页岩气田钻井含油危废旋转炉处理的优化与应用研究

2021-06-16陆振波中石化江汉石油工程有限公司环保技术服务公司湖北潜江433123

化工管理 2021年12期

陆振波(中石化江汉石油工程有限公司环保技术服务公司，湖北潜江 433123)

0 引言

页岩气开采钻井过程中危险废物以含油危废为主，主要来源于钻井、设备检修维护及清场作业等环节，含油危废的组成较为复杂，既有伴随钻井三开过程中产生的含油钻屑，也有固洗井过程中产生的前(后)置液、钻井作业过程中因设备“跑、冒、滴、漏”产生的含油浸染物，生产过程中产生的含油包装物、含油容器等[1]。据估算，目前每口井的含油危废产生量一般在500 t左右。2013年，某环保科技公司在西南某页岩气田建成了一座含油钻屑回收利用站，采用热脱附处理工艺回收处理井场回收的含油钻屑。因工艺设计原因，该热脱附装置无法处理粒径≥8 mm的含油钻屑、前(后)置液、含油浸染物等含油垃圾，上述含油危废经井场回收至该站后，临时贮存于站内，存在着极大的安全环保风险。经调研，上述含油危废可通过热解炭化式旋转炉进行无害化处置，但市面上的旋转炉装置存在自动化程度较低、人工劳动强度大、检维修频次较高、装置利用率较低等问题，因此，在该地区开展含油危废旋转炉处理装置优化及应用试验，旨在提高含油危废的处理能力，同时降低安全环保风险。

1 含油危废旋转炉处理装置优化研究

1.1 旋转炉进料系统优化研究

由调研分析可知，旋转炉采用的喂料机的主要技术瓶颈在于无法做到连续传输液相含量较高的含油危废，进而影响了进料效率。因此，从进料工艺路线的角度而言，优选出能够连续稳定传输液相含量较高的进料设备具有重要意义。前期，为满足含油钻屑热馏处理的工艺需求，优选出了含油钻屑输送柱塞泵作为进料系统的主要设备，能够满足液相含量较高的含油钻屑连续进料的需求，其结构特点如下：含油钻屑输送柱塞泵由YB系列柱塞泵改造而成，由液压驱动，其柱塞由耐腐蚀耐磨的氧化铝陶瓷制成。泵体根据含油钻屑粘度高且具有一定腐蚀性的特点要求，选用不锈钢材料[2]。同时，为满足含油钻屑输送过程中进料量可调的特点，选择该柱塞泵的形式为变量泵，配套旋转炉使用，泵会随着含油钻屑密度的增加自动使压力提高，流量可调。

1.2 旋转炉燃动系统优化研究

现有的旋转炉燃烧采用矩形分区，将炉内分成若干个控温区，交错分布的相邻多个烧嘴划分为一个控制区，设一个采温点，各区进行集中控制，这也是目前旋转炉热处理过程中温度控制大多采用的分区形式。在优化设计过程中，为提高加热效率并确保炉内温度分布的均匀性，对每个烧嘴单独分区或控制，烧嘴交错布置于炉子两侧的底部，温度检测点设置于烧嘴对面炉侧面。每个烧嘴单独分区控制，这样炉内相当于划分为5个控温区，划分更细，使控制温度均匀性更好，保证含油危废在炉内可以均匀受热，防止结焦。同时，对点火装置可以实现自动或手动控制，对温度进行微调。

1.3 旋转炉油气系统优化研究

针对现有旋转炉油气冷凝系统采用单一冷凝法存在的技术缺陷，考虑利用活性炭吸附+冷凝综合技术对油气进行了回收，在油气排放出口设置两级温度相对较高的低温冷凝装置[3]。通过对油气中组分常压条件下的沸点和分压的综合考虑设置冷凝温度，使大部分油气被冷凝回收，在冷凝管出口设置活性炭吸附装置综合了冷凝法与吸附法的优势，降低回收成本，提高运行周期。

