一种油基岩屑热解脱附水处理设备的优化设计*

张晓玲，刘 剑

(1.湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000；2.浙江宜可欧环保科技有限公司，浙江 湖州 313000)

在“双碳”背景下，必须进行能源转型。我国的页岩气存量为世界第一[1]。页岩气在开采过程中会产生大量的油基岩屑。油基岩屑属于危险固废，需经过处理后才能利用。由于油基岩屑的成分复杂，需采用高效集成热解技术对油基岩屑进行处理才能符合国家排放标准。本设计是通过热解喷淋水处理一体化设备，实现水的循环利用[2-3]，处理过程中可回收大量的污油，满足不同工况下的热解喷淋水的处理需求。

1 水处理基本工艺流程

1.1 目前工艺流程

目前常规水处理流程如图1所示。

图1 水处理工艺流程图

当喷淋水进入处理设备中，污泥沉降在底部，设备的上部为油液层，箱体的中间为水层，底泥通过泵打入污泥浓缩罐中，在罐中对底泥进行再次的泥水分离，浓缩后的底泥打入叠螺中脱水。箱体中的油层可通过收油机将油回收，箱体中部的水一部分作为喷淋循环水使用，一部分通过初级水处理系统处理后外排。

1.2 优化后的工艺流程

设计优化的工艺流程如图2所示。

图2 优化水处理工艺流程图

通过对喷淋水处理箱体的优化改进，增加了脱水功能。优化后的水处理设备可直接将喷淋含泥污水浓缩脱水，省去了附加的污泥浓缩、脱水流程，简化了大量的污泥处理设备，创新设计了脱水、沉淀、收油为一体的水处理设备。

2 水处理一体化设备结构

2.1 目前通用的结构

目前通用的水处理设备如图3所示。

1.喷淋水箱；2.收油箱；3.收油机；4.喷淋水入口；5.沉淀箱体；6冲洗管。

喷淋水进入沉淀池，经过一定时间的沉淀后，污泥沉入沉淀池底部。当喷淋水的含泥量较大时，就需要不断的增大沉淀腔，这样水处理设备就需要做的较大，才能够实现污水沉淀效果。沉淀后的较为干净的污水进入循环喷淋水箱，喷淋水箱体中的水用于喷淋循环使用，但沉淀的污泥还需通过污泥浓缩管罐浓缩(如图4所示)，再经过叠螺机浓缩脱水，外排污水再通过初级水处理设备进行处理(如图5所示)。

图4 污泥浓缩罐

图5 初级水处理设备

2.2 优化后的结构

本设计解决了目前水处理设备只能作为沉淀设备的缺陷问题，增加了压滤脱水功能，实现了脱水、沉淀、收油为一体的水处理设备(如图6所示)。箱体内部为过滤腔、沉淀腔、收油箱及喷淋循环水箱。过滤腔的作用是通过压滤机构将污泥脱水。脱水后的泥饼通过泥饼螺旋机外输。过滤后的污水进入二次沉淀腔。二次沉淀腔中上部的油，可通过收油机将所含的污油收集在收油箱，经过排油泵将污油外输；中间污水溢流进入喷淋水箱。喷淋水箱中的水用于喷淋循环使用，如需污水外排，可再通过初级水处理设备进一步处理，如图5所示。

1.喷淋水入口；2.液压缸；3.过滤腔；4.过滤网；5.振动机；6.插板阀；7.泥饼螺旋；8.沉淀腔；9.反冲洗水；10.过滤出水口；11.喷淋水箱；12.收油箱；13.刮油机。

3 水处理一体化设备的工作原理

设计的水处理一体化设备，通过喷淋水入口进入到过滤腔，在压滤腔中通过液压机构挤压，将过滤腔中的含泥污水压缩，达到污泥浓缩脱水效果。设备中两个过滤腔交替工作，因此一体化设备可连续工作。与传统的沉淀设备相比，一体化设备对喷淋水的含泥无要求，含泥量较大时同样可处理，因此可适用于不同污水含泥的多种工况。挤压后的污水经过过滤网，进入二次沉淀的箱体。箱体上部通过刮油机将油回收到收油箱。二次沉淀后的污水溢流进入喷淋水箱。喷淋水箱中的水可用于喷淋循环使用，而挤压过滤后的泥饼，如泥饼无法通过重力落入螺旋，需通过震动机震荡掉落进入出料泥饼螺旋外输。

4 水处理设备优化前后尺寸对比

4.1 优化前尺寸计算

目前采用沉淀水处理法，设计水处理量为 50 m3/h，Q=0.0138 m2/s，q′=2 m3/(m2·h)，t=1.5/h，v=2 mm/s，则：

沉淀有效水深：h2=q′t(m)

池长：L′=vt×3.6(m)

计算所需沉淀箱体的大小为：17 m×3 m×3 m。

4.2 优化后尺寸计算

优化设计的水处理一体化设备，只需计算过滤腔处理能力，选择合适的液压机构，可得出水处理设备的整体尺寸。设计单个过滤腔的大小为 1.5 m×1.5 m×1.5 m，则一次可处理的体积为 3.375 m3。

单个腔体的水压为：F=ρghS；

式中：A1为活塞无杆侧有效面积(m2)；A2为活塞有杆侧有效面积(m2)；p为供油压力(MPa)；D为活塞直径(m)；d为活塞杆直径(m)。

通过计算所得：单个过滤腔水压为F=33075 N，选取液压缸DG-J63C-E1推力为 43640 N、拉力为 30180 N，最大行程为 1.6 m，优化后所需一体化设备的大小为 6 m×3 m×3 m(H)，箱体尺寸明显减小，且不需要附加的底泥处理设备。由于压滤后的污泥含水量更少，后期污泥回用热解也更加节省能耗。

4.3 创新点

设计的水处理一体化设备，实现了传统水处理工艺及设备的结构优化，创新性的增加了液压过滤机构；可单独完成污泥脱水，不需要其它设备辅助脱水；实现脱水、沉淀、收油一体化，不仅节省大量的污泥处理成本，同时可满足不同工况下喷淋污水的处理要求。

5 结语

本设计主要是针对油基岩屑热解喷淋循环水的处理，实现了污水循环处理、底泥处理、污油回收为一体的水处理设备优化设计，不仅实现水的循环使用，达到节约水资源目的，而且在处理过程中可以回收大量的污油，能够实现不菲的经济价值。