海上廢棄泥漿巖屑制備陶粒資源化可行性研究

王凱,李小龍,孫培,劉慶月

(中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司,天津 300452)

為了大力提升勘探開發力度,保障我國能源安全,各個石油企業及地區根據黨中央的重要指示及時調整并進行了工作部署。2025年,中海油全國海上原油產量將達到5 300萬t,其中渤海地區將達到3 750萬t。這意味著更多的新油田需要被開采,也伴隨著大量的廢棄鉆井泥漿、巖屑以及含油固廢產生。隨著國家對海洋生態環境的愈發重視,法律法規也愈加完善,更多的海洋環保問題需要被重視。以渤海地區為例,渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑及鉆井油層的水基鉆井液和鉆屑,并且重金屬Hg含量≤1 mg/kg,Cd含量≤3 mg/kg[1]。且近年海上平臺從源頭、過程、終端積極推廣固廢減量化,如海上推廣的環保一體化技術服務(EPS工作船),該技術可將海上泥漿巖屑進行篩分、破膠、板框壓濾機固液分離。分離后的水相回用至鉆井環節,壓濾分離后的泥餅運輸返回陸地統一處置[2]。但是僅從渤海地區泥漿、巖屑及EPS工作船泥餅相返回陸地的處理廠的數據來看,2022年全年產量依然高達36 000～39 000 t。巨量的海上固廢問題依然是急需解決的重點工作之一。

1 固廢資源化政策分析

2020年9月1日,生態環境部發布實施了新《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》,新法在原基礎上又對固體廢物污染環境防治行為進行規范,如:固體廢物的生產者和經營者應當履行減量化、資源化、無害化的義務,實施分類管理。并通過《國務院關于印發固體廢物污染環境防治行動計劃的通知》強調了固體廢物要以減量化、資源化、無害化為原則,以分類管理為核心,以綜合利用和安全處置為手段的固體廢物污染環境防治理念。《“十四五”循環經濟發展規劃》再一次提出“減量化、再利用、資源化”的循環發展原則。

資源的循環利用水平,是社會進步程度的重要標志之一。“固體廢物是放錯位置的資源”,黨的第十九次全國代表大會報告提出,要“建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系”。循環經濟又稱4R經濟:Reduce(減量)、Reuse(再利用)、Recycle(再循環)、Remanufacture(再制造)。這與“十四五”提出的循環發展原則相得益彰。固廢資源化利用是循環經濟的典型內涵。

固廢的減量化和資源化水平從側面也能代表著社會的文明水平。可持續發展的社會要從一個資源的消耗體,變為一個資源的循環體,這個“變”是社會的核心能力之一,是擁有未來發展戰略的制高點。針對海上泥漿、巖屑及泥餅的資源化做法隨著國家法律法規的頒布與修訂,學者們也做了大量的研究。

2 海上廢棄泥漿巖屑資源化研究進展

目前海上平臺返回陸地處理廠的主要固廢包含鉆井泥漿、EPS泥餅及鉆屑。陸地處理廠對鉆井泥漿進一步減量化,包括:篩分,按照不同鉆井體系的泥漿加入配伍的破膠劑脫穩,板框壓濾機固液分離;壓濾泥餅與EPS泥餅共同處置;鉆屑進行脫水后,固相進行進一步處置。在海上鉆井產生的壓濾泥餅、巖屑的處置方面,學者們做了大量研究。固化填埋是一種常規處置方式,但由于填埋要求以及占地要求受到較大的限制;生物處置能實現固廢無害化,但占地及處置周期成為制約其技術發展的主要因素;焚燒方式處置效果較為徹底,但其煙氣問題以及整體處置費用問題成為較大的制約。結合目前國家發展理念,無廢城市的逐步推行,固廢的資源化處置已經成為主流方式。

