間歇式熱脫附爐爐膛結(jié)焦原因探討和對策分析

胡端義 黎 亮 鄭 瀾 黃楚云 王 兵

(中石化江漢石油工程有限公司環(huán)保技術(shù)服務公司)

0 引 言

由于頁巖礦成分復雜,在頁巖氣開采過程中必須使用含一定比例支撐劑的油基泥漿作為鉆井液,以保證井筒穩(wěn)定性,由此,導致廢物油基巖屑的產(chǎn)生。油基巖屑被列入《國家危險廢物名錄(2021年版)》,屬于危險廢物,必須進行有效處理。涪陵工區(qū)頁巖氣井水平段鉆井過程中產(chǎn)生的油基巖屑大都以熱脫附的方式實現(xiàn)資源化利用,所采用的裝置為間歇式熱脫附爐。在實際生產(chǎn)運行過程中,熱脫附爐的結(jié)焦問題嚴重影響了油基巖屑的處理效率,極大增加了運行成本。本文通過分析間歇式熱脫附爐結(jié)焦的主要原因,從3個方面提出了減輕結(jié)焦的有效措施,為間歇式熱脫附爐處理效率的提高提供了建議。

1 裝置結(jié)焦情況及不良影響分析

1.1 熱脫附爐結(jié)焦情況分析

目前涪陵工區(qū)一號油基巖屑回收站共有間歇式熱脫附爐6套,1#～4#爐主要處理油基巖屑,5#、6#爐處理含油生活垃圾及粒徑較大的油基巖屑。由于巖屑批次、爐膛溫度控制等因素的影響,熱脫附爐實際運行過程中會出現(xiàn)很多問題,其中爐膛結(jié)焦是最大的問題,裝置的頻繁結(jié)焦嚴重影響了油基巖屑熱脫附的效率,給回收站帶來了很大的物料積壓壓力。

現(xiàn)裝置結(jié)焦情況主要集中在1#～4#爐,平均每兩爐結(jié)焦一次。相比1#～4#爐,5#、6#爐結(jié)焦頻次較低,平均每15爐結(jié)焦一次。圖1為現(xiàn)場爐壁結(jié)焦情況,結(jié)焦區(qū)域主要集中在中尾部轉(zhuǎn)動擺錘處,最厚約3～4 cm,擺錘處一旦結(jié)焦,會造成擺錘完全黏附在爐體上,擺錘原有的清焦功能喪失,結(jié)焦將更加嚴重。脫附爐前部也有輕微結(jié)焦,結(jié)焦約為1 cm。

圖1 熱脫附爐爐膛結(jié)焦情況

1.2 結(jié)焦產(chǎn)生的不良影響分析

油基巖屑的熱脫附處理是在隔氧環(huán)境下通過直接或間接對油基巖屑加熱,使巖屑中含有的柴油組分達到自身沸點,從而實現(xiàn)巖屑與油分離的處理過程。加熱過程中產(chǎn)生的高溫油氣遇空氣極易燃,當裝置內(nèi)結(jié)焦時,結(jié)焦處油基巖屑無法均勻受熱,導致所包裹的巖屑燃燒不充分,爐內(nèi)油基巖屑無法燃燒完全,易殘余部分油氣,這部分油氣一旦接觸外部空氣,很容易造成爐體著火,安全隱患較大。另一方面,爐體結(jié)焦后會直接造成熱脫附爐傳熱效率降低、爐內(nèi)升溫速度減慢,進而導致單爐運行時間顯著延長,天然氣消耗量增加,生產(chǎn)運行成本增高。此外,從清焦過程來講,清焦前爐體需降至室溫且通風較長時間才可進入,延長了裝置的處理時間,間接降低了生產(chǎn)效率,且爐內(nèi)屬于密閉空間,頻繁進入清焦存在一定程度的安全隱患。所采用的電鉆清焦模式會對脫附爐裝置內(nèi)膽造成損傷,影響內(nèi)膽使用壽命。各種不良影響因素表明,必須采取措施減輕熱脫附爐結(jié)焦情況,提高裝置的處理效率。

