Утилизация нефтезагрязненного грунта. Безотходные технологии

Утилизация нефтезагрязненного грунта. Безотходные технологии

Казахско-Русский Международный университета (Актобе),Казахстан

Руководитель: к.т.н., доцент Имангазин М.К.

Магистрант: Алдабергенова Т. Б.

Ключевые слова: утилизация нефтезагрязненного грунта, окружающая среда, анализ, физико-химические методы.

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность темы. Сегодня Казахстан является одним из крупных нефтедобывающих стран, входит в первую десятку государств мира по запасам нефти. Общая площадь наших действующих и перспективных нефтегазоносных регионов республики составляет 1,7 млн.км² или более 62 % всей территории страны. Нефть и газ – это главное сырьевое богатство Казахстана, и является одним из основ его будущего процветания. На сегодня в Казахстане открыто более 200 нефтегазовых месторождений. Добыча нефти и газа являются наиболее интенсивно развивающейся отраслью в экономике Казахстана. В условиях интенсификации процессов освоения нефтегазовых месторождений вопросы экологического состояния нефтяных регионов становятся все более актуальными.

В экологическом отношении Республика Казахстан является одной из наиболее загрязненных стран мира. Повышенная степень загрязнения воздушного бассейна нефтедобывающих регионов, в том числе экологическое состояние Мугалжарского региона Актюбинской области далеко не удовлетворяют требованиям охраны окружающей среды из-за выбросов месторождении и Жанажольского нефтегазового комплекса, а также накопления нефтяных отходов, в том числе нефтезагрязненного грунта, что требует принятия мер по их утилизации.

Опыт использования нефтеотходов (амбарный шлам, нефтяной шлам шламонакопителей, нефтезагрязненный грунт, комовая сера и т.д.) свидетельствует о возрастающем интересе к проблеме их утилизации. Однако отсутствие технологии переработки нефтеотходов в строительные материалы, недостаточная их изученность, напримернефтезагрязненных грунтов в сочетании с традиционным вяжущим, каким является портландцемент, сдерживают их применение, в частности для дорожного строительства.

Утилизация нефтезагрязненного грунта в дорожное строительство способствует созданию малоотходных технологий, сокращению площади земельных угодий, занимаемые под полигоны отходов и снижению себестоимости строительства. Для решения этих задач необходимо разработать научно обоснованную технологию по использованию нефтезагрязненного грунта для устройства оснований автомобильных дорог.

Пути повышения эффективности и качества в сочетании с возрастающей в последние годы стоимостью энергоносителей ставит проблемы энергосберегающих технологий в строительстве в ряд наиболее актуальных. Одной из таких технологий в области тепловой обработки бетонных изделий, подтвердившей высокую эффективность на предприятиях строительной индустрии, является метод тепловой обработки в устройствах с концентрирующими элементами солнечной энергии, основанный на использовании энергии солнечной радиации в сочетании с различными организационными и технологическими приемами.

Большой научный и практический интерес представляет проблема использования солнечной энергии в технологии ускоренного твердения грунтобетона, вместо традиционной тепловлажностной обработки - пропаривания. С использованием возобновляемых источников энергии решаются проблемы экономии энергетических ресурсов, охраны и облагораживания окружающей среды, повышения культуры производства.

Опыт использования солнечной энергии показывает, что тепловая обработка бетона с применением устройств с концентрирующими элементами солнечной энергии в южных районах страны (38 - 50° с.ш.) позволяет экономить 100 - 300 кВт∙ч/м³ энергии при суточном обороте гелиоформ, получать изделия с прочностью 45 - 70 % от требуемой проектной. Достижение таких результатов определяется тем, что тепловая обработка бетона в устройстве с концентрирующими элементами солнечной энергии является не только заменой одного вида энергии другим, но и реализацией принципиально новых подходов в технологии ускоренного твердения бетона, основанной на энергетически целесообразных режимах внешнего теплового воздействия с максимальным использованием термохимического потенциала минерального вяжущего. Данная тепловая обработка в устройстве с концентрирующими элементами солнечной энергии присуща и обработке грунтобетона.

В связи с перечисленными выше, с одной стороны решение задач экологизации нефтегазового производства путем разработки новой эффективной технологии переработки нефтезагрязненных грунтов, а с другой использование возобновляемой энергии, то есть энергии солнечной радиации является актуальным и в решении проблем экологии и энергообеспечении технологий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождении» КазНТУ имени К.И. Сатпаеваг.Алматы, проекта «Стратегии эффективного использования энергии и возобновляемых ресурсов Казахстана до 2024 г.»

