頁巖氣田鉆井含油危廢旋轉爐處理的優化與應用研究

陸振波(中石化江漢石油工程有限公司環保技術服務公司，湖北 潛江 433123)

0 引言

頁巖氣開采鉆井過程中危險廢物以含油危廢為主，主要來源于鉆井、設備檢修維護及清場作業等環節，含油危廢的組成較為復雜，既有伴隨鉆井三開過程中產生的含油鉆屑，也有固洗井過程中產生的前(后)置液、鉆井作業過程中因設備“跑、冒、滴、漏”產生的含油浸染物，生產過程中產生的含油包裝物、含油容器等[1]。據估算，目前每口井的含油危廢產生量一般在500 t左右。2013年，某環保科技公司在西南某頁巖氣田建成了一座含油鉆屑回收利用站，采用熱脫附處理工藝回收處理井場回收的含油鉆屑。因工藝設計原因，該熱脫附裝置無法處理粒徑≥8 mm的含油鉆屑、前(后)置液、含油浸染物等含油垃圾，上述含油危廢經井場回收至該站后，臨時貯存于站內，存在著極大的安全環保風險。經調研，上述含油危廢可通過熱解炭化式旋轉爐進行無害化處置，但市面上的旋轉爐裝置存在自動化程度較低、人工勞動強度大、檢維修頻次較高、裝置利用率較低等問題，因此，在該地區開展含油危廢旋轉爐處理裝置優化及應用試驗，旨在提高含油危廢的處理能力，同時降低安全環保風險。

1 含油危廢旋轉爐處理裝置優化研究

1.1 旋轉爐進料系統優化研究

由調研分析可知，旋轉爐采用的喂料機的主要技術瓶頸在于無法做到連續傳輸液相含量較高的含油危廢，進而影響了進料效率。因此，從進料工藝路線的角度而言，優選出能夠連續穩定傳輸液相含量較高的進料設備具有重要意義。前期，為滿足含油鉆屑熱餾處理的工藝需求，優選出了含油鉆屑輸送柱塞泵作為進料系統的主要設備，能夠滿足液相含量較高的含油鉆屑連續進料的需求，其結構特點如下：含油鉆屑輸送柱塞泵由YB系列柱塞泵改造而成，由液壓驅動，其柱塞由耐腐蝕耐磨的氧化鋁陶瓷制成。泵體根據含油鉆屑粘度高且具有一定腐蝕性的特點要求，選用不銹鋼材料[2]。同時，為滿足含油鉆屑輸送過程中進料量可調的特點，選擇該柱塞泵的形式為變量泵，配套旋轉爐使用，泵會隨著含油鉆屑密度的增加自動使壓力提高，流量可調。

1.2 旋轉爐燃動系統優化研究

現有的旋轉爐燃燒采用矩形分區，將爐內分成若干個控溫區，交錯分布的相鄰多個燒嘴劃分為一個控制區，設一個采溫點，各區進行集中控制，這也是目前旋轉爐熱處理過程中溫度控制大多采用的分區形式。在優化設計過程中，為提高加熱效率并確保爐內溫度分布的均勻性，對每個燒嘴單獨分區或控制，燒嘴交錯布置于爐子兩側的底部，溫度檢測點設置于燒嘴對面爐側面。每個燒嘴單獨分區控制，這樣爐內相當于劃分為5個控溫區，劃分更細，使控制溫度均勻性更好，保證含油危廢在爐內可以均勻受熱，防止結焦。同時，對點火裝置可以實現自動或手動控制，對溫度進行微調。

1.3 旋轉爐油氣系統優化研究

針對現有旋轉爐油氣冷凝系統采用單一冷凝法存在的技術缺陷，考慮利用活性炭吸附+冷凝綜合技術對油氣進行了回收，在油氣排放出口設置兩級溫度相對較高的低溫冷凝裝置[3]。通過對油氣中組分常壓條件下的沸點和分壓的綜合考慮設置冷凝溫度，使大部分油氣被冷凝回收，在冷凝管出口設置活性炭吸附裝置綜合了冷凝法與吸附法的優勢，降低回收成本，提高運行周期。

