با جریمه‌هایی تا ۵۰ هزار دلار به ازای هر تن برای پسماندهای بدون پردازش مواجه شوند.

کوره‌های کراکینگ ماژولار چگونه به پالایشگاه‌ها کمک می‌کنند؟

این کوره‌ها امکان پردازش لجن در محل را فراهم می‌کنند که هزینه‌های حمل و نقل را ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهد و قادر است به‌طور کارآمد تا ۵ تن در ساعت را فرآوری کند.