油泥熱解技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

金兆迪，叢培超，劉鵬，孫啟剛，張巖，何茂金，梁仁剛，張樹立

(1.杰瑞環(huán)?？萍加邢薰?，山東煙臺 264010；2.杰瑞環(huán)保邦達(dá)科技有限公司，寧夏銀川 750000)

1 國內(nèi)外油泥無害化處理的現(xiàn)狀

調(diào)質(zhì)-機(jī)械分離技術(shù)以及熱水洗-機(jī)械分離技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)油泥的無害化處置，在經(jīng)濟(jì)可承受的范圍內(nèi)， 一般處理后油泥含油率介于5%～10%之間。 隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)該技術(shù)一般用作減量化及資源化，對油泥進(jìn)行預(yù)處理。 焚燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無害化處理，但是無法回收石油資源，并且存在尾氣污染的風(fēng)險。 熱解技術(shù)不僅可回收石油資源，還能夠?qū)崿F(xiàn)在油泥的無害化處置過程中無尾氣二次污染的目的。

2 熱解技術(shù)

熱解技術(shù)在國內(nèi)的命名方式較多， 包括熱解、熱解吸、熱解析、熱脫附、熱相分離等。 美國EPA 對熱解技術(shù)的定義是通過直接或間接熱交換的方式，將污染介質(zhì)（土壤、污泥、沉積物等）及其所含的有機(jī)污染物加熱到足夠的溫度，以使有機(jī)污染物從污染介質(zhì)上得以揮發(fā)或分離的過程[1]。

按照美國EPA 的解釋，熱解技術(shù)屬于物理分離的范疇。 該技術(shù)的設(shè)計(jì)目的是使有機(jī)污染物從污染介質(zhì)中物理蒸發(fā)，雖然在高溫的狀態(tài)下無法完全避免有機(jī)物發(fā)生裂解反應(yīng)，但是化學(xué)反應(yīng)的占比非常低[2]。

直接加熱形式的熱解，需要將分離后的有機(jī)物進(jìn)行焚燒處理。 該工藝對污染介質(zhì)中的有機(jī)物含量有嚴(yán)格的限制，要求有機(jī)物含量介于1%～4%之間， 否則在設(shè)備中容易形成爆炸下限的條件，存在較大的安全隱患。 根據(jù)英國應(yīng)急署頒布的文件，直接加熱形式的熱解吸并不推薦用在危險廢物處理領(lǐng)域[3]，所以后續(xù)介紹的是間接加熱，并對污染物進(jìn)行冷凝回收的工藝技術(shù)。

3 熱解設(shè)備

3.1 燃料加熱形式

3.1.1 回轉(zhuǎn)設(shè)備

回轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對回轉(zhuǎn)窯設(shè)備內(nèi)部的油泥進(jìn)行間接加熱，實(shí)現(xiàn)礦物油組分與固體的分離；回轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流板、抄板、懸式金屬構(gòu)件等結(jié)構(gòu)，可加強(qiáng)傳熱及傳質(zhì)的效果；通過調(diào)節(jié)整個設(shè)備的傾角及轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)物料在回轉(zhuǎn)設(shè)備中的停留時間。

國內(nèi)最早將回轉(zhuǎn)設(shè)備用于油泥處置的是中國石油天然氣集團(tuán)公司，2006 年， 作為中石油重點(diǎn)科研項(xiàng)目，在新疆油田新疆烏爾禾區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 后來在遼河油田的歡三聯(lián)建設(shè)了10t/d 的油泥處理裝置，在100 余天的運(yùn)行試驗(yàn)期間，暴露出了不少有待完善的地方， 例如：1）不凝氣回收處理問題；2）熱解殘?jiān)占瘑栴}；3）餾分管道淤積問題[4]。

