油基巖屑熱脫附工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芎姆治雠c優(yōu)化

王茂仁 賈 悅 李慧敏 任 雯 張明棟 時(shí)漢峰

(1.克拉瑪依金鑫油田環(huán)保工程有限公司；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司)

0 引 言

油基巖屑指在石油和天然氣開(kāi)采過(guò)程中，使用油基鉆井液鉆井時(shí)產(chǎn)生的巖屑，為《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》(2021年版)中HW08類危險(xiǎn)廢物。熱脫附工藝是通過(guò)加熱使固液分離的一種無(wú)害化物理處理方法，用于處置油基巖屑時(shí)，具有可回收油資源、高效等優(yōu)點(diǎn)[1]，被列入《危險(xiǎn)廢物環(huán)境管理指南 陸上石油天然氣開(kāi)采》(公告2021第74號(hào))中鼓勵(lì)優(yōu)先技術(shù)，在新疆、四川、重慶等地區(qū)已有工程應(yīng)用。熱脫附裝置根據(jù)其關(guān)鍵單元的結(jié)構(gòu)特征、加熱方式等可劃分為不同類型[2]，目前以螺旋推進(jìn)式天然氣間接加熱類型為主，然而，熱脫附技術(shù)的工作原理暴露了該裝置對(duì)天然氣需求量大的局限，相對(duì)其他方法能耗偏高，單位處置費(fèi)用偏高，嚴(yán)重制約了油基巖屑無(wú)害化處置效率及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[3]。

近年來(lái)，研究者開(kāi)展了油基巖屑熱脫附機(jī)理[4]、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[5]、殘?jiān)Y源化[6-7]等方面的研究，而油基巖屑熱脫能耗方面的研究報(bào)道較少。許優(yōu)等[8]研究了直接熱脫附裝置各環(huán)節(jié)輸入、輸出熱量變化，基于熱量平衡分析，發(fā)現(xiàn)煙氣余熱可以預(yù)干燥土壤，降低含水率17%以上，土壤含水率由20%降低至15%時(shí)，裝置能耗降低20%以上；黃海[9]采用1.5 t/h回轉(zhuǎn)式間接熱脫附實(shí)驗(yàn)裝置，熱量計(jì)算顯示，污染土壤修復(fù)后殘?jiān)驮现兴终舭l(fā)吸熱占能耗的60%以上；王博[10]用5 kg/h的熱脫附實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了石油烴污染土壤修復(fù)熱能分析，認(rèn)為影響能耗的主要因素為裝置結(jié)構(gòu)及換熱效率。然而，由于油基巖屑的理化特性與土壤不同，熱脫附裝置類型、處理能力差異等原因，導(dǎo)致當(dāng)前缺乏對(duì)油基巖屑熱脫附工程應(yīng)用過(guò)程中能耗變化規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。本文基于兩段螺旋推進(jìn)式天然氣間接連續(xù)熱脫附裝置為工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究熱脫附各環(huán)節(jié)熱量分布及變化特征，通過(guò)響應(yīng)曲面法4因素、兩目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化并驗(yàn)證，旨在為油基巖屑熱脫附節(jié)能降耗方案提供參考，有利于熱脫附裝置減少碳排放。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

兩段螺旋推進(jìn)式間接連續(xù)熱脫附工程實(shí)驗(yàn)裝置的核心單元示意見(jiàn)圖1，裝置設(shè)有2層，每層有2個(gè)熱脫附腔體，上層的熱脫附腔體內(nèi)部與下層腔體串聯(lián)，每個(gè)腔體中設(shè)有1個(gè)螺旋推進(jìn)器，上層腔體外部設(shè)有煙氣通道和保溫殼，下層燃燒室中天然氣燃燒后的熱煙氣依次與下層腔體和上層腔體外壁接觸換熱，間接將熱量傳遞給腔體內(nèi)的油基巖屑。熱脫附燃燒室兩側(cè)均設(shè)熱電偶和燃燒器，熱電偶測(cè)量的溫度結(jié)合自控連鎖系統(tǒng)對(duì)腔體內(nèi)各點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)控。

圖1 兩段螺旋推進(jìn)式間接連續(xù)熱脫附裝置核心單元示意

油基巖屑進(jìn)入進(jìn)料口，在螺旋推進(jìn)器的作用下，經(jīng)上層腔體移動(dòng)至下層腔體，燃燒室兩側(cè)的燃燒器以天然氣為燃料直燃產(chǎn)生高溫?zé)煔?，與腔體換熱后經(jīng)煙囪排出。在熱量的作用下，腔體內(nèi)油基巖屑中的水和油從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，從巖屑中脫附，進(jìn)入冷凝塔，與水直接換熱再轉(zhuǎn)化為液相，流入水系統(tǒng)處理后回收油組分；固相殘?jiān)鼜某隽峡谂懦觥?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