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является использование энергии солнечной радиации для разработки способа предварительной обработки нефтезагрязненного грунта и изготовления грунтобетона.

Предмет исследования – нефтезагрязненный грунт Жанажольского нефтегазового комплекса и тепловая обработка грунтобетона с применением солнечной энергии.

Целью работы является разработка способа утилизации нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии.

Идея работы заключается в получении возможности использования солнечной энергии при утилизации нефтезагрязненного грунта на основе результатов проведенных экспериментов.

В соответствии с указанной целью и идеей в работе поставлены следующие задачи исследования:

        анализ и оценка экологического состояния Жанажольского нефтегазового комплекса;

        разработка нового устройства с концентрирующими элементами солнечной энергии;

        разработка нового способа предварительной обработки нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии;

        разработка оптимальных составов на основе предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов с применением солнечной энергии для изготовления грунтобетона;

        аналитическое обоснование и экспериментальная оценка эффективности тепловой обработки грунтобетона с применением солнечной энергии;

        исследование структуры грунтобетона;

        внедрение результатов исследований в производство;

        определение эколого-экономической эффективности разработанного способа.

Методы исследования включают анализ и обобщение литературных данных и практики по вопросам применения нефтезагрязненного грунта в строительстве основании автомобильных дорог, применение солнечной энергии при изготовлении грунтобетона с применением предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов; патентно-информационный поиск по тепловой обработке грунтобетона; методики проведения экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

        разработано новое устройство с концентрирующими элементами и научно - обоснованный новый способ предварительной обработки при утилизации нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии;

        впервые разработан оптимальный состав смеси для утилизации нефтезагрязненного грунта при изготовлении грунтобетона, обеспечивающий необходимые физико-механические свойства дорожного покрытия;

        впервые составлена математическая модель формирования температурного поля в нагреваемых изделиях грунтобетона при тепловой обработке с применением солнечной энергии.

Научные положения, выносимые на защиту:

        максимальная фокусировка прямой и рассеянной солнечной радиации от формы и материала концентрирующих элементов солнечной энергии при утилизации нефтезагрязненных грунтов;

                  процесс гидратации и фазообразования, при изменении состава и условий твердения грунтобетона, получаемого из предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов;

                  аккумулирование тепла солнечной энергии грунтобетоном изменяется пропорционально времени излучения солнечной энергии.

Личный вклад автора в выполненной работе состоит:

 в разработке устройства с концентрирующими элементами для предварительной обработки нефтезагрязненных грунтов от нефтепродуктов;

 в проведении экспериментальных исследовании и разработке нового способа предварительной обработки нефтезагрязненных грунтов с применением солнечной энергии;

 в определении оптимального состава грунтобетона на основе предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов;

 в проведении опытно-промышленных испытаний и внедрений технологии изготовления грунтобетона с использованием полученной продукции для строительства опытного участка автомобильной дороги;

 в эколого-экономическом обосновании эффективности использования новой технологии.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

 улучшением физико-технических характеристик предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов в разработанном устройстве при применении солнечной энергии;

 использованием физико-химических методов анализа при определении возможности применения предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта в качестве одного из компонентов с целью получения на их основе дорожно-строительных материалов, в том числе грунтобетона;

 проведением всех методов физико–химических исследовании современными приборами и оборудованием, прошедших госповерки в соответствии с требованиями государственных стандартов;

 сходимостью лабораторных и промышленных результатов;

 актами об опытно–промышленном внедрении новой технологии изготовления грунтобетона, с применением солнечной энергии на предприятии ТОО «Комбинат строительных материалов и конструкции» г.Кызылорда, и приемки опытного участка автомобильной дороги, изготовленной с использованием предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта, в ТОО «Ак тоган» на территории АО «Петро Казахстан КумкольРесорсиз» в районе месторождения «Досжан», «Караванчи», «Кемер».

Практическая ценность работы заключается в разработке способа предварительной обработки нефтезагрязненных грунтов и получении грунтобетона на их основе (подтвержденного инновационным патентом РК), который позволил:

                  утилизировать накопившиеся нефтезагрязненные грунты, путем их использования в качестве вторичного сырья в дорожном строительстве;

                  внедрить результаты выполненной работы в промышленное производство с экономическим эффектом в размере 3 500 592 тенге в год.

Научное значение работы заключается в получении новых данных и зависимостей, описывающих процессы утилизации нефтезагрязненных грунтов при получении на их основе качественного грунтобетона с применением солнечной энергии.

