水泥窯協同利用頁巖屑技術可行性研究＊

陳海濤 劉 石 侯 偉 梁 益 魏 軍 聶強勇

(中國石油川慶鉆探工程有限公司)

0 引 言

近年來，頁巖氣作為一種重要的非常規天然氣資源，已成為全球油氣資源開發的新亮點，中國頁巖氣開發也處于快速發展階段。而目前頁巖氣井在水平段主要采用的是油基鉆井液，單井油基巖屑產生量約350～400 m3，根據《國家能源局關于印發頁巖氣發展規劃(2016—2020年)的通知》以及近年來各頁巖氣開發區塊實際情況[1]，目前油基巖屑主要采用熱脫附及萃取工藝等方式進行處理，處理后的固相含油率低于1%，該部分頁巖屑國家相關法律法規及標準尚無明確的處理要求。目前開展的將頁巖屑固相用于免燒磚、燒結磚、水泥路基穩定層等研究，存在附加值不高且無法徹底解決其處置難題等問題[2]。

1 頁巖鉆屑用于水泥生產的研究

水泥生產的原料主要包括石灰石、黏土、鐵礦粉等，以及火山灰、粉煤灰等材料。水泥成分：CaO含量60%～69%、SiO2含量20%～25%、Al2O3含量4%～7%、Fe2O3含量0.2%～5%、MgO含量0.5%～5%、Na2O+K2O含量0.5%～1.5%、SO3含量0.1%～1.3%[3]。

頁巖是由黏土物質硬化形成的微小顆粒，易裂碎，很容易分裂成為明顯的巖層。其成分復雜，除黏土礦物外，還含有許多碎屑礦物和自生礦物，用硬物擊打易裂成碎片。頁巖氣鉆井過程中產生的頁巖屑中含碳酸鈣和黃長石，可用于部分替代常規水泥原料中的煤矸石、黏土及粉煤灰等[4-5]。頁巖屑成分分析見表1。

表1 頁巖鉆屑成分分析 %

根據水泥產品的生產要求，確定在一定比例內添加頁巖屑，部分替代煤矸石、黏土及粉煤灰等水泥原料和混合料，用于水泥生產。根據頁巖屑的化學組成，配制不同頁巖屑添加比例的多組生料，與普通黏土配制的生料進行對比研究[6]。通過室內試驗對比，頁巖屑摻入比例0.5%時，對水泥熟料抗壓強度及pH值等影響較小。在優化試驗方案及配比后，可結合水泥窯生產線開展現場試驗。

結合水泥生產工藝流程，將含油率低于1%的頁巖屑作為試驗對象，與其他水泥生產材料的混合料按設定的比例計量后送入生料磨內。經過粉磨和烘干的生料被輸送到生料均化庫，然后再輸送至回轉窯高溫煅燒成熟料[7]。

試驗目的：驗證使用頁巖屑作水泥輔料生產水泥的能耗、污染物排放及成品質量影響；

試驗地點：某水泥廠1#立磨(配料站添加)；

巖屑在生料中的比例(替代煤矸石)：0.5%；

使用方式：巖屑與煤矸石按0.5%(巖屑在生料中的比例)搭配。

1.1 對水泥生產工藝參數及能耗的影響

1)對立磨產量及電耗的影響

使用頁巖屑后，對立磨產量及電耗的影響分析見表2。

表2 立磨產量及電耗的影響分析

由表2可以看出，使用頁巖屑后，立磨臺時產量下降1.30 t/h，電耗上升0.08 kW·h/t。

2)對窯筒內溫度的影響

使用頁巖屑后，窯筒內溫度變化見圖1。

圖1 窯筒內溫度變化

由圖1可以看出，加入頁巖屑試驗階段，窯內開始結圈；空白時，窯內結圈逐步減緩。

3)對能耗的影響

使用頁巖屑后，對熱耗的影響見表3。

表3 能耗的影響分析

由表3可以看出，使用頁巖屑后，能耗提高13 MJ/t。

1.2 對水泥生產工藝污染排放的影響

1)對煙室氣體排放的影響

使用頁巖屑后，對煙室氣體排放的影響見表4。

表4 煙室氣體排放的影響分析

由表4可以看出，使用頁巖屑后，高溫風機轉速提高8 r/min；煙室SO2提高1 405.64 mg/m3，NOx下降336.77 mg/m3，CO上升，窯內有還原氣氛；熟料結料偏小，窯前有一定飛砂。

2)對煙囪SO2排放的影響

使用頁巖屑后，對煙囪SO2排放的影響見表5。

表5 煙囪SO2排放的影響分析 mg/Nm3

由表5可以看出，試驗過程中，立磨開機時煙囪SO2排放為10 mg/Nm3，立磨停機時為50 mg/Nm3，煙囪SO2排放濃度比空白時均偏高，但均滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》。

1.3 對水泥質量的影響

1)對出磨生料及入窯生料SO3的影響

結合已有研究，SO3含量過高會引起窯內結圈和預熱器堵塞，所以，一般認為SO3含量要控制在5%以下為宜。頁巖屑摻量0.5%對出磨生料及入窯生料SO3的影響結果見表6。

表6 出磨生料及入窯生料SO3含量 %

由表6可以看出，出磨生料中SO3含量提高0.03%，入窯生料成分中SO3含量提高0.03%，水泥出磨生料在可接受范圍內。

2)對熟料質量的影響

頁巖屑摻量0.5%時對熟料質量的影響見表7。

表7 熟料質量的影響分析

由表7可以看出，使用頁巖屑后，熟料SO3含量提高0.02%，S/R提高0.02；熟料小磨時間提高近1 min，對水泥磨的臺產將會有一定的影響，需要后期評估。

3)對水泥產品主要指標的影響

采用0.5%頁巖屑代替煤矸石方法進行試驗，該批次水泥成品通過四川省建材產品質量監督檢驗中心的抽樣檢測，所檢樣品的細度、凝結時間、安定性、強度、SO3含量、MgO含量、氯離子含量等檢測結果均合格。所檢項目符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。

該批次頁巖屑作為輔料生產的水泥產品質量達到相關標準要求。

2 結 論

采用0.5%巖屑代替煤矸石進入水泥生料生產工藝，通過對水泥生產工藝參數及能耗的影響分析，各環節均受控；通過對水泥生產工藝污染物排放的分析，煙室氣體及煙囪SO2排放滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》；通過對生產的成品水泥質量檢測分析，對水泥產品主要指標的影響可控，生產的水泥產品質量達到GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。

總體來說，處理后含油率低于1%的頁巖屑，作為水泥輔料進行資源化利用，此方案安全、環保、經濟，既解決了頁巖氣開發中油基巖屑的處置難題，降低了安全環保風險，又實現了鉆井廢物的“減量化”“資源化”“無害化”。