一種油基巖屑熱解脫附水處理設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

張曉玲，劉 劍

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.浙江宜可歐環(huán)保科技有限公司，浙江 湖州 313000)

在“雙碳”背景下，必須進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型。我國(guó)的頁巖氣存量為世界第一[1]。頁巖氣在開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的油基巖屑。油基巖屑屬于危險(xiǎn)固廢，需經(jīng)過處理后才能利用。由于油基巖屑的成分復(fù)雜，需采用高效集成熱解技術(shù)對(duì)油基巖屑進(jìn)行處理才能符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)是通過熱解噴淋水處理一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用[2-3]，處理過程中可回收大量的污油，滿足不同工況下的熱解噴淋水的處理需求。

1 水處理基本工藝流程

1.1 目前工藝流程

目前常規(guī)水處理流程如圖1所示。

圖1 水處理工藝流程圖

當(dāng)噴淋水進(jìn)入處理設(shè)備中，污泥沉降在底部，設(shè)備的上部為油液層，箱體的中間為水層，底泥通過泵打入污泥濃縮罐中，在罐中對(duì)底泥進(jìn)行再次的泥水分離，濃縮后的底泥打入疊螺中脫水。箱體中的油層可通過收油機(jī)將油回收，箱體中部的水一部分作為噴淋循環(huán)水使用，一部分通過初級(jí)水處理系統(tǒng)處理后外排。

1.2 優(yōu)化后的工藝流程

設(shè)計(jì)優(yōu)化的工藝流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化水處理工藝流程圖

通過對(duì)噴淋水處理箱體的優(yōu)化改進(jìn)，增加了脫水功能。優(yōu)化后的水處理設(shè)備可直接將噴淋含泥污水濃縮脫水，省去了附加的污泥濃縮、脫水流程，簡(jiǎn)化了大量的污泥處理設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了脫水、沉淀、收油為一體的水處理設(shè)備。

2 水處理一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 目前通用的結(jié)構(gòu)

目前通用的水處理設(shè)備如圖3所示。

1.噴淋水箱；2.收油箱；3.收油機(jī)；4.噴淋水入口；5.沉淀箱體；6沖洗管。

噴淋水進(jìn)入沉淀池，經(jīng)過一定時(shí)間的沉淀后，污泥沉入沉淀池底部。當(dāng)噴淋水的含泥量較大時(shí)，就需要不斷的增大沉淀腔，這樣水處理設(shè)備就需要做的較大，才能夠?qū)崿F(xiàn)污水沉淀效果。沉淀后的較為干凈的污水進(jìn)入循環(huán)噴淋水箱，噴淋水箱體中的水用于噴淋循環(huán)使用，但沉淀的污泥還需通過污泥濃縮管罐濃縮(如圖4所示)，再經(jīng)過疊螺機(jī)濃縮脫水，外排污水再通過初級(jí)水處理設(shè)備進(jìn)行處理(如圖5所示)。

圖4 污泥濃縮罐

圖5 初級(jí)水處理設(shè)備

2.2 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)解決了目前水處理設(shè)備只能作為沉淀設(shè)備的缺陷問題，增加了壓濾脫水功能，實(shí)現(xiàn)了脫水、沉淀、收油為一體的水處理設(shè)備(如圖6所示)。箱體內(nèi)部為過濾腔、沉淀腔、收油箱及噴淋循環(huán)水箱。過濾腔的作用是通過壓濾機(jī)構(gòu)將污泥脫水。脫水后的泥餅通過泥餅螺旋機(jī)外輸。過濾后的污水進(jìn)入二次沉淀腔。二次沉淀腔中上部的油，可通過收油機(jī)將所含的污油收集在收油箱，經(jīng)過排油泵將污油外輸；中間污水溢流進(jìn)入噴淋水箱。噴淋水箱中的水用于噴淋循環(huán)使用，如需污水外排，可再通過初級(jí)水處理設(shè)備進(jìn)一步處理，如圖5所示。

