負壓蒸發技術處理廢棄鉆井液

苗純正，周傳德，，李瑞民，王 堃，孟明輝

（1. 重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；2. 重慶科技學院 機械與動力工程學院，重慶 401331；3. 西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065）

治理技術

負壓蒸發技術處理廢棄鉆井液

苗純正1，周傳德1，2，李瑞民3，王 堃2，孟明輝2

（1. 重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；2. 重慶科技學院 機械與動力工程學院，重慶 401331；3. 西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065）

采用負壓蒸發技術處理3種不同組分的廢棄鉆井液。實驗結果表明：最佳蒸發溫度為79 ℃；當蒸發溫度低于95 ℃時，相15#原液的出水氨氮質量濃度、懸浮物質量濃度、色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準；當蒸發溫度低于79 ℃時，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準。通過后續過濾除油工藝可降低鉆井液中的石油類質量濃度，使最終出水達標排放。

鉆井液；負壓蒸發；蒸發溫度

隨著石油工業的發展，石油鉆井液污染的治理已成為世界各國研究的重要課題。目前，國內外已開展了很多研究，并取得了一定的成果。鉆井液的固化處理在我國應用最為廣泛［1-4］。李瑞龍等［5］將工業廢渣磷石膏與粉煤灰用于鉆井廢棄泥漿的固化處理。李輝等［6］提出了廢棄鉆井液微生物-土壤-植物的聯合處理方法，從根本上解決了污水處理問題。國外一般采用集中填埋或注入安全地層的方法處理廢棄油基鉆井液［7］。根據廢棄鉆井液為水基、油基混合液的特點，委內瑞拉石油公司開發了微波破乳法處理鉆井液新技術［8］。日本采用真空蒸發分離、旋流壓縮等技術處理鉆井廢棄泥漿，可以在鉆井的同時對廢棄鉆井液進行處理，避免了以往只能終端處理的缺陷［9］。這些技術的處理效果顯著，但均受一定條件的限制，且成本較高，難以推廣使用［10］。

本工作采用負壓蒸發技術分別處理3種不同組分的鉆井液，對3種鉆井液的處理效果進行了分析，得出了最佳的蒸發溫度。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

相15#原液：紅褐色，澄清，有少許沉淀；鉆井液1：黑色，泥濁，有沉淀；鉆井液2：黑色，泥漿狀，有浮油。3種不同鉆井液的水質檢測結果見表1。由表1可見，由于3種鉆井液所含的鹵化物、高分子聚合物的種類及含量不同，它們的氨氮、石油類和懸浮物的質量濃度各不相同，COD均很高。

表1 不同鉆井液的水質檢測結果

1.2 工藝流程

負壓蒸發鉆井液污水處理工藝系統包括旋流器、真空泵、負壓蒸發器、蒸汽發生器、除油器等基本設備，工藝流程見圖1。

圖1 負壓蒸發鉆井液污水處理工藝流程

經鉆井口返回的廢棄鉆井液經旋流分離和蓄漿池靜置重力分離后，液相污水被引入負壓蒸發器內。由蒸汽發生器產生的高溫高壓蒸汽進入蒸汽加熱套，通過蒸發器壁面的熱傳導加熱蒸發器內的污水。污水被加熱后在負壓條件下吸熱汽化，進入冷卻室。為了充分利用熱量，在進入冷卻室前，蒸汽與預處理污水進行充分的熱交換，預加熱待處理的污水，以降低單位體積能量消耗。冷卻后的蒸汽液化為水，添加適量的化學試劑除去NH4+，再經吸附除油后即可達標排放。

1.3 實驗裝置

負壓蒸發裝置的照片見圖2。由圖2可見，實驗用負壓蒸發裝置未安裝螺旋刮膜片，僅以蒸汽發生器作為加熱裝置，以換熱器作為冷卻裝置，在蒸汽出口處增加了泡沫隔離層。實驗在真空條件下進行，整個裝置處于負壓狀態，通過調節閥門改變蒸發罐的壓力，以此改變蒸發溫度。

圖2 負壓蒸發裝置的照片

2 結果與討論

2.1 3種鉆井液的處理效果

不同蒸發溫度下3種鉆井液的處理效果見表2。由表2可見：隨蒸發溫度的升高，除懸浮物質量濃度指標外，3種鉆井液的其他檢測指標均呈逐漸增加的趨勢，水質逐漸變差；當蒸發溫度為55℃時，3種鉆井液的氨氮質量濃度、懸浮物質量濃度和色度等指標均達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》［11］中的一級排放標準；當蒸發溫度升高至75 ℃和95 ℃時，鉆井液1和鉆井液2的氨氮質量濃度、懸浮物質量濃度和色度等指標可達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準。通過后續過濾除油處理工藝，可降低鉆井液中的石油類質量濃度，使污水達到排放要求。

表2 不同蒸發溫度下3種鉆井液的處理效果

2.2 蒸發溫度對COD的影響

采用Aspen Plus化工流程模擬軟件構建負壓蒸餾模型，運用MATLAB軟件建立數學模型，構建COD與蒸發溫度的對應關系，計算結果見圖3。

圖3 蒸發溫度對COD的影響● 相15#原液；■ 鉆井液1；▲ 鉆井液2

由圖3可見：經負壓蒸發處理后相15#原液中的COD仍高達225.0 mg/L以上；當蒸發溫度低于79 ℃時，處理后鉆井液1和鉆井液2的COD均低于114.0 mg/L，可達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準（出水COD小于120 mg/L）。

2.3 蒸發溫度對污水pH的影響

蒸發溫度對污水pH的影響見圖4。由圖4可見：當蒸發溫度低于59 ℃時，3種鉆井液的pH小于9，呈弱堿性，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準（pH為6～9）；當蒸發溫度為79 ℃時，處理后污水的pH略高于排放標準。

2.4 小結

綜上所述，當蒸發溫度低于95 ℃時，相15#原液的氨氮質量濃度、懸浮物質量濃度和色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均達到GB8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準，但出水COD仍高達225.0 mg/L以上。當蒸發溫度低于79 ℃時，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/ L，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準。當蒸發溫度為79 ℃時，處理后污水的pH略高于排放標準。但相對其他考核指標，污水pH易于調節。綜合考慮處理工藝的經濟節能、真空泵的選型造價、真空度大小對真空泵所需能源消耗的影響以及真空度對蒸發過程中的起泡影響等情況，選擇最佳蒸發溫度為79 ℃。經過后續過濾除油工藝處理，可降低鉆井液中的石油類質量濃度，最終出水可達標排放。

3 結論

a）采用負壓蒸發技術處理3種不同組分的廢棄鉆井液。實驗確定最佳蒸發溫度為79 ℃。

b）當蒸發溫度低于95 ℃時，相15#原液的氨氮質量濃度、懸浮物質量濃度、色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準。

c）當蒸發溫度低于79 ℃時，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的二級排放標準。

d）當蒸發溫度低于59 ℃時，3種鉆井液的pH小于9，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Waste Drilling Fluid by Negative Pressure Evaporation Technology

Miao Chunzheng1，Zhou Chuande1，2，Li Ruimin3，Wang Kun2，Meng Minghui2
（1. School of Safety Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2. School of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；3. College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an Shaanxi 710065，China）

3 kinds of waste drilling fluid with different components were treated by negative pressure evaporation technology. The experimental results show that：The optimum evaporation temperature is 79 ℃；When the evaporation temperature is below 95 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of 15#fl uid is below 3.40 mg/L and 0.093 mg/L respectively，and the chroma is below 11 times，which meet the fi rst grade discharge standard of GB 8978-1996；When the evaporation temperature is below 79 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of Drilling Fluid 1 and Drilling Fluid 2 are both below 37.00 mg/L and 0.080 mg/L respectively，the chroma of them are both below 13 times，and COD of them are both below 114.0 mg/L，which meet the second grade discharge standard of GB 8978-1996. The mass concentration of petroleum in the drilling fl uid can be decreased by further fi ltration process to meet the discharge standard.

drilling fl uid；negative pressure evaporation；evaporation temperature

TE991.2

A

1006-1878（2015）05-0498-04

2015 - 03 - 17；

2015 - 06 - 02。

苗純正（1989—），男，河南省新鄉市人，碩士生，電話 18502369275，電郵 449165116@qq.com。聯系人：周傳德，電話 13638304242，電郵 ZCD0013@163.com。

國家自然科學基金項目（51205431）；重慶市重點應用開發計劃項目（cstc2013yykfB0039）。