Проект утилизации обезвоженного нефтешлама в дорожном строительстве

УТИЛИЗАЦИЯ ОБЕЗВОЖЕННОГО НЕФТЕШЛАМА  В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Аннотация: В последние годы вопрос о возможности использования техногенных отходов стоит достаточно остро. Занимая огромные площади, они несут существенную экологическую нагрузку на окружающую среду. Это особенно заметно в промышленно развитых регионах. Многие из отходов нашли свое применение в различных отраслях промышленности, главным образом в строительной индустрии. К ним можно отнести шлаки горно-обогатительных комбинатов, отработанные цеолиты газоперерабатывающих заводов, ил водоумягчения ТЭЦ, различные отходы нефтедобычи и нефтепереработки. Оренбургским государственным университетом и научно - исследовательским и проектным институтом экологических проблем была исследована возможность применения данного вида отхода в технологии серо-асфальтобетонов.

В последние годы вопрос о возможности использования техногенных отходов стоит достаточно остро. Занимая огромные площади, они несут существенную экологическую нагрузку на окружающую среду. Это особенно заметно в промышленно развитых регионах. Многие из отходов нашли свое применение в различных отраслях промышленности, главным образом в строительной индустрии. Отходы теплоэнергетического комплекса – золошлаковые смеси и золы сухого отбора – успешно применяются в производстве стеновых изделий, вяжущих. Металлургические шлаки нашли свое применение в производстве различных смешанных вяжущих. Однако, несмотря на это, огромное количество побочных продуктов производств пока еще не нашли своего применения или перерабатываются в очень незначительных количествах. К ним можно отнести шлаки горно-обогатительных комбинатов, отработанные цеолиты газоперерабатывающих заводов, ил водоумягчения ТЭЦ, различные отходы нефтедобычи и нефтепереработки.

При добыче и подготовке нефти неизбежно образуются нефтесодержащие отходы - шламы. До недавнего времени они попросту сжигались или же складировались в специальных земляных картах, амбарах. За время их эксплуатации на очистных сооружениях среднего НГДУ скапливается до 200 тыс. т. нефтешлама. Ежегодно к нему "приплюсовывается" порядка 5 тыс. т. донного осадка и 60 тыс. т. стойких трудноподготавливаемых эмульсий - так называемого плавающего нефтешлама.

Внедренная на одной из НГДУ ЗАО “Самаранефть” линия по переработке нефтесодержащих шламов мощностью 70тыс. т. в год практически решает проблему их дальнейшего накопления. Однако о незаконченности процесса переработки шламов говорит накопление их обезвоженного до влажности 40-45% остатка, так называемого нефтяного кека. Складируемый на открытых площадках он, естественно высушиваясь, размывается осадками и разносится ветром, что незамедлительно сказывается на экологической обстановке близлежащих территорий. Оренбургским государственным университетом и Научно- Исследовательским и Проектным Институтом Экологических Проблем была исследована возможность применения данного вида отхода в технологии сероасфальтобетонов.

Как часть сернобитумного вяжущего использовалась техническая сера Оренбургского газоперерабатывающего завода. Её успешно применяют в химической промышленности для производства кислот, в резинотехнической и шинной промышленности. Однако недостаточное потребление и переработка серы приводит к значительным накоплениям ее на картах ОГПЗ.

Одной из предпосылок возможности использования ее в технологии асфальтобетонов является близость рабочих температур изготовления горячего асфальтобетона и температур перехода кристаллической серы в вязко-текучее состояние. Выпуск сероасфальтобетона возможен на действующих АБЗ с незначительной их модернизацией. Технология включает в себя расплавление серы, смешение ее с модифицирующими добавками и битумом. После приготовление сернобитумной мастики осуществляется ее перемешивание с заполнителями и наполнителем. Возможен ввод наполнителя непосредственно в мастику.

Предпосылкой использования нефтяного кека в технологии сероасфальтобетонов явилось следующее. Замена части битума серой в асфальтовом вяжущем определяет его физико-механические и реологические свойства. Жидкая сера содержит три аллотропных модификации, количественное содержание которых зависит от условий нагрева и охлаждения расплава и наличия в нем различных модифицирующих добавок (пластифицирующие, стабилизирующие, воздухововлекающие, повышающие огнестойкость, биостойкость). В технологии серосодержащих материалов основная роль отводится стабилизирующим, механизм действия которых заключается в присоединении добавок к цепям полимерной модификации серы и насыщении ее валентных связей. Полимерная сера обладает большей, по сравнению с другими аллотропными модификациями, эластичностью, прочностью, стойкостью к органическим растворителям, лучшей адгезией к заполнителям, малыми внутренними напряжениями [1, 2].

Стабилизирующими добавками служат органические и неорганические материалы, вводимые в состав расплава серы от 0,1 до 5%. Однако практически все добавки являются достаточно дорогостоящими и труднодоступными. Стабилизирующий эффект при приготовлении вяжущего, на наш взгляд, может оказывать присутствие в расплаве серы нефтяного кека.

Органическая часть кека представлена карбенами, карбоидами, маслами, смолами. Присутствие парафина незначительно. Отмытая в спиртобензольной смеси минеральная составляющая - это в основном оксид кальция и кремния. Содержание Al2O3 и Fe2O3 находится в пределах 8%. Модификация серы происходит за счет присоединения химически активных групп, как органической части кека, так и самого битума к свободным связям полимерной модификации серы и стабилизации ее в этом состоянии.

