水泥窯協(xié)同處理油基巖屑的應(yīng)用探索

文煒濤 李輝 張薇 閆瑞景 陳坷銘 周鋆 孟召偉

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川廣漢 618300）

1 引言

頁(yè)巖地層黏土含量高，遇水易發(fā)生水化膨脹，在鉆入頁(yè)巖氣目的層前，需采用強(qiáng)抑制性、能夠滿足水敏性地層的油氣層保護(hù)需要的油基鉆井液，由此產(chǎn)生大量油基巖屑［1］。油基巖屑成分復(fù)雜，是含有礦物油、酚類化合物及重金屬的復(fù)雜多相體系，已被列入國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄［2］，對(duì)其進(jìn)行合理處置已成為制約頁(yè)巖氣開采的重要因素。我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣鉆井過程中產(chǎn)生的油基巖屑的安全處置與利用高度重視，形成了固化填埋［3］、萃取［4-5］、熱洗法［6］、熱解［7］、熱脫附［8］、熱解析［9］、微生物處理［10］等一系列的物理、化學(xué)、生物處理方法，但由于技術(shù)、環(huán)保、裝置、成本等原因，在現(xiàn)階段未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

焚燒法具有污染物消除徹底、減量化程度高、技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、熱能可回收等優(yōu)點(diǎn)，已成為處理油基巖屑的主要方法［11-12］。相比固廢焚燒爐，水泥回轉(zhuǎn)窯筒體長(zhǎng)，危險(xiǎn)廢物在回轉(zhuǎn)窯高溫狀態(tài)下停留時(shí)間長(zhǎng)，利用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑更具優(yōu)勢(shì)［13］。水泥回轉(zhuǎn)窯通過回轉(zhuǎn)作用對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行攪拌，在1 450～1 550 ℃的高溫下使其充分燃燒，使有毒有害物質(zhì)充分分解。水泥回轉(zhuǎn)窯熱容大，燃燒十分穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)廢渣廢氣排放，不易受危險(xiǎn)廢物投入量和性質(zhì)變化的影響。同時(shí)，燒成系統(tǒng)內(nèi)呈堿性固相氛圍，有效地抑制了酸性物質(zhì)的排放，避免了焚燒處理后產(chǎn)生二 英，已成為危險(xiǎn)廢物減量化、無(wú)害化最終處置的理想焚燒系統(tǒng)［14-15］。

本文通過對(duì)水泥窯協(xié)同處理油基巖屑開展實(shí)驗(yàn)研究，探索水泥窯協(xié)同處置油基巖屑的可行性，為油基巖屑的無(wú)害化、資源化和最終處置提供了另一種途徑。

2 油基巖屑處理方法

2.1 油基巖屑成分檢測(cè)

油基巖屑來(lái)自四川威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣開發(fā)平臺(tái)，由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，并出具權(quán)威檢測(cè)報(bào)告。四川省冶金地質(zhì)巖礦測(cè)試中心使用光譜分析對(duì)油基巖屑中礦物種類和含量進(jìn)行分析檢測(cè)，佛山市陶瓷研究所檢測(cè)有限公司對(duì)油基巖屑的發(fā)熱量進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 油基巖屑處理流程

本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容依托四川省某水泥廠開展，油基巖屑的處理流程如圖1 所示。油基巖屑在井場(chǎng)通過甩干處理使含油率達(dá)到5%以下，通過卡車運(yùn)至水泥廠進(jìn)行協(xié)同處置。油基巖屑進(jìn)入水泥廠后需對(duì)其成分、物化性質(zhì)等進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，用以制定配伍方案，對(duì)油基巖屑進(jìn)行預(yù)處理后從水泥窯窯尾分解爐加入焚燒系統(tǒng)中，有機(jī)成分經(jīng)過水泥窯徹底消除，灰分和水泥原材料一起形成熟料從窯尾排出。

2.3 熟料成分檢測(cè)

油基巖屑協(xié)同處置前后的燒成熟料由西南冶金地質(zhì)測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試，分析熟料質(zhì)量是否受到影響。

2.4 煙氣飛灰處理

尾氣處理采用成熟的“SNCR 脫硝＋水冷旋風(fēng)除塵器＋半干式急冷脫酸塔＋活性炭及消石灰噴射＋布袋除塵＋堿液噴淋吸收塔”組合的煙氣凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)尾氣達(dá)標(biāo)排放。飛灰收集后由四川清藍(lán)檢測(cè)技術(shù)有限公司進(jìn)行浸出毒性檢測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 油基巖屑成分分析

3.1.1 油基巖屑礦物成分

水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物必須以不影響水泥產(chǎn)品的品質(zhì)為前提，需分析危險(xiǎn)廢物中的礦物、硫、氯、堿等成分的含量，評(píng)估對(duì)水泥質(zhì)量的影響，確定合理的加入比例。四川省冶金地質(zhì)巖礦測(cè)試中心對(duì)油基巖屑進(jìn)行了光譜分析，其礦物成分及含量見表1。

表1 油基巖屑礦物成分及含量 mass%

從表1 可以看出，本油基巖屑樣品主要組分為SiO2，Al2O3，BaO，F(xiàn)e2O3等，也是水泥生產(chǎn)所必需的成分，使用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑可以節(jié)約部分水泥生產(chǎn)原料。相關(guān)研究表明［16-17］，在使用回轉(zhuǎn)窯處理危廢時(shí)，氯、硫、堿的含量過高將導(dǎo)致對(duì)回轉(zhuǎn)窯的高溫腐蝕，很容易導(dǎo)致頻繁停產(chǎn)事故。由于本油基巖屑樣品中氯、硫、堿的含量較高，所以在燒制過程中注意將油基巖屑和其他原料進(jìn)行合適的配比，焚燒后及時(shí)清理窯體避免堵塞。同時(shí)，焚燒系統(tǒng)中存在的氯特別是HCl，可以與金屬結(jié)合生成氯化物，改變其揮發(fā)性，使重金屬更容易揮發(fā)，所以在回轉(zhuǎn)窯使用的過程中要注意尾氣的處理。