2 含油危廢旋轉爐處理現場應用試驗

2.1 旋轉爐處理含油危廢的應用情況及效果評價

2.1.1 旋轉爐處理含油危廢生產情況

根據旋轉爐處理含油危廢的生產情況統計，聯機試運行共歷時40 d，分為兩個試生產周期，第一個試生產周期為11月19日至12月13日，停產檢維修7 d。第二個周期為12月20日至28日試生產期間含油鉆屑處理量穩定在30～35 m3/d，天然氣量單耗為52～65 m3，電量單耗為73～80 kW·h，水量單耗為0.7 m3左右。經過檢測，旋轉爐處理后的含油危廢產生的殘渣含油率＜0.3%，達到了GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》中的相關要求。而旋轉爐處理后回收的礦物油，依據GB 19147—2016《車用柴油》，部分檢測結果超出限值，但總體來看，回收油品質較好，可作為原料油進一步提純精制工業用柴油或用于配漿基礎油。

2.1.2 旋轉爐處理含油危廢的效果評價

從旋轉爐近40 d運行的情況來看，經過研制優化后的旋轉爐各個大系統及整個裝置運行狀態穩定，各項參數指標均達到了設計要求，得到的產物各項指標也均達到了相關要求。

2.2 旋轉爐應用優化研究

旋轉爐經過40 d兩個生產周期的生產運行，基本達到了井場含油危廢的處理需求，但在生產過程中未對含油危廢進行分類處置，造成旋轉爐的能耗較高、處理效率未達到最優，為此，進一步開展了不同類型的含油危廢旋轉爐處理的應用研究，期望達到旋轉爐處理含油危廢進料配比的最優方案。

2.2.1 旋轉爐處理前置液的應用情況分析

表1為旋轉爐處理前置液的情況統計，對比可知，旋轉爐單獨處理前置液相較于處理混合型的含油危廢而言，處理過程中的天然氣、電量消耗均提升了30%以上，處理時間延長了6.5 h以上。

表1 前置液處理情況

分析可知，前置液中的液相含量較高，尤其是液相中的水含量達到了90%以上，而水的汽化潛熱遠高于油性物料和其他固體危廢的汽化潛熱，導致需要供給更多的熱量完成無害化熱處理的過程，造成旋轉爐在處理前置液時的能耗增加，處理時間增長。

2.2.2 旋轉爐處理含油浸染物的應用情況分析

表2為旋轉爐處理含油侵染物的情況統計，對比可知，旋轉爐單獨處理含油侵染物相較于處理混合型的含油危廢而言，處理過程中的天然氣、電量消耗均降低了15%以上，處理時間縮短了4.5 h以上。

表2 含油侵染物處理情況

分析可知，含油侵染物中的液相含量較低，而其他固體危廢的汽化潛熱較水和油均較低，供給較少的熱量即可完成無害化熱處理的過程，旋轉爐在處理含油浸染物的能耗降低，處理時間縮短。

2.2.3 旋轉爐處理粒徑≥8 mm含油鉆屑的應用情況分析

表3為旋轉爐處理粒徑≥8 mm含油鉆屑的情況統計，對比可知，旋轉爐單獨處理含油侵染物相較于處理混合型的含油危廢而言，處理過程中的天然氣、電量消耗均降低了8%以上，處理時間縮短了3 h以上。

表3 粒徑≥8 mm含油鉆屑處理情況

分析可知，粒徑≥8 mm含油鉆屑中液相含量較低，汽化潛熱高于含油侵染物，但低于前置液，所以供給的熱量較前置液偏少，較含油侵染物偏高。

2.2.4 含油危廢旋轉爐處理的推薦做法

由旋轉爐在處理前置液、含油侵染物、粒徑≥8 mm的含油鉆屑的情況統計分析可知，在相同處理價格的前提下，處理含油侵染物的經濟效益優于處理粒徑大于8 mm的含油鉆屑，優于處理前置液。但考慮到井場前置液產生量遠大于含油侵染物(大致為3:1)，并且含油垃圾在現場臨時貯存較為便利，綜合考慮能耗、處理時間建議旋轉爐處理含油危廢的最佳進料比范圍為：50%～60%前置液+20%～30%含油侵染物+20%粒徑大于8 mm的含油鉆屑。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)通過旋轉爐關鍵系統的優化研究以及井場含油危廢處理的現場應用，提高了旋轉爐裝置的運行效率，降低了運行成本，形成了含油危廢旋轉爐處理的技術方法；(2)含油危廢旋轉爐處理裝置在該地區的成功研制與應用，為其他頁巖氣田含油危廢的處理提供了成功的工程案例樣板，為該技術的推廣創造了有利條件。

3.2 建議

(1)含油危廢旋轉爐處理尾氣凈化裝置的優化還不夠充分還有待深入研究，以滿足不同地區的環保標準；(2)旋轉爐的穩定性相比于熱脫附裝置還有所欠缺，有進一步優化的空間。