Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технология утилизации отходов химической и нефтехимической промышленностей в дорожном строительстве

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Шарифуллин, Алмаз Амирзянович, Казань

/

/

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ШАРИФУЛЛИН АЛМАЗ АМИРЗЯНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЕЙ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов

На правах рукописи

Научные руководители:

чл.-корр. АЕН РФ, д.т.н., профессор Дияров И.Н.

к.х.н., доцент Фахрутдинов Р.З.

Казань 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. 7

1.1. Проблемы экологии нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических отраслей промышленности 8

1.2. Химическая активация сырья бтумного производства 12

1.3. Физическая активация сырья битумного производства 17

1.4. Интенсификация битумного производства с использованием катализаторов 20

1.5. Методы определения активного состояния сырья битумного производства 23

1.6. Модификация свойств битума путем введения в них специальных добавок 29

ГЛАВА 2. Окисление гудрона в присутствии активирующих добавок 35

2.1. Физико-химические характеристики сырья и вводимых

добавок 36

2.2. Описание установки, режима окисления и результаты окисления в присутствии активирующих добавок 42

2.3. Воздействие активирующей добавки на реологические свойства и коллоидную структуру сырья окисления 49

ГЛАВА 3. Модифицирование битумов 56

3.1. Модифицирование битумов элементной серой 56

3.2. Битумно-резиновые композиции 63

3.3. Улучшение качества битумных лака модифицированием исходного битума 74

ВЫВОДЫ 87

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 89

ПРИЛОЖЕНИЯ 101

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Состояние дорожных покрытий является существенным фактором, влияющим на расход топлива и количество выхлопных газов. Основной же причиной плохого состояния дорожных покрытий и низкого срока их службы является неудовлетворительные эксплуатационные характеристики битумного вяжущего. Решение этой проблемы требует изыскания доступных модифицирующих битум добавок.

С другой стороны, само производство дорожных битумов сопровождается выбросом отработанных газов и тем в большей степени, чем продолжительнее процесс окисления. Данная проблема требует разработки способов ускорения процесса окисления с участием активирующих добавок.

В связи с этими проблемами представляют интерес некоторые побочные продукты и отходы химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, создающие экологические проблемы и не находящие квалифицированного применения. Исходя из знаний физико-химических основ процесса получения окисленных битумов можно предположить целесообразность их использования в качестве активаторов процесса окисления и модификаторов битумных вяжущих.

Актуальность темы диссертации также подтверждена тем, что работа выполнялась в соответствии с положениями законопроекта Государственного Совета РТ "Об отходах производства и потребления" и в рамках Целевой программы РТ "Управление отходами производства и потребления".

Цель работы. Решение проблемы рационального и экологически приемлемого использования крупнотоннажных отходов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности с одновремен-

ным улучшением качества дорожных битумов, сокращения продолжительности процесса окисления, снижения выбросов отработанных газов при производстве битумов. Повышение интенсивности процесса производства окисленного нефтяного битума путем вовлечения в сырье активирующих добавок, повышение эксплуатационных свойств нефтяных битумов и асфальтобетонов на их основе посредством модифицирующих добавок, разработка способов введения указанных добавок, а также получение лакокрасочных композиций на основе модифицированного битума. Исследование влияния активирующих добавок на реологические свойства и коллоидную структуру сырья окисления. Вовлечение в решение поставленных задач отходов различных отраслей промышленности и, тем самым, создание экологически приемлемого направления их утилизации.

Научная новизна работы.

- в процессе изучения закономерностей изменения реологических свойств и коллоидной структуры сырья окисления предложены новые активирующие добавки на основе отходов нефтехимических производств и способ их введения в процесс окисления.

- разработаны способы получения модифицированных битумных композиций и асфальтобетонов на их основе с вовлечением отходов резиновой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и лесной отраслей промышленности.

- разработана технология получения лакокрасочных композиций на основе модифицированного нефтяного битума.

Практическая значимость работы. Практическое значение полученных результатов состоит в разработке интенсивной технологии производства окисленных битумов с улучшенными эксплуатационными характеристиками,

модифицированных битумных композиций высокого качества и асфальтобетонов на их основе. Причем, в данные разработки вовлечены отходы различных отраслей промышленности, что позволяет решить проблему их рационального утилизирования и улучшения экологической обстановки.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на 1 Международном Симпозиуме "Наука и технология углеводородных систем" (г. Москва, 1997г.); научно-практической конференции "Тюменская нефть - вчера и сегодня" (г. Тюмень, 1997г.); семинарах, научных сессиях (г. Казань, 1997-1998г.).