2 裝置結(jié)焦原因分析

熱脫附爐結(jié)焦是指當加熱溫度超過一定限度時,爐內(nèi)油基巖屑所含液相油水成分蒸發(fā),固體成分灰渣積聚在爐膛壁上的現(xiàn)象。間歇式熱脫附爐爐體結(jié)焦可能由多種因素所致。當爐膛內(nèi)壁一旦產(chǎn)生結(jié)焦跡象,附著一層焦層后,該區(qū)域熱阻就會增大,導致此區(qū)域爐膛溫度升高,油基巖屑原料繼續(xù)滲入焦層孔隙,結(jié)焦速度更快,從而形成越來越厚的固體焦層,使爐膛溫度達到允許值限值[1]。經(jīng)分析,間歇式熱脫附爐結(jié)焦原因體現(xiàn)在兩個方面:一是油基巖屑不同批次的性質(zhì)不同,物料成分存在差異;二是爐膛溫度設置不合理,導致巖屑受熱溫度不均。現(xiàn)對間歇式熱脫附爐結(jié)焦的兩大主要原因進行分析。

2.1 不同批次油基巖屑性質(zhì)存在差異

油基巖屑化學組成復雜,不同地區(qū)不同井位三開、四開油基巖屑的化學成分存在較大差異。另一方面,由于涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊現(xiàn)僅有1個油基巖屑處理站,當井位較多時,回收站處理能力有限,易造成巖屑庫存余量大,存放時間長等情況,會造成原有組分發(fā)生變化。

油基巖屑所含成分(以下為質(zhì)量百分比)主要有鉆屑類無機物:50%～85%;含油:5%～30%;含水:3%～20%;有機物:0.2%～15%。針對所收集的不同批次的油基巖屑進行了全組分分析,結(jié)果見表1。

表1 油基巖屑全組分分析 %

通過全組分分析發(fā)現(xiàn),不同批次油基巖屑成分存在一定差異,油基巖屑進入熱脫附爐后在爐內(nèi)高溫條件下會發(fā)生物理反應,某些成分也會發(fā)生化學反應,因此不同批次、組分不完全相同的原料油基巖屑的性質(zhì)對熱脫附爐的結(jié)焦情況有一定影響。通過對間歇式熱脫附爐運行實際情況分析,發(fā)現(xiàn)前期存積的油基巖屑在熱脫附爐中加熱引起結(jié)焦情況較少,新收集油基巖屑加熱引起結(jié)焦情況較多,經(jīng)分析是因為新收集的油基巖屑含水量高,造成加熱時脫水效果不好,最終造成結(jié)焦現(xiàn)象頻繁。

2.2 爐膛溫度不合理

根據(jù)現(xiàn)場實際結(jié)焦情況分析,熱脫附爐爐膛溫度不穩(wěn)定是引起結(jié)焦的一個重要原因。熱脫附爐爐內(nèi)熱量分布均勻可以保證油基巖屑中液相成分充分蒸發(fā)[2],但總體來講,間歇式熱脫附爐這種間接加熱方式普遍存在爐內(nèi)溫度分布不均勻且溫度難以迅速調(diào)控等常見缺點。在實際爐膛溫度控制過程中,受多種因素的影響,溫度往往不能精確控制,若爐膛內(nèi)某一部位(通常是天然氣燃燒槍火焰瞄準加熱部位)溫度過高,很容易造成局部爐管結(jié)焦甚至燃燒[3]。

為保證油基巖屑中所含石油烴類物質(zhì)徹底蒸發(fā)、充分回收,現(xiàn)場將天然氣燃燒槍的溫度固定為500℃。加熱過程中,當熱脫附室溫度升至約100℃時,巖屑中水蒸氣開始蒸發(fā),隨后逐漸升溫至360℃左右不再升高,待巖屑中油分揮發(fā)完全,爐內(nèi)溫度再次降低。在此過程中,油基巖屑中的固相組分也逐漸變成灰渣,當灰渣遇到不同溫度的爐壁時,容易黏附形成結(jié)焦。一旦爐壁表面有大量灰塵,在吸附灰渣的情況下,結(jié)焦處溫度迅速上升,導致熱脫附爐爐內(nèi)溫度不平衡,爐膛溫度無法精準控制[4]。