Реализация работы. Разработаны устройство для предварительной обработки нефтезагрязненных грунтов и тепловой обработки грунтобетона с применением солнечной энергии, оптимальный состав грунтобетона. Экспериментальные и опытно-промышленные образцы продукции внедрены в ТОО «Комбинат строительных материалов и конструкции» г.Кызылорда и ТОО «Ак тоган» на территории АО «Петро Казахстан КумкольРесорсиз».

Апробация работы. Основные положения докладывались на международной научно-технической конференции «Инновационные пути развития нефтегазовой отрасли РК» (Алматы, 2007г.), на девятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (Алматы, 2007г.), на международной научно-технической конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030»» (Караганда, 2008г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований и разработок опубликовано 9 работ, в том числе 1 инновационный патент Республики Казахстан, 4 научных статей в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МО и Н РК, 4 доклада в материалах Международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, заключения, списка использованных источников из 127 наименований и приложений 4. Работаизложенана 146 страницах, содержит 50 рисунков и 41 таблиц.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, основные задачи, научная новизна и защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены влияние нефтяных отходов на окружающую среду, методы и способы их утилизации, дана оценка ресурсов и основных энергетических характеристик солнечной энергии в Казахстане. Приведен литературный обзор по исследованию и оценке возможности использования тепла солнечной энергии при изготовлении грунтобетона из нефтяных отходов.

Анализ литератур по использованию нефтяных отходов показывают возможность использования нефтоотходов в: дорожном строительстве для изготовления нефтегрунта, цементогрунта, асфальтобетона, газобетона, шламобетона; в составе строительных материалов при изготовлении мягких кровель, гидроизоляции подвальных помещений или фундаментов, мелкоштучных изделий в виде блоков, плит и листов, легких заполнителей типа керамзита, обжигового кирпича; в качестве химических добавок и ПАВ при приготовлении бетонной смеси; в нефтяной и газовой промышленности в процессе бурения скважин в качестве смазочных добавок и компонентов буровых растворов; в топливной промышленности в качестве мазута (после переработки шламов) и для изготовления брикетированных топливных материалов.

В целях улучшения экологического состояния и решения вопроса утилизации нефтяных отходов (нефтезагрязненного грунта, нефтяного шлама) предложено использовать их в качестве вторичного сырья для изготовления грунтобетона применяемых в дорожном строительстве. В связи, с чем была разработана новая технология изготовления грунтобетона из нефтяных отходов, в частности был использован нефтезагрязненный грунт Жанажольского нефтегазового комплекса, для строительства автомобильных дорог с применением солнечной энергии.

Во второй главе приведена оценка влияния Жанажольского нефтегазового комплекса на окружающую среду. Даны климатические характеристики района расположения промышленности, а так же определены основные факторы, определяющиеся длительностью сохранения загрязнения в местах размещения их источников, какими являются ветровой режим, наличие температурных инверсий, количество и характер выпадения осадков. Для проведения оценки загрязнений объектов исследования (вахтовый поселок «Жанажол», поселок «Сага», река «Атжаксы») составлена карта – схема района размещения источников загрязнения окружающей среды. Составление экологической карты – схемы необходима для анализа и учета влияния климатических факторов, рельефа местности на условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, а также для определения местоположения соседних источников загрязнения, выбросы от которых складывается с выбросами от рассматриваемого источника загрязнения. Так как рельеф местности равнинный, без ярко выраженных перепадов высот, радиус охвата карты – схемы принимается таким, когда снижение концентрации выбрасываемых вредных веществ принимает устойчивый характер.

В результате таких исследований было установлено, что именно выбросы углеводородов превышают ПДК в атмосфере близлежащих населенных пунктов, что ставить перед фактом необходимости устранения вредного воздействия таких отходов окружающей среде путем их переработки.

 

граница ПДК суммарного SO₂и NO₂ от источника № 0002;

граница рассеивания углеводородов С1 – С10 до 2 ПДК;

граница территории предприятия ЖНГК;

граница ПДК суммарного SO₂и NO₂ от источника № 0001;

источники выбросов вредных веществ;

территория населенных пунктов.