2018 年，杰瑞環(huán)?？萍加邢薰静艑⒒剞D(zhuǎn)式設(shè)備問題徹底解決，并在新疆油田公司成功應(yīng)用，單臺設(shè)備的處理能力達(dá)到10 萬t/a。 自此之后，回轉(zhuǎn)設(shè)備得到了快速的發(fā)展。 截至目前，已經(jīng)在新疆、黑龍江、山東、四川、廣東、重慶等多個項(xiàng)目現(xiàn)場使用，在役設(shè)備超過15 套。

經(jīng)過不斷的項(xiàng)目檢驗(yàn)， 回轉(zhuǎn)式設(shè)備具備如下優(yōu)勢：1）運(yùn)動件少，設(shè)備故障率低，維保成本相對較低；2） 設(shè)備始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)， 受熱均勻，設(shè)備的壽命大幅度延長；3）設(shè)備內(nèi)部的抄板結(jié)構(gòu)加快了傳熱、傳質(zhì)，油泥中的礦物油更容易分離。

雖然在回轉(zhuǎn)設(shè)備中設(shè)置懸式金屬構(gòu)件、增加設(shè)備直徑的方式可防止內(nèi)部塑性物質(zhì)發(fā)生板結(jié)，但在面臨粘度大的油泥時，還是容易出現(xiàn)板結(jié)問題，造成熱量無法及時傳遞給油泥，降低設(shè)備處理能力和處理效果。 塑性強(qiáng)、粘度大的油泥需進(jìn)行預(yù)處理，才能保證設(shè)備的最佳工作性能。

對于設(shè)備的加熱模式，現(xiàn)在分為火焰直接給反應(yīng)筒加熱和熱煙風(fēng)加熱。 輪胎裂解企業(yè)由于處理物料單一，一般使用的是熱煙風(fēng)加熱。 火焰直接給反應(yīng)筒加熱的方式可沿反應(yīng)筒長度方向進(jìn)行燃燒器布設(shè)，通過沿程方向燃燒控制實(shí)現(xiàn)沿反應(yīng)筒長度方向的溫度調(diào)控的目的，具有溫度可調(diào)性好的特點(diǎn)，有利于熱解反應(yīng)的進(jìn)行。 熱煙風(fēng)加熱的模式，供熱源只能設(shè)計(jì)在爐尾一處，即沿反應(yīng)筒長度方向爐尾的溫度最高， 爐頭的溫度最低。 然而物料從爐頭進(jìn)入初期因其水分蒸發(fā)干化需要的熱量最大。 因此，在物料從爐頭向爐尾運(yùn)移的過程中，根據(jù)反應(yīng)對能量的需求特征，要通過控制爐尾的集中供熱源溫度及熱氣量的大小實(shí)現(xiàn)沿反應(yīng)筒長度方向溫度的有效調(diào)控則比較困難， 且由于含油污泥的含水率等物性波動較大，熱解反應(yīng)過程對熱量需求的變化也很大。 為確保含油污泥中有機(jī)物質(zhì)的充分熱解，必須方便調(diào)控溫度。 因此，在油泥處理領(lǐng)域，燃燒火焰直接加熱方式在溫度控制以及處理能力上具備較大的優(yōu)勢[5]。

3.1.2 螺旋設(shè)備

螺旋設(shè)備的核心是一個可以加熱的螺旋輸送器，通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對螺旋輸送器的外殼進(jìn)行加熱，進(jìn)而對螺旋輸送器內(nèi)部的油泥進(jìn)行間接加熱， 實(shí)現(xiàn)礦物油組分與固體的分離；在加熱的過程中螺旋設(shè)備內(nèi)部螺旋推動物料不斷向前移動，通過螺旋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可控制物料的加熱時間。 為了加強(qiáng)傳熱效果，一般在螺旋輸送器的外殼設(shè)置翅片，增大傳熱面積。

