油基泥漿固廢摩擦熱脫附技術及裝備研究

張 偉，鞏云鵬

（1.中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司,遼寧 沈陽 110144；2.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

在石油、頁巖氣等鉆井勘探過程中，必須采用鉆井液維持鉆井工藝的正常進行。鉆井液的主要作用包括：對鉆頭進行冷卻、潤滑，從而保證鉆頭具有較長的使用壽命；通過鉆井液循環(huán)作用將鉆頭切割的巖屑攜帶輸送至地面；維持鉆孔井壁的穩(wěn)定性，避免坍塌。鉆井液主要分為油基鉆井液、水基鉆井液和合成鉆井液。油基泥漿鉆井液主要由柴油（或白油）、水、有機粘土和油溶性化學添加劑組成。油基鉆井液相比水基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕，有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好、對油氣層損害?。欢^合成基鉆井液成本相對較低等優(yōu)點。因此，在石油及頁巖氣開發(fā)過程中廣泛應用。

鉆井生產過程中，油基泥漿與鉆屑、地下水等不可避免的混合在一起，形成有機污染物油基泥漿固廢，包括柴油（或白油）、多種添加劑中含有劇毒物質芳香烴、重金屬等，這些固廢直接排放將會對環(huán)境造成嚴重污染。

近年來，隨著鉆井開采產生的油基泥漿固廢越來越多，所造成的環(huán)境污染問題受到各國環(huán)保部門關注。油基泥漿固廢已被列為國家危險廢棄物嚴禁直接排放；我國GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》規(guī)定了嚴格的油基泥漿固廢污染物的排放標準。因此，油基泥漿固廢在排放之前必須進行無害化處理[1-2]。

油基泥漿固廢主要分為含油鉆屑和廢棄油基泥漿，其無害化處理有兩個主要目的：其一，因油基泥漿配制成本較高，從固廢中分離提取回收的油類可用于油基泥漿再生產，降低油氣開采的成本；其二，降低固廢中的有害物質含量，使其達到國家排放標準要求[3]。

目前，處理油基泥漿固廢多為篩分、甩干初步分離后，采用微生物降解、化學脫附和熱脫附等工藝進行無害化處理[3-5]。微生物降解處理工藝是利用微生物細菌對含油固廢中的石油烴類和其他有機物進行降解分離。微生物處理技術需求的場地面積大、處理周期長，效率低；同時受到溫度、濕度等環(huán)境條件的制約。常溫化學脫附技術一般利用化學藥劑對油基固廢進行處理，使油和鉆屑等分離，再利用加熱等手段，回收脫附藥劑循環(huán)使用?；瘜W脫附存在設備投資大、處理成本高、不易現場隨鉆處理等不足。

油基泥漿固廢熱脫附處理的原理是將含油固廢加熱，實現固液分離。直接焚燒加熱處理消耗大量燃料、油相不能回收、并造成二次空氣污染；間接加熱方法可以實現固液分離，回收液相物質，但現有的微波加熱或液體間接加傳導加熱均需系統(tǒng)提供較高的溫度，且存在加熱不均、能耗大，熱效率低等弊端。

摩擦熱脫附是國外Thermtech公司提出的一種含油固廢處理技術[6-8]，該公司的相關處理設備已在多個國家工程現場服務。油基泥漿固廢摩擦熱脫附裝置直接將有機污染物破碎、碰撞、摩擦加熱到有機物的沸點，使污染物從液相轉化為氣相從而達到固液分離目的。由于該過程屬于物理分離，有機物不易發(fā)生氧化、分解等化學反應。因此，相對于現有的其他有機污染物處理工藝，油基泥漿固廢摩擦熱脫附技術具有污染物處理范圍寬、無二次污染、處理效率高、回收物可再利用等優(yōu)勢。該項技術是到目前為止較為理想的含油固廢處理方法，但由于國外公司采取技術封鎖，該處理技術還未見在國內現場應用。

