SELECTION OF OIL SLUDGE FOR BITUMEN PRODUCTION

ПОДБОР НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМОВ

Научная статья

Иманбаев Е.И.¹, Боранбаева А.Н.², Серикбаева А.К.^3, *, Бусурманова А.Ч.⁴, Аккенжеева А.Ш.⁵

^1-5 Каспийский университет технологии и инжиниринга имени Ш.Есенова, Актау, Казахстан

* Корреспондирующий автор (akm_rgp[at]mail.ru)

Аннотация

Проведены физико-химические анализы нефтешламов с различных нефтяных месторождении Казахстана с целью выявления характеристик последнего. Изучены физико-химические характеристики и фракционный состав нефтешламов. Проведены сравнительные анализы. На основе анализа нефтешламов установлено, что в них имеется значительное количество нефтепродуктов, которые представляет перед собой в основном тяжелые фракции нефти. В зависимости от группового состава и физико-химических характеристик подобраны нефтешламы Узеньского месторождения как перспективный сырье при получении модифицированных битумов. Полученные данные представляет практический интерес для утилизации нефтяных шламов в качестве частичного заменителя битумной основы при получении модифицированных битумов.

Ключевые слова: нефтепродукты, нефтешлам, характеристика нефтеотходов, отходы, битум.

SELECTION OF OIL SLUDGE FOR BITUMEN PRODUCTION

Research article

Imanbaev E.I.¹, Boranbayeva A.N.², Serikbayeva A.K.^3, *, Busurmanova A.Ch.⁴, Akkenzheeva A.Sh.⁵

^1-5 Caspian University of Technology and Engineering named after Sh.Yessenov, Aktau, Kazakhstan

* Corresponding author (akm_rgp[at]mail.ru)

Abstract

The current study carries out physico-chemical analyses of oil sludge from various oil fields in Kazakhstan in order to identify its characteristics. The article features physicochemical characteristics and a study of fractional composition of oil sludge as well as comparative analyses.  Based on the analysis of oil sludge, it was found that they contain a significant amount of petroleum products, which are mainly heavy fractions of oil. Depending on the group composition and physico-chemical characteristics, oil sludge from the Uzen deposit was selected as a promising raw material for the production of modified bitumen. The data obtained is of practical interest for the utilization of oil sludge as a partial substitute for bitumen base in the production of modified bitumen.

Keywords: petroleum products, oil sludge, characteristics of oil waste, waste, bitumen.

Введение

В настоящее время актуальна проблема вторичного использования отходов. В дорожной отрасли находят применение полимерные отходы, нефтешламы, резиновые крошки, полученные из старых автомобильных покрышек, для устройства асфальтобетона используют срезанный асфальтовый гранулят, в качестве пластификаторов для ПБВ активно применяют отходы лесотехнической промышленности (талловые масла) и т.д. [1].

При производствах нефтехимической направленности неизбежно присутствуют накопления нефтешламовых отходов. В частности, существует проблема утилизации нефтешламов, образующихся при строительстве нефтяных и газовых скважин, при промысловой эксплуатации месторождений, очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты, а также при чистке резервуаров и другого оборудования [2], [3]. Как правило, шламы представляют собой тяжелые нефтяные остатки, содержащие в среднем (по массе) 10 – 56% нефтепродуктов, 30 – 85% воды, 1,3 – 46% твердых примесей (глина, песок, мех примеси). Накопление нефтешламов производят на специально отведенных для этого площадках или в бункерах, по своему физико-химическому составу отходы не сортируют. В шламонакопителях происходят естественное накопление влаги за счет атмосферных осадков, развитие микроорганизмов, протекание окислительных процессов, однако в связи с наличием большого количества солей и нефтепродуктов при общем недостатке кислорода процесс самовосстановления таких отходов может протекать десятки лет. При этом физико-химические составы шламов меняются во времени, а также шлам с резервуаров хранения нефтепродуктов и шлам очистных сооружений отличаются по своей морфологии [4]. В упрощенной модели нефтешламы представляют собой многокомпонентные физикохимические системы (смеси), состоящие из нефтепродуктов, воды и минеральных добавок (песок, глина, окислы металлов). Нефтешламы образуются в ходе производственной деятельности при добыче, транспортировке и переработке нефти-сырца. Не может быть нефтешламов одинаковой природы, т.к. в их основе лежат различные условия образования и различные условия хранения.