螺旋設(shè)備最早是加拿大西山公司的全資子公司加拿大斐斯環(huán)境技術(shù)有限公司開發(fā)，國內(nèi)目前常見的燃油、燃?xì)鈨?nèi)置螺旋的熱解爐多是模仿斐斯的技術(shù)[6]。 但是由于螺旋設(shè)備采用固定的外殼加熱，會造成受熱不均，螺旋的外殼很容易變形彎曲，螺旋葉片與外殼發(fā)生摩擦，會造成外殼磨漏或是螺旋斷裂；甚至可能出現(xiàn)油氣直接進(jìn)入爐膛的情況，存在重大的安全和環(huán)保隱患。 對于使用熱煙風(fēng)加熱的螺旋設(shè)備也存在受熱不均的問題，物料集中在螺旋的下方，吸熱能力比上方大，雖然熱煙風(fēng)的溫度相同且穩(wěn)定，但是由于吸熱的差異，也會出現(xiàn)上下溫度不均的情況。 國內(nèi)現(xiàn)有的螺旋設(shè)備的壽命一般不超過2～3a，需定期對螺旋外殼及螺旋進(jìn)行更換。 從1999 年開始，MI-SWACO 將該技術(shù)應(yīng)用在油泥處理領(lǐng)域，但螺旋外殼磨漏以及螺旋斷裂的情況也一直困擾著它們，現(xiàn)階段該公司已經(jīng)停止了該項(xiàng)業(yè)務(wù)。 鑒于上述問題， 現(xiàn)在國內(nèi)市場上螺旋設(shè)備的新增速度不斷下降。

3.2 摩擦加熱形式

錘磨設(shè)備是通過劇烈摩擦升溫的方式對油泥進(jìn)行加熱，使油和水分從油泥中分離。 錘磨熱解機(jī)是系統(tǒng)核心， 該裝置軸上嵌套有錘摩葉片，軸在電動機(jī)或柴油機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，將鉆屑粉碎成粉末[7]（60%的鉆屑粉碎成直徑約50μm 的顆粒）。 粉碎的過程摩擦生熱，實(shí)現(xiàn)油泥的熱解，加熱溫度一般控制在250～350℃[8]。 設(shè)備具有緊湊，輕便，模塊化等特點(diǎn)。

由于錘磨設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備體積緊湊， 重量小， 同時設(shè)備啟停動迅速， 滿足海上ZONE-2 防爆要求。因此，在海上平臺的鉆屑處理領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。 Themtech 的錘磨設(shè)備得到了快速的推廣，在役設(shè)備超過65 套，應(yīng)用客戶包括了MI-SWACO、哈利伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯、 史格米石油公司、TWMA、SAR 等大型油服公司。 經(jīng)過項(xiàng)目的驗(yàn)證，錘磨設(shè)備的最大處理能力能夠達(dá)到6t/h，可以滿足多數(shù)鉆井平臺的需求；處理后的鉆屑可直接排海； 由于加熱溫度溫和，油品不會被破壞，回收油可以重新用于配制泥漿[9]。

經(jīng)過多年的自主研發(fā)與設(shè)計(jì)，中石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院成功研制了錘磨熱解工程樣機(jī)，并且在國家科技重大專項(xiàng)的支持下， 在四川長寧-威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)開展了工程示范，實(shí)驗(yàn)性的處理了超過200t 頁巖氣開發(fā)過程中形成的鉆屑[10,11]。

錘磨設(shè)備未能在陸地大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵在于核心設(shè)備的壽命及維護(hù)成本問題。 錘磨設(shè)備的加熱依靠的是錘磨葉片與鉆屑顆粒的摩擦產(chǎn)熱，對錘磨葉片的材質(zhì)要求及其嚴(yán)格，葉片的磨損嚴(yán)重。 國外設(shè)備錘磨葉片的應(yīng)用周期也僅為2000～3000h。 除此之外，由于設(shè)備的加熱溫度低，應(yīng)用范圍受到限制，僅能用于處理含輕油的油基鉆屑，無法處理含有原油的油泥[12]。

