含油污泥的燃料化處理及清潔燃燒技術(shù)研究

楊鵬輝，李 元，楊文超，屈撐囤，張寧生

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲層保護重點實驗室，陜西西安 710065；3.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716000；4.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065）

在石油開采、集輸和煉制過程中產(chǎn)生了大量的含油污泥。據(jù)統(tǒng)計，我國各油田每年產(chǎn)生含油污泥40×104t 以上，而且產(chǎn)量還在逐年上升[1]。含油污泥中含有苯系物、酚類、多環(huán)芳烴、有害的微生物、重金屬、放射性物質(zhì)等有害物質(zhì)[2-4]，已被國家列為危險固體廢棄物，如果處置不當，將造成嚴重的環(huán)境污染[5，6]。陜北地處干旱、缺水地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境脆弱，含油污泥帶來的環(huán)境污染問題更為嚴重。目前，溶劑萃取、熱化學洗滌、固化法、生物處理等是常用的處理方法，但這些方法都存在一定的局限性[7-9]。

加入輔助燃料混燒是含油污泥常用的處理方法之一。但這種方法的缺點是對于含水率高的污泥需要進行預(yù)處理來降低含水率及黏度，并且需要加入輔助燃料來保持一定的燃燒溫度，還需要對燃燒的煙氣及殘渣進行處理，以免產(chǎn)生二次污染[7]。含油污泥顆?；剂现苽浼扒鍧嵢紵煌诨鞜?，是在污泥中加入一定的處理藥劑使其快速破乳、干化并提高其熱值，形成顆?；娜剂希脽煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)使其燃燒過程中的污染物排放值達到國家控制標準，實現(xiàn)含油污泥的無害化與資源化處理。謝水祥等開發(fā)了一種含油污泥處理劑，能使大港油田、新疆油田、勝利油田、遼河油田等含油污泥迅速破乳，其干化物燃燒后灰渣與燃煤混燒排放的煙氣均滿足我國相關(guān)排放標準要求[10]。我國于2014 年頒布施行了新的《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014[11]，煙氣中二氧化硫排放濃度限值由900 mg/m3降低至400 mg/m3，氮氧化物排放濃度限值為400 mg/m3，而文獻檢索國內(nèi)關(guān)于含油污泥燃料化處理劑的作用機理研究報道很少，仍需要進一步研究。我們課題組一直專注于油氣田環(huán)境污染控制理論與技術(shù)的研究，先后研究了含油污泥低溫催化熱解技術(shù)，熱氧化技術(shù)[12-15]。延長石油每年產(chǎn)生含油污泥達15×104t 以上，為了對含油污泥進行無害化處理的同時，回收利用含油污泥中所含潛在能量，研究了燃料化處理劑對延長油田含油污泥性質(zhì)的影響及作用機理，設(shè)計了燃料化處理劑復配實驗。經(jīng)復配制成的燃料熱值達到5 273 kCal/kg；在顆?；剂现屑尤?.0 %的脫硫劑DS 可使燃燒煙氣中各項污染物濃度均低于《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014 規(guī)定的限值，為含油污泥的處置及資源化利用提供了思路和方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及方法

污泥含水率采用GB/T8929-2006《原油水含量的測定 蒸餾法》測定，含油率采用索氏提取法測定，固含量通過差減法得到[16]；元素分析使用VarioEL III 元素分析儀，依照SH/T 0656-2008《石油產(chǎn)品及潤滑劑中碳，氫，氮測定法》進行分析；使用日本電子株式會社JSM-6390A 型掃描電鏡對樣品進行觀察；使用PerkinElmer NexION 300×電感耦合等離子體質(zhì)譜儀依照DB43/T 1220-2016《土壤中銅、鋅、鉛、鎘、鉻、汞、砷的測定電感耦合等離子體—質(zhì)譜法》對殘渣中的重金屬含量進行測定；燃料熱值用XRY-1A 型氧彈熱量計測量；燃燒在合肥科晶材料技術(shù)有限公司GSL-1500X管式加熱爐中進行，煙氣用嶗應(yīng)3012H 型自動煙塵（氣）測試儀分析。將盛有顆?；剂系嫩釄宸湃爰訜釥t，調(diào)節(jié)氧氣流量為80 mL/min，升溫速率為15 ℃/min條件下，當爐溫升到250 ℃時，將煙氣接收管連接到加熱爐煙氣出口上，用煙氣分析儀對污染物組分進行實時在線分析，從300 ℃時開始，每隔10 ℃記錄一次煙氣中污染物的濃度數(shù)據(jù)，直至燒至800 ℃為止。

1.2 實驗物料

含油污泥樣品取自延長油田沉降罐罐底泥，呈黑褐色黏稠狀。通過實驗測得其含水率均值為30.65 %，含油率均值為28.16 %，固含量均值為41.19 %，密度均值為1.345 g/mL，熱值均值為3 621 kCal/kg。元素分析（見表1）。

表1 含油污泥的元素分析Tab.1 Elemental analysis of oil sludge

脫硫劑DS 購自河南碧潔環(huán)?？萍加邢薰?。破乳劑、干化劑、疏散劑、催化劑均購自西安拉卡生化儀器有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料化處理劑對污泥性質(zhì)的影響

含油污泥是一種極其穩(wěn)定的懸浮乳狀液體系。要使其快速干化，必須將其破乳，使油、水分離。室內(nèi)對8種市售破乳劑進行了篩選。當在污泥中加入5 %的破乳劑，攪拌均勻后于40 ℃下恒溫干燥48 h，其干燥效果（見表2）。