2 含油危废旋转炉处理现场应用试验

2.1 旋转炉处理含油危废的应用情况及效果评价

2.1.1 旋转炉处理含油危废生产情况

根据旋转炉处理含油危废的生产情况统计，联机试运行共历时40 d，分为两个试生产周期，第一个试生产周期为11月19日至12月13日，停产检维修7 d。第二个周期为12月20日至28日试生产期间含油钻屑处理量稳定在30～35 m3/d，天然气量单耗为52～65 m3，电量单耗为73～80 kW·h，水量单耗为0.7 m3左右。经过检测，旋转炉处理后的含油危废产生的残渣含油率＜0.3%，达到了GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》中的相关要求。而旋转炉处理后回收的矿物油，依据GB 19147—2016《车用柴油》，部分检测结果超出限值，但总体来看，回收油品质较好，可作为原料油进一步提纯精制工业用柴油或用于配浆基础油。

2.1.2 旋转炉处理含油危废的效果评价

从旋转炉近40 d运行的情况来看，经过研制优化后的旋转炉各个大系统及整个装置运行状态稳定，各项参数指标均达到了设计要求，得到的产物各项指标也均达到了相关要求。

2.2 旋转炉应用优化研究

旋转炉经过40 d两个生产周期的生产运行，基本达到了井场含油危废的处理需求，但在生产过程中未对含油危废进行分类处置，造成旋转炉的能耗较高、处理效率未达到最优，为此，进一步开展了不同类型的含油危废旋转炉处理的应用研究，期望达到旋转炉处理含油危废进料配比的最优方案。

2.2.1 旋转炉处理前置液的应用情况分析

表1为旋转炉处理前置液的情况统计，对比可知，旋转炉单独处理前置液相较于处理混合型的含油危废而言，处理过程中的天然气、电量消耗均提升了30%以上，处理时间延长了6.5 h以上。

表1 前置液处理情况

分析可知，前置液中的液相含量较高，尤其是液相中的水含量达到了90%以上，而水的汽化潜热远高于油性物料和其他固体危废的汽化潜热，导致需要供给更多的热量完成无害化热处理的过程，造成旋转炉在处理前置液时的能耗增加，处理时间增长。

2.2.2 旋转炉处理含油浸染物的应用情况分析

表2为旋转炉处理含油侵染物的情况统计，对比可知，旋转炉单独处理含油侵染物相较于处理混合型的含油危废而言，处理过程中的天然气、电量消耗均降低了15%以上，处理时间缩短了4.5 h以上。

表2 含油侵染物处理情况

分析可知，含油侵染物中的液相含量较低，而其他固体危废的汽化潜热较水和油均较低，供给较少的热量即可完成无害化热处理的过程，旋转炉在处理含油浸染物的能耗降低，处理时间缩短。

2.2.3 旋转炉处理粒径≥8 mm含油钻屑的应用情况分析

表3为旋转炉处理粒径≥8 mm含油钻屑的情况统计，对比可知，旋转炉单独处理含油侵染物相较于处理混合型的含油危废而言，处理过程中的天然气、电量消耗均降低了8%以上，处理时间缩短了3 h以上。

表3 粒径≥8 mm含油钻屑处理情况

分析可知，粒径≥8 mm含油钻屑中液相含量较低，汽化潜热高于含油侵染物，但低于前置液，所以供给的热量较前置液偏少，较含油侵染物偏高。

2.2.4 含油危废旋转炉处理的推荐做法

由旋转炉在处理前置液、含油侵染物、粒径≥8 mm的含油钻屑的情况统计分析可知，在相同处理价格的前提下，处理含油侵染物的经济效益优于处理粒径大于8 mm的含油钻屑，优于处理前置液。但考虑到井场前置液产生量远大于含油侵染物(大致为3:1)，并且含油垃圾在现场临时贮存较为便利，综合考虑能耗、处理时间建议旋转炉处理含油危废的最佳进料比范围为：50%～60%前置液+20%～30%含油侵染物+20%粒径大于8 mm的含油钻屑。