удк 628.544 исследование возможности применения кубовых

285
УДК 628.544
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КУБОВЫХ
ОСТАТКОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ НЕФТЕШЛАМОВ
В СОСТАВЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ *
Пивсаев В.Ю., Красников П.Е. 1, Кузнецова М.С.,
Ермаков В.В., Пименов В.В., Григорян Л.Г.
Самарский государственный технический университет, г. Самара
e-mail: 1 krasnikovpe@gmail.com
Аннотация. В целях поиска направлений квалифицированного использования
кубовых остатков выделения дизельных фракций нефтешламов экспериментально показана возможность их использования в составе мелкозернистых асфальтобетонов на
основе инертных материалов из изверженных и осадочных горных пород. Установлено,
что асфальтобетоны на основе щебёночных материалов из осадочных горных пород обладают несколько лучшим комплексом физико-механических свойств, что объяснено лучшим сцеплением асфальтового вяжущего с ними.
Ключевые слова: остаток кубовый, фракция дизельная, свойства физико-механические, нефтешлам, асфальтобетон мелкозернистый.
Введение
Рост объёмов нефтесодержащих отходов в результате производственной
деятельности при добыче, транспортировке и переработке нефти настоятельно
диктует необходимость эффективной утилизации данного вида отходов, что является в настоящее время одной из наиболее актуальных экологических задач
России [1].
Одним из перспективных направлений переработки нефтешламов является
их использование в качестве сырья для получения товарных продуктов [2]. В частности, известны и реализованы в промышленном масштабе способы получения
углеводородов дизельной фракции на основе нефтешламов [3], предпринимались
попытки получения дорожных битумов [4]. Показано, что полученные из нефтесодержащих отходов дизельные фракции углеводородов могут быть добавлены в
сырьё установок гидроочистки дизельных топлив на нефтеперерабатывающих заводах [5]. Однако вопрос квалифицированного разнопланового использования кубовых остатков производства вторичных дизельных фракций пока не имеет комплексного ответа, имеют место единичные работы, посвящённые поиску способов
применения подобных тяжёлых нефтяных остатков.
Ранее [6] была показана принципиальная возможность использования кубовых остатков выделения дизельных фракций нефтешламов в качестве компоРабота выполнена в рамках реализации ФЦП ″Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России″, 2009–2013 гг. при финансовой поддержке Минобрнауки России
*
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
286
нента дорожных битумов; экспериментально доказано, что плотная асфальтобетонная смесь, произведённая на продукте компаундирования смеси кубовых
остатков со стандартным нефтяным дорожным битумом БНД 90/130 в соотношении 1:1, соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 по физико-механическим
показателям.
Однако качественное разнообразие видов минерального сырья, пространственная разобщённость объектов его добычи обуславливают актуальность оптимизации зернового состава асфальтобетона, определение которого является
целью настоящего исследования.
Постановка цели и задач исследования
Свойства битумоминеральных композитов зависят от процессов взаимодействия минеральных составляющих и битума на их общей поверхности раздела.
Наибольшие различия в молекулярно-поверхностных свойствах, определяющих
сцепление с вяжущим, наблюдается между материалами карбонатных пород и
кварцевыми, кислыми материалами [7].
Специализированными исследованиями установлено, что минеральный
остов – щебень – занимает в составе асфальтобетона 75 - 80 % объёма, составляя
90 - 95 % его массы [8]. Качество минерального остова асфальтобетона определяет
несущую способность, ровность, необходимую шероховатость, прочность и долговечность дорожного покрытия.
Объектами исследования в настоящей работе являлись асфальтобетонные
смеси, в которых в качестве инертных материалов использовался щебень ОАО
«Орское карьероуправление» (габбро-диабаз) и ОАО «Миньярский карьер» (доломит) – табл. 1.
Выбор данных щебеночных материалов обусловлен их различными минералого-петрографическими характеристиками: оренбургский щебень произведен
из изверженных горных пород, а миньярский материал является продуктом дробления осадочных горных пород.
По физико-механическим характеристикам щебень ОАО «Орское карьероуправление» по сравнению с щебнем ОАО «Миньярский карьер» обладает некоторыми преимуществами, в частности:
– содержит меньшее количество зёрен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы;
– обладает меньшей активностью естественных радионуклидов;
– характеризуется более высокой прочностью на сжатие (имеет более высокую марку по дробимости).