Публикации. По теме диссертации имеются 10 публикаций, из них 2 заявки на патенты и 1 решение о выдаче патента.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, 2 приложений, изложенных на 105 стр. машинописного текста, включая 24 таблицы, 10 рисунков и списка использованной литературы в количестве 130 наименований.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Ухудшение среды обитания человека, вызванное непрерывным наращиванием промышленности, приводит к росту негативных медицинских, социальных, экологических и других проблем. В конечном счете происходят необратимые изменения окружающей среды, угрожающая самому факту существования живой природы, в том числе и человека.

Предотвращение загрязнения окружающей среды является актуальной задачей нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических отраслей промышленности /1/. Одним из существенных аспектов снижения нагрузки на окружающую среду является рациональное использование многотоннажных отходов вышеуказанных производств, в частности, в качестве инициирующих добавок к сырью для производства окисленных битумов и их модификаторов.

Несмотря на многочисленные исследования по подбору оптимальных видов сырья и параметров процесса получения окисленных битумов /2-5/ большинство вырабатываемых битумов характеризуются низкими эксплуатационными свойствами: высокой хрупкостью при отрицательных температурах и недостаточными значениями прочности и теплоустойчивости. Все это сокращает сроки службы дорожных покрытий и тем самым наносит большой материальный ущерб народному хозяйству. Необходим поиск новых нетрадиционных методов на базе современных достижений в области физико-химической механики дисперсных систем /6-8/. Именно эта область и объединяет исследователей с различными взглядами на структуру битумов /9-11/.

Регулирование фазовых переходов с точки зрения физико-химической механики, изучающей их кинетические и термодинамические аспекты, позволяют оптимизировать режим окисления нефтяного сырья /12/, а также повышать качество битума, а следовательно и долговечность битумных покрытий /13/.

Из имеющегося обширного литературного материала следует, что в настоящее время существенны три основных способа повышения качества и выхода окисленных битумов:

1) активация сырья;

2) интенсификация самого процесса окисления;

3) модификация свойств окисленных битумов.

В соответствии с вышеизложенным литературный обзор составлен из анализа имеющегося материала по вышеуказанным направлениям, а также по современному состоянию охраны окружающей среды, вызванной деятельностью нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств, а также по указанным направлениям повышения качества и выхода битума.

1.1. Проблемы экологии нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических отраслей промышленности.

В наибольшей степени отрицательно влияют на обитаемую среду такие отросли промышленности, как нефтехимическая, нефтеперерабатывающая и химическая. Анализу современного состояния охраны окружающей среды и проблем, вызванных деятельностью комплекса этих отраслей промышленности посвящен ряд обзорных материалов /14,15/. Указанные отрасли промышленности загрязняют воздушный, водный бассейны и почву. Только в 1996

году нефтеперерабатывающими заводами России выброшено в атмосферу 845 тыс. тонн загрязняющих веществ /16/. Улавливается и обезвреживается около 55% вредных веществ, причем этот показатель из года в год увеличивается. Платежи за загрязнения окружающей среды в 1996 году составили 38243 млн. рублей. За сверх нормативные выбросы загрязняющих веществ экологические платежи составили 10974,7 млн. рублей.

Источниками загрязнения окружающей среды на битумных окислительных установках являются два вида выбросов: газы окисления и органические пары, выделяющиеся при разливе, транспортировке и хранении битума /17/. Отходящие газы окисления в своем составе содержат преимущественно азот, пары воды, диоксиды и оксиды углерода, сероводород, сернистый ангидрид, углеводороды и кислородсодержащие соединения. Газовые выбросы, как правило, не регенерируются и не утилизируются, а сжигаются в печах дожига и выбрасываются в атмосферу. При этом в них повышается содержание сернистого ангидрида с образованием окислов азота.

Хотя сжигание газовых выбросов и позволяет существенно уменьшить загрязнение воздушного бассейна, однако целесообразно снизить количество выбросов путем совершенствования технологии производства и аппаратурного оформления, в частности внедрением технологии получения битумов с использованием процесса висбрекинга /18,19/, а также улавливания и утилизации отходящих газов.

Состав испарений готового битума включает в основном углеводороды, в частности 3,4-бензопирен в количестве 0,2-0,25 мКг/м3 /20/. Снижение испарений достигается снижением температуры слива (например, до 120-140°С) и правильной эксплуатацией оборудования.

Нефтеперерабатывающая, нефтехимическая и химическая отрасли промышленности, используют для производственных процессов десятки миллионов кубов воды в год как в технологических целях, так и в качестве хладагента. Причем вода в той или иной степени загрязняется различными органическими и неорганическими соединениями, среди которых наиболее опасными являются углеводороды, гетероатомные соединения нефтей, растворители и реагенты (фенол, фурфурол, и др.).

