王邦俊，海 龍

(遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新 123000)

0 引 言

落地油泥是石油生產(chǎn)中由原油及其他金屬污染物與泥土、砂石等的混合物，其中含有大量蠟質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、固體懸浮物及重金屬鹽、苯、酚等有毒有害物質(zhì)[1]，已被國家歸入《國家危險廢物目錄》。大部分油田采用堆埋法處置，長此以往會污染周邊土壤、空氣、地下水環(huán)境等[2]，使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，最終危害人類健康[3]。同時落地油泥中還存在石油類物質(zhì)、砂石等可二次利用的物質(zhì)，因此采用合理的處理方法成為油田工業(yè)中的重要研究內(nèi)容。

本文采用焚燒法處理遼河油田的落地油泥，焚燒法處理徹底，時間短，效率高。同時焚燒后的殘渣強度得到提升，可用于修筑公路路基，試驗研究不同石灰石粉添加量對于焚燒殘渣的影響，實現(xiàn)落地油泥處理的“徹底無害化”及“資源再利用化”。

1 實 驗

1.1 原材料

落地油泥的原材料來自于盤錦的遼河油田，且經(jīng)過簡單的洗滌和干燥處理，其外觀上呈黑色，部分區(qū)域有發(fā)亮光澤，帶有強烈的刺激性氣味。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[4]對其進行基礎土力學分析，得到該落地油泥的堆積密度為1.57 g·cm-3，含水率為7.32%，烘干后的樣品在馬弗爐中850 ℃下燃燒30 min測得燒失量為5.96%。落地油泥在天然狀態(tài)下比較松散、占地面積大，略潮濕，焚燒時需熱量低，處理時間短，其中有害物可徹底被去除[5]，落地油泥中石油和其他有機物含量低，泥砂占比高，處理方式應以利用其中砂土資源為主。

落地油泥測比重時預先取試樣經(jīng)65 ℃水煮2 h，然后采用比重瓶法測試樣的比重，將其煮沸60 min后測得樣品比重為2.66，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》[6]，一般砂土的平均比重為2.65，粘土比重為2.74，試樣的比重與一般砂土相近，其化學組成主要應為SiO2、Al2O3、Fe2O3，符合路面底基層材料要求。

1.2 實驗方案

焚燒法利用落地油泥中石油成分的可燃性，借助空氣使之燃燒，在焚燒過程中有毒物質(zhì)高溫分解轉(zhuǎn)化成無毒材料[7]。焚燒前在落地油泥中添加一定量的石灰石粉，在高溫條件下煅燒出的CaO會與石油焚燒產(chǎn)生的SO2反應生成CaSO4，能夠有效減少SO2的排放，有助于脫硫固硫，其反應原理如下：

(1)

CaO+SO2+1/2O2→ CaSO4

(2)

落地油泥焚燒時可能會產(chǎn)生有毒有害的二噁英，而CaO能夠與二噁英前驅(qū)物如CPs、CBs、HCP等發(fā)生脫氯反應[8]，并與酸性物質(zhì)Cl2、HCl等反應，可以有效減少二噁英及其前驅(qū)物形成所必需的氯基，從而抑制二噁英的生成[9]。石灰石粉脫硫的最佳溫度為800～850 ℃，而CaSO4在1 300 ℃時才會發(fā)生高溫分解，落地油泥焚燒的理想溫度在800～900 ℃之間較為合理，故焚燒試驗時溫度選擇在850 ℃。

設計實驗分析落地油泥中添加不同石灰石粉含量焚燒后的顆粒分布特征、擊實特性以及無側(cè)限抗壓強度。將石灰石粉按照3%、6%、9%(質(zhì)量分數(shù)，下同)添入落地油泥中混合均勻，在馬弗爐中以850 ℃燃燒30 min得到焚燒殘渣試樣備用。

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[4]和《公路土工試驗規(guī)程》[10]，將焚燒殘渣進行顆粒分析試驗，對于粒徑大于0.075 mm的顆粒用篩分試驗來測定，對粒徑小于0.075 mm的顆粒用密度計法測定。每組焚燒殘渣準備5個試樣，按2%的含水率梯度預先設定好5個含水率，計算出每份試樣材料需要添加的水量，然后將材料按設計好的配比加水混合拌和，悶料12 h完成試驗前期準備工作。然后通過重型擊實儀測定含水率與干密度，按照擊實試驗得到每組焚燒殘渣的最佳含水率和最大干密度，以壓實度為95%的標準每組制備3個試樣，放到標準養(yǎng)護室浸水7 d后進行無側(cè)限抗壓強度試驗[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 落地油泥焚燒后顆粒的分布特征

顆粒分析試驗反映了焚燒殘渣的顆粒分布特征，即每組粒徑的顆粒所占含量，可以用來驗證其能否滿足公路路基材料要求，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 落地油泥顆粒分析結(jié)果Table 1 Analysis results of oil sludge particles

含石灰石粉3%、6%、9%焚燒殘渣中2～0.075 mm顆粒的占比分別為51.31%、47.69%、42.31%，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》[6]，落地油泥中泥土主要為粗粒土，屬于砂類土；粒徑在5～2 mm的顆粒比例最高分別為24.04%、27.02%、29.74%；對比分析可以發(fā)現(xiàn)隨著石灰石粉添加量的增加，泥土中的粗顆粒含量增加。根據(jù)篩分試驗結(jié)果可以通過級配系數(shù)進一步分析，其中不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc的計算方程式分別為：

(3)

(4)

