＊鄧超 陳瀟 劉春陽 何茂金 楊卓華 劉研萍

（1.四川華潔嘉業(yè)環(huán)保科技有限責(zé)任公司 四川 644000 2.中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院 遼寧 116050 3.杰瑞環(huán)?？萍加邢薰?山東 264600 4.北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 北京 100029）

1.引言

頁巖氣是當(dāng)今一種備受關(guān)注的非常規(guī)天然氣資源，在其開采過程中會(huì)加入油基鉆井液等成分以便于開采。但是油基鉆井液不可避免會(huì)和鉆井過程中的碎石、巖屑等混合，產(chǎn)生的這種固體廢物叫做“油基巖屑”[1]。根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄》（2021年版）中HW08，油基巖屑屬于危險(xiǎn)廢物，其處理處置問題已經(jīng)成為關(guān)系國家能源安全、行業(yè)發(fā)展、生態(tài)文明與人民健康的重要問題。目前，各地對油基巖屑的綜合利用處于探索試用階段，國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)政策還沒有出臺(tái)。而非常規(guī)油氣資源開采快速發(fā)展，大大促進(jìn)了油基巖屑的綜合利用技術(shù)在西南地區(qū)迅速開展，其技術(shù)主要是利用回轉(zhuǎn)窯集中焚燒、水泥窯協(xié)同處置、高溫?zé)峤?、熱相分離和固化填埋技術(shù)等進(jìn)行綜合利用[2-7]。

本文針對四川處理油基巖屑的某項(xiàng)工程，分析了采用的技術(shù)原理、工藝流程以及運(yùn)行效果。

2.熱相分離技術(shù)處理油基巖屑工程概況

(1)工藝流程

①主要工藝流程

四川處理油基巖屑的某工程，處理能力為20萬噸/年，采用熱相分離技術(shù)。在350℃～400℃中溫中隔腔加熱使油水汽化，從油基巖屑中分離出油水，并在油水分離裝置中再分別收集油和水，經(jīng)此分離后剩余的固相物含油小于1%。該工藝回收的大部分高性能油可以直接外售給天然氣、石油鉆井平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)油基巖屑中可回收油相的回收利用。經(jīng)回收后的剩余固相巖屑渣，其含油量一般小于1%。

工程的工藝流程如下：

A.含油廢棄物依次經(jīng)過遠(yuǎn)端進(jìn)料設(shè)備、皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、緩存料斗、皮帶秤、進(jìn)料氣鎖、水平螺旋進(jìn)入熱相分離設(shè)備。

B.含油廢棄物中的水分和油分經(jīng)加熱蒸發(fā)形成高溫混合氣從熱相分離設(shè)備中分離，并在冷凝設(shè)備中通過循環(huán)水噴淋冷凝，形成的油水混合液經(jīng)過沉降分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)油、水的初步分離。

C.沉降設(shè)備分離的水經(jīng)換熱設(shè)備進(jìn)行冷卻后進(jìn)入冷凝設(shè)備循環(huán)使用，富余的廢水經(jīng)污水罐和氣浮設(shè)備進(jìn)一步凈化后進(jìn)入廠區(qū)水處理系統(tǒng)統(tǒng)一處理。

D.沉降設(shè)備分離的油經(jīng)污油罐進(jìn)一步沉降后回收儲(chǔ)存。

E.未冷凝的不凝氣進(jìn)入廢氣處理設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步凈化，回收的液相進(jìn)入沉降分離設(shè)備，凈化后的氣相通往熱相分離設(shè)備燃燒室內(nèi)作為補(bǔ)充燃料；異常情況下，不凝氣可通過緊急排放閥外排。