將結合本公司所開展的相關研究工作，闡述油基泥漿固廢摩擦熱脫附處理成套裝置原理及關鍵技術，并探索該類成套設備的關鍵參數設計和穩(wěn)定溫控技術。

2 油基泥漿固廢摩擦熱脫附處理成套裝置組成及工作原理

油基泥漿固廢摩擦熱脫附系統(tǒng)原理，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由供料單元、熱脫附單元、尾氣處理單元、固體灰渣收集單元、自動控制單元組成。

圖1 油基泥漿固廢熱脫附處理系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Thermal Desorption System for Oil-Based Mud Waste

2.1 供料單元

供料單元主要由混料機、進料泵等部件組成，其主要作用是對油基泥漿固廢進行均勻混料處理，并通過供料泵輸送到熱脫附單元。供料系統(tǒng)需要供料量連續(xù)可調，保證熱脫附單元內物料量在設計規(guī)定范圍內可調。

2.2 熱脫附單元

熱脫附單元為該處理系統(tǒng)的核心，主要由動力設備及熱脫附摩擦加熱部件組成。其作用是通過動力設備驅動主軸葉片高速回轉，對熱脫附筒體內的固廢沖擊、破碎、攪拌摩擦加熱，使含油固廢達到液體蒸發(fā)所需最低溫度，實現油水汽化、固液分離；油、水、塵混合蒸汽排出到尾氣處理系統(tǒng)，實現油、水的分離回收。熱脫附單元安裝溫度、壓力傳感器等監(jiān)控裝置，實現對內部溫度和壓力參數的實時監(jiān)控，為控制系統(tǒng)提供控制依據，保證熱脫附單元平穩(wěn)運行。

2.3 尾氣處理單元

尾氣處理單元主要由旋風分離器、油水冷凝器、油水分離器、冷卻水箱等部件組成。其作用是分離粉塵與油水蒸汽、提純、回收油類，保證油基泥漿固廢處理工藝系統(tǒng)不會產生二次污染?；厥盏挠皖惪勺鳛橛突酀{配制的原料或作為燃料利用。回收的粉塵、污水滿足排放標準要求。

2.4 灰渣收集單元

灰渣收集單元主要由星型排料器、螺旋輸送機、料斗等部件組成。其作用是使熱脫附單元中處理后的粉體廢料穩(wěn)定排出，并維持其中的物料填充量滿足工藝要求；同時，收集旋風分離器排出的粉塵，傳送到廢料收集箱。

2.5 自動控制單元

自動控制系統(tǒng)對油基泥漿固廢處理工藝中的關鍵參數指標進行實時監(jiān)測和調節(jié)，保證該工藝系統(tǒng)運行的連續(xù)性、高效性及穩(wěn)定性。

3 油基泥漿固廢摩擦熱脫附系統(tǒng)關鍵技術研究

本項目組開發(fā)的油基泥漿固廢摩擦熱脫附試驗系統(tǒng)，如圖2所示。結合EDME數值仿真分析，對摩擦熱脫附系統(tǒng)的若干關鍵技術進行仿真分析與實驗對比研究，以探索將其實施工程應用的途徑。

圖2 摩擦熱脫附實驗系統(tǒng)Fig.2 Friction Thermal Desorption Experiment System for Oil-Based Mud Waste

3.1 連續(xù)供料技術

供料連續(xù)穩(wěn)定可調是保證該處理工藝穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)。本公司研制了滿足油基泥漿固廢摩擦熱脫附工藝需求、具有自主知識產權的雙缸單作用供料泵系統(tǒng)，如圖3所示。該供料泵送系統(tǒng)特別適合高濃度、高粘度的油基泥漿固廢的穩(wěn)定泵送。經實驗驗證，所研制的供料泵輸送固廢流量相對穩(wěn)定、供料流量脈動小、不堵料；供料流量范圍無級可調。在滿足熱脫附單元處理量的基礎上，保證供料量連續(xù)穩(wěn)定實時可調。