在工程實踐中，當材料的不均勻系數(shù)Cu>5，且曲率系數(shù)Cc在1～3之間時，粒徑級配連續(xù)，粒徑曲線分布表現(xiàn)為平滑，級配良好[12]。將3組試樣的篩分結(jié)果制成級配曲線如圖1所示。

圖1 落地油泥添加石灰石粉焚燒殘渣級配曲線Fig.1 Gradation curves of incineration residue of oil sludge added with limestone powder

根據(jù)級配曲線可知含石灰石粉3%、6%、9%焚燒殘渣的不均勻系數(shù)分別為16.95、15.03、13.53，均滿足條件；而3%、6%焚燒殘渣的曲率系數(shù)分別為0.56和0.92，并不滿足條件，表明其中大顆粒含量較少，級配曲線不平滑，可以添加其他如黃土等物質(zhì)改良；9%焚燒殘渣的曲率系數(shù)為1.27，滿足條件，級配良好。

2.2 擊實特性分析

擊實試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的重型擊實標準儀器進行試驗[13]，通過確定材料的最佳含水率和最大干密度,進而分析不同的石灰石粉含量、含水率與焚燒殘渣干密度的關系[14]，得到不同石灰石粉含量擊實曲線，如圖2所示。

圖2 不同石灰石粉含量擊實曲線Fig.2 Compaction curves of different limestone powder content

從圖2可以看出隨著含水率的不斷增加，三組焚燒殘渣的干密度都呈先增加后減小的趨勢。分析數(shù)據(jù)得出以3%為石灰石粉添加量的最佳含水率為13.47%，最大干密度為1.557 g·cm-3；以6%為石灰石粉添加量的最佳含水率為13.77%，最大干密度為1.645 g·cm-3；以9%為石灰石粉添加量的最佳含水率為13.82%，最大干密度為1.691 g·cm-3。隨著石灰石粉含量的增加，試驗的最大干密度也逐漸增加。

2.3 無側(cè)限抗壓強度分析

影響含油污泥焚燒后殘渣作路面底基層強度的因素分內(nèi)外兩種：內(nèi)因包括砂土成分、添加的石灰石粉等級、混合材料比例、殘渣筑路時的密實度等；外因包括養(yǎng)護的周期、環(huán)境溫度、濕度等[15]。焚燒時提前在落地油泥中添加一定量的石灰石粉并充分混合，發(fā)生一系列的反應，如碳酸化作用、結(jié)晶作用和火山灰作用等[16]，石灰石粉高溫分解出的活性CaO和泥砂中的無機組分SiO2、Al2O3發(fā)生化學反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等具有膠凝性的物質(zhì)。其反應方程式為：

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→xCaO·SiO2·nH2O

(5)

xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→xCaO·Al2O3·nH2O

(6)

焚燒后的殘渣含有這些膠凝物質(zhì)通過添加水可以發(fā)生硬化，這種作用會隨著時間的延長一直保持，使殘渣的整體強度得到提高[17]。同時，膠凝物質(zhì)在土顆粒的外圍會形成一圈穩(wěn)定保護膜，這層保護膜有很強的粘結(jié)力，使得土顆粒固結(jié)在一起，這也為焚燒殘渣提供了強度和穩(wěn)定性。

焚燒殘渣的強度與材料性質(zhì)、壓實度以及養(yǎng)護時間有關[18]，本次試驗主要以不同石灰石粉含量為研究對象，得到結(jié)果如表2所示。

表2 落地油泥焚燒殘渣單軸抗壓強度Table 2 Uniaxial compressive strength of oil sludge incineration residue

根據(jù)表2可知添加石灰石粉有助于焚燒殘渣強度的提升，石灰石粉含量越大強度提升越高，依照《公路路面基層施工技術規(guī)范》[19]，二級及以下公路底基層的抗壓強度標準為0.5～0.7 MPa，石灰石粉含量為9%的焚燒殘渣試件，在最佳含水率為13.82%，壓實度 95%以上的單軸抗壓強度為0.71 MPa，滿足標準要求，可作為公路底基層填料；石灰石粉含量為6%的焚燒殘渣試件的單軸抗壓強度為0.52 MPa，也可作為公路底基層填料，需要滿足最佳含水率13.77%，壓實度控制在95%以上。

3 結(jié) 論

(1)遼河油田經(jīng)預處理后的落地油泥堆積密度為1.57 g·cm-3，含水率為7.32%，天然狀態(tài)下松散潮濕；燒失量為5.96%，砂石泥土占比高，后續(xù)處理應以利用砂土資源為主。落地油泥試樣充分煮沸后比重為2.66，可以作為路面底基層材料。

(2)隨著添加石灰石粉含量的增加，焚燒殘渣中大顆粒的含量增加，落地油泥中添加9%(質(zhì)量分數(shù))的石灰石粉焚燒后的不均勻系數(shù)Cu為13.53，曲率系數(shù)Cc為1.27，粒徑級配連續(xù)且曲線平滑，級配良好。

(3)增加石灰石粉含量會提高焚燒殘渣的最大干密度，其中添加9%(質(zhì)量分數(shù))的石灰石粉試樣的最佳含水率為13.82%，最大干密度為1.691 g·cm-3。

(4)添加石灰石粉含量分別為6%、9%(質(zhì)量分數(shù))的焚燒殘渣，在其各自的最佳含水率為13.77%、13.82%左右，壓實度95%以上的單軸抗壓強度分別為0.52 MPa、0.71 MPa，皆滿足公路底基層標準要求。