Подземное захоронение промышленных выбросов

Главными причинами ухудшения общей экологической обстановки являются кислотные дожди и парниковый эффект.

Парниковый эффект обусловлен увеличением концентрации в атмосфере промышленных газообразных выбросов. К основным загрязнителям атмосферы относятся: углекислый газ (СО₂), оксид углерода (СО), оксид серы (SO₂), оксиды азота (NO_x), которые образуются в основном в результате сжигания топлива. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере в течение последних 100 лет составил 20 %. Основные источники поступления парниковых газов в атмосферу – электроэнергетика, нефтехимическая промышленность, металлургия.

Для снижения выбросов в атмосферу и улучшения экологической обстановки в 1992 г. была ратифицирована рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК), на основании которой в 1997 г. был подписан Киотский протокол, определивший обязательства стран-участниц по количественным показателям сокращений эмиссии парниковых газов в атмосферу на период до 2012 г. Следует отметить, что ряд стран (в том числе США и Китай) не ратифицировали Киотское соглашение. Россия позиционирует себя как ответственный член мирового сообщества. На международной конференции в Копенгагене (декабрь 2009 г.), посвященной изменению климата, Президент России Д.А. Медведев заявил о том, что страна принимает обязательство к 2020 г. сократить выбросы парниковых газов на 25 % по сравнению с 1990 г. По-видимому, во многом под влиянием общественного мнения свою позицию скорректировали США и Китай. На указанном форуме Президент США Б. Обама заявил, что к 2020 г. страна готова сократить парниковые выбросы на 17 %. Китай декларировал свою приверженность следовать линии сокращения выбросов, но цифр никаких не обнародовал.

Существуют различные подходы к решению экологических проблем. Один из них – применение технологии улавливания, компримирования промышленных выбросов и закачки в углеводородосодержащие пласты с целью увеличения нефте- и газоотдачи, а также для долгосрочного захоронения.

4.3.1. Зарубежный опыт по захоронению углекислого газа
в пористые структуры

В 2008 г. в Германии (г. Кецин) стартовал первый в Европе проект CO₂SINK по закачке углекислого газа на суше. В течение первых двух лет общий объем закачки СО₂ составит около 60 тыс. т.

CO₂SINK – это совместный проект 18 различных компаний и организаций из 9 стран, целью которого является разработка основ для технологий хранения продуктов сгорания топлива путем закачки углекислого газа в высокоминерализованные водоносные горизонты. Проект направлен на повышение эффективности научного и практического методов, применяемых при хранении углекислого газа в водоносном горизонте, а также на сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу и развитие будущего «геологического» хранения углекислого газа в Европе.

В Германии завершена постройка новой экологически чистой теплоэлектростанции (ТЭС), работающей на угле. На ТЭС применяется технология захвата и захоронения углекислого газа. Газообразные выбросы горения проходят специальную систему очистки, в результате чего углекислый газ отделяется, сжижается (объем при этом уменьшается в 500 раз) и помещается в баллоны, которые доставляют к месту захоронения. Там сжиженный углекислый газ закачивают на глубину 1000 м в пористую породу. Похожие проекты существуют у многих государств, однако Германия первой реализовала подобную идею на практике. В ближайшем году Евросоюз планирует построить еще 10–12 таких электростанций.

Мировые проекты по захоронению углекислого газа в геологические структуры перечислены в табл. 8.

Технологию улавливания и закачки углекислого газа целесообразно применять в крупных точечных источниках СО₂, таких как энергоустановки или масштабные промышленные производства. Учитывая энергетические потребности, связанные с вариантом улавливания и определенными вариантами хранения и использования, а также возможность утечки из резервуаров-хранилищ, особое внимание необходимо уделять оценке надежности технологической цепочки в целом.

Каждый этап создания системы сбора и хранения гелия требует преодоления определенных трудностей, которые решаются исходя из финансовых и технических возможностей.

Чтобы приспособить технологию к отделению CO₂, можно заменить дымовую трубу поглотительной башней, в которой отходящие газы вступают в контакт с абсорбентом (амины), выборочно поглощающим двуокись углерода. Во второй реакционной колонне (в башне десорбции) жидкость, содержащая амины, нагревается, освобождает концентрированный CO₂ и таким образом химический поглотитель восстанавливается. Полученный углекислый газ компримируют и сохраняют в специальных емкостях для его накопления или сразу производят закачку при условии, что каждая большая модифицированная угольная электростанция будет связана с хранилищем CO₂.