Поэтому в зависимости от состава нефтешлама может протекать различные процессы, то есть оно может повлиять на поведение нефтешлама при использовании последнего в качестве добавочной смеси при получении битума [5], [6].

Хотя известны многие способы по применению НШ в производстве модифицированного битума изучение его влияния на свойства битума остается актуальной из-за разности их природы.

 Нами для изучения в качестве исходного сырья использованы 2 образца нефтяных шламов, один образец был отобран с месторождении Узень (образец 1) и второй образец отбирали с месторождений Жетыбай (образец 2), нефтешлам ТОО «СП «CASPIBITUM» (образец 3), Мангистауская область, Казахстан. Физико-химические характеристики используемых нефтешламов приведены в таблице 1.

По результатам анализа было установлено, что массовое содержание составляет % масс.: механических примесей 5,99, воды 0,3, хлористых солей -1744,7 мг/дм³ [7]. Наличие солей в нефти причиняют особенно тяжелые и разнообразные осложнения при переработке. Происходит засорение аппаратуры, соли отлагаются, главным образом, в горячей аппаратуре. Растворенные в воде соли выделяются при испарении воды. Часть выкристаллизовавшихся солей прилипает к этим поверхностям, оседая на ней в виде прочной корки.

 

Таблица 1 – Физико-химические характеристики используемых нефтешламов

Показатель нефтешламов	Образец 1	Образец 2	Образец 3
Содержание воды, % масс.	0,3	38,9	24,2
Содержание механических примесей, % масс.	5,99	37,8	44,6
Содержание хлористых солей, мг\л	1744,7	2339,4	6328,9
Содержание парафин, % масс.	16,0	22,5	4,3
Содержание смол, % масс.	10,9	8,4	15,6
Содержание асфальтенов, % масс.	0,7	0,5	1,4

 

Иногда эти соляные корки отламываются, извлекаются потоком нефти далее и осаждаются в последующей аппаратуре [8]. Так как, содержание воды нефтешламах Узень в умеренном количестве, она испарятся во время перекачки в установке модификации битума [9].

Обсуждение

Исследовались как значительно обводненные образцы нефтешламов, так и образец с незначительным содержанием влаги. В нефтешламах Узень содержание хлористых солей намного меньше, хотя парафины и смол больше. В составе нефтешлама с ТОО «СП «CASPIBITUM» выявлены, 1,4-15,6% тяжелой фракции нефтепродуктов, механических примесей 44,6 %, и 24,2% воды, токсичные никель и ванадий. Наличие в нефтешламах значительного количества смол и тяжелых фракций делает нефтешламы потенциально перспективным сырьем при производстве дорожных битумов. Только данные нефтешламы могут быть использованы для модификации битумов только после предварительной подготовки.

Исследуемые нефтешламы имели и различный фракционный состав (таблица 2). Из таблицы видно, что доля высококипящей органической части в нефтешламах Узенского месторождения составляет 63,8 % масс., что позволяет использовать ее для производства окисленных битумов.

 

Таблица 2 – Фракционный состав используемых образцов нефтешламов

Фракции	Температура кипения при остаточном давлении (рост),°С	Температура кипения при атмосферном давлении,°С (пересчёт)	Массовая доля, % масс.
Образец 1
Вода	-	98-99	0,3
1-я фракция	75-85	200-215	8,7
2-я фракция	140-195	280-350	14,6
Остаток	>320	>450	63,8
Потери:	12,6	-	-
Образец 2
Вода	-	98-99	30,3
1-я фракция	90-145	195-255	21,5
2-я фракция	145-195	255-320	38,2
Остаток	>320	>450	6,1
Потери:	3,9	-	-

  В таблице 3 приведены выходы асфальтенов, смол и масел, а также групповой состав изучаемых нефтешламов.  