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
287
Таблица 1. Сравнительная характеристика минерального материала
№
п/п
1
Наименование показателей
Зерновой состав – полные
остатки на ситах
Д наибольший
Д наименьший
ГОСТ
8267-93
ОАО «Орское
ОАО «Миньярский
карьероуправление»
карьер»
Щебень Щебень
фр. 5-10 фр. 10-20
Щебень
фр. 5-10
Щебень
фр. 5-20
90 - 100
до 10
93,5
7,2
92,8
9,2
94,1
8,6
Содержание зерен
пластинчатой (лещадной) и
игловатой формы, %
до 25
7,9
8,0
9,1
22,00
3
Содержание зерен слабых и
выветренных пород, %
до 5
нет
нет
2,31
2,76
4
Содержание пылевидных и
глинистых частиц, %
в т.ч. глины в комках
Марка щебня по
дробимости
Марка щебня по
истираемости
Морозостойкость
до 1
0,25
600 и
выше
0,6
нет
0,8
нет
1,1
нет
1400
1400
1000
1,6
нет
1000 1200
И-1
И-1
И-1
И-1
300
300
300
300
1,45
1,47
1,42
1,40
4±3
6±5
37
40
до 50
ммоль/л
15,18
15,18
26,5
23,4
до 1,5%
до 0,1%
0,28
0,001
0,28
0,001
0,59
0,005
0,67
0,007
2
5
6
7
8
9
10
Насыпная плотность, т/м3
Удельная эффективная
активность естественных
радионуклидов, Бк/кг
Содержание вредных
компонентов:
Аморфные разновидности
диоксида кремния
Серы, сульфиды и сульфаты в пересчете на ион SO3
Галоидные соединения
25 и
выше
не
более
370
Исследованиями А.И. Лысихиной и Л.С. Терлецкой установлено, что карбонатные основные горные породы адсорбируют на единицу своей поверхности
больше битума, чем кислые. При прочих равных условиях в случае применения в
асфальтобетоне основных пород объём битума, находящийся в адсорбированном
состоянии, превышает соответствующий объём битума в смеси, содержащей кислые горные породы. Это обусловливает более прочную структуру асфальтобетона, содержащего минеральные компоненты карбонатных пород [9].
Технологические условия применения битумов на стадии производства
асфальтобетонных смесей определяются характеристиками вяжущих, которые
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
288
должны отвечать определенному комплексу требований, предъявляемых к их
физико-химическим, механическим и адгезионным свойствам.
Использование нефтесодержащих отходов в настоящее время стоит рассматривать не только как технологию утилизации, но и как экономически рентабельный способ производства вторичных ресурсов. В результате нефтесодержащие отходы из объекта штрафных санкций становятся источником стабильных
доходов. Перспективным решением является вовлечение кубовых остатков производства вторичных дизельных фракций, выделенных из нефтесодержащих отходов, в производство дорожных битумов.
В качестве образцов органического вяжущего применяли смесь кубовых
остатков выделения дизельной фракции нефтешлама верхних и донных слоёв застарелых и новых илонакопителей в соотношении 1:1:1:1, а также продукт компаундирования данной смеси в соотношении 1:1 со стандартным нефтяным дорожным битумом БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90, приготовленный на лабораторной лопастной мешалке при 160 °С.
Отдельного внимания заслуживает групповой состав полученных кубовых
остатков выделения дизельных фракций. Это связано с тем, что он фактически определяет физико-механические свойства и, соответственно, область применения.
Изучение группового состава кубовых остатков обезвоживания жидких
нефтесодержащих отходов и продуктов их окисления проводили стандартным методом адсорбционной жидкостной хроматографии на силикагеле марки АСК,
смолы выделяли с помощью специально подобранных селективных растворителей, асфальтены осаждали петролейным эфиром из раствора в бензоле в соответствии с методом Маркуссона. Результаты выполненных исследований приведены в табл. 2.
На основе результатов анализа табл. 2 предложены возможные направления квалифицированного использования данных отходов: применение в качестве
высокозолистых мазутов и применение в качестве битумов различного назначения (дорожного, кровельного, строительного, изоляционного).