油基巖屑樣品來(lái)自新疆某鉆井現(xiàn)場(chǎng)，其中的油組分主要為柴油，根據(jù)GB 5085.6—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)》中的附錄O測(cè)試程序測(cè)量方法測(cè)量油基巖屑樣品和熱脫附殘?jiān)暮吐剩鶕?jù)HJ 613—2011《土壤干物質(zhì)和水分的測(cè)定 重量法》測(cè)量樣品的含水率，換算為質(zhì)量百分比平均值。油基巖屑的含水率主要取決于油基鉆井液和鉆遇地層巖石的含水量，平均值為5%～20%，含油率經(jīng)立式離心機(jī)處理后一般小于15%，但有清罐、未能減量處理等情況，綜合考慮，取含油率為5%～20%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)文獻(xiàn)[11]及工程經(jīng)驗(yàn)，油基巖屑熱脫附后殘?jiān)吐?2%(達(dá)標(biāo)要求)時(shí)，運(yùn)行參數(shù)主要范圍為：加熱時(shí)間40～60 min、溫度控制點(diǎn)的加熱溫度400～600℃，進(jìn)料速率0～4.0 t/h。選取同一來(lái)源的樣品，油基巖屑平均含水率12.15%、含油率7.28%，加熱時(shí)間設(shè)為45 min，為了確保殘?jiān)吐蔬_(dá)標(biāo)，加熱溫度設(shè)為最大值600℃，進(jìn)料速率分別設(shè)為1.0，2.0，3.0，4.0 t/h。

實(shí)驗(yàn)期間，從油基巖屑進(jìn)入熱脫附腔體進(jìn)料口開(kāi)始計(jì)時(shí)。1)記錄裝置中各關(guān)鍵溫度監(jiān)控點(diǎn)、冷凝塔、殘?jiān)蜔焽锜煔鉁囟茸兓?)每3 h記錄一次天然氣平均消耗量。

1.4 能耗計(jì)算方法

熱脫附過(guò)程中油基巖屑主要為吸熱，根據(jù)熱脫附裝置核心單元輸入、輸出能量平衡，油基巖屑熱脫附過(guò)程中各環(huán)節(jié)熱量示意見(jiàn)圖1。Qn、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6依次表示天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量、油基巖屑中水分和柴油蒸發(fā)吸收的熱量、進(jìn)入冷凝塔的熱脫附氣體(視為水蒸氣、柴油蒸氣和氮?dú)庵?攜帶的熱量、殘?jiān)隽峡谔帞y帶的熱量、煙囪中煙氣攜帶的熱量、燃燒室殼體外部向環(huán)境中散發(fā)的熱量?？梢越普J(rèn)為天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量與各環(huán)節(jié)損失的熱量相等，即：

Qn=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

天然氣燃燒的熱量等于其熱值qn與體積Vn之積，即：

Qn=qnVn

(2)

Q3、Q4、Q5等于對(duì)應(yīng)組分的定壓比熱容Cp與質(zhì)量m和溫度差Δt的乘積，即：

Q=CpmΔt

(3)

Q1、Q2包括水和油升溫吸收的熱量、水和油相變吸收的熱量(質(zhì)量m與蒸發(fā)焓之積ΔH)，即：

Q=CpmΔt+mΔH

(4)

燃燒室殼體外部向環(huán)境中散發(fā)的熱量主要是對(duì)流傳熱，其熱量為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λa與裝置的散熱總面積Sq和溫度差Δt的乘積，即：

Q6=λaSqΔt

(5)

設(shè)定以上公式中的常用參數(shù)[12]，見(jiàn)表1。

表1 物料常量設(shè)定數(shù)值(環(huán)境溫度20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)

實(shí)驗(yàn)裝置外表面面積：下層56 m2、上層66 m2。

1.5 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法

1.5.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響油基巖屑熱脫附天然氣消耗量和殘?jiān)吐实囊蛩刂T多，選取加熱溫度、加熱時(shí)間、油基巖屑的含水率和含油率4個(gè)關(guān)鍵且宜調(diào)控的因素為優(yōu)化對(duì)象。采用軟件Design-Expert 10中的Box-Behnken模型，設(shè)計(jì)各因素的中心值，并以殘?jiān)吐屎吞烊粴庀牧繛轫憫?yīng)因子，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 影響因子編碼及水平