Таблица 8

Мировые проекты захоронения углекислого газа [22]

Проект	Страна	Источник CO2	Кол-во выбросов, Мт/год	Резервуар	Начало, год
Слейпнер	Норвегия	Добыча и очистка газа		Высокоминера-лизованный водоносный пласт
Вейберн	Канада	Газификация угля		Увеличение нефтеотдачи
Айн-Салах	Алжир	Добыча и очистка газа	1,2	Истощенный газовый резервуар
К12-В	Нидерланды	Добыча и очистка газа	0,2	Истощенный газовый резервуар
Зама	Канада	Добыча и очистка газа	0,067	Увеличение нефтеотдачи
Снохвит	Норвегия	СПГ	0,7	Истощенный газовый резервуар
Отвей	Австралия	Месторождение газа	0,1	Истощенный газовый резервуар
Кецин	Германия	Производство водорода	0,03	Терригенный пласт
Декатур	США	Производство этанола	0,3	Высокоминера-лизованный водоносный пласт
Джоргон	Австралия	Добыча и очистка газа	3,3	Высокоминера-лизованный водоносный пласт
Крейнфилд	США	Добыча и очистка газа		Высокоминера-лизованный водоносный пласт	2008–2009
Энтрада	США	Добыча и очистка газа	1,1	Высокоминера-лизованный водоносный пласт	2008–2012
Форт Нельсон	Канада	Добыча и очистка газа		Высокоминера-лизованный водоносный пласт
TAME	США	Производство этанола	0,28	Терригенный пласт

Однако наличие в мире широкого спектра различий геологических структур обусловливает проблемы технического характера. В частности, для хранения существует несколько возможных вариантов. Например, CO₂ можно закачивать (как уже отмечалось) в истощенные нефтяные и газовые пласты. Данный вариант закачки CO₂ обеспечивает потенциальное преимущество: CO₂ можно использовать для доизвлечения из пласта остаточных запасов нефти и газа. Существуют и другие варианты – закачка углекислого газа в водоносные пласты, угольные пласты, карбонизация минералов, а также растворение CO₂ в минерализованной пластовой воде.

4.3.2. Усовершенствование технологий захоронения
промышленных газообразных выбросов

В процессе хранения газообразных промышленных выбросов в пласте-коллекторе могут протекать различные геохимические реакции в зависимости от геологических условий, минерального состава пород пласта-коллектора, минерализации пластовой воды, присутствия органической материи. В процессе взаимодействия сжиженных газов (углекислый газ, сероводород, оксид серы) c минерализованной пластовой водой могут образовываться нерастворимые осадки, приводящие к снижению фильтрационно-емкостных свойств пласта. Возможны окислительно-восстановительные реакции в присутствии в водной среде окислителя и восстановителя. Следует иметь в виду, что в процессе хранения выбросов возможны утечки из пласта хранилища.

В связи с этим необходимо разработать методы захоронения и условия хранения промышленных газообразных выбросов в геологических пластах, при реализации которых остаются неизменными фильтрационно-емкостные свойства коллектора в процессе хранения закачанных газов. Для минимизации рисков, связанных с долгосрочным хранением промышленных газов в геологических структурах, проводятся исследования в области изучения физико-химичес-ких, электрокинетических, коррозионных явлений, фильтрационно-емкостных свойств при закачке CO₂ и смесей сжиженных газов в пласт.

Изучение хранения углекислого газа в коллекторе следующие исследования:

- анализ источников выбросов;

- детальную геологическую характеристику;

- моделирование возможных геохимических реакций в пласте-коллекторе и в покрывающей породе;

- модельные исследования для прогнозирования долгосрочного хранения CO₂ в пласте;

- оценку рисков;

- оценку транспортировки углекислого газа от источника выброса до места хранения;

- технико-экономическую оценку [23].

Рис. 30. Схема захоронения СО₂ в пористый пласт

Опыт, полученный при разработке и реализации мировых проектов, а также результаты физико-химического изучения влияния CO₂ и кислых газов на пласт-коллектор, используются для совершенствования новых проектов, количество которых постоянно увеличивается. Технико-технологические решения по захоронению промышленных газообразных выбросов в геологические структуры будут важным звеном стратегии сохранения окружающей среды, которая в обозримом будущем безусловно будет выработана мировым сообществом как одно из основных руководств к действию человека на Земле.

Раздел 5. Экологические аспекты при создании
и эксплуатации ПХГ

Развитие системы подземного хранения газа, а также ужесточающиеся экологические требования со стороны регулирующих органов требуют комплексного подхода к минимизации геоэкологических рисков, возникающих при строительстве, эксплуатации и ликвидации ПХГ.