3.3 導(dǎo)熱油加熱形式

3.3.1 中空螺旋設(shè)備將導(dǎo)熱油應(yīng)用于油泥熱解的企業(yè)主要為挪威的Brandt、美國的Therma-Flite 以及德國的Econ 等。 該類設(shè)備是利用循環(huán)加熱的導(dǎo)熱油換熱加熱熱解裝置內(nèi)的中空螺旋轉(zhuǎn)子和筒體，從而間接加熱油泥。 通過控制導(dǎo)熱油的溫度，可以精確控制加熱溫度，避免油品的裂解，在處理油基鉆屑與油基泥漿時， 可提取高品質(zhì)的柴油或白油，最大化實(shí)現(xiàn)回收油的價值。

挪威的Brandt 不僅生產(chǎn)制造了回轉(zhuǎn)設(shè)備，也生產(chǎn)制造導(dǎo)熱油加熱的熱解設(shè)備。 該類設(shè)備在阿塞拜疆、安哥拉、尼日利亞、丹麥、羅馬尼亞、挪威、荷蘭等地都得到了應(yīng)用。2014 年重慶涪陵頁巖氣鉆井過程中引進(jìn)Brandt 的熱解技術(shù)[7]，并在2015年建成了國內(nèi)第一個導(dǎo)熱油加熱的油基鉆屑熱解處理站。該熱解裝置處理鉆屑最大能力為2.5t/h，平均處理鉆屑能力在1.5～2.0t/h，處理后的油基鉆屑的含油率在1%以下，回收的油品與0# 柴油的相似度達(dá)99%[13]。但是國外對國內(nèi)采取技術(shù)壟斷，因此設(shè)備費(fèi)和服務(wù)費(fèi)用相當(dāng)昂貴。

雖然導(dǎo)熱油加熱具備溫度控制精確的優(yōu)勢，但是也面臨加熱溫度受限的問題，無法用于處置含有原油等重質(zhì)組分的油泥。 導(dǎo)熱油分為液相油和氣相油兩種，目前市場上液相油最高使用溫度不超過350℃， 一般液相油的使用溫度為280℃、300℃、320℃。 氣相油最高的加熱溫度能達(dá)到350℃左右。溫度太高就會加速導(dǎo)熱油的熱聚合反應(yīng)和氧化反應(yīng)，影響導(dǎo)熱油的使用壽命。Brandt 設(shè)備在使用工業(yè)級導(dǎo)熱油的情況下，最高的表面溫度（從物料測得）約為316℃[14]。這一溫度僅能用于處理含油輕質(zhì)油的污染物，例如油基巖屑。 為了解決加熱溫度受限的問題，Brandt[15]以及Therma-Flite 都采用了分段加熱的方案，第一段采用導(dǎo)熱油加熱， 第二段采用電加熱。 經(jīng)過電加熱后，Brandt 的溫度可以達(dá)到500℃，Therma-Flite 的溫度可達(dá)到550℃。

3.3.2 反應(yīng)釜設(shè)備為了解決導(dǎo)熱油加熱溫度不足的問題，德國的Econ 開發(fā)了真空的熱解設(shè)備，設(shè)備的真空度可達(dá)到50mbar， 能夠有效的將沸點(diǎn)低于450℃的組分從油泥中分離。 設(shè)備的構(gòu)造及原理與真空耙式干燥機(jī)極為相似， 采用間歇式生產(chǎn)的釜式結(jié)構(gòu)，通過夾套及攪拌軸中的導(dǎo)熱油對油泥進(jìn)行加熱，單臺熱解設(shè)備反應(yīng)釜最大的容積是12m3，在兩個模塊并聯(lián)的情況下，最大的設(shè)備處理能力可達(dá)3～5t/h。 在處理油基泥漿和油基鉆屑時，由于通過真空降低了油品的沸點(diǎn)， 避免了裂解反應(yīng)的發(fā)生，可以回收具有高品質(zhì)的基礎(chǔ)油資源。 該公司業(yè)績主要集中在歐洲和中東地區(qū)，根據(jù)其官方宣傳材料介紹，2007 年， 曾在科威特用該類設(shè)備處理煉廠的油泥、油坑油泥、鉆井油泥等，項(xiàng)目的主要目的是回收油泥中的石油資源；2009 年， 在英格蘭用該設(shè)備處理含油廢物，包括噴涂污泥、罐底油泥以及其它的輕質(zhì)油泥；2013 年， 利用該設(shè)備成功處理了油基泥漿及鉆屑。 截止目前，該公司在國內(nèi)并沒有相關(guān)業(yè)績。