F.熱相分離處理后的固相殘?jiān)ㄟ^出料氣鎖、出料刮板機(jī)進(jìn)入冷渣機(jī)降溫，冷卻后經(jīng)斗提機(jī)輸送物料到渣倉暫存。

②主要設(shè)備

A.進(jìn)料設(shè)備

a.皮帶輸送機(jī)：根據(jù)實(shí)際物料的需求量通過變頻器調(diào)整皮帶機(jī)速度達(dá)到輸送量要求。

b.刮板輸送機(jī)：進(jìn)料刮板輸送機(jī)是借助在封閉的殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的刮板鏈條而使散體物料按預(yù)定軌跡輸送的設(shè)備。

c.緩存料斗：對輸送物料起到緩存作用。

d.皮帶秤：皮帶秤是對塊狀物料、顆粒狀物料進(jìn)行連續(xù)輸送，并對物料輸送量進(jìn)行定量控制的專用設(shè)備。

e.進(jìn)料氣鎖：由電機(jī)、減速機(jī)、鏈輪、殼體和轉(zhuǎn)軸等組成。氣鎖可以有效的將窯體內(nèi)部同外界隔絕，從而實(shí)現(xiàn)窯體內(nèi)部氧含量的控制。

B.熱相分離設(shè)備

熱相分離設(shè)備是熱相分離工藝的核心設(shè)備之一，在動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，物料由水平螺旋系統(tǒng)進(jìn)入傾斜的旋轉(zhuǎn)窯筒，在無氧的情況下通過控制加熱溫度和加熱時(shí)間對含油廢棄物進(jìn)行間接加熱的熱相分離處理，物料不斷接受來自筒體底部傳遞的熱量，揮發(fā)性的物質(zhì)受熱后形成氣相并經(jīng)提取管進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，剩余的固相物質(zhì)則由出料口排出到出料系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)物料熱相分離過程。

C.冷凝設(shè)備

高溫油水混合蒸汽進(jìn)入塔內(nèi)后，噴淋管匯系統(tǒng)對高溫氣體進(jìn)行噴淋換熱，冷凝后的油水混合液沉降緩存設(shè)備泵送至沉降分離設(shè)備內(nèi)。

D.沉降分離設(shè)備

沉降分離設(shè)備采用新型三相分離濃密機(jī)進(jìn)行油、水、泥的分離，沉降時(shí)間長，油水分離效果好，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)排渣。回收的油、水從上部排出，沉降的污泥從下部排出。

E.換熱設(shè)備

換熱設(shè)備采用螺旋板式換熱器，由兩張鋼板卷制而成，形成了兩個(gè)均勻的螺旋通道，兩種傳熱介質(zhì)可進(jìn)行全逆流流動(dòng)，大大增強(qiáng)了換熱效果。殼體上的接管采用切向結(jié)構(gòu)，局部阻力小，由于螺旋通道的曲率是均勻的，液體在設(shè)備內(nèi)流動(dòng)沒有大的轉(zhuǎn)向，總體阻力小。

F.散熱設(shè)備

散熱設(shè)備采用閉式冷卻塔，主要以水作為冷卻介質(zhì)，依靠風(fēng)扇通風(fēng)加速換熱盤管表面水的蒸發(fā)，帶走熱量，達(dá)到為冷卻液降溫的目的。

G.氣浮設(shè)備

該設(shè)備是利用氣體在液體中溶解度隨壓力增高而增加的原理（溫度等其余條件相同），將高壓的氣體與液體進(jìn)行混合，提高氣體溶解度，并通過溶氣釋放器將溶解了高壓氣體的液體進(jìn)行均勻釋放，釋放后隨著壓力的降低，溶解在液體中的氣體被釋放出來，形成微小的氣泡，利用微小氣泡的浮力及吸附力，將介質(zhì)中的污染物浮至水面，并進(jìn)行收集分離，實(shí)現(xiàn)污水的凈化。

H.氣處理設(shè)備

氣處理設(shè)備由氣液分離系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、管匯系統(tǒng)及橇架結(jié)構(gòu)等組成。氣處理設(shè)備為熱相分離工藝氣相的終端處理系統(tǒng)?；旌蠚馔ㄟ^引風(fēng)機(jī)抽吸，經(jīng)一級氣液分離罐、二級氣液分離罐、三級氣液分離罐實(shí)現(xiàn)終端凈化處理，去除氣相中的細(xì)微顆粒及攜帶的液滴。氣處理設(shè)備引風(fēng)機(jī)采用一用一備，風(fēng)機(jī)前端氣液分離罐既能串聯(lián)運(yùn)行，又能并聯(lián)運(yùn)行。

I.出料刮板機(jī)