На основании факторов, воздействующих на окружающую среду в зоне расположения подземных хранилищ газа (ПХГ), можно выделить следующие виды воздействий:

- химическое – внесение в объекты окружающей среды различных загрязнителей;

- механическое – деградация земель, образование твердых отходов;

- физическое – загрязнение окружающей среды вследствие техногенных аварий и др.

В связи с этим контроль природных и техногенных систем на всех стадиях жизненного цикла ПХГ имеет большое значение для повышения экологической стабильности, безопасности персонала и населения.

В процессе эксплуатации ПХГ может оказывать негативное влияние на атмосферный воздух, почвы, водные объекты.

Негативное воздействие ПХГ на атмосферный воздух может быть обусловлено сверхнормативными выбросами оксидов азота и углерода ГПА, влиянием посторонних источников (трансграничный перенос), неблагоприятными метеоусловиями.

Воздействие на почву в результате деятельности ПХГ возможно в виде размещения отходов, несовершенства технологических операций, аварийных разливов нефтепродуктов, атмосферных выпадений, высокого фонового уровня загрязнения.

На водные объекты негативное воздействие может осуществляться при обустройстве хранилищ в соляных пластах, сбросе сточных вод в пределах установленных лимитов и сверхнормативных сбросов, поступлении загрязняющих веществ с дождевыми, талыми снеговыми, подземными и грунтовыми водами, сухом осаждении на водную поверхность и плоскостном смыве загрязненного почвенного покрова.

Повышение экологической стабильности ПХГ предполагает создание и внедрение экологически ориентированных технологий и решений, тактических мер по минимизации техногенного воздействия на окружающую среду.

Система экологического контроля, предусматривает определение объема загрязнителей, наблюдение, анализ и оценку качества среды по физико-химическим, биологическим и другим показателям. Общая проблема экологического контроля ПХГ решается локальным мониторингом компонентов окружающей среды и регулярным обследованием технологических участков и оборудования с целью выявления возможных источников загрязнения для принятия конкретных природоохранных решений.

Основными задачами экологического мониторинга на ПХГ являются:

- обеспечение измерения и контроля за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу, сбросами сточных вод, размещением твердых отходов на объектах; проверка соблюдения нормативов предельно допустимых выбросов и сбросов;

- проведение оценки состояния окружающей среды, экосистем, источников антропогенного воздействия в районах размещения объектов;

- прогнозирование состояния окружающей среды на территориях влияния производственных объектов;

- контроль за соблюдением санитарно-гигиенических нормативов содержания загрязняющих веществ в компонентах природной среды рабочей зоны, на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) и в селитебной зоне.

Мониторинг должен производиться на всех стадиях создания и эксплуатации ПХГ, включая бурение, строительство, закачку и отбор газа.

Специфика функционирования ПХГ (совмещение промысловых и газотранспортных функций) требует определенного подхода к организации и проведению комплексного экологического мониторинга состояния природно-техногенных систем.

Проведение мониторинга природно-техногенных систем включает следующие работы:

- контроль природно-техногенных систем – компонентов окружающей природной среды и основных источников загрязнения – производственных объектов ПХГ (топливоиспользующего оборудования), расположенных на промышленной площадке;

- проведение наблюдений и измерений на территориях (с сетью точек наблюдения), подлежащих контролю – производственная и санитарно-защитная зоны, населенные пункты;

- обоснование и выбор показателей загрязнения, ориентированный на реальную ситуацию, учитывающую особенности технологического процесса на ПХГ;

- использование современных методов химического анализа и контроля для определения содержания приоритетных загрязнителей в выбросах ТИО и объектах окружающей природной среды;

- методы и критерии оценки экологического состояния подземного хранилища. Оценка экологического состояния хранилищ сравнением полученных концентраций загрязнителей с нормативами;

- определение, разработка и принятие природоохранных и технических решений по результатам экологического мониторинга.

При осуществлении контроля за состоянием природно-техноген-ных систем проводятся исследования по воздействию объектов ПХГ:

- на атмосферный воздух (наблюдения в сфере влияния источников выбросов, в основном газоперекачивающих агрегатов);

- почву (определение содержания приоритетных загрязнителей в почвев зоне влияния ПХГ);

- водные объекты (по результатам исследования физико-химических свойств и показателей для почвенной среды проводится оценка состояния водных объектов).