По результатам оценки соответствия кубовых остатков выделения дизельной фракции нефтешламов действующим требованиям к сырью битумному и
мазуту марки 100 зольному установлено, что более предпочтительным вариантом
рециклинга данных отходов является применение в качестве битумного сырья.
Физико-механические свойства битума и его композиций с кубовыми остатками обезвоживания жидких нефтесодержащих отходов и продуктов их окисления представлены в табл. 3.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что компаундирование кубовых остатков обезвоживания нефтесодержащих отходов со стандартным
битумом в соотношении 1:1 позволяет получить битумные вяжущие материалы,
пригодные для применения в дорожном строительстве.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
289
Таблица 2. Результаты исследования группового состава кубовых остатков
обезвоживания жидких нефтесодержащих отходов
Результаты определения группового состава
Стандартный
нефтяной
дорожный
битум
Продукт окисления
кубового остатка
вакуумного выделения
дизельных фракций из
верхних и донных слоёв
застарелых и новых
илонакопителей в
соотношении 1:1:1:1
Продукт
компаундирования
смеси кубовых
остатков со
стандартным
нефтяным дорожным
битумом БНД 90/130
в соотношении 1:1
62,6
70,9
65,8
Парафинонафтеновые
углеводороды
(ПНУ)
16,3
41,8
25,4
Легкие
ароматические
углеводороды
11,5
8,0
9,3
Средние
ароматические
углеводороды
5,7
5,0
5,4
Тяжелые
ароматические
углеводороды
29,1
16,1
25,7
24,1
13,9
19,7
Смолы 1
8,9
5,0
7,3
Смолы 2
15,2
8,9
12,4
13,3
15,2
14,5
100,0
100,0
100,0
Показатели
Масла (М),
в т.ч.:
Смолы (С),
в т.ч.:
Асфальтены (А)
ИТОГО:
Для сравнения физико-механических характеристик модельных асфальтобетонных смесей были выполнены пробные лабораторные замесы данных материалов с битумом, полученным на основе кубовых остатков обезвоживания жидких
нефтесодержащих отходов.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
290
Таблица 3. Результаты определения физико-механических характеристик
битума и его композиций с кубовыми остатками
обезвоживания жидких нефтесодержащих отходов
ГОСТ
2224590
БНД
90/130
Стандартный
нефтяной
дорожный
битум БНД
90/130 по
ГОСТ 2224590
Смесь кубовых
остатков
выделения
дизельных
фракций
нефтешламов
из верхних и
донных слоев
старых и новых
илонакопителей
в соотношении
1:1:1:1
91-130
н.м. 28
95
33
126
26
105
32
43
45,2
59
51
65
4,0
100
4,0
7
1,0
69
4,6
- 17
- 29
- 34
- 26
230
298
322
291
Изменение КиШ
после прогрева, °С,
не более
5
2
17
4
Индекс пенетрации
-1 - +1
- 1,0
-
-
-
Удовлетворительное
Удовлетворительное
Удовлетворительное
Показатели
Глубина
проникновения иглы,
0,1 мм, при 25 °С
при 0 °С
Температура
размягчения по
КиШ, °С, не ниже °С
Растяжимость, см, не
менее при 25 °С
при 0°С
Температура
хрупкости, °С, не
выше
Температура
вспышки, °С, н.н.