Таблица 3 – Содержание асфальтенов, смол, масел в нефтешламах и битумах

Продукт	Выход, % масс.
	смолы	асфальтенов	масла
НШ Образец 1	10,9	0,7	72,2
НШ Образец 2	15,6	1,4	75,4
Битум БНД 70/100	33,58	16,39	50,21

 

Для сравнения в таблице также представлены аналогичные данные для битума марки БНД 70/100, выпускаемого ТОО «СП «CASPIBITUM».

Перед окислением все образцы нефтешламов подвергались фильтрации от крупных механических включений. Для удаления воды из нефтешламов нами успешно опробован метод испарения влаги непосредственно в реакторе окисления, отличающийся эффективностью и простотой реализации. Степень окисления сырья оценивалась по эксплуатационному показателю - температуре размягчения, определяемой по методу "кольца и шара” [10].

Видно, что выход смол из нефтешламов колеблется в интервале (10 - 16) % масс. Содержание смол и асфальтенов в битуме больше, содержание масла меньше, по сравнению с аналогичными содержаниями в нефтешламах.

По результатам анализа видно, что нефтешлам с месторождений Узень относится к высокопарафинистым, чем больше в нефтешламе парафина, тем меньше в его составе смол и асфальтенов. При наличии большого количества парафина применяется способ горячей перекачки, что имеется в нашей установке. Поэтому, по результатам анализа видно, что физико-химические свойства нефтешлама с месторождений Узень полностью отвечает требованиям и их можно применят в установке модификации битума.

Заключение

На основе анализа нефтешламов установлено, что в них имеется значительное количество нефтепродуктов, которые представляет перед собой в основном тяжелые фракции нефти. Согласно полученным данным, основными составляющими нефтешлама являются устойчивая трехкомпонентная система (твердые частицы, масло, вода). Это говорить, что при разных условиях и источниках накопления нефтешламов, в результате их хранения и происходящих при этом физико-химических процессах происходит постепенное усреднение состава и свойств шламов. Наиболее привлекательным с точки зрения содержания различных примесей является образец нефтешлама Узень, также у него сниженное содержание воды и механических примесей, что облегчает первичную подготовку нефтешлама к компаундированию с битумом.