出料刮板輸送機(jī)是借助于在封閉的殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的刮板鏈條而使散體物料按預(yù)定目標(biāo)輸送的設(shè)備。

J.冷渣機(jī)

變頻電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪，使筒體轉(zhuǎn)動(dòng)。高溫物料通過進(jìn)料裝置快速進(jìn)入旋轉(zhuǎn)筒體內(nèi)，隨著筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料沿著螺旋葉片，連續(xù)滾動(dòng)向前輸送，并與旋轉(zhuǎn)筒體內(nèi)布置的冷卻水管間接換熱，實(shí)現(xiàn)物料冷卻。冷渣機(jī)內(nèi)物料連續(xù)輸送，且料層均勻、松散，熱交換效率高。

(2)處理過程中的廢物管理

工程對于油基巖屑熱相分離處理過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、固體渣進(jìn)行了處理。

①油基巖屑廢水成份檢測分析和研究

A.廢水產(chǎn)生概況

處理油基巖屑廢水主要分為兩部分，最主要部分為熱相分離生產(chǎn)線蒸發(fā)和噴淋冷卻產(chǎn)生的含油廢水，這部分廢水產(chǎn)量約為油基巖屑處理量的20%（重量比），產(chǎn)生量為每天100t左右。另一部分為道路、車輛沖洗和初期雨水，這部分產(chǎn)量有一定波動(dòng)，一般情況下為油基巖屑處理量的5%～10%（重量比），產(chǎn)生量為每天25～50t。

B.廢水基本特性

熱相分離生產(chǎn)線蒸發(fā)和噴淋冷卻產(chǎn)生的廢水含礦物油，具有COD濃度高、有油味等異味、可生化性差等特性，治理難度相對較大。水質(zhì)的BOD/COD小于0.3，可生化差；氮/BOD為0.038，小于0.05，氮含量偏低；磷/氮為0.016，遠(yuǎn)低于0.2，磷含量很低。廢水的主要檢測指標(biāo)見表1。

表1 熱相分離生產(chǎn)線蒸發(fā)和噴淋冷卻廢水主要參數(shù)

②油基巖屑廢氣成分檢測和分析研究

A.廢氣產(chǎn)生概況

處理油基巖屑過程所產(chǎn)廢氣按不同階段可分為三種情況：一是庫房存儲(chǔ)過程、預(yù)處理拌料過程產(chǎn)生的廢氣；二是通過熱相分離生產(chǎn)線加熱后產(chǎn)生廢氣；三是廢水處理過程產(chǎn)生的廢氣。對以上三種情況和所有產(chǎn)生的廢氣都進(jìn)行了收集處理，其中熱相分離生產(chǎn)線料倉廢渣和污水處理產(chǎn)生的主要廢氣收集后回爐燃燒，其他所有廢氣都經(jīng)收集后通過UV光解和活性炭組合處理。

兩個(gè)油基巖屑庫房排放VOCs氣體約400g/h（通過處理有組織排放），三條生產(chǎn)線和拌料間排放VOCs氣體約500g/h（通過處理有組織排放），有組織排放濃度一般在10mg/m3以下。生產(chǎn)線料倉和污水處理所產(chǎn)VOCs氣體回爐燃燒，處理能力約1800g/h。

B.各廢氣基本特性

a.庫房區(qū)域和拌料過程產(chǎn)生的廢氣為常溫條件下自然揮發(fā)形成，有礦物油味道，味道不明顯。

b.熱相分離生產(chǎn)線加熱后產(chǎn)生廢氣有味道，生產(chǎn)線車間內(nèi)實(shí)際濃度一般在10mg/m3以下。

c.廢水處理過程產(chǎn)生的廢氣味道明顯，檢測濃度比生產(chǎn)車間高一些。

對以上三種不同廢氣情況，制定了針對性的治理措施和辦法，通過不斷的改進(jìn)完善，生產(chǎn)線出渣過程（特別是料倉）和污水處理過程的主要廢氣收集回到爐內(nèi)燃燒，大幅度減少了有機(jī)氣體向大氣的排放量，特別是味道較大的廢氣大部分進(jìn)行燃燒處理，VOCs氣體總體回爐燃燒比例達(dá)到60%以上。