Сцепление с
применяемыми
каменными
материалами
Продукт
компаундирования
смеси кубовых
остатков со
стандартным
нефтяным
дорожным
битумом БНД
90/130 по ГОСТ
22245-90 в
соотношении 1:1
Предварительно производился расчет состава асфальтобетонной смеси
мелкозернистой горячей, плотной, типа Б, марки II. В лабораторных условиях по
стандартным методикам ГОСТ 12801 были изготовлены и испытаны соответствующие образцы асфальтобетона на двух видах минерального остова и на вторичном компаундированном битуме. Результаты испытаний асфальтобетонной смеси
представлены в табл. 4.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
291
Таблица 4. Результаты испытаний асфальтобетонной смеси,
произведённой с использованием вторичных битумов
Результаты испытаний
асфальтобетонной смеси,
произведённой на вторичном
компаундированном битуме и щебне
ОАО «Орское
карьероуправление»
ОАО
«Миньярский
карьер»
Нормативные
требования к
плотной
асфальтобетонной
смеси типа Б марки
II для III дорожноклиматической зоны
по ГОСТ 9128-2009
Средняя плотность, г/см3
2,57
2,49
-
Водонасыщение, W, %
Предел прочности при
20 °С, МПа
Водостойкость
Предел прочности при
50 °С, МПа
Предел прочности при 0 °С,
МПа
Предел прочности на
растяжение при расколе,
МПа
Коэффициент внутреннего
трения
Сцепление при сдвиге при
температуре 50 °С, МПа
Водостойкость при
длительном
водонасыщении
Пористость минеральной
части, %
Остаточная пористость, %
2,3
1,8
1,5 - 4,0
6,4
5,8
Не менее 2,2
0,92
0,97
Не менее 0,85
1,6
2,7
Не менее 1,0
11,2
7,7
Не более 12,0
3,9
4,4
3,0 - 6,5
0,83
0,92
Не менее 0,81
0,37
0,41
Не менее 0,35
0,88
0,93
Не менее 0,85
17
15
14 - 19
3,2
2,8
2,5 - 5,0
Наименование показателя
Сравнивая полученные результаты, можно констатировать следующее.
1. Показана возможность применения кубовых остатков вакуумного выделения дизельных фракций нефтешламов в составе битумных вяжущих материалов
для дорожного строительства.
2. Установлено, что асфальтобетоны, изготовленные с применением вторичных компаундированных битумов, по комплексу физико-механических характеристик соответствуют требованиям ГОСТ 9128.
3. В составе данных асфальтобетонов использование основных осадочных
горных пород несколько предпочтительнее по сравнению с изверженными, вероятно, в связи с повышенным содержанием во вторичных компаундированных
битумах соединений кислого характера.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
292
Литература
1. Быков Д.Е. Комплексная многоуровневая система исследования и переработки промышленных отходов. Самара, СамГТУ, 2003. 102 с.
2. Ахметова Р.С., Фрязинов В.В., Торбеева Л.Р. Дорожные битумы нефтеперерабатывающих заводов СССР и современные требования, предъявляемые к
их качеству // Высокосернистые нефти и проблемы их переработки. Труды БашНИИ НП. Вып. VIII. М.: Химия, 1968, 296 с.
3. Патент на полезную модель № 42823 РФ. МПК C10G7/00. Установка для
переработки нефтяных шламов, образующихся в нефтеналивных железнодорожных цистернах при транспортировке нефти / Рабинович М.Д., Кожанов С.Л.
Заявл. 22.06.2004; опубл. 20.12.2004.
4. Черных О.В., Пурыгин П.П., Котов С.В., Шаталаев И.Ф., Шарипова С.Х.,
Мадумарова З.Р. Исследование возможности получения дорожного битума путем
окисления нефтешламов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Том 11. № 1 (2). С. 234 - 237.
5. Пименов А.А., Кисельников Е.А., Гладышев Н.Г., Никульшин П.А.,
Коновалов В.В., Пимерзин А.А., Быков Д.Е. Разработка безотходного варианта
утилизации жидких нефтесодержащих отходов // Экология и промышленность
России. 2011. № 3. С. 45 - 48.
6. Сухоносова А.Н., Кузнецова М.С., Гладышев Н.Г., Ермаков В.В., Пи-менов А.А. Основные направления квалифицированного использования кубовых
остатков выделения дизельных фракций из нефтесодержащих отходов // Экология
и промышленность России. 2011. № 12. С. 10 - 14.
7. Гридчин A.M., Ядыкина В.В. Особенности взаимодействия битума с минеральными материалами из кислых пород // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2008. № 40. С. 13 - 16.
8. Радовский Б.С. Современные требования к каменным материалам для
асфальтобетонных смесей в США // Дорожная техника. 2009. С. 74 - 85.