Финансирование Исследование финансируется Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (грант № AP08856022).	Funding The research is funded by the Science Committee of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan (grant no.AP08856022).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Черных О.В. Исследование возможности получения дорожного битума путем окисления нефтешламов / О.В. Черных, П.П. Пурыгин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2009. - Т. 11, №1. – Р. 233-236.
2. Джаналиева Н.Ш. Воздействие нефтяных загрязнений на природные геосистемы / Н.Ш. Джаналиева // Spirit time. – 2020. - №4 (28). - P. 23-28.
3. Минаков В. В. Новые технологии очистки от нефтяных загрязнений / В. В. Минаков, С. М. Кривенко // Нефтегазовые технологии - 2002. - № 3. - С. 4-7.
4. Миннигалимов Р.З. Совершенствование технологии переработки нефтяных шламов. / Р.З. Миннигалимов, Р.А. Нафикова // Нефтяное хозяйство. - 2008. - № 4. - С.54-67.
5. Курочкин, А.К. Нефтешламы - ресурсное сырье для производства светлых моторных топлив и дорожных битумов / А.К. Курочкин и др. // Сфера нефтегаз. - 2010. - №4. - С.72-75.
6. Иманбаев Е.И. К вопросу применения нефтешламов при модификации битума / Е.И. Иманбаев, А.К. Серикбаева, А.Ч. Бусурманова и др. // Международная научно-практическая конференция «Наука и образование: теория и практика», 17.12.2020, г. Нефтекамск, Республика Башкортостан.
7. Магриб, А.Б. Технологи переработки нефтешламов с получением товарных продуктов / А.Б. Магриб // Мир нефтепродуктов. - 2003. - №3. - С.24-26.
8. Серикбаева А.К. Исследование амбарной нефти / А.К. Серикбаева, А.Н. Боранбаева, А.М. Хисметуллина // Интернаука: электрон. научн. журн. 2021. № 16(192). – часть 1. - С. 90-92.
9. Серикбаева А.К. Исследование физико-химических составов нефтешлама / А.К. Серикбаева, Е.И. Иманбаев, А.Н. Боранбаева // Международная научно-практическая конференция «Каспий в XXI веке: региональные и глобальные проблемы, сотрудничество и безопасность», 25 декабря, 2020 - 235б.
10. Гун, Р.Б. Нефтяные битумы / Р.Б. Гун. - М.: Химия, 1973. - 428с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chernykh O.V. Issledovanie vozmozhnosti poluchenija dorozhnogo bituma putem okislenija nefteshlamov [Investigation of the possibility of obtaining road bitumen by oxidation of oil sludge] / O. V. Chernykh, P. P. Purygin // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijjskojj akademii nauk [Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. - 2009. - Vol. 11, No. 1. - pp. 233-236 [in Russian]
2. Dzhanalieva N.Sh. Vozdejjstvie neftjanykh zagrjaznenijj na prirodnye geosistemy [The impact of oil pollution on natural geosystems] / N. Sh. Dzhanalieva // Spirit time. – 2020. - №4 (28). - pp. 23-28 [in Russian]
3. Minakov V. V. Novye tekhnologii ochistki ot neftjanykh zagrjaznenijj [New technologies of purification from oil pollution] / V. V. Minakov, S. M. Krivenko // Neftegazovye tekhnologii [Oil and gas technologies] - 2002. - No. 3. - pp. 4-7 [in Russian]
4. Minnigalimov R.Z. Sovershenstvovanie tekhnologii pererabotki neftjanykh shlamov [Improvement of oil sludge processing technology] / R.Z. Minnigalimov, R.A. Nafikova // Neftjanoe khozjajjstvo [Oil economy]. - 2008. - No. 4. - 54-67 [in Russian]
5. Kurochkin, A.K. Nefteshlamy - resursnoe syr'e dlja proizvodstva svetlykh motornykh topliv i dorozhnykh bitumov [Oil sludge is a resource raw material for the production of light motor fuels and road bitumen] / A.K. Kurochkin [et al.] // Sfera neftegaz [Oil and Gas Sphere]. - 2010. - No. 4. - pp.72-75 [in Russian]
6. Imanbaev E.I. K voprosu primenenija nefteshlamov pri modifikacii bituma [On the issue of the use of oil sludge in bitumen modification] / E. I. Imanbaev, A. K. Serikbaeva, A. Ch. Busurmanova // Mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija «Nauka i obrazovanie: teorija i praktika» [International scientific and practical conference "Science and education: theory and practice"\, 17.12.2020, Neftekamsk, Republic of Bashkortostan [in Russian]
7. Magrib, A.B. Tekhnologi pererabotki nefteshlamov s polucheniem tovarnykh produktov [Technologists of oil sludge processing with the production of commodity products // Mir nefteproduktov [World of petroleum products] / A. B. Magrib. - 2003. - No. 3. - pp. 24-26 [in Russian]
8. Serikbayeva A.K. Issledovanie ambarnojj nefti [Research of barn oil] / A. K. Serikbaeva, A. N. Boranbaeva, M. Khismetullina // Internauka 2021. No. 16(192). - part 1. - pp. 90-92 [in Russian]
9. Serikbayeva A.K. Issledovanie fiziko-khimicheskikh sostavov nefteshlama [Investigation of physico-chemical compositions of oil sludge] / A. K. Serikbateva, E. I. Imanbaev, A. N. Boranbaeva // Mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija «Kaspijj v XXI veke: regional'nye i global'nye problemy, sotrudnichestvo i bezopasnost'» [International Scientific and Practical Conference "The Caspian Sea in the XXI century: regional and global problems, cooperation and security"], December 25, 2020 - 235 [in Russian]
10. Gun, R.B. Neftjanye bitumy [Oil bitumen] / R.B. Gun. - M.: Khimiya, 1973. - 428 p. [in Russian]