間歇式熱脫附爐爐膛結(jié)焦原因探討和對(duì)策分析

胡端義 黎 亮 鄭 瀾 黃楚云 王 兵

(中石化江漢石油工程有限公司環(huán)保技術(shù)服務(wù)公司)

0 引 言

由于頁(yè)巖礦成分復(fù)雜,在頁(yè)巖氣開采過程中必須使用含一定比例支撐劑的油基泥漿作為鉆井液,以保證井筒穩(wěn)定性,由此,導(dǎo)致廢物油基巖屑的產(chǎn)生。油基巖屑被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄(2021年版)》,屬于危險(xiǎn)廢物,必須進(jìn)行有效處理。涪陵工區(qū)頁(yè)巖氣井水平段鉆井過程中產(chǎn)生的油基巖屑大都以熱脫附的方式實(shí)現(xiàn)資源化利用,所采用的裝置為間歇式熱脫附爐。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中,熱脫附爐的結(jié)焦問題嚴(yán)重影響了油基巖屑的處理效率,極大增加了運(yùn)行成本。本文通過分析間歇式熱脫附爐結(jié)焦的主要原因,從3個(gè)方面提出了減輕結(jié)焦的有效措施,為間歇式熱脫附爐處理效率的提高提供了建議。

1 裝置結(jié)焦情況及不良影響分析

1.1 熱脫附爐結(jié)焦情況分析

目前涪陵工區(qū)一號(hào)油基巖屑回收站共有間歇式熱脫附爐6套,1#～4#爐主要處理油基巖屑,5#、6#爐處理含油生活垃圾及粒徑較大的油基巖屑。由于巖屑批次、爐膛溫度控制等因素的影響,熱脫附爐實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)很多問題,其中爐膛結(jié)焦是最大的問題,裝置的頻繁結(jié)焦嚴(yán)重影響了油基巖屑熱脫附的效率,給回收站帶來(lái)了很大的物料積壓壓力。

現(xiàn)裝置結(jié)焦情況主要集中在1#～4#爐,平均每?jī)蔂t結(jié)焦一次。相比1#～4#爐,5#、6#爐結(jié)焦頻次較低,平均每15爐結(jié)焦一次。圖1為現(xiàn)場(chǎng)爐壁結(jié)焦情況,結(jié)焦區(qū)域主要集中在中尾部轉(zhuǎn)動(dòng)擺錘處,最厚約3～4 cm,擺錘處一旦結(jié)焦,會(huì)造成擺錘完全黏附在爐體上,擺錘原有的清焦功能喪失,結(jié)焦將更加嚴(yán)重。脫附爐前部也有輕微結(jié)焦,結(jié)焦約為1 cm。

圖1 熱脫附爐爐膛結(jié)焦情況

1.2 結(jié)焦產(chǎn)生的不良影響分析

油基巖屑的熱脫附處理是在隔氧環(huán)境下通過直接或間接對(duì)油基巖屑加熱,使巖屑中含有的柴油組分達(dá)到自身沸點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)巖屑與油分離的處理過程。加熱過程中產(chǎn)生的高溫油氣遇空氣極易燃,當(dāng)裝置內(nèi)結(jié)焦時(shí),結(jié)焦處油基巖屑無(wú)法均勻受熱,導(dǎo)致所包裹的巖屑燃燒不充分,爐內(nèi)油基巖屑無(wú)法燃燒完全,易殘余部分油氣,這部分油氣一旦接觸外部空氣,很容易造成爐體著火,安全隱患較大。另一方面,爐體結(jié)焦后會(huì)直接造成熱脫附爐傳熱效率降低、爐內(nèi)升溫速度減慢,進(jìn)而導(dǎo)致單爐運(yùn)行時(shí)間顯著延長(zhǎng),天然氣消耗量增加,生產(chǎn)運(yùn)行成本增高。此外,從清焦過程來(lái)講,清焦前爐體需降至室溫且通風(fēng)較長(zhǎng)時(shí)間才可進(jìn)入,延長(zhǎng)了裝置的處理時(shí)間,間接降低了生產(chǎn)效率,且爐內(nèi)屬于密閉空間,頻繁進(jìn)入清焦存在一定程度的安全隱患。所采用的電鉆清焦模式會(huì)對(duì)脫附爐裝置內(nèi)膽造成損傷,影響內(nèi)膽使用壽命。各種不良影響因素表明,必須采取措施減輕熱脫附爐結(jié)焦情況,提高裝置的處理效率。