 Рисунок 1 - Ситуационная карта-схема района размещения предприятия

 

В третьей главе выполнено аналитическое обоснование и разработка конструкции устройства с концентрирующими элементами солнечной энергии. Конструктивными элементами устройства разработанного нами являются:

             лучепоглащающая поверхность устройства, представляет собой съемную светопроницаемую оболочку в виде цилиндрических линз. В качестве светопроницаемой оболочки использовали пластиковые емкости.По оптическим свойствам пластиковые линзы почти не отличаются от стеклянных, а по ряду признаков даже превышают их. Например, пластиковые линзы, в отличии от стеклянных, способны удерживать значительную часть ультрафиолетовых лучей. Кроме того они легче, чем стеклянные, они не бьются при ударе, а так же хорошо подвергаются окрашиванию. В эксплуатации замечено, что бесцветные пластиковые емкости нагреваются быстрее и дают температуру выше, чем тёмные - физика оптики (фокусировка лучей от вогнутой оболочки). Прозрачное тело, в данном случае цилиндрической формы, бесцветная пластиковая емкость, внутри наполненная наполовину нефтяным маслом для лучшей фокусировки солнечных лучей. При этом показатель преломления у нефтяного масла выше, чем у воды и составляет 1,477 – 1,495.

При падении излучения на лучепоглащающую поверхность часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться (при наличии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неё. Поглощённое излучение превращается в тепло или излучается с другой длиной волны (фотолюминесценция);

      пластиковая емкость со светопроницаемой оболочкой в виде пластиковых линз заполненная на половину нефтяным маслом это натуральная цилиндрическая, двояковыпуклая линза со свойством близким к стеклянной, той же формы и размеров. И очень коротким фокусом в несколько сантиметров. Такая линза собирает световой поток не в точку, как сферическая линза, а в линию. Но температура в этом фокусе емкости, в солнечный день, будет весьмавелика.

      металлический корпус, изготовленный из нержавеющего металла. Корпус имеет теплоизоляцию. Так как теплоизоляционный материал должен отвечать таким требованиям, как: должен иметь низкий коэффициент теплопроводности λ, низкую плотность ρ, высокую температуру плавления, высокую сопротивляемость различным вредным воздействиям и влиянию погодных условий. Одним из таких материалов является пенопласт: λ = 0,03 – 0,08 Вт/м∙К; ρ = 0,4 – 0,7 кг/м³, t_плав= 150 ⁰С. Корпусвнутриокрашен в черныйцвет, поглощающиесолнечныелучи. Корпус устройства должна быть герметичной и не должна допускать утечки теплоносителя и попадания влаги и пыли внутрь устройства;

Разработанное устройство с концентрирующими элементами солнечной энергии использовали для предварительной обработки нефтезагрязненного грунта и тепловой обработки грунтобетона с применением солнечной энергии.

 

 Рисунок 2 - Устройства для предварительной обработки нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии

 

Разработанный новый способ предварительной обработки нефтезагрязненного грунта включает отмывку грунта в устройстве. Нефтезагрязненный грунт берется из шламонакопителя нефтяных месторождений. В целях создания условии вытеснения нефти из грунта нефтезагрязненный грунт смешиваются с водой, для чего сначала в емкость заливается вода, а сверху закладывается нефтезагрязненный грунт. В верхней части корпуса на металлическом каркасе устанавливаются съемные светопроницаемые оболочки в виде цилиндрической формы из пластиковых линз, на половину заполненные нефтяным маслом, что позволяет максимально сфокусировать прямые и рассеянные солнечные радиации.

После перемешивания грунта с водой происходит насыщение и нагревание смеси. При этом образуются каналы, через которые в процессе нагревания солнечной энергией начинают выделяться нефтепродукты. Полученная продуктивная нефть через трубу соединенную с корпусом сливается в резервуар для сбора нефти.

 

Таблица 1– Компонентный состав нефтезагрязненных грунтов и их твердых остатков после предварительной обработки с использованием солнечной энергии

 

Нефтяныеотходы	Состав, масс. %
	Органическаячасть	Механическиепримеси			вода
Дообработки
Нефтезагрязненныйгрунт	30,5	67,4	2,1
Послеобработки
Твердыйостатокнефтезагрязненногогрунта	8,65	84,35	7,0

Данный способ решает важную экологическую проблему очистки нефтезагрязненных грунтов, способствует восстановлению и предотвращению деградации природных комплексов, снижению загрязнения почвенного слоя и водоемов. Это позволит утилизировать нефтяные амбары - и шламонакопители по всему нефтедобывающему региону с использованием солнечной энергии, а также получить экологически чистое изделие из предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов.

В четвертой главе изучены характеристики примененных материалов, определены основные методики проведения экспериментальных исследовании, дана экспериментальная оценка эффективности использования солнечной энергии при изготовлении грунтобетона с применением предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов. Для исследования особенности формирования структуры грунтобетона проведены физико – механические испытания (определение прочности при сжатий, растяжению при изгибе, водопоглащение, морозостойкость) и физико – химические исследования (ИК-спектр, рентгено-фазовый, дефферинцально-термический и элементный микрозондовый анализ, электронно-сканирующая микроскопия).