1.噴淋水入口；2.液壓缸；3.過濾腔；4.過濾網(wǎng)；5.振動(dòng)機(jī)；6.插板閥；7.泥餅螺旋；8.沉淀腔；9.反沖洗水；10.過濾出水口；11.噴淋水箱；12.收油箱；13.刮油機(jī)。

3 水處理一體化設(shè)備的工作原理

設(shè)計(jì)的水處理一體化設(shè)備，通過噴淋水入口進(jìn)入到過濾腔，在壓濾腔中通過液壓機(jī)構(gòu)擠壓，將過濾腔中的含泥污水壓縮，達(dá)到污泥濃縮脫水效果。設(shè)備中兩個(gè)過濾腔交替工作，因此一體化設(shè)備可連續(xù)工作。與傳統(tǒng)的沉淀設(shè)備相比，一體化設(shè)備對(duì)噴淋水的含泥無要求，含泥量較大時(shí)同樣可處理，因此可適用于不同污水含泥的多種工況。擠壓后的污水經(jīng)過過濾網(wǎng)，進(jìn)入二次沉淀的箱體。箱體上部通過刮油機(jī)將油回收到收油箱。二次沉淀后的污水溢流進(jìn)入噴淋水箱。噴淋水箱中的水可用于噴淋循環(huán)使用，而擠壓過濾后的泥餅，如泥餅無法通過重力落入螺旋，需通過震動(dòng)機(jī)震蕩掉落進(jìn)入出料泥餅螺旋外輸。

4 水處理設(shè)備優(yōu)化前后尺寸對(duì)比

4.1 優(yōu)化前尺寸計(jì)算

目前采用沉淀水處理法，設(shè)計(jì)水處理量為 50 m3/h，Q=0.0138 m2/s，q′=2 m3/(m2·h)，t=1.5/h，v=2 mm/s，則：

沉淀有效水深：h2=q′t(m)

池長(zhǎng)：L′=vt×3.6(m)

計(jì)算所需沉淀箱體的大小為：17 m×3 m×3 m。

4.2 優(yōu)化后尺寸計(jì)算

優(yōu)化設(shè)計(jì)的水處理一體化設(shè)備，只需計(jì)算過濾腔處理能力，選擇合適的液壓機(jī)構(gòu)，可得出水處理設(shè)備的整體尺寸。設(shè)計(jì)單個(gè)過濾腔的大小為 1.5 m×1.5 m×1.5 m，則一次可處理的體積為 3.375 m3。

單個(gè)腔體的水壓為：F=ρghS；

式中：A1為活塞無桿側(cè)有效面積(m2)；A2為活塞有桿側(cè)有效面積(m2)；p為供油壓力(MPa)；D為活塞直徑(m)；d為活塞桿直徑(m)。

通過計(jì)算所得：?jiǎn)蝹€(gè)過濾腔水壓為F=33075 N，選取液壓缸DG-J63C-E1推力為 43640 N、拉力為 30180 N，最大行程為 1.6 m，優(yōu)化后所需一體化設(shè)備的大小為 6 m×3 m×3 m(H)，箱體尺寸明顯減小，且不需要附加的底泥處理設(shè)備。由于壓濾后的污泥含水量更少，后期污泥回用熱解也更加節(jié)省能耗。

4.3 創(chuàng)新點(diǎn)

設(shè)計(jì)的水處理一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)水處理工藝及設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，創(chuàng)新性的增加了液壓過濾機(jī)構(gòu)；可單獨(dú)完成污泥脫水，不需要其它設(shè)備輔助脫水；實(shí)現(xiàn)脫水、沉淀、收油一體化，不僅節(jié)省大量的污泥處理成本，同時(shí)可滿足不同工況下噴淋污水的處理要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)油基巖屑熱解噴淋循環(huán)水的處理，實(shí)現(xiàn)了污水循環(huán)處理、底泥處理、污油回收為一體的水處理設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)使用，達(dá)到節(jié)約水資源目的，而且在處理過程中可以回收大量的污油，能夠?qū)崿F(xiàn)不菲的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。