③油基巖屑處理廢渣成份檢測和分析研究

A.油基巖屑處理廢渣產(chǎn)生概況

本工程處理的油基巖屑大部份來自川南頁巖氣開采，由于地質(zhì)和頁巖性質(zhì)相近，其油基巖屑處理廢渣成份性質(zhì)基本無明顯變化。通過鑒定其重金屬等危險(xiǎn)特性物質(zhì)遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)物廢標(biāo)準(zhǔn)，已無危險(xiǎn)特性。

B.處理廢渣基本特性

通過熱相分離工藝產(chǎn)生的處理廢渣有礦物油味，總石油烴（TPH）＜0.45%；呈堿性，pH為10～12.4；含水量很低，一般小于1.5%；形態(tài)為細(xì)粉，300目以上達(dá)到35%。廢渣的10項(xiàng)重金屬檢測中多數(shù)檢測結(jié)果中，有4項(xiàng)以上未檢出（含量低于檢出下限值），其余各項(xiàng)都遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)。廢渣主要成分分析見表2。

表2 廢渣主要成分分析

3.油基巖屑資源化工程運(yùn)營情況

截止到2021年6月30日，接收油基巖屑總量385088.77t，綜合利用處理總量320020.69t，處理廢渣產(chǎn)量總量296556.31t。生產(chǎn)線運(yùn)行過程給料量為5t/h～10t/h，窯尾出料溫度為280℃～380℃，冷渣機(jī)出口溫度為80℃～95℃，料倉溫度為80℃以下。油基巖屑處理廢渣指標(biāo)數(shù)中TPH值＜0.45%，pH值為10～12.4。

4.經(jīng)濟(jì)分析

四川省每度電約0.5元，每噸水約1元，每立方天然氣約1.53元。根據(jù)計(jì)算，處理385088.77t油基巖屑大約需要4513.24萬元。油基巖屑經(jīng)處理后產(chǎn)生的回收油、固相殘?jiān)瓤僧a(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。余明炎[8]也分析得出萃取技術(shù)和熱脫附技術(shù)的回收價(jià)值高于回轉(zhuǎn)窯技術(shù)。經(jīng)處理后的產(chǎn)物可以進(jìn)行利用。

熱相分離技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了油基巖屑的資源化和減量化，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，對技術(shù)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展具有較大的輻射影響。

5.結(jié)論

（1）本文分析了采用熱相分離技術(shù)處理油基巖屑的工程應(yīng)用，在350℃～400℃中溫中隔腔加熱使油水汽化，從油基巖屑中分離出油水，并在油水分離裝置中再分別收集油和水，經(jīng)此分離后剩余的固相物含油小于1%，鑒定不含有毒有害成分有效實(shí)現(xiàn)了油基巖屑的減量化和資源化。

（2）對熱相分離技術(shù)的工藝流程、設(shè)備和操作參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)。含油廢棄物依次經(jīng)過前處理后進(jìn)入熱相分離設(shè)備，水分和油分經(jīng)加熱蒸發(fā)形成高溫混合氣從中分離，并在冷凝設(shè)備中冷凝，形成的油水混合液經(jīng)過沉降分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)油、水的初步分離。沉降設(shè)備分離的水經(jīng)換熱設(shè)備進(jìn)行冷卻后，進(jìn)入冷凝設(shè)備循環(huán)使用，富余的廢水經(jīng)污水罐和氣浮設(shè)備進(jìn)一步凈化后進(jìn)入廠區(qū)水處理系統(tǒng)統(tǒng)一處理。沉降設(shè)備分離的油經(jīng)污油罐進(jìn)一步沉降后回收儲(chǔ)存。未冷凝的不凝氣進(jìn)入氣處理設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步凈化，回收的液相進(jìn)入沉降分離設(shè)備，凈化后的氣相通往熱相分離設(shè)備燃燒室內(nèi)作為補(bǔ)充燃料。熱相分離處理后的固相殘?jiān)ㄟ^出料刮板機(jī)等進(jìn)入冷渣機(jī)降溫，冷卻后經(jīng)斗提機(jī)輸送物料到渣倉暫存。

（3）熱相分離技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了油基巖屑的資源化和減量化，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。