目前，限制導(dǎo)熱油加熱熱解技術(shù)推廣的另一個因素是安全問題，如果高溫的導(dǎo)熱油泄露會發(fā)生燃燒的情況，可能會燒毀導(dǎo)熱油爐并波及周圍的裝置[14]。

3.4 電加熱形式

最近，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)及企業(yè)開始研發(fā)電加熱的熱解設(shè)備。 電加熱設(shè)備分為電阻加熱和電磁加熱，由于電磁加熱具有溫度高、設(shè)備故障點(diǎn)少等特點(diǎn)，現(xiàn)在成為研究的重點(diǎn)。

電磁加熱的原理是高速變化的高頻高壓電流流過線圈會產(chǎn)生高速變化的交變磁場，在爐體金屬外表皮部分產(chǎn)生交變的渦流，渦流使?fàn)t體外表面的鐵原子高速無規(guī)則運(yùn)動， 原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱爐體的作用。

與傳統(tǒng)加熱方式相比，采用電磁加熱的熱解設(shè)備具備結(jié)構(gòu)緊湊，升溫速度快，可精確控溫，整個流程不產(chǎn)生明火等特點(diǎn)[16]，適合在井場及海上平臺等防爆區(qū)域應(yīng)用。 除此之外，油泥在設(shè)備中的分布問題會導(dǎo)致不同位置吸熱不同，可能造成爐體受熱不均，所以電磁線圈的纏繞疏密程度不同。 但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，油泥的性質(zhì)無法保證統(tǒng)一，在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中依舊存在局部過熱的問題。 因此，選擇導(dǎo)磁性能好、耐高溫的材料成為發(fā)展該技術(shù)的關(guān)鍵。 現(xiàn)階段由于成本過高，加熱均勻性差等問題，該技術(shù)并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，目前仍處于中試階段。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外油泥處理技術(shù)繁多，但在實(shí)際應(yīng)用過程中都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 熱解處理技術(shù)由于具備對污染物處理徹底，二次污染少，可回收石油資源等優(yōu)勢，得到了快速的發(fā)展，成為國內(nèi)油泥處理的主流技術(shù)，具有很強(qiáng)的可行性和廣闊的發(fā)展前景。

熱解設(shè)備的形式多種多樣，對比目前的熱解設(shè)備可發(fā)現(xiàn)：1）針對陸上建站項(xiàng)目，回轉(zhuǎn)式設(shè)備具備運(yùn)行穩(wěn)定，處理能力大，適應(yīng)性廣，處理成本低的特點(diǎn)；2）在海上平臺、 作業(yè)空間受限并且需要滿足防爆要求的情況下， 錘磨設(shè)備可發(fā)揮最大優(yōu)勢；3）如果以高品質(zhì)回收基礎(chǔ)油為目的，導(dǎo)熱油加熱的熱解設(shè)備最為適用。 相比較錘磨設(shè)備，該設(shè)備的壽命更長，運(yùn)行成本較低。

項(xiàng)目建設(shè)階段，需充分考慮現(xiàn)場油泥屬性情況以及配套情況，選擇最合適的熱解設(shè)備。