2.1 制備免燒磚

泥漿壓濾泥餅、巖屑制備免燒磚有大量的研究成果,其技術可行性以及產品指標滿足。關舉忠[3]以廢棄泥漿為主要原料,按照m(泥漿)∶m(水泥)∶m(河沙)∶m(黏土)∶m(碎石)為3∶1.2∶2∶1∶4的配比下,抗壓強度21.2 MPa,產品性能滿足JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚標準》的要求;張忠亮等人[4]以海上巖屑為主要材料,在m(水泥)∶m(鉆屑)∶m(細集料)∶m(粗集料)∶m(石膏)∶m(外加劑)=20∶20∶47.5∶8∶4∶0.5的條件下,免燒磚抗壓強度16 MPa、吸水率10%,也符合JC/T 422中MU15等級要求。但是根據實際情況分析,免燒磚產品產出將添加大量的其他配料,這也造成產品產量將遠大于原固廢的數量。并且從市場反響來看,免燒磚價格優勢較低,銷路不暢通,部分地區產品依舊堆砌放置。

2.2 水泥窯協同

2013年1月,國務院印發的《循環經濟發展戰略及近期行動計劃》,其中就明確提出鼓勵水泥窯協同資源化處理固體廢棄物。2014年3月,《水泥窯協同污染物控制標準》開始執行。2016年12月,環境保護部發布《水泥窯協同處置固體廢物污染防治技術政策》并開始實施。2017年4月,國家發改委等14部委聯合發布的《循環發展引領行動》提出推進水泥行業利用現有水泥窯協同處理危險廢物、污泥、生活垃圾。

從技術和政策層面上來看,水泥窯協同處置固體廢物早有實踐經驗,并且一直在完善處置技術。在焚燒過程中能有效抑制各種有害物質的產生,進一步控制二噁英等廢氣的排放,尾氣控制系統也有達標排放的保障。但是由于海上固廢含氯較高,其氯化物平均水平一般大于6%。氯化物在高溫條件下容易在窯內揮發,隨煙氣回到窯尾煙室、分解爐等部位,隨溫度降低逐漸轉化為固態。氯化物在窯內中不斷往復循環,不停地在氣液固相轉化,容易引起結皮堵塞[5],海上固廢的摻混量將大幅受限,這成為水泥窯協同技術在處置泥餅巖屑的技術難點。

2.3 陶粒窯協同

傳統陶粒是以頁巖、黏土、泥巖、粉煤灰、煤矸石等為原料,經加工成球再燒脹成的人造輕骨料,是一種橢圓形微孔狀的建筑材料[6]。在陶粒創造發明和生產制造之初,它首要用于建筑材料行業。隨著陶粒功能的不斷被開發,目前,全國用于建筑領域陶粒量約占總需求量的55%左右,用于濾料市場約30%,其他路橋工程、文化石、隔音板、園藝陶粒等占比約15%。陶粒的需求總量及使用范圍將不斷增長。

隨著國家對工業窯爐協同處置工業廢物的技術的深入推進,行業標準JC/T 2621—2021《污泥陶粒》完成報批公示。以低碳循環產業為發展方向,以工業污泥等為原料的陶粒燒制技術研究也應運而生。《陶粒窯協同處置固體廢物技術規范(征求意見稿)》的將頒也加快了陶粒窯協同技術的快速發展。2021年,張曉亞等[6]用城市污泥和磷尾礦制得輕質陶粒;2022年,王軍等[7]以城市污泥為原料,通過不同配方,燒制出最大筒壓強度10.3 MPa的污泥陶粒;2023年,李瑞娜等[8]用含油污泥的熱解及尾渣制陶粒可用做各種新型墻體材料及高性能輕集料混凝土結構材料;不同原料通過不同的原料配比以及配伍性較高的輔料均能燒制出筒壓強度、吸水率等指標滿足產品要求滿足GBT 17431.2—2010標準。因此針對以海上泥餅巖屑為主要原料的陶粒展開了前瞻性研究。

3 可行性實驗研究

此次試驗為可行性研究,主要的原料為渤海海域鉆井產生的壓濾泥餅、巖屑,主要的實驗目的:1)泥餅巖屑陶粒的基礎物性數據,包括原料的主要成分、不同階段下的物相轉變、造粒過程含水率情況;2)陶粒產品的性能檢測及小試參數的確定,包括變化不同原料配比,獲得陶粒的性能。實驗主要儀器為電熱輥道窯。