2 裝置結(jié)焦原因分析

熱脫附爐結(jié)焦是指當(dāng)加熱溫度超過一定限度時(shí),爐內(nèi)油基巖屑所含液相油水成分蒸發(fā),固體成分灰渣積聚在爐膛壁上的現(xiàn)象。間歇式熱脫附爐爐體結(jié)焦可能由多種因素所致。當(dāng)爐膛內(nèi)壁一旦產(chǎn)生結(jié)焦跡象,附著一層焦層后,該區(qū)域熱阻就會(huì)增大,導(dǎo)致此區(qū)域爐膛溫度升高,油基巖屑原料繼續(xù)滲入焦層孔隙,結(jié)焦速度更快,從而形成越來(lái)越厚的固體焦層,使?fàn)t膛溫度達(dá)到允許值限值[1]。經(jīng)分析,間歇式熱脫附爐結(jié)焦原因體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是油基巖屑不同批次的性質(zhì)不同,物料成分存在差異;二是爐膛溫度設(shè)置不合理,導(dǎo)致巖屑受熱溫度不均。現(xiàn)對(duì)間歇式熱脫附爐結(jié)焦的兩大主要原因進(jìn)行分析。

2.1 不同批次油基巖屑性質(zhì)存在差異

油基巖屑化學(xué)組成復(fù)雜,不同地區(qū)不同井位三開、四開油基巖屑的化學(xué)成分存在較大差異。另一方面,由于涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊現(xiàn)僅有1個(gè)油基巖屑處理站,當(dāng)井位較多時(shí),回收站處理能力有限,易造成巖屑庫(kù)存余量大,存放時(shí)間長(zhǎng)等情況,會(huì)造成原有組分發(fā)生變化。

油基巖屑所含成分(以下為質(zhì)量百分比)主要有鉆屑類無(wú)機(jī)物:50%～85%;含油:5%～30%;含水:3%～20%;有機(jī)物:0.2%～15%。針對(duì)所收集的不同批次的油基巖屑進(jìn)行了全組分分析,結(jié)果見表1。

表1 油基巖屑全組分分析 %

通過全組分分析發(fā)現(xiàn),不同批次油基巖屑成分存在一定差異,油基巖屑進(jìn)入熱脫附爐后在爐內(nèi)高溫條件下會(huì)發(fā)生物理反應(yīng),某些成分也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此不同批次、組分不完全相同的原料油基巖屑的性質(zhì)對(duì)熱脫附爐的結(jié)焦情況有一定影響。通過對(duì)間歇式熱脫附爐運(yùn)行實(shí)際情況分析,發(fā)現(xiàn)前期存積的油基巖屑在熱脫附爐中加熱引起結(jié)焦情況較少,新收集油基巖屑加熱引起結(jié)焦情況較多,經(jīng)分析是因?yàn)樾率占挠突鶐r屑含水量高,造成加熱時(shí)脫水效果不好,最終造成結(jié)焦現(xiàn)象頻繁。

2.2 爐膛溫度不合理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)焦情況分析,熱脫附爐爐膛溫度不穩(wěn)定是引起結(jié)焦的一個(gè)重要原因。熱脫附爐爐內(nèi)熱量分布均勻可以保證油基巖屑中液相成分充分蒸發(fā)[2],但總體來(lái)講,間歇式熱脫附爐這種間接加熱方式普遍存在爐內(nèi)溫度分布不均勻且溫度難以迅速調(diào)控等常見缺點(diǎn)。在實(shí)際爐膛溫度控制過程中,受多種因素的影響,溫度往往不能精確控制,若爐膛內(nèi)某一部位(通常是天然氣燃燒槍火焰瞄準(zhǔn)加熱部位)溫度過高,很容易造成局部爐管結(jié)焦甚至燃燒[3]。

為保證油基巖屑中所含石油烴類物質(zhì)徹底蒸發(fā)、充分回收,現(xiàn)場(chǎng)將天然氣燃燒槍的溫度固定為500℃。加熱過程中,當(dāng)熱脫附室溫度升至約100℃時(shí),巖屑中水蒸氣開始蒸發(fā),隨后逐漸升溫至360℃左右不再升高,待巖屑中油分揮發(fā)完全,爐內(nèi)溫度再次降低。在此過程中,油基巖屑中的固相組分也逐漸變成灰渣,當(dāng)灰渣遇到不同溫度的爐壁時(shí),容易黏附形成結(jié)焦。一旦爐壁表面有大量灰塵,在吸附灰渣的情況下,結(jié)焦處溫度迅速上升,導(dǎo)致熱脫附爐爐內(nèi)溫度不平衡,爐膛溫度無(wú)法精準(zhǔn)控制[4]。