Для проведения экспериментального исследования нами были разработаны экспериментальные и контрольные образцы грунтобетонной смеси из четырех составов на основе предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии. Каждый состав отличается количеством вводимых компонентов, так 1 состав состоит из нефтезагрязненного грунта + цемента + воды; 2 состав: нефтезагрязненный грунт + цемент + песок + вода; 3 состав: нефтезагрязненный грунт + цемент + вода + добавка; 4 состав: нефтезагрязненный грунт + цемент + песок + вода+ добавка.

Предлагаемая категория полиминерального сырья состоит главным образом из отходов нефтяной промышленности, что выгодно определяет технико-экономические и ресурсосберегающие показатели производства грунтобетонов и их основных свойств.

Принципиально важным вопросом является условия твердения грунтобетона с использованием предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов. Этот вопрос в работе исследован в двух направлениях: твердение грунтобетона в нормальных условиях (температура 20 2⁰ С и влажность 95 %) и при тепловой обработке с применением солнечной энергии с последующим твердением при нормальных условиях. Важно учитывать условия температурных воздействий. С повышением температуры в диапазоне 40 – 65 ^оС ускоряются процессы структурообразования, а так же возрастает энергия контактных воздействий. С ростом энергии активации дисперсий комплексного вяжущего в дисперсной среде процесс самоорганизации формирования структуры приводит к снижению свободной энергии системы создающей потенциальный запас упругой энергии композита. Тогда реакционная способность вяжущей будет возрастать. В этом суть ускоренного твердения грунтобетона.

За счет солнечной энергии, а также конвективного теплообмена в нагреваемой среде, изделие вместе с самим устройством разогреваются. При этом относительная влажность паровоздушной смеси в устройстве снижается. С открытой поверхности изделия начинает испаряться влага, которая ассимилируется паровоздушной смесью. Процесс испарения идет до создания в устройстве при данной температуре нагрева среды насыщенного пара.

Влага, передвигаясь с поверхности внутрь материала, вытесняет из него воздух и занимает его место. Удаляясь из материала, влага замещается воздухом, поступающим из окружающей среды. Поэтому нагрев при тепловой обработке грунтобетона сопровождается процессами тепло - и массообмена. Известно, что интенсивность внешнего массопереноса в процессе тепловой обработки грунтобетона оказывает заметное влияние на его качественные показатели.

Тепловая энергия, оказывающая влияние на формирование температурного режима в грунтобетоне, складывается из одновременного воздействия на него тепловой энергии, переданной излучением из окружающего пространства; теплоты, выделенной вследствие экзотермии. Тепловыделение грунтобетона зависит от химического и минералогического состава цемента и используемого нефтезагрязненного грунта, тонкости его помола, водоцементного отношения, температуры бетона и продолжительности твердения, теплоты, аккумулированной грунтобетоном за световой день.

Исследование кинетики прогрева и прочности грунтобетона, подвергнутого тепловой обработке с применением солнечной энергии при различных условиях показали, что светопроницаемая оболочка, в виде цилиндрической формы из пластиковых линз заполненная наполовину нефтяным маслом для лучшей фокусировки солнечных лучей, в совокупности с полиэтиленовой пленкой накрываемой сверху при отсутствии солнечной радиации и при низких положительных и отрицательных температурах окружающей среды, являются высокоэффективными тепло - и влагоизолирующими покрытиями. Полиэтиленовая пленка, накрываемая сверху, предотвращает теплопотери при нагреве в течение светового дня, а так же обеспечивает требуемый температурный режим в среде. Новыйспособ интенсификации твердения изделий с применением солнечной энергии,предусматривающий воздействие солнечной радиации на их поверхность, через светопроницаемую оболочку в виде цилиндрической формы из пластиковых линз, заполненной на половину нефтяным маслом, позволяет использовать тепло солнечной радиации даже невысокой плотности.

Аккумуляция теплоты в грунтобетоне зависит от коэффициента пропускания, отражения и поглощения концентрирующих элементов. Грунтобетон нагретый за день солнечной энергией, в ночное время охлаждается, стремясь к тепловому равновесию с окружающим пространством.

После тепловой обработки грунтобетона в устройстве со светопроницаемой оболочкой в виде цилиндрической формы из пластиковых линз, заполненной на половину нефтяным маслом физико-механические показатели экспериментальных образцов грунтобетона составили результаты, приведенные в таблице 2.