Отдельно следует выделить наличие «метановых эмиссий» в атмосферу при технологических операциях, осуществляемых в процессе эксплуатации ПХГ. Источниками образования эмиссий метана являются: газоперекачивающие агрегаты магистральных КС, газоочистное оборудование (установки очистки, осушки газа), технологические аппараты и коммуникации компрессорного цеха, компрессорной станции, дрип, конденсатосборник, узел запуска (приема) очистного устройства, очищаемый участок газопровода, участок газопровода при проведении внутритрубной диагностики.

Эмиссия метана с утечками возможна при разгерметизации оборудования в эксплуатационных условиях, пропусках запорной арматуры систем регулирования ГПА и КИП, при аварийном повреждении оборудования (арматуры и трубопроводов) и др. Объектами контроля эмиссий метана с утечками являются: покрышка пласта-коллектора, скважина, запорная арматура, фланцевые соединения, свечные краны.

Для управления эмиссией метана с утечками разработан комплекс мер, включающий следующие положения:

- выполнение периодического обследования основных источников эмиссии метана с утечками на оборудовании;

- выполнение регулярного обследования основных источников эмиссии метана с утечками на объектах транспорта и хранения газа;

- учет эмиссии метана с утечками и ее сокращения в единой базе данных;

- обеспечение современным контрольно-измерительным оборудованием для своевременного обнаружения и возможного самостоятельного устранения утечки;

- регистрация утечки в единой базе данных при невозможности устранения ее оператором;

- корректировка плана ремонта и замены оборудования с учетом единой базы данных по утечкам;

- определение приоритета ликвидации утечек от оборудования в зависимости от объема утечки.

В процессе эксплуатации ПХГ образуются отходы производства и потребления 1–5 класса опасности. Большинство отходов относится к 4 и 5 классу опасности, т.е. практически не опасные.

Для экологической характеристики предприятия важнее всего «судьба» отходов. Система обращения с отходами производства и потребления на предприятиях ПХГ ОАО «Газпром» включает:

- использование;

- обезвреживание;

- захоронение на собственных объектах;

- хранение на собственных объектах;

- передачу для хранения и/или захоронения другим предприятиям.

Нефтезагрязненные отходы – шламы – образуются при эксплуатации газовых скважин, переработке и транспортировке газа, очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты, а также при чистке резервуаров и другого оборудования.

В настоящее время на предприятиях газовой отрасли, в том числе и ПХГ, накоплено большое количество нефтешламов.

Как правило, нефтеотходы хранятся в амбарах или сжигаются на газофакельной установке, что приводит к значительному выбросу загрязняющих веществ в атмосферу. Механические примеси зачищаются из резервуара вручную и вывозятся для утилизации на свалку. В некоторых случаях нефтесодержащие отходы передаются сторонним организациям.

Из известных технологий переработки данных видов отходов наибольшее практическое применение имеют следующие методы:

- термическая обработка в печах различного типа и конструкций;

- биологическое разложение нефтесодержащих отходов с применением специальных штаммов бактерий;

- химическая обработка отходов реагентами, приготавливаемыми на основе негашеной извести.

Другой вид отходов, образующихся при эксплуатации ПХГ, – углеводороды из масляных сепараторов и разделителей, отработанные масла.

Состав данного вида отходов позволяет использовать их в качестве топлива для котлов-утилизаторов, конструкция горелочных устройств которых специально дорабатывается под состав утилизируемых отходов, а также направлять на регенерацию с возвратом на повторное использование не менее 80 % отработанных масел.

Загрязненный метанол и метанольная вода из узлов сепарации газа (как вид отходов) с помощью установок регенерации очищаются и возвращаются на повторное использование, что оправдано и с экономической, и с экологической точки зрения.

Экологическая стабильность ПХГ обеспечивается за счет выполнения следующих условий:

- соответствие деятельности ПХГ природоохранным требованиям и повышенным социальным стандартам;

- изучение фонового состояния на стадии проектирования ПХГ для слежения за динамикой воздействия на окружающую среду;

- организация постоянного экологического контроля технологического оборудования и мониторинга состояния окружающей среды в районе расположения объектов ПХГ. Результаты экологического контроля (мониторинга) необходимы для планирования и подтверждения эффективности проводимых энерго-, ресурсосберегающих и природоохранных мероприятий;

- выработка экологически обеспеченных хозяйственных решений при подготовке оценки воздействия на окружающую среду на всех стадиях жизненного цикла хранилища;

- проведение реконструкции и технического перевооружения ПХГ;

- научное прогнозирование предполагаемых изменений, которые не приведут к неприемлемым экологическим, социальным, экономическим и другим последствиям [24].