圖3 供料泵系統(tǒng)Fig.3 Feed Pump System

3.2 熱脫附單元結構參數設計

油基泥漿固廢所含油的組分決定了熱脫附單元的最低保證工藝溫度。在熱脫附單元內，由于固廢顆粒經葉片攪拌、摩擦碰撞，降低了油水分子和固體顆粒之間的粘著力，加速了油水汽化；另外，由于局部微負壓的存在，油水汽化溫度相比常態(tài)條件下的沸點降低，更易汽化蒸發(fā)。摩擦熱脫附單元的參數設計是影響固廢摩擦發(fā)熱效率和功耗的關鍵。

摩擦熱脫附滾筒的直徑及筒體長度、轉子葉片的厚度及每片葉數、葉片間距、葉片線速度、筒體內物料流化層厚、物料屬性等參數均對熱脫附單元能夠達到的溫度和動力消耗有綜合影響。通過EDEM仿真分析對這些參數的影響機理進行了探索，結合本公司所開發(fā)的實驗樣機系統(tǒng)驗證，為合理的參數設計奠定了基礎。筒體內的物料運動仿真，如圖4所示。

圖4 物料運動EDEM仿真Fig.4 Material Movement Simulation with EDEM

3.3 連續(xù)穩(wěn)定控溫技術

摩擦熱脫附單元連續(xù)穩(wěn)定控溫是該處理工藝的核心技術，也是國外技術封鎖的關鍵。熱脫附單元內工作溫度應維持在稍高于最低工藝溫度之上較小的范圍。以確保含油固廢中油水充分汽化的前提下，使所分離出的油品成分盡可能不發(fā)生變化，并能重用于油基泥漿配制。影響熱脫附單元內溫度波動的因素包括：固廢固相屬性及供料濃度、供料速度、排料速度、主軸轉速及熱脫附單元結構參數等。實際生產過程中，所處理油基泥漿固廢的濃度、油水比例均會產生一定變化，進而引起熱脫附單元內溫度的波動；在物料屬性及結構參數一定條件下，為了維持筒體內工藝溫度穩(wěn)定性，需要以工藝溫度為控制目標，以一定轉速下主軸轉矩作參考值，通過調節(jié)供料泵供料速度和排料器排料速度來維持筒體工藝溫度的穩(wěn)定性。基于上述控制邏輯，通過PLC控制單元對影響系統(tǒng)工藝的各參數進行實時監(jiān)測和協(xié)同控制，可以保證摩擦熱脫附單元內溫度的穩(wěn)定性?；谒岢龅目販剡壿?，結合本公司開發(fā)的實驗樣機處理系統(tǒng)實驗驗證，攻克了穩(wěn)定控溫的關鍵技術，實現了熱脫附單元連續(xù)穩(wěn)定控溫運行。

3.4 模塊化設計技術

在陸基石油鉆井或?；蜌馄脚_鉆井過程中，一般需要定期對產生的固廢進行現場處理。因此，要求摩擦熱脫附處理系統(tǒng)裝備應具有移動靈活、運輸組裝方便等特點。為實現上述功能，需將油基泥漿固廢摩擦熱脫附處理裝置按功能進行模塊化設計、制造，并通過設置合理的單元接口實現模塊間的連接。各功能模塊運輸到施工現場后，通過接口連接組成不同布置形式的處理系統(tǒng)。模塊化方便適應陸上各種復雜井場環(huán)境下設備運輸及固廢處理；對于海基油氣鉆井平臺固廢無害化現場處理的特殊環(huán)境限制，模塊化摩擦熱脫附處理裝置是目前唯一的選擇。

4 結論

分析對比了目前各種含油固廢無害化處理技術的優(yōu)缺點；介紹了油基泥漿固廢摩擦熱脫附處理系統(tǒng)的設備組成、工作原理和系統(tǒng)關鍵技術；基于本公司所開發(fā)的摩擦熱脫附實驗樣機系統(tǒng)和進行的相關實驗研究工作，論述了摩擦熱脫附單元結構設計參數的影響；確定了熱脫附單元溫度穩(wěn)定性控制策略，并通過實驗樣機驗證了所述的控制技術的可行性。