 

Таблица 3 – Физико-механические показатели экспериментальных образцов грунтобетона

 

№	Наименованиепоказатели	Значениетехническихпоказателей
		По СНиП, для 2 кл проч.	Составы
			1	2	3	4
1	Предел прочности при сжатие водонасыщенных образцов, МПа	6-4	0,66	4,99	2,4	5,73
2	Предел прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов, МПа, не менее	1,0	0,18	1,56	0,67	1,6
3	Коэффициентморозостойкости, неменее	0,75	0,11	0,75	0,33	0,81

 

Как видно из результатов таблицы 2, грунтобетон 1, 3 составы не отвечают поставленному техническому результату, их прочность ниже от требуемого на 40 – 60%, а составы 2 и 4 по качеству соответствует требованиям инструкции к стабилизированным грунтам 2 класса по прочности.

Большая прочность при сжатии грунтобетона 4 - го состава объясняется правильным подбором состава: комплекса песок + добавка, наличием в составе органической части соединений с ненасыщенной химической связью, которая повышает их реакционную способность, а так же применением предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов, так как после предварительной обработки соотношения углерода к водороду изменяется согласно приведенному ряду: битумы (6,29 -10,7) нефтезагрязненные грунты (8,56 - 8,79).

У нефтезагрязненных грунтов приоритет по прочности на растяжение при изгибе объясняется содержанием смол, обеспечивающих адгезию, когезионные связи и эластичность.

В соответствии изложенными выше оптимальные составы могут быть рекомендованы для устройства оснований или в качестве покрытия автодорог местного значения. Они могут быть также рекомендованы в качестве оснований, выполняющих функцию трещино-прерывающих слоев. При этом улучшаются технологические свойства: удобообрабатываемость, за счет наличия пластифицирующих добавок – нефти, а значит и гомогенность и удобоукладываемость. Повышаются эксплуатационные показатели: прочность при сжатии и растяжение, морозостойкость и деформационная способность за счет применения цемента, обеспечивающего кристаллическую структуру пространственному каркасу, возникающему в укрепленном грунте. Это объясняется тем, что нефть имеет коагуляционную структуру, и присутствие в нем цемента обеспечивает смешанную коагуляционно-кристалическую структуру грунта с реальной возможностью получения грунтобетона с высокими физико-механическими показателями. Социальный эффект достигается улучшением экологической обстановки района добычи нефти за счет утилизации нефтезагрязненного грунта и снижения экологической нагрузки на окружающую среду; реабилитацией территорий, загрязненных нефтезагрязненными грунтами, а также обращением к нетрадиционным источникам, наблюдаемых во всем мире, объясняется как лимитированием традиционных источников энергии, так и в большей степени критической экологической обстановкой, вызванной сжиганием органических видов топлива и возникновением так называемого «парникового» эффекта. Применение возобновляемых источников и преобразование их энергии в наиболее удобные формы – электричество и тепло, обходится сегодня чрезвычайно дорого. Вместе с тем, трудности, которые ожидают человечество в случае увеличения или сохранения темпов прироста отрицательного воздействия на природу в результате промышленной деятельности и энергопроизводства, вынуждают изыскивать средства и развивать исследования, направленные на повышение эффективности экологически чистых видов энергии и прежде всего солнечной.

Таким образом, грунтобетон на основе предлагаемого состава отличается применением возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной энергии, снижающей энергозатраты, низкой себестоимостью и решает вопросы утилизации нефтесодержащих отходов. Разработанный экологически чистый грунтобетон может быть использован при устройстве основании автомобильных дорог с минимальными энерго- и трудозатратами.

Результатами физико-химических исследований установлено, что применение солнечной энергии при тепловой обработке грунтобетона усиливает процессы гидратации и фазообразования, способствует уплотнению и упорядочению микроструктуры и обеспечивает равномерное распределение составляющих грунтобетона.

Для изучения фазового состава и структуры цементного камня и грунтобетона применялся ИК-спектр, рентгенофазовый, деффиренциально-термический и микрозондовый анализ, а так же электронно-сканирующая микроскопия, которые позволяют оценить степень гидратации цементного вяжущего и состояние цементного камня.

Установлено, что исследованные образцы на ИК – спектр имеют полосы поглощения, характерные как для органических, так и неорганических объектов.

Так, органические составляющие представлены алифатическими углеводородами. Полосы поглощения в области 2840-2960 см^-1 соответствуют симметричным и асимметричным колебаниям СН₃- и СН₂-групп, в области 1440-1470 см^-1 – деформационным колебаниям этих групп, при ~720 см^-1 – вибрационным колебаниям –(СН₂)_n-группировок.