3 減輕結(jié)焦技術(shù)探討

3.1 添加爐內(nèi)鋼環(huán),增大爐體摩擦

試圖向爐內(nèi)加入一些利于摩擦爐壁的鐵絲,便于及時(shí)刮除結(jié)焦。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),結(jié)焦現(xiàn)象改善并不明顯,并且由于鐵絲自身質(zhì)量太輕,出料時(shí)會(huì)伴隨干料一起被旋出,容易卡停出料刮板機(jī)裝置。將鐵絲換成鋼環(huán),鋼環(huán)由于自身體積及質(zhì)量原因,在爐體旋轉(zhuǎn)時(shí)能有效對(duì)爐體進(jìn)行碰撞從而起到清焦作用,出料時(shí)也不會(huì)伴隨干料一起出來(lái),有效解決了結(jié)焦及裝置卡停的問題。在添加一定量的鋼環(huán)后發(fā)現(xiàn),熱脫附爐爐膛結(jié)焦現(xiàn)象明顯改善。鋼環(huán)的作用過程如下:在進(jìn)料時(shí)先促使清焦鋼環(huán)均勻分布在爐膛內(nèi)部,爐體加熱旋轉(zhuǎn)過程中,爐內(nèi)鋼環(huán)隨爐體同步轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)旋轉(zhuǎn)至一定高度時(shí),鋼環(huán)掉落至爐膛底部,鋼環(huán)旋轉(zhuǎn)掉落過程中與爐膛內(nèi)壁產(chǎn)生機(jī)械摩擦,將附著在爐膛內(nèi)壁的結(jié)焦塊除掉[5],如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng),盡可能將管壁內(nèi)附著的焦層刮除干凈。通過鋼環(huán)數(shù)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證鋼環(huán)數(shù)量與爐膛結(jié)焦頻率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)加入2 t左右鋼環(huán)時(shí),減輕結(jié)焦效果較為明顯,連續(xù)運(yùn)行約10爐才會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加入鋼環(huán),結(jié)焦頻率不再提高,表2為加入熱脫附爐鋼環(huán)數(shù)量與爐體結(jié)焦頻率統(tǒng)計(jì)。

表2 加入熱脫附爐鋼環(huán)數(shù)量與結(jié)焦頻率統(tǒng)計(jì)

3.2 添加輔助藥劑,緩解結(jié)焦?fàn)顩r

在加入鋼環(huán)對(duì)裝置結(jié)焦有一定改善的基礎(chǔ)上,試圖同時(shí)添加一定量的輔助藥劑來(lái)進(jìn)一步緩解結(jié)焦情況。研究發(fā)現(xiàn),銨明礬(NH4Al(SO4)2·12H2O)、鉀明礬(KAl(SO4)2·12H2O)、碳酸氫鈉(NaHCO3)這類化學(xué)藥品在受熱時(shí)分解產(chǎn)生大量氣體,此過程有助于蓬松灰渣,從而減少結(jié)焦。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室小試和實(shí)際運(yùn)行情況分析發(fā)現(xiàn),向油基巖屑物料中添加一定比例的銨明礬、鉀明礬或碳酸氫鈉等藥品可一定程度地減輕結(jié)焦。

如圖2所示,取油基巖屑樣品1、樣品2各10 g,平鋪于不銹鋼板上,在樣品2中加入5%的碳酸氫鈉,保持相同升溫速率對(duì)樣品進(jìn)行加熱烘干。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,添加碳酸氫鈉的巖屑加熱烘干后產(chǎn)生的孔隙更為致密,在升溫過程中烘干易產(chǎn)生裂縫,導(dǎo)致灰渣無(wú)法黏附在鋼板上,從而有效減輕結(jié)焦情況。添加銨明礬、鉀明礬等也有類似情況。