В связи с отсутствием нормативно технической документации на сероасфальтобетоны авторами на основе ГОСТ 9128 были разработаны и утверждены ТУ 5718-001-02069024-2002. Смеси сероасфальтобетонные дорожные и сероасфальтобетон [1, 2].

Проектируемый состав сероасфальтобетона: плотный, тип Б, марки II, применительно для II-III климатический зон. Проектируемая сероасфальтобетонная смесь: щебеночная, горячая, мелкозернистая (крупность заполнителя не более 10 мм).

К нормируемым физико-механическим свойствам, относятся: предел прочности при сжатии при температуре 500С, 200С и 00С, водостойкость, водостойкость при длительном водонасыщении, водонасыщение.

Сырьевые материалы при подборе состава и исследовании свойств сероасфальтобетона: крупный заполнитель – Круторожинский щебень фракцией 5-10 мм, мелкий заполнитель – природный песок Самородовского месторождения и отсев дробления Круторожинского щебня, наполнитель – отсев золошлаковой смеси Оренбургской ТЭЦ, молотый Аккермановский известняк, в качестве вяжущих веществ – техническая сера Оренбургского газоперерабатывающего завода и нефтяной битум БНД 130/200. Сырьевые материалы были проверены на соответствие требованиям нормативных документов [1, 2].

Одним из важных факторов, обеспечивающих требуемое качество сероасфальтобетонов, является зерновой состав его минеральной части. Последний должен придать оптимальную плотность, а при необходимости – повышенную шероховатость. Когда имеются соответствующие материалы (главным образом, крупный и средний песок или отсевы дробления), минеральную часть сероасфальтобетона рекомендуется подбирать по принципу непрерывной гранулометрии, что и было сделано в наших исследованиях.

Подбор состава производился в несколько этапов методом математического планирования. Использовались двухфакторные насыщенные планы эксперимента. На первом этапе был определен интервал варьирования серы в сернобитумном вяжущем без кека.  После оценки графической зависимости прочности сероасфальтобетона от содержания серы был сделан вывод, что ввод серы более 40% приводит к инверсии структуры сернобитумного вяжущего, и как следствие из этого увеличение его хрупкости. Для дальнейших определений состава были выбраны интервалы варьирования: серы 25-40%, кека 30-70%. Отформованные серии сероасфальтобетона были испытаны согласно ГОСТ 12801. Испытания показали, что при вводе в состав мастики серы и кека прочность образцов возрастает на 15%, водостойкость в некоторых сериях увеличивается с 0,86 до 0,92. Однако водонасыщение сероасфальтобетона и асфальтобетона контрольной серии не удовлетворяет требованиям технических условий [1, 2].

Для уменьшения водонасыщения сероасфальтобетона на следующем этапе были снижены интервалы варьирования серы и кека в вяжущем, введен в качестве наполнителя тонкомолотый известняк и увеличено содержание мастики в бетоне. Так как были изменены интервалы варьирования, то был произведен расчет плотности сернобитумной мастики с кеком согласно точкам нового плана эксперимента. Рассчитанный состав минеральной части сероасфальтобетона: щебень 46,74%, отсев дробления 39%, песок речной 6,27%, молотый известняк 6,96%. Принятое количество битума в контрольных образцах асфальтобетона – 5,5% [1, 2].

Некоторые серии сероасфальтобетона, отформованные согласно новому плану, имели допустимые нормами значения водонасыщения, водостойкости. Это сделало возможным получить уравнения регрессии и построить изолинии водонасыщения, водостойкости и прочности сероасфальтобетона для определения его оптимального состава.

Завершающей стадией исследований было изготовление образцов оптимального состава и испытание их на физико-механические свойства, которые представлены таблице 1.

 

Таблица 1

Характеристики разработанного состава сероасфальтобетона [1, 2].

Наименование показателя

Нормативное

значение

Значение для

разработанного состава

  1. Предел прочности при сжатии при температуре 500С, МПа,

не менее

2,5

 

3,96

 

  1. Предел прочности при сжатии при температуре 200С, МПа,

не менее

4,2

 

6,6

 

  1. Предел прочности при сжатии при температуре 00С, МПа,

не более

12,0

 

11,1

 

  1. Водостойкость, не менее

0,85

0,91

  1. Водостойкость при длительном водонасыщении

0,8

 

0,83

 

     Водонасыщение, процент

по объему

 

1,5 - 4

 

3,4

 

По представленным данным можно сделать вывод, что используя в качестве добавки к сернобитумному вяжущему нефтяной кек возможен выпуск проектного состава сероасфальтобетона. Запуск такой технологии требует капитальных вложений на изготовление и модернизацию технологического оборудования. К такому оборудованию, прежде всего, относится линия подготовки кека, смесительное оборудование, дополнительные системы аспирации и газоочистки. Для сокращения капитальных затрат производство сероасфальтобетонной смеси желательно территориально привязать к действующему асфальтобетонному заводу и линии по обезвоживанию шлама. В этом случае потребность в инвестициях будет невелика. При правильной организации труда, соблюдения технологического процесса и правил техники безопасности производство сероасфальтобетона с применением в качестве добавки нефтяного кека решает проблему накопления этого отхода на территориях нефтедобывающих установок и дает возможность получения более дешевого и долговечного по сравнению с традиционным асфальтобетоном, материала.

 

Координатор проекта:

Заместитель Генерального Директора

Группы Компаний «НИПИЭП»,

К.т.н., доцент, профессор РАЕ,

Рамиль Фаргатович Сагитов,

Т.+79097078914,

Т. +79003695651.