3.1.2 油基巖屑物化指標(biāo)

在處置危險(xiǎn)廢物時(shí)，應(yīng)保證入爐廢物理化性質(zhì)穩(wěn)定，根據(jù)物化性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，在焚燒前對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行配伍，以使其熱值、主要有機(jī)有害組分含量、有機(jī)氯含量、重金屬含量、硫含量、水分和灰分等指標(biāo)滿足水泥窯的設(shè)計(jì)要求。由佛山市陶瓷研究所檢測(cè)有限公司對(duì)油基巖屑的物化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 油基巖屑物化指標(biāo)

從表2 中可以看出，油基巖屑的低位發(fā)熱量可達(dá)1.40 MJ/kg，在回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置的過程中可以釋放熱量，從而減少水泥工業(yè)對(duì)燃煤的需要量，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。油基巖屑灰分較高，經(jīng)水泥窯協(xié)同處置后成為熟料的一部分，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)油基巖屑資源化利用。油基巖屑水分含量較低，符合水泥窯入窯物料低于20%含水率的要求，不需額外處理。油基巖屑的硫含量較高，在協(xié)同處置時(shí)需要注意原料的配比，以符合回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)要求。

3.2 熟料成分分析

本實(shí)驗(yàn)油基巖屑投加點(diǎn)為窯尾分解爐，水泥窯熟料生產(chǎn)規(guī)模4 000 t/d，危廢處置規(guī)模333 t/d，處置比例為8.3%，入窯物料符合HJ 662—2013 相關(guān)要求。投加油基巖屑前后熟料的檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 投加油基巖屑前后熟料化學(xué)成分對(duì)比 %

經(jīng)回轉(zhuǎn)窯焚燒后，巖屑中的有機(jī)物已完全分解，沸點(diǎn)低的易揮發(fā)元素常常在飛灰中富集，沸點(diǎn)高難揮發(fā)的元素則滯留于熟料中，可能對(duì)熟料的性能造成一定影響。從表3 可以看出，本實(shí)驗(yàn)油基巖屑添加量控制合理，添加油基巖屑協(xié)同處置的熟料樣品成分變化較小，協(xié)同處置油基巖屑不會(huì)對(duì)水泥的生產(chǎn)造成影響。

3.3 燃燒飛灰及尾氣

油基巖屑協(xié)同處置的過程中產(chǎn)生的氣體主要有CO2、水蒸氣和過量的空氣，有害物質(zhì)為NOX，SOX，HCl 以及可揮發(fā)的金屬及其化合物，同時(shí)也可能含有極少量的未燃成分以及有機(jī)劇毒性污染物（二英等）。大量研究表明［18-19］，噴入尿素溶液可以控制NOX的濃度［20］。通過向半干式急冷塔內(nèi)噴入NaOH溶液，可使煙氣急速降溫，控制二 英的再度生成。在布袋除塵器入口前噴入消石灰和活性炭，進(jìn)一步干法除酸，并吸附煙氣中的重金屬和二 英［21］。燃燒煙氣再經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入堿液噴淋吸收塔進(jìn)行徹底的脫酸處理，最終經(jīng)50 m 高的排氣筒達(dá)標(biāo)排放。

揮發(fā)性重金屬和金屬氯化物可能在飛灰中富集，對(duì)燃燒后飛灰成分進(jìn)行了檢測(cè)，旋風(fēng)除塵灰浸出毒性鑒別結(jié)果見表4。

表4 旋風(fēng)除塵灰浸出毒性鑒別結(jié)果 mg/L

從表4 可以看出，油基巖屑燃燒飛灰浸出液檢定結(jié)果為一般廢棄物，可以進(jìn)行資源化利用。但是在長(zhǎng)期使用后燃燒飛灰中重金屬的含量存在超標(biāo)的可能，所以要定期檢測(cè)，如果超標(biāo)，需要交給有資質(zhì)的危廢處理單位進(jìn)行固化填埋處理。

4 結(jié)論

（1）油基巖屑礦物成分與水泥原料成分類似，協(xié)同處置時(shí)可以減少水泥原料使用，產(chǎn)生一定的資源化利用效果，但是SO3和Cl－的含量較高，在進(jìn)行水泥窯協(xié)同處置時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的添加比例，以避免對(duì)水泥熟料的影響。油基巖屑的主要污染成分為汽油類烴，具有較高的熱值，在水泥生產(chǎn)過程中可以替代燃料使用，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。

（2）通過設(shè)計(jì)適合的油基巖屑加入量，可以實(shí)現(xiàn)燃燒尾氣的達(dá)標(biāo)排放，不影響水泥熟料的性能，同時(shí)燃燒飛灰的浸出液含量也符合危險(xiǎn)廢物的限值要求。

（3）水泥窯協(xié)同處置實(shí)現(xiàn)了油基巖屑的無(wú)害化、資源化和最終處置，為油基巖屑的合規(guī)處置提供了一種新的方法，對(duì)保證頁(yè)巖氣開發(fā)具有重要的意義。