圖2 油基巖屑受熱結(jié)焦情況

在添加銨明礬、鉀明礬、碳酸氫鈉等不同藥品條件下,進(jìn)行了藥品種類及加藥量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(50,100,150,250 kg的不同加藥量),結(jié)果表明藥品的加入能較大程度地緩解結(jié)焦情況,且?guī)追N藥品的緩解程度區(qū)別不大,最終選擇了相對(duì)便宜的碳酸氫鈉作為輔助藥劑。因加熱過程中碳酸氫鈉自身發(fā)生分解反應(yīng),每爐都造成消耗,故每次進(jìn)料時(shí)都需向爐內(nèi)重復(fù)加入藥劑,無(wú)法像鋼環(huán)一樣被反復(fù)循環(huán)利用,具體藥品種類及添加量與結(jié)焦頻率見表3。

表3 1#爐藥品種類及添加量與結(jié)焦頻率

3.3 控制爐膛溫度,調(diào)整燃燒工況

熱脫附爐爐膛內(nèi)熱分布均勻才能確保爐內(nèi)巖屑反應(yīng)平穩(wěn),但受間接加熱方式的影響,爐膛內(nèi)溫度的平穩(wěn)控制比較困難,不可避免地存在溫度分布不均勻等問題,若爐膛某一局部溫度過高,極易造成局部結(jié)焦。前期熱脫附爐運(yùn)行過程中,裝置出廠方建議將現(xiàn)場(chǎng)天然氣燃燒槍溫度固定設(shè)置為500℃,爐內(nèi)油基巖屑局部溫度最高達(dá)360℃。為精準(zhǔn)控制爐膛內(nèi)巖屑加熱溫度,在爐體兩邊的前、中、后端的燃燒火嘴加熱點(diǎn)上部爐膛處均配有相應(yīng)的溫度傳感器,在燃燒槍溫度一致的情況下,受傳熱差異的影響,6個(gè)傳感器顯示的實(shí)際溫度差異較大。因此,為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)爐內(nèi)溫度的調(diào)控,確保傳感器溫度能達(dá)到巖屑的熱解溫度及6個(gè)加熱位點(diǎn)溫度的一致性,在后期生產(chǎn)過程中,主要通過中控室顯示的傳感器溫度來(lái)反向指導(dǎo)燃燒嘴處燃燒槍的控制溫度,在此基礎(chǔ)上將相應(yīng)燃燒槍設(shè)置為550℃左右。多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在裝置無(wú)損傷、6個(gè)爐膛傳感器溫度平穩(wěn)的前提下,適當(dāng)改變?nèi)紵鹱斓脑O(shè)置溫度不僅有利于油基巖屑的充分熱解,使高溫油氣揮發(fā)更徹底,減少安全隱患,而且能在一定程度上改善熱脫附爐的結(jié)焦現(xiàn)象。

此外,由于爐體結(jié)焦是一個(gè)較為緩慢的過程,在實(shí)際操作過程中操作人員應(yīng)實(shí)時(shí)觀察間歇式熱脫附爐尾部高溫油氣塔溫度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)高溫油氣塔溫度無(wú)法大幅度降低時(shí),說明爐內(nèi)油基巖屑一直未被燒干,此時(shí)需考慮爐體是否已經(jīng)結(jié)焦,如此要及時(shí)控制燃燒工況,適當(dāng)調(diào)高或降低天然氣燃燒槍溫度,盡可能避免結(jié)焦以提高熱脫附爐運(yùn)行效率。

4 結(jié) 論

間歇式熱脫附爐作為油基巖屑連續(xù)進(jìn)料裝置的配套設(shè)備,既能滿足高液相含量物料的進(jìn)料需要,又可滿足井場(chǎng)含油工業(yè)廢物及其他大塊物料的進(jìn)料需要,是油基巖屑熱脫附處理的首選裝置。但目前熱脫附爐的結(jié)焦問題嚴(yán)重影響了裝置熱脫附的效率,制約了間歇式熱脫附爐的發(fā)展。文章從油基巖屑性質(zhì)差異、溫度控制不合理這兩個(gè)引起間歇式熱脫附爐結(jié)焦的主要原因進(jìn)行分析,從添加爐內(nèi)摩擦鋼環(huán)、添加輔助化學(xué)藥品和控制爐膛溫度等3方面提出了部分針對(duì)性的建議,發(fā)現(xiàn)將爐膛溫度控制在550℃左右,并向爐內(nèi)加入約2 t鋼環(huán)、250 kg輔助藥劑NaHCO3時(shí),能有效改善爐膛結(jié)焦問題,提高裝置熱脫附處理的效率。