Неорганическая часть соответствует силикатам, алюмосиликатам и материалам подобного типа. Наиболее характерным для этих силикатов является сильная полоса поглощения в области 1100 см^-1 (до 1030 см^-1), которая в зависимости от природы минерала может проявлять себя как в виде синглета, так и мультиплетов. Полосы поглощения в области 3400-3700 см^-1 (сглаженные горбы) и 1640 см^-1 соответствуют ассоциированным молекулам воды, как кристаллизационной, так и кристаллогидратной.

 

Волновоечисло, см^-1

Волновое число, см ^-1

Рисунок 4 - Фрагмент рентгенограммы оптимального состава экспериментальных и контрольных образцов грунтобетона.

Введение бетонной добавки способствует усилению процесса фазообразования и появлению дополнительных дифракционных максимумов на рентгенограмме образцов, подвергнутых тепловой обработке с применением солнечной энергии.

Результаты рентгенофазового анализа позволяют дать сравнительную оценку интенсивности процессов фазообразования в грунтобетонах. Так рентгенограммы образцов грунтобетонов, на основе предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов показывают, что снижение интенсивности дифракционных максимумов кварца характерных для гидросиликатов свидетельствует о том, что применение метода тепловой обработки с применением солнечной энергии интенсифицирует процессы гидросиликатообразования.

 

а)

 

б)

Рисунок 39 - Фрагмент рентгенограммы экспериментальных (а) и контрольных (б) образцов грунтобетона из нефтезагрязненного грунта (РФА) (состав 4 и 44).

 

Таблица 31 - Основные структурные составляющие грунтобетона 4 состава

 

№ п/п	Названиекомпонента	Химическаяформула	Шкальныйфактор	Процентноесоотношение
1	Додекасодиумгидрат	Na12 (Fe(H2O))2Fe2 (As2W15O56)2(H2O)54	0.249	17
2	Тоберморит 9А	Ca4(Si6O15)(OH)2(H2O)5	0.528	66
3	Кварц	SiO2	0.725	17

 

Рисунок 40 - Диаграмма основных структурных составляющих грунтобетона 4 состава

 

Таблица 32 - Основные структурные составляющие грунтобетона 44состава

 

№ п/п	Названиекомпонента	Химическаяформула	Шкальныйфактор	Процентноесоотношение
1	Кварц	SiO2	0.722	62
2	Вода	H2O	0.090	16
3	Карбонаткальция	CaCO3	0.048	4
4	Доломит	(Mg0.06Ca0,94)(CO3)	0.110	9
5	Нитратнатрия	Na(NO3)	0.088	9

 

Рисунок 41 - Диаграмма основных структурных составляющих грунтобетона 44 состава

Наличие двойного эндоэффекта на термограммах указывает на присутствие как гигроскопической влаги в образцах, так и адсорбционно-связанной. Интенсивность эндоэффекта и его температура являются показателями количества, степени связанности со скелетом, влиянием на физико-химические процессы отвердевания грунтобетонов.

а)

б)

Рисунок 5 - Фрагмент дериватограмм оптимального состава экспериментальных (а) и контрольных (б) образцов грунтобетона.

Методом элементного микрозондового анализа исследованы по три точки структурной поверхности каждого образца грунтобетонов.

Применение элементного микрозондового анализа образцов грунтобетона позволило определить степень однородности распределения элементов в зависимости от введенных добавок (комплекса песок+добавка) и условий твердения (применение солнечной энергии).

Таблица 4 - Элементный микрозондовый анализ образцов

 

Элемент	Массовое содержание в точке микрозондового анализа
	№4а	№4а	№4а	№4б	№4б	№4б
C	46.02	17.79	31.09	20.62	47.91	24.53
O	30.46	52.18	40.21	44.67	35.29	45.36
Si	6.32	1.13	3.21	9.20	6.08	12.27
Ca	4.06	14.41	9.19	18.89	6.89	10.43

 

Метод электронно-сканирующей микроскопии образцов позволяет установить закономерности процессов структурообразования в грунтобетонах в зависимости от состава и условий твердения.

Микроструктура грунтобетона показывает его строение, обусловленное формой, размерами и характером срастания минеральных зерен друг с другом и вяжущим, а также их взаимоотношение. Добавка цемента в грунтобетоны на основе нефтезагрязненных грунтов является важной составной частью, обуславливающей их физико-механические свойства.

 

 

 

 

Рисунок 6 - Микроструктура оптимального состава экспериментальных (а) и контрольных (б) образцов грунтобетона, х500

 

Электронно-сканирующая микроскопия микроструктуры грунтобетонов показали, что продукты гидратации портландцемента способны срастаться с минеральным скелетом грунта. А продукты гидратации цемента взаимодействует с минералами входящими в состав грунтобетона, образуя микроагрегаты.