3 減輕結(jié)焦技術(shù)探討

3.1 添加爐內(nèi)鋼環(huán),增大爐體摩擦

試圖向爐內(nèi)加入一些利于摩擦爐壁的鐵絲,便于及時刮除結(jié)焦。但實驗發(fā)現(xiàn),結(jié)焦現(xiàn)象改善并不明顯,并且由于鐵絲自身質(zhì)量太輕,出料時會伴隨干料一起被旋出,容易卡停出料刮板機裝置。將鐵絲換成鋼環(huán),鋼環(huán)由于自身體積及質(zhì)量原因,在爐體旋轉(zhuǎn)時能有效對爐體進行碰撞從而起到清焦作用,出料時也不會伴隨干料一起出來,有效解決了結(jié)焦及裝置卡停的問題。在添加一定量的鋼環(huán)后發(fā)現(xiàn),熱脫附爐爐膛結(jié)焦現(xiàn)象明顯改善。鋼環(huán)的作用過程如下:在進料時先促使清焦鋼環(huán)均勻分布在爐膛內(nèi)部,爐體加熱旋轉(zhuǎn)過程中,爐內(nèi)鋼環(huán)隨爐體同步轉(zhuǎn)動,當旋轉(zhuǎn)至一定高度時,鋼環(huán)掉落至爐膛底部,鋼環(huán)旋轉(zhuǎn)掉落過程中與爐膛內(nèi)壁產(chǎn)生機械摩擦,將附著在爐膛內(nèi)壁的結(jié)焦塊除掉[5],如此循環(huán)往復運動,盡可能將管壁內(nèi)附著的焦層刮除干凈。通過鋼環(huán)數(shù)量實驗,驗證鋼環(huán)數(shù)量與爐膛結(jié)焦頻率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)加入2 t左右鋼環(huán)時,減輕結(jié)焦效果較為明顯,連續(xù)運行約10爐才會出現(xiàn)結(jié)焦,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加入鋼環(huán),結(jié)焦頻率不再提高,表2為加入熱脫附爐鋼環(huán)數(shù)量與爐體結(jié)焦頻率統(tǒng)計。

表2 加入熱脫附爐鋼環(huán)數(shù)量與結(jié)焦頻率統(tǒng)計

3.2 添加輔助藥劑,緩解結(jié)焦狀況

在加入鋼環(huán)對裝置結(jié)焦有一定改善的基礎(chǔ)上,試圖同時添加一定量的輔助藥劑來進一步緩解結(jié)焦情況。研究發(fā)現(xiàn),銨明礬(NH4Al(SO4)2·12H2O)、鉀明礬(KAl(SO4)2·12H2O)、碳酸氫鈉(NaHCO3)這類化學藥品在受熱時分解產(chǎn)生大量氣體,此過程有助于蓬松灰渣,從而減少結(jié)焦。經(jīng)過實驗室小試和實際運行情況分析發(fā)現(xiàn),向油基巖屑物料中添加一定比例的銨明礬、鉀明礬或碳酸氫鈉等藥品可一定程度地減輕結(jié)焦。

如圖2所示,取油基巖屑樣品1、樣品2各10 g,平鋪于不銹鋼板上,在樣品2中加入5%的碳酸氫鈉,保持相同升溫速率對樣品進行加熱烘干。實驗結(jié)果證明,添加碳酸氫鈉的巖屑加熱烘干后產(chǎn)生的孔隙更為致密,在升溫過程中烘干易產(chǎn)生裂縫,導致灰渣無法黏附在鋼板上,從而有效減輕結(jié)焦情況。添加銨明礬、鉀明礬等也有類似情況。