1.5.2 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

選取油基巖屑含水率為7.32%、含油率為5.25%的樣品1，含水率為12.15%、含油率為7.28%的樣品2，含水率為15.22%、含油率為18.69%的樣品3共三個(gè)樣品，進(jìn)料速度為3.5 t/h。優(yōu)化前：設(shè)定加熱溫度為600℃、加熱時(shí)間60 min。優(yōu)化目標(biāo)假設(shè)含油率最大值為1，天然氣消耗量為最小值，根據(jù)優(yōu)化后的加熱溫度和加熱時(shí)間，按1.3方法進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)。測(cè)量殘?jiān)吐?數(shù)值<0時(shí)，取值為0)和天然氣消耗量。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱脫附裝置核心單元能耗分析

2.1.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度和天然氣消耗量

部分位置溫度和天然氣消耗量見(jiàn)表3。外壁溫度指熱脫附裝置上、下層外表面的溫度。

表3 熱電偶測(cè)量的部分位置溫度

2.1.2 熱量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.1.1參數(shù)和1.4能耗計(jì)算方法，計(jì)算主要環(huán)節(jié)的熱量，結(jié)果見(jiàn)表4。

將表4中Q1～Q6之和與天然氣燃燒熱值之比記為天然氣理論消耗量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中天然氣流量計(jì)讀數(shù)為實(shí)測(cè)消耗量，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各環(huán)節(jié)的理論熱量

表5 工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)天然氣消耗量理論與實(shí)際對(duì)比

表5顯示，理論天然氣消耗量稍大于實(shí)測(cè)量，可能因?yàn)椴荒龤馊紵a(chǎn)生了熱量，及理論計(jì)算時(shí)各參數(shù)設(shè)置與真實(shí)值存在差異，最大誤差率7.12%，相對(duì)較小，表明理論計(jì)算基本能反映熱脫附過(guò)程中各環(huán)節(jié)的熱量。

2.1.3 熱脫附裝置各環(huán)節(jié)能耗分析

根據(jù)表4計(jì)算的各環(huán)節(jié)消耗熱量Q1～Q6，分別按進(jìn)料速率1.0～4.0 t/h做餅狀圖，結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示，裝置殼體外部向環(huán)境中散熱損失的熱量Q6占比最小，水吸收熱量Q1占比28.91%～30.42%，油吸收熱量Q2占比10.55%～11.1%，進(jìn)入冷凝塔的熱脫附氣體余熱Q3占比14.59%～17.6%，殘?jiān)酂酫4占比28.19%～29.91%，煙氣排放的余熱Q5占比13.73%～16.16%。Q1和Q4占比最大，兩者之和約占總熱量的2/3，且隨著進(jìn)料速度的增加先增大再減小，表明油基巖屑樣品中含水率和殘?jiān)臏囟葘?duì)能耗影響最大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，油基巖屑的含水率、含油率降低，可以降低Q1～Q4的增加幅度，減小Q5，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同進(jìn)料速度時(shí)Q1～Q6占比

2.1.4 油基巖屑含水率和含油率對(duì)工程實(shí)驗(yàn)裝置能耗的影響

根據(jù)理論計(jì)算公式，當(dāng)進(jìn)料速度為3.0 t/h時(shí)，分別設(shè)定油基巖屑含油率為7.28%、含水率為15.22%，改變對(duì)應(yīng)的含水率、含油率，需要的總熱量見(jiàn)圖3。

圖3 油基巖屑含水率、含油率變化對(duì)總熱量需求的影響

圖3顯示，含水率和含油率的增大，都引起總熱量的明顯增加，即裝置的能耗增大；且含水率增加時(shí)，能耗增大更顯著。理論結(jié)果計(jì)算顯示，油基巖屑的含水率和含油率分別每增加1%，每噸樣品熱脫附能耗增加折算為天然氣消耗量為2.53 Nm3和1.81 Nm3。

2.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

依據(jù)表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇二階回歸模型，得到回歸方程，如式(6)、(7)所示。

Y1=32.93+1.88X1+1.67X2+7.35X3+

7.96X4-1.85X1X2+1.05X1X3+

1.12X1X4+2.75X2X3-0.8X2X4+

(6)

Y2=1.25-0.55X1-0.34X2+0.04X3+

0.55X4-0.13X1X2-0.027X1X3+

0.028X1X4-0.14X2X3-0.085X2X4-

(7)