根據岳敏等[9]對城市污泥制陶粒的研究了解,陶粒原料中化學成分對陶粒的制備有顯著的影響,當其化學成分處于合適的范圍時(SiO2質量分數53%～79%,Al2O3質量分數10%～25%,Fe2O3、CaO、MgO等質量分數13%～26%),可制得燒脹充分的陶粒。其反應機理為:原料中的SiO2和Al2O3在高溫燒制過程中形成玻璃熔融體,形成陶粒骨架,Fe2O3、CaO、MgO等起助熔作用,降低焙燒溫度。

根據岳敏研究成果,對海上壓濾泥餅及巖屑的構成進行分析,進行陶粒燒制實驗,最終形成強度較高的陶粒產品。壓濾泥餅含大量黏土,主要成分為二氧化硅以及氧化鋁的骨架材料;巖屑的主要成分為骨料物質二氧化硅以及氧化鈣、氧化鈉。詳見表1、表2。

表2 巖屑主要成分

3.1 物料單燒可行性實驗研究

將壓濾泥餅和巖屑兩種物料進行單燒,觀測陶粒表觀形態及成粒效果,具體如表3和圖1。壓濾泥餅單獨燒制后,陶粒有一定的強度,但吸水性較高;巖屑燒制陶粒由于二氧化硅含量較少,且氧化鈣、氧化鈉含量過高不利于陶粒的燒制,從而造成陶粒炸裂。考慮與壓濾泥餅混合配伍后進行燒制,實現固廢資源化。

圖1 壓濾泥餅和巖屑燒制形態對比

3.2 物料摻混燒制實驗研究

根據表4中配方比例分別稱量總量200 g原料,于球磨機中快速磨成粉,干磨時間3 min。粉末加水約30%,揉成泥團,搓成條,切成小段,手工搓成小球,放入120 ℃電熱烘干箱中干燥,干燥后的小球在電熱輥道窯中燒制,燒制溫度制度及產品性能見表5。

表4 原料摻混配比表

表5 燒制溫度及產品性能表

根據陶粒強度、吸水率、燒失量進行綜合評價,4#配方的產品相對優秀,抗壓強度最大達到16.55 MPa。隨著海上巖屑摻混量降低,陶粒綜合性能有所提高,達到當巖屑摻入量過大時,產品出現抗壓強度差,且部分出現炸裂現象。

壓濾泥餅和巖屑混摻燒制形態對比見圖2。

圖2 壓濾泥餅和巖屑混摻燒制形態對比

4 結論

通過壓濾泥餅以及巖屑的合理配比,通過實驗數據來看,陶粒的最高強度能達到16.55 MPa,吸水性也滿足陶粒的產品指標要求。通過實驗充分驗證了海上泥漿壓濾泥餅與巖屑配伍燒陶粒的可行性。

小試實驗僅能代表餅巖屑燒制陶粒的可行性,成陶的強度、吸水性、燒制后的粒徑分布、燒失量等以及煙氣污染問題重要數據需要使用中試設備進一步驗證。

5 展望

陶粒可應用于建筑、機場、碼頭、公路等領域。目前,中國燒結陶粒市場規模已經達到3 000萬t,預計到2028年將達到5 000萬t。目前,我國陶粒行業在原材料、環保要求等領域面臨重大變化,黏土、頁巖等原材料逐步被限制使用,能耗、排放等環保要求備受關注。隨著《污泥陶粒》等新標準的出臺,企業環保意識的加強,陶粒行業將通過技術革新逐步走上具備處置固體廢棄物等環保功能的新型發展道路。

1)通過實驗驗證了海上固廢燒制陶粒的可行性,如需燒制更能更優的產品,需要進行進一步的實驗,通過配比黏土、砂石等配料改善陶粒性能;

2)通過更加合理的配方提高陶粒的質量,補齊固廢燒制陶粒品種和規格,并且最大限度地摻混工業固廢,實現工業廢物資源化目標;

3)環保問題也需要重點重視。高度重視陶粒生產過程中的環境治理。要從源頭抓起,貫穿整個生產過程的各個環節,做好末端處理,消除無組織排放,加強煙氣除硫、除氮和粉塵收集,努力實現清潔生產、保護環境。