圖2 油基巖屑受熱結(jié)焦情況

在添加銨明礬、鉀明礬、碳酸氫鈉等不同藥品條件下,進行了藥品種類及加藥量的現(xiàn)場試驗(50,100,150,250 kg的不同加藥量),結(jié)果表明藥品的加入能較大程度地緩解結(jié)焦情況,且?guī)追N藥品的緩解程度區(qū)別不大,最終選擇了相對便宜的碳酸氫鈉作為輔助藥劑。因加熱過程中碳酸氫鈉自身發(fā)生分解反應,每爐都造成消耗,故每次進料時都需向爐內(nèi)重復加入藥劑,無法像鋼環(huán)一樣被反復循環(huán)利用,具體藥品種類及添加量與結(jié)焦頻率見表3。

表3 1#爐藥品種類及添加量與結(jié)焦頻率

3.3 控制爐膛溫度,調(diào)整燃燒工況

熱脫附爐爐膛內(nèi)熱分布均勻才能確保爐內(nèi)巖屑反應平穩(wěn),但受間接加熱方式的影響,爐膛內(nèi)溫度的平穩(wěn)控制比較困難,不可避免地存在溫度分布不均勻等問題,若爐膛某一局部溫度過高,極易造成局部結(jié)焦。前期熱脫附爐運行過程中,裝置出廠方建議將現(xiàn)場天然氣燃燒槍溫度固定設置為500℃,爐內(nèi)油基巖屑局部溫度最高達360℃。為精準控制爐膛內(nèi)巖屑加熱溫度,在爐體兩邊的前、中、后端的燃燒火嘴加熱點上部爐膛處均配有相應的溫度傳感器,在燃燒槍溫度一致的情況下,受傳熱差異的影響,6個傳感器顯示的實際溫度差異較大。因此,為進一步加強對爐內(nèi)溫度的調(diào)控,確保傳感器溫度能達到巖屑的熱解溫度及6個加熱位點溫度的一致性,在后期生產(chǎn)過程中,主要通過中控室顯示的傳感器溫度來反向指導燃燒嘴處燃燒槍的控制溫度,在此基礎(chǔ)上將相應燃燒槍設置為550℃左右。多次現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),在裝置無損傷、6個爐膛傳感器溫度平穩(wěn)的前提下,適當改變?nèi)紵鹱斓脑O置溫度不僅有利于油基巖屑的充分熱解,使高溫油氣揮發(fā)更徹底,減少安全隱患,而且能在一定程度上改善熱脫附爐的結(jié)焦現(xiàn)象。

此外,由于爐體結(jié)焦是一個較為緩慢的過程,在實際操作過程中操作人員應實時觀察間歇式熱脫附爐尾部高溫油氣塔溫度,當發(fā)現(xiàn)高溫油氣塔溫度無法大幅度降低時,說明爐內(nèi)油基巖屑一直未被燒干,此時需考慮爐體是否已經(jīng)結(jié)焦,如此要及時控制燃燒工況,適當調(diào)高或降低天然氣燃燒槍溫度,盡可能避免結(jié)焦以提高熱脫附爐運行效率。

4 結(jié) 論

間歇式熱脫附爐作為油基巖屑連續(xù)進料裝置的配套設備,既能滿足高液相含量物料的進料需要,又可滿足井場含油工業(yè)廢物及其他大塊物料的進料需要,是油基巖屑熱脫附處理的首選裝置。但目前熱脫附爐的結(jié)焦問題嚴重影響了裝置熱脫附的效率,制約了間歇式熱脫附爐的發(fā)展。文章從油基巖屑性質(zhì)差異、溫度控制不合理這兩個引起間歇式熱脫附爐結(jié)焦的主要原因進行分析,從添加爐內(nèi)摩擦鋼環(huán)、添加輔助化學藥品和控制爐膛溫度等3方面提出了部分針對性的建議,發(fā)現(xiàn)將爐膛溫度控制在550℃左右,并向爐內(nèi)加入約2 t鋼環(huán)、250 kg輔助藥劑NaHCO3時,能有效改善爐膛結(jié)焦問題,提高裝置熱脫附處理的效率。