9. Хмеленко Т.В. Физико-химические основы асфальтобетона. Кемерово,
КузГТУ, 2012. 86 с
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
UDC 628.544
RESEARCH ON APPLICATION OF BOTTOMS PRODUCTS ALLOCATION
AFTER DIESEL FRACTIONS SEGREGATION
OF OIL SLUDGE AS PART OF FINE-GRAINED ASPHALT CONCRETE
V.Yu. Pivsaev, P.E. Krasnikov 1, M.S. Kuznetsova,
V.V. Ermakov, A.A. Pimenov, L.G. Grigoryan
Samara State Technical University, Samra, Russia
e-mail: 1 krasnikovpe@gmail.com
Abstract. In order to search the directions for qualified bottoms products application
after diesel fractions segregation of sludge we experimentally have demonstrated the possibility
of using them in asphalt-based fine-grained composition based on aggregates of igneous and
sedimentary rocks. It was found that asphalt concrete based on gravel materials from sedimentary rocks have slightly better set of physical and mechanical properties because of better
asphalt binder adhesion.
Keywords: bottoms products, diesel fraction, physical and mechanical properties, oil
sludge, fine-grained asphalt concrete
References
1. Bykov D.E. Kompleksnaya mnogourovnevaya sistema issledovaniya i pererabotki promyshlennykh otkhodov (Integrated multilevel system of research and industrial waste recycling). Samara, SamGTU, 2003. 102 p.
2. Akhmetova R.S., Fryazinov V.V., Torbeeva L.R. Dorozhnye bitumy neftepererabatyvayushchikh zavodov SSSR i sovremennye trebovaniya, pred"yavlyaemye k
ikh kachestvu (Road bitumen from refineries of the USSR and modern requirements for
their quality) in Vysokosernistye nefti i problemy ikh pererabotki. Trudy BashNII NP
(High sulfur crude oils and problems in their processing. Proceedings of BashNII NP).
Issue VIII. Moscow, Khimiya, 1968, 296 p.
3. Utility model patent № 42823 RU. IPC C10G7/00. Ustanovka dlya pererabotki neftyanykh shlamov, obrazuyushchikhsya v neftenalivnykh zheleznodorozhnykh
tsisternakh pri transportirovke nefti (Installation for recycling oil sludge generated in the
oil railway tanks for transporting oil) / Rabinovich M.D., Kozhanov S.L. Appl.
22.06.2004; publ. 20.12.2004.
4. Chernykh O.V., Purygin P.P., Kotov S.V., Shatalaev I.F., Sharipova S.Kh.,
Madumarova Z.R. Issledovanie vozmozhnosti polucheniya dorozhnogo bituma putem
okisleniya nefteshlamov (Opportunity of road bitumen reception by oil slimes oxidation), Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk, 2009,
Volume 11, Issue 1 (2), pp. 234 - 237.
5. Kisel'nikov E.A., Pimenov A.A., Gladyshev N.G., Nikul'shin P.A., Konovalov V.V., Pimerzin A.A., Bykov D.E. Malootkhodnaya utilizatsiya zhidkikh neftesoderzhashchikh otkhodov (Low-waste recycling of liquid oily waste), Ekologiya i
promyshlennost' Rossii, 2011, Issue 3, pp. 45 - 48.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
6. Sukhonosova A.N., Kuznetsova M.S., Gladyshev N.G., Ermakov V.V., Pimenov A.A. Osnovnye napravleniya kvalifitsirovannogo ispol'zovaniya kubovykh ostatkov
vydeleniya dizel'nykh fraktsii iz neftesoderzhashchikh otkhodov (Basic trends of efficient utilization of vat residues after diesel fractions extraction from oily waste),
Ekologiya i promyshlennost' Rossii, 2011, Issue 12, pp. 10 - 14.
7. Gridchin A.M., Yadykina V.V. Osobennosti vzaimodeistviya bituma s mineral'nymi materialami iz kislykh porod (Features of interaction of bitumen with mineral
materials from sour rocks) Vestnik Khar'kovskogo natsional'nogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta, 2008, Issue 40, pp. 13 - 16.
8. Radovskii B.S. Sovremennye trebovaniya k kamennym materialam dlya
asfal'tobetonnykh smesei v SshA (Modern requirements for stone materials for asphalt
mixes in the USA), Dorozhnaya tekhnika, 2009, pp. 74 - 85.
9. Khmelenko T.V. Fiziko-khimicheskie osnovy asfal'tobetona (Physico-chemical basis of asphalt concrete). Kemerovo, KuzGTU, 2012. 86 p.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru