高含水油泥干化技術(shù)研究進展＊

張哲娜 姜忠民 仝 坤

(1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.中國石油遼河油田公司)

0 引 言

高含水油泥(油泥的一種)是油氣田開發(fā)和煉制過程中產(chǎn)生并經(jīng)過機械脫水、含水率一般高達80%以上的油泥。隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和原油劣質(zhì)化加劇，高含水油泥的數(shù)量日益增加、處理難度增大。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國油田和煉化企業(yè)的污水處理系統(tǒng)以及原油生產(chǎn)儲運系統(tǒng)每年產(chǎn)生高含水油泥超過500萬t[1-2]。高含水油泥成分十分復雜，一般由水(80%以上)、老化原油、瀝青質(zhì)、懸浮固體、細菌質(zhì)以及銅、鉻、汞等重金屬鹽類組成，呈現(xiàn)乳化嚴重、黏度大、難以沉降脫水等特點[3-4]。此外，高含水油泥還含有大量的苯系物、酚類、蒽類等有毒有害難降解有機物質(zhì)，如果直接堆放或處理不當將危害生態(tài)環(huán)境和人類健康[5]。在《國家危險廢物名錄》(2016版)中，油泥被歸類為危險廢物(HW08廢礦物油)，明確要求需按危廢進行管理。隨著國家環(huán)保要求的日益提高，油泥的減量化、資源化、無害化處理成為必然的發(fā)展趨勢，而降低高含水油泥的含水率實現(xiàn)減量化是實施其資源化、無害化最為直接、經(jīng)濟、有效的前提[6-7]。本文從技術(shù)原理及應用等方面綜述了目前高含水油泥的脫水干化工藝中廣泛采用的處理技術(shù)，為高含水油泥的減量化提供理論和實踐參考。

1 高含水油泥干化概述

高含水油泥較高的含水率造成運輸成本高、堆放體積大，同時還給深度處理處置帶來困難，如高含水油泥水分蒸發(fā)引起的能量損失常導致無害化、資源化較有前景的熱解工藝無法穩(wěn)定、連續(xù)運行[8-9]，且由此產(chǎn)生的大量冷凝水還增加了后續(xù)油水分離的成本，因此，高含水油泥干化處理對熱解技術(shù)的成本控制和推廣運行起到至關(guān)重要的作用。

高含水油泥干化是通過各種加熱手段導入熱量，使水分蒸發(fā)而進行的固-液分離操作[10-11]。高含水油泥干化可去除結(jié)合水以外的全部水分，含水率一般可降至30%以下，減量化程度高，不僅降低了儲運費用和后續(xù)設(shè)備處理負荷，還由于干化后油泥熱值的大幅提升實現(xiàn)自持燃燒，減少輔助燃料的消耗，在解決油泥最終去向問題的同時，也實現(xiàn)了降低能耗的目標[12-13]。

2 高含水油泥干化技術(shù)

高含水油泥干化技術(shù)主要包括熱干化、超高溫蒸汽噴射、新型干化法(包括微波干化、電滲透干化和油炸干化)等，其中應用最廣泛的是熱干化技術(shù)。

2.1 熱干化技術(shù)

熱干化技術(shù)是熱媒通過直接(熱對流)或間接(熱傳導)的方式使污泥受熱，水分蒸發(fā)，達到污泥干化的目的。直接熱干化是濕污泥和加熱后的熱介質(zhì)(蒸汽、煙氣等)直接接觸混合，熱媒與蒸發(fā)水汽、干化過程中污泥的副產(chǎn)氣一同排出，過程不產(chǎn)生灰塵，干污泥粒徑可控，但排氣量大，后續(xù)廢氣收集、治理的費用和難度高[14-15]。目前常用的污泥直接熱干化技術(shù)主要有帶式干化和轉(zhuǎn)鼓式干化技術(shù)。由于高含水油泥組分的復雜性，在直接熱干化過程中揮發(fā)的石油烴類物質(zhì)與傳熱介質(zhì)接觸會污染熱源，且存在一定的安全風險，因此盡管直接熱干化技術(shù)在市政污泥中的應用較多，但成功的高含水油泥干化工程案例較少[11，16]。

間接熱干化是熱介質(zhì)(蒸汽、導熱油等)加熱干化機器壁，并通過連續(xù)攪拌促進器壁與干化機內(nèi)污泥接觸傳熱。此類技術(shù)傳熱效率和水分蒸發(fā)速率低于直接干化技術(shù)，但在干化過程中由于污泥不與熱介質(zhì)接觸，產(chǎn)生的尾氣量較小，而且可以采取有效措施避免煙氣污染，因此裝置的環(huán)境保護性能較好。間接熱干化系統(tǒng)流程簡單，操作簡便，裝置易于控制，干化后污泥的干度可以調(diào)節(jié)控制，在干化器終端干污泥產(chǎn)物為粉末狀[17]。目前污泥間接熱干化常用的技術(shù)主要有圓盤式干化、槳葉式干化、薄膜式干化，其干燥速率分別為10～12，15～20，25～35 kg/(m2·h)，噸能耗分別為855～955，800～885，800～900 kW/h[12，18]。張立宏等[19]探索了槳葉式干燥機處理高含水油泥的可行性，以飽和蒸汽為熱源，將含水率77.6%的煉油廠高含水油泥在180℃下干化至含水率30%，熱值達到17.78×103kJ/kg。該裝置處理規(guī)模60 kg/h，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，連續(xù)運行，傳熱效率高并具有自凈能力。博天環(huán)境集團股份有限公司[20]采用圓盤干化機處理了某煉油廠高含水油泥，干化機熱媒采用160℃蒸汽，干化后油泥減量化明顯，含水率由83%～90.7%降至40%以下，具有較高熱值，可做摻燒燃料。該實驗裝置占地小，運行自動控制，操作簡單方便，工藝適合推廣，但工程應用時需要增加除塵器和控制油氣揮發(fā)產(chǎn)生的異味。

直接-間接聯(lián)合熱干化是對流-傳導熱干化技術(shù)的有效結(jié)合，該干化系統(tǒng)由于采用兩種傳熱組合，傳熱效率高，停留時間短，裝置無返料系統(tǒng)，但機械攪拌過程中易產(chǎn)生粉塵從而影響載氣的循環(huán)，干化顆粒的粒徑也無法控制[12，21]。該類型技術(shù)的代表有流化床干化技術(shù)和渦輪薄層干化技術(shù)。天津石化采用意大利VOMM公司的薄層干化技術(shù)建成處理能力1萬t/a油泥干化裝置，并于2012年進行高含水油泥與活性污泥摻混(比例1∶2或1∶1)干化實驗，裝置運行穩(wěn)定，干化后混合油泥含固率由12%提高至73%以上，減量化效果明顯。但干化運行過程中產(chǎn)生的油氣在微負壓環(huán)境下存在一定的爆炸風險，此外，由于高含水油泥黏性大，附著在槳葉上，影響傳熱效果，增加能耗[22]。

到目前為止，能耗大是熱干化法的主要問題，且含油率高的高含水油泥處置在國內(nèi)還缺少較成熟的工程經(jīng)驗。因此應盡可能利用熱電廠的高溫煙氣或污泥消化產(chǎn)生的熱量進行廢熱利用以降低能耗，并通過控制進泥含油率、干燥設(shè)備腔體內(nèi)氧含量，采取有效的惰性化措施，保持入口處于微正壓，保證含油率高的高含水油泥熱干化的安全性[16，23]。

2.2 超熱蒸汽噴射技術(shù)

超熱蒸汽噴射技術(shù)是利用500～600℃的超熱蒸汽對濃縮脫水后的高含水油泥進行干化處理。高溫蒸汽以超音速從噴嘴噴出并在干化室內(nèi)與高含水油泥正面碰撞，在超音速所產(chǎn)生的能量作用下，高含水油泥被瞬時破碎成細小顆粒，最后通過旋風分離器實現(xiàn)油氣、水汽與固相分離。超熱蒸汽噴射設(shè)備具有處理效果好、設(shè)備緊湊、易于維護、回收油質(zhì)純凈等優(yōu)點[24]。由中國石油吉林油田公司2010年開發(fā)的5 t/h超熱蒸汽噴射高含水油泥處理裝置，經(jīng)過兩個試驗周期的運行表明，處理后固體殘渣中含水率低于10%，殘渣含油率≤0.3%，原油回收率達99%以上，符合減量化、資源化的原則，為高含水油泥的處理開辟了一條新路[25]。目前該技術(shù)處于推廣階段，設(shè)備能耗還有待改進。

2.3 新型干化技術(shù)

2.3.1 微波干化技術(shù)

微波干化技術(shù)是利用頻率300 MHz～300 GHz、波長0.001～1 m的微波通過熱效應及非熱效應破壞高含水油泥的絮狀體系，實現(xiàn)油、水、固的三相分離的處理方法[26]。不同于傳統(tǒng)熱干化傳熱機理，微波干化依靠高含水油泥中極性水分子在電磁場中高速的熱運動獲得熱能，進而對高含水油泥外部及內(nèi)部同時加熱，大大縮短了熱傳導時間，因此加熱速率快、加熱均勻且易于控制[27]。同時高含水油泥中液相的相對運動使其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，加速油水分離過程，從而提高其脫水性[28]。劉曉娟等[29]以長慶油田某油區(qū)的高含水油泥為研究對象驗證了高含水油泥微波干化的可行性，并粗略推算出10 m3高含水油泥經(jīng)重力沉降后在20 kW功率的微波作用下15 h，可使其含水量由85%降為45%。因此使用微波干化技術(shù)對高含水油泥進行處理是完全可行的。微波干化技術(shù)的優(yōu)點是設(shè)備少、占地面積小，缺點是需要消耗大量電能，普及難度較大。

2.3.2 電滲透干化技術(shù)

電滲透污泥干化是在外加直流電場的作用下，使污泥中帶電顆粒向陽極靠近，分散介質(zhì)擴散層的反離子攜帶水分向陰極運動，使污泥中的結(jié)合水、間隙水變成游離水，因此電滲透干化技術(shù)可去除大量由機械脫水無法去除的水，且體系能耗遠小于熱干化的理論能耗[30-32]。吉林石化針對煉油廠高含水油泥開展了電滲透技術(shù)工藝優(yōu)化試驗，結(jié)果表明，電滲透技術(shù)可破壞其表面微生物結(jié)構(gòu)，使其含水率降至60%以下，后續(xù)干燥處理可使含水率進一步降至20%以下，再經(jīng)碳化處理，可將含水率降至1%以下，有機物得到回收，運行成本低于直接焚燒[33-34]。盡管電滲透干化技術(shù)能耗低、藥耗少、裝置簡單且占地面積小，但在實際運用中仍存在一些問題，如隨著高含水油泥的含水率降低，其電阻變大，耗電量增加，同時陽極材料易被腐蝕，引發(fā)脫水故障[35-36]。因此，高含水油泥的電滲透干化技術(shù)無法大范圍推廣應用。

2.3.3 油炸干化技術(shù)

污泥的油炸干化技術(shù)是利用高溫廢油對高含水油泥進行傳質(zhì)和傳熱處理使水分脫除的過程。廢油通過熱對流的方式使高含水油泥表面受熱，同時熱量以熱傳導的方式進入其內(nèi)部，在傳質(zhì)和傳熱的共同作用下，高含水油泥呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)且滲透性被破壞，水分隨著油的引入以蒸汽的形式脫除[12，37-38]。張珂等[39-40]利用車用廢潤滑油對遼河油田高含水油泥進行了油炸脫水實驗研究，結(jié)果表明該技術(shù)可實現(xiàn)高含水油泥的高效脫水，脫水后油泥可作為燃料使用，此外還為車用廢潤滑油提供了一條資源化利用的新途徑，實現(xiàn)以廢治廢的效果。相對于傳統(tǒng)的熱干化技術(shù)，油炸干化技術(shù)脫水效率高、傳熱效率快、設(shè)備簡單且具有更低的能量損失和能量消耗，但其運行成本受廢油價格的影響，目前該技術(shù)尚處于研發(fā)階段。

2.4 技術(shù)發(fā)展趨勢

雖然高含水油泥的主要成分是水，但也含有一定量的礦物油和非油有機物，干化處理應脫水減量和回收油并重，熱干化處理過程中應避免溫度過高致油氣大量揮發(fā)再冷凝堵塞管路、除塵器，不凝氣逸散致二次污染，應根據(jù)后續(xù)處理工藝采用適宜干化技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能和減排。

3 結(jié)束語

高含水油泥的干化處理可達到深度減量效果，利于后續(xù)資源化利用和無害化處理，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。目前高含水油泥干化技術(shù)大多源于市政污泥的干化處理，由于高含水油泥成分復雜，很多技術(shù)和設(shè)備并不適用，典型、成熟的高含水油泥干化處理案例較少。因此，應根據(jù)高含水油泥的特點，選擇低油氣揮發(fā)并有效回收油氣資源的技術(shù)，確保裝置的長周期安全、平穩(wěn)運行。此外，為進一步降低高含水油泥干化處理成本實現(xiàn)節(jié)能減排，還應結(jié)合建設(shè)環(huán)境、能源條件和最終處置要求選擇適宜干化技術(shù)。