Для исследования процесса формирования температурного поля при тепловой обработки грунтобетона с применением солнечной энергии составлена математическая модель с использованием компьютерной программы на языке Delphi.

В пятой главе для проверки полученных лабораторных результатов применительно к реальным изделиям нами было осуществлено опытно-промышленное внедрение новой технологии изготовления грунтобетона из предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта для строительства основании автомобильных дорог с применением солнечной энергии в ТОО «КСМ и К» г. Кызылорда, а также в целях внедрения опытного участка автомобильной дороги с использованием предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта нами был сдан опытный участок автодороги, построенного с использованием предварительно обработанного нефтезагрязненного грунта с применением солнечной энергии.

Опытный участок автодороги построен на территории АО «Петро Казахстан КумкольРесорсиз» в районе месторождении «Досжан», «Караванчи», «Кемер».

Полный экономически эффект от внедрения новой технологии с годового экологического ущерба, предотвращенного в результате снижения или прекращения негативного воздействия объектов на окружающую среду (891 542 тенге),прироста прибыли на производство рациональной технологии, использующей в качестве сырья предварительно обработанный нефтезагрязненный грунт (840 000 тенге/т) и от применения солнечной энергии (1 769 050 тенге/тыс.м³) составляет 3 500 592тенге в год.

 

 

Заключение

 

В диссертации изложены научно обоснованные решения по снижению техногенного воздействия нефтяных отходов Жанажольского нефтегазового комплекса, путем утилизации их в дорожное строительство с применением солнечной энергии. Основные результаты, практические выводы и рекомендации заключаются в следующем.

        Выполненный анализ литературных данных по утилизации нефтяных отходов показал возможность изготовления грунтобетона для дорожного строительства на основе техногенных отходов;

        В результате оценки экологического состояния ЖНГК впервые составлена карта – схема территории расположения ЖНГК для выявления и анализа отрицательного воздействия вредных выбросов на окружающую среду;

        На основании теоретических предпосылок, полученных по результатам исследования тепловых ресурсов солнечной энергии, разработано новое устройство с концентрирующими элементами солнечной энергии для предварительной обработки нефтезагрязненного грунта и тепловой обработки грунтобетона;

        Тепловая энергия, оказывающая влияние на формирование температурного режима в грунтобетоне, складывается из одновременного воздействия на него тепловой энергии, переданной излучением из окружающего пространства; теплоты, выделенной вследствие экзотермии. Тепловыделение грунтобетона зависит от химического и минералогического состава цемента и используемого нефтезагрязненного грунта, тонкости его помола, водоцементного отношения, температуры бетона и продолжительности твердения, теплоты, аккумулированной грунтобетоном за световой день;

        В целях изучения процесса формирования температурного поля при тепловой обработке грунтобетона с применением солнечной энергии составлена математическая модель;

        По экспериментальным данным установлено, что наиболее оптимальным составом образцов грунтобетона из предварительно обработанных нефтезагрязненных грунтов является 4-ый состав (нефтезагрязненный грунт – 60 %, цемент – 13 %, песок – 28 %, вода и бетонная добавка). Физико-механические показатели, которых составили следующие: предел прочности при сжатии – 5,73 МПа; предел прочности на растяжение при изгибе - 1,6 МПа; коэффициент морозостойкости – 0,81;

        По данным физико-химических методов исследований (РФА, ДТА, элементный микрозондовый анализ, электронно-сканирующая микроскопия, ИК-спектр) на процессы гидратации и фазообразования в твердеющих системах следует, что применение солнечной энергии усиливает процессы гидратации и фазообразования, способствуют уплотнению и упорядочению микроструктуры, обеспечивает равномерное распределение составляющих грунтобетона;

        Проведены экспериментальные исследования, опытно-промышленные испытания и внедрения технологии изготовления грунтобетона и опытного участка автомобильной дороги с применением солнечной энергии;

        Выполнен эколого-экономический расчет предотвращенного ущерба и экономической эффективности от использования солнечной энергии. Данные мероприятия обеспечивают предотвращение экологического ущерба от внедрения новой технологии изготовления грунтобетона с применением солнечной энергии на сумму 3 500 592 тенге в год, и результаты исследования могут быть использованы в различных отраслях экономики РК при утилизации нефтяных отходов с применением солнечной энергии.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута, задачи исследований решены полностью, результаты исследований доведены до внедрения.

Рекомендации по использованию полученных результатов. Результаты работы могут быть рекомендованы для использования в нефтегазовой промышленности для утилизации нефтяных отходов с применением солнечной энергии, а также в строительной индустрии для изготовления грунтобетона.