表2 含油污泥破乳劑的篩選Tab.2 Screen of demulsifiers

從表2 破乳結(jié)果可以看出，采用破乳劑YA-5 的破乳效果最好，其次是YA-2，可初步實現(xiàn)含油污泥的破乳。

破乳后的污泥雖然明顯干化，但是仍然聚結(jié)成團，不松散。多次實驗結(jié)果表明，單獨添加破乳劑、干化劑、疏散劑及催化劑對污泥性質(zhì)改變能力有限。為了考查破乳劑、干化劑、疏散劑及催化劑對含油污泥的綜合作用結(jié)果，以熱值為指標，設(shè)計了燃料化處理劑的復配實驗，研究了破乳劑、干化劑、疏散劑及催化劑的不同加量對含油污泥的影響（見表3）。

表3 含油污泥處理劑的復配實驗Tab.3 Formulation of fuelization agent

圖1 燃料化處理劑處理前后含油污泥的性狀變化Fig.1 Property change of oil sludge before and after treatment by fuelization agent

由表3 可知，當含油污泥為60 %，燃料化處理劑（7.8 %破乳劑，2 %干化劑，30 %疏散劑，0.2 %催化劑）為40 %時，干化效果最好，燃料整體干燥，無油跡灰粒，其熱值達到5 273 kCal/kg，含油污泥處理前后的狀態(tài)（見圖1）。

2.2 燃料化處理劑的作用機理

用掃描電鏡對含油污泥與制備的顆粒化燃料進行了觀察[10]，其電鏡照片（見圖2、圖3）。由圖2、圖3 可以發(fā)現(xiàn)，含油污泥在干化前連接緊密，游離水少，大部分被包裹在油水乳狀液體系中，外觀表現(xiàn)為黏度大，粘連和結(jié)塊，干燥困難。制成顆?；剂虾?，含油污泥緊密連接被破壞，絮體水等從含油污泥中游離出來，外觀表現(xiàn)為多孔，疏松和干燥。

當處理劑與含油污泥混合后，破乳劑分子迅速吸附進入懸浮乳狀液油水界面層內(nèi)，破壞油水界面膜，少量的分散相粒子聚結(jié)成團，在攪拌及其他組分的作用下，進一步聚結(jié)成大液滴，使含油污泥迅速破乳，含油污泥中的絮體水、毛細水從含油污泥中游離出來，從而加快了含油污泥的干燥。

圖2 含油污泥掃描電鏡照片（2 000×）Fig.2 Image of oil sludge by scanning electron microscope

圖3 顆?；剂蠏呙桦婄R照片（2 000×）Fig.3 Image of powdered fuel by scanning electron microscope

同時，干化劑和疏散劑加大了油泥顆粒的間隙，降低了油泥黏度，污泥內(nèi)部彼此不再粘連和結(jié)塊，物料性質(zhì)得到有效改善；混合樣品表面積增大，利于水分的揮發(fā)，同時疏散劑還能增加污泥的熱值。催化劑充分利用含油污泥中的有機物和潛在熱量，促進其更易于燃燒，使其可作熱電廠等單位的燃料使用。

2.3 燃燒煙氣污染物控制技術(shù)與殘渣分析

國家環(huán)保部于2014 年7 月頒布施行了新的《鍋爐大氣污染物排放標準》GB 13271-2014，同時廢止了GB 13271-2001。新的標準規(guī)定對于燃煤鍋爐，煙氣中的二氧化硫排放濃度限值大幅降低，由900 mg/m3降低至400 mg/m3，氮氧化物排放濃度限值為400 mg/m3。

利用嶗應(yīng)3012H 型（新08 代）自動煙塵（氣）測試儀對制備的顆?；剂系娜紵裏煔膺M行了監(jiān)測分析，監(jiān)測結(jié)果表明煙氣中的二氧化硫污染物濃度達到了450 mg/L，超過了標準GB 13271-2014 規(guī)定的限值，必須對煙氣中的二氧化硫污染物濃度進行控制。通過脫硫劑種類及加量優(yōu)選實驗發(fā)現(xiàn)，當加入2.0 %脫硫劑DS 后，燃燒煙氣中各項污染物濃度均低于《鍋爐大氣污染物排放標準》GB 13271-2014 規(guī)定的限值（見表4），可將其作為燃煤鍋爐的燃料使用。

表4 燃料燃燒煙氣中各項污染物濃度Tab.4 Concentration of pollutants in the smoke of powdered fuel

燃燒殘渣中的重金屬含量對其后續(xù)處理處置具有重要影響。使用等離子體質(zhì)譜對殘渣中的重金屬含量進行了分析，結(jié)果（見表5）。顆?；剂先紵龤堅兄亟饘伲ㄣ~、鉛、砷、鉻、鎘）含量均低于國家農(nóng)用污泥中污染物控制標準和國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準，可制成建筑材料用于井場鋪路或其他用途，不會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

表5 顆?；剂先紵龤堅兄亟饘俸浚╩g/kg）Tab.5 Contents of heavy metals in ash of powdered fuel

3 結(jié)論

在對含油污泥的組成和性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，研究了延長油田含油污泥的燃料化處理及清潔燃燒技術(shù)，取得了如下結(jié)論：

（1）研究了燃料化處理劑對延長油田含油污泥性質(zhì)的影響及作用機理，通過燃料化處理劑將含油污泥制成了顆?；剂希錈嶂颠_到5 273 kCal/kg。

（2）在顆粒化燃料中加入2.0 %的脫硫劑DS 可使燃燒煙氣中各項污染物濃度均低于《鍋爐大氣污染物排放標準》GB 13271-2014 規(guī)定的限值。

（3）含油污泥顆?；剂现苽浼扒鍧嵢紵秊檠娱L油田含油污泥的資源化利用提供了思路和方法。