油基巖屑熱脫附響應(yīng)曲面多項(xiàng)式及顯著性分析見(jiàn)表7。

表7 油基巖屑熱脫附響應(yīng)曲面多項(xiàng)式及顯著性分析

“模型”的P值(Prob>F)、P(Y1)、P(Y2)為<0.000 1，該模型的可信度較高?！笆M項(xiàng)”P(pán)值Y1為0.526 8(P>0.05)、Y2為0.664 1(P>0.05)，失擬響應(yīng)的效果呈現(xiàn)不顯著，模型合理。

2.2.2 優(yōu)化結(jié)果

Y1模型顯示，實(shí)驗(yàn)工況下，加熱時(shí)間相對(duì)其余3個(gè)因素對(duì)熱脫附裝置能耗的影響小，油基巖屑的含水率、含油率和裝置加熱溫度對(duì)能耗的影響見(jiàn)圖4。

圖4 多因素共同作用對(duì)能耗的影響

圖4顯示，H點(diǎn)為53.56 Nm3/t，能耗最大，此時(shí)油基巖屑含水率和含油率均為最大值20%，加熱溫度也為最大值600℃。E點(diǎn)為18.59 Nm3/t，能耗最小，此時(shí)油基巖屑含水率和含油率均為最低值5%，與2.1.3和2.1.4分析的結(jié)果相吻合。油基巖屑的含水率和含油率均由5%提高至20%，其余條件不變時(shí)，裝置需要的天然氣量增加34.97 Nm3/t。

2.2.3 能耗優(yōu)化方法應(yīng)用與驗(yàn)證

由表8中工程實(shí)驗(yàn)優(yōu)化前后預(yù)測(cè)和實(shí)際能耗值計(jì)算得知，優(yōu)化前，樣品1、樣品2、樣品3所需天然氣消耗量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差依次為1.51%，1.32%，1.02%，以能耗最小和殘?jiān)吐省?%雙目標(biāo)優(yōu)化后，預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)誤差依次為1.63%，1.56%，1.06%，誤差相對(duì)較小，結(jié)果相對(duì)可靠。優(yōu)化后樣品能耗降低了6.01%～13.16%，其能耗降低率呈“棗弧形”，當(dāng)含水率和含油率越處于5%～20%的中間值時(shí)，模型優(yōu)化效果越明顯，越靠近兩端，優(yōu)化效果越小。

表8 工藝參數(shù)優(yōu)化前后能耗和殘?jiān)暮吐蕦?duì)比

樣品2含水率為12.15%、含油率為7.28%，采用以上模型和雙目標(biāo)優(yōu)化后，相比優(yōu)化前，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，可節(jié)約天然氣3.95 Nm3/t，若天然氣單價(jià)為3.0元/Nm3，對(duì)于處理量10×104t/a的工程應(yīng)用項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)不同含水率、含油率的油基巖屑物料熱脫附過(guò)程中加熱溫度、加熱時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化后，可節(jié)約成本118.5 萬(wàn)元/a。

由此可見(jiàn)，通過(guò)模型與優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，增加經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)化過(guò)程中，對(duì)于不同來(lái)源的油基巖屑，通過(guò)測(cè)量含水率和含油率，根據(jù)殘?jiān)暮吐试O(shè)定，可以預(yù)測(cè)和優(yōu)化能耗，從而設(shè)置加熱溫度和時(shí)間，分析是否需要預(yù)處理，控制最佳運(yùn)行參數(shù)。

3 結(jié)論與建議

1)通過(guò)油基巖屑熱脫附過(guò)程中熱量平衡分析，水分蒸發(fā)吸收熱量Q1和殘?jiān)酂酫4占比最大，兩者之和約占總吸熱的2/3，裝置殼體外部向環(huán)境中散熱損失的熱量Q6占比最小，進(jìn)入冷凝塔的熱脫附氣體余熱Q3和煙囪排出的廢氣余熱Q5相近，油蒸發(fā)吸收的熱量Q2與殘?jiān)暮吐氏嚓P(guān)。

2)基于響應(yīng)曲面法，建立了油基巖屑含水率、含油率及加熱溫度、時(shí)間4因素和熱脫附殘?jiān)暮吐?、天然氣消耗量?jī)赡繕?biāo)的優(yōu)化模型，優(yōu)化后能耗降低6.01%～13.16%，誤差1.06%～1.63%，該方法可以用于油基巖屑熱脫附工程項(xiàng)目節(jié)能降耗。

3)油基巖屑的含水率和含油率分別每增加1%，每噸樣品熱脫附能耗增加折算為天然氣消耗量依次為2.53 Nm3和1.81 Nm3。建議依托以上能耗優(yōu)化方法，測(cè)算總成本，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理技術(shù)，控制最優(yōu)條件下的油基巖屑含水率、含油率。