Борьба с отрицательным влиянием на водный бассейн ведется различными методами: созданием технологических систем с минимальным водопо-треблением или с многократным потреблением воды без вывода в водоем, заменой охлаждающей воды в тешюобменных аппаратах воздухом, совершенствованием существующих технологий с целью исключения или минимизации отходов, созданием замкнутых систем водного хозяйства предприятий или групп предприятий и другие научно-технические мероприятия.

Современные технологии очистки сточных вод позволяют достичь любого желаемого уровня очистки воды. Другой вопрос на сколько это экономично зависит в каждом конкретном случае от расхода воды, состава стоков и задач использования очищенной воды. На многих НПЗ сточные воды подвергаются биологической очистке, затем доочистке в биопрудах, на песчаных фильтрах и флотаторах /21/. Однако и в этом случае сточные воды НПЗ не отвечают повышенным требованиям для сброса в водоем и могут стать причиной гибели водорослей, высших растений, зоопланктона, рыб и моллюсков. Так эффективность очистки сточных вод биосорбционны м методом указано в работе /22/.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности образуется значительное количество твердых, высоковязких отходов таких как.

отходы полимеров, нефтяные шламы, кубовые остатки, остатки из резервуаров, загрязненные илы отработанные адсорбенты и катализаторы. Уничтожение этих отходов достаточно сложная проблема. Из-за несовершенства технологии часть их приходится захоранивать или хранить в специальных накопителях, откуда они могут загрязнять почву, водоносные горизонты и открытые водоемы.

Одним из рациональных способов снижения указанных нагрузок на окружающую среду является создание безотходной и малоотходной технологий, известной как экологически выгодной технологии, включающей разнообразные аспекты, одним из которых является рациональное использование отходов некоторых нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Так при производстве синтетического каучука, в процессе разделения продуктов дегидрирования углеводородов С4 и С5 экстрактивной дистилляцией с использованием в качестве растворителя диметилформамида, образуется в значительных количествах кубовый остаток - смола, не имеющая квалифицированного применения и сбрасываемая в карьеры.

Другим крупнотоннажным отходом нефтехимического производства является полиалкилбензольная смола, образующаяся при производстве ал кил-бензолов - этил- и изопропилбензола. На одну тонну производимого ал кил-бензола в среднем приходится до 75-80 кг этого вторичного продукта. В связи с этим возникает важная задача поиска пути их квалифицированного использования.

В лесохимической промышленности при пиролизе древесины лиственных пород образуется в виде отхода древесная смола лиственных пород, которая также до настоящего времени не имеет эффективного применения.

Не в полной мере находят применения и отходы резинотехнической промышленности, в частности невулканизированная часть резины, образуемая на стадии транспортировки ее на вулканизацию.

Учитывая масштабы производимых побочных продуктов вышеуказанных производств, количество каждого образующегося отхода достигает суммарно многих тысяч тонн в год. Из вышеприведенных данных можно заключить, что экологически безопасное функционирование нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслей промышленности требует решения больших научных и научно-технических проблем, в том числе разработки новых технологий рационального использования отходов этих производств.

Нам представляется наиболее рациональным с экологической точки зрения использование этих отходов, минуя процессы сжигания и сжигания.

В диссертации раскрыты некоторые подходы рационального использования отходов различных химических производств.

1.2. Химическая активация сырья битумного производства.

Нефтеперерабатывающая промышленность располагает широким ассортиментом сырьевых ресурсов разнообразного химического состава и свойств /23,24/, а также различными технологическими приемами для производства битумов /25/. Совершенствование аппаратурного и технологического оформления привело к улучшению технико-экономических показателей процесса.

Различия в качестве сырья и способах получения битумов оказывают огромное влияние на их химический состав и структуру, предопределяющие

дорожно-строительные качества битумов /26,27/. В качестве сырья битумного производства на современных нефтеперерабатывающих заводах используют гудроны различных нефтей, крекинг-остатки, экстракты селективной очистки масел, асфальтиты процесса деасфальтизации, мазуты, смолы процесса пиролиза и т.д. /2/. Такое разнообразие видов сырья приводит к необходимости эффективного регулирования, как их свойств, так и параметров процесса производства битума с заданным комплексом эксплуатационных свойств.

Несмотря на огромное число публикаций в области битумного производства остаются актуальными задачи интенсификации процессов производства битумов на существующих установках, повышение их качества и отработки новой технологии получения битумов.

Ужесточение требований к окисленным битумам вынуждает исследователей искать новые нетрадиционные методы интенсификации битумного производства и улучшение свойств битума.

Интенсификация современных процессов переработки нефтяного сырья с позиции физико-химической механики нефтяных дисперсных систем основывается на его переработке в активном состоянии, т.е. при экстремальных значениях соотношения размеров ядра и сольватной оболочки сложной структурной единицы ( ССЕ ) /28/.

Реализация физико-химической технологии, основанной на регулировании внешними воздействиями сил межмолекулярного вза