油泥熱解技術應用現狀

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

1 國內外油泥無害化處理的現狀

調質-機械分離技術以及熱水洗-機械分離技術無法實現油泥的無害化處置，在經濟可承受的范圍內， 一般處理后油泥含油率介于5%～10%之間。 隨著國家標準的趨嚴該技術一般用作減量化及資源化，對油泥進行預處理。 焚燒技術可實現無害化處理，但是無法回收石油資源，并且存在尾氣污染的風險。 熱解技術不僅可回收石油資源，還能夠實現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

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

按照美國EPA 的解釋，熱解技術屬于物理分離的范疇。 該技術的設計目的是使有機污染物從污染介質中物理蒸發，雖然在高溫的狀態下無法完全避免有機物發生裂解反應，但是化學反應的占比非常低[2]。

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

3 熱解設備

3.1 燃料加熱形式

3.1.1 回轉設備

回轉設備內部為空腔結構，通過燃料燃燒產生的熱量對回轉窯設備內部的油泥進行間接加熱，實現礦物油組分與固體的分離；回轉設備內部設置導流板、抄板、懸式金屬構件等結構，可加強傳熱及傳質的效果；通過調節整個設備的傾角及轉速可調節物料在回轉設備中的停留時間。

國內最早將回轉設備用于油泥處置的是中國石油天然氣集團公司，2006 年， 作為中石油重點科研項目，在新疆油田新疆烏爾禾區進行了實驗， 后來在遼河油田的歡三聯建設了10t/d 的油泥處理裝置，在100 余天的運行試驗期間，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）熱解殘渣收集問題；3）餾分管道淤積問題[4]。

2018 年，杰瑞環?？萍加邢薰静艑⒒剞D式設備問題徹底解決，并在新疆油田公司成功應用，單臺設備的處理能力達到10 萬t/a。 自此之后，回轉設備得到了快速的發展。 截至目前，已經在新疆、黑龍江、山東、四川、廣東、重慶等多個項目現場使用，在役設備超過15 套。

經過不斷的項目檢驗， 回轉式設備具備如下優勢：1）運動件少，設備故障率低，維保成本相對較低；2） 設備始終處于旋轉狀態， 受熱均勻，設備的壽命大幅度延長；3）設備內部的抄板結構加快了傳熱、傳質，油泥中的礦物油更容易分離。

雖然在回轉設備中設置懸式金屬構件、增加設備直徑的方式可防止內部塑性物質發生板結，但在面臨粘度大的油泥時，還是容易出現板結問題，造成熱量無法及時傳遞給油泥，降低設備處理能力和處理效果。 塑性強、粘度大的油泥需進行預處理，才能保證設備的最佳工作性能。

對于設備的加熱模式，現在分為火焰直接給反應筒加熱和熱煙風加熱。 輪胎裂解企業由于處理物料單一，一般使用的是熱煙風加熱。 火焰直接給反應筒加熱的方式可沿反應筒長度方向進行燃燒器布設，通過沿程方向燃燒控制實現沿反應筒長度方向的溫度調控的目的，具有溫度可調性好的特點，有利于熱解反應的進行。 熱煙風加熱的模式，供熱源只能設計在爐尾一處，即沿反應筒長度方向爐尾的溫度最高， 爐頭的溫度最低。 然而物料從爐頭進入初期因其水分蒸發干化需要的熱量最大。 因此，在物料從爐頭向爐尾運移的過程中，根據反應對能量的需求特征，要通過控制爐尾的集中供熱源溫度及熱氣量的大小實現沿反應筒長度方向溫度的有效調控則比較困難， 且由于含油污泥的含水率等物性波動較大，熱解反應過程對熱量需求的變化也很大。 為確保含油污泥中有機物質的充分熱解，必須方便調控溫度。 因此，在油泥處理領域，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勢[5]。

3.1.2 螺旋設備

螺旋設備的核心是一個可以加熱的螺旋輸送器，通過燃料燃燒產生的熱量對螺旋輸送器的外殼進行加熱，進而對螺旋輸送器內部的油泥進行間接加熱， 實現礦物油組分與固體的分離；在加熱的過程中螺旋設備內部螺旋推動物料不斷向前移動，通過螺旋的轉速調節，可控制物料的加熱時間。 為了加強傳熱效果，一般在螺旋輸送器的外殼設置翅片，增大傳熱面積。

螺旋設備最早是加拿大西山公司的全資子公司加拿大斐斯環境技術有限公司開發，國內目前常見的燃油、燃氣內置螺旋的熱解爐多是模仿斐斯的技術[6]。 但是由于螺旋設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，螺旋葉片與外殼發生摩擦，會造成外殼磨漏或是螺旋斷裂；甚至可能出現油氣直接進入爐膛的情況，存在重大的安全和環保隱患。 對于使用熱煙風加熱的螺旋設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，雖然熱煙風的溫度相同且穩定，但是由于吸熱的差異，也會出現上下溫度不均的情況。 國內現有的螺旋設備的壽命一般不超過2～3a，需定期對螺旋外殼及螺旋進行更換。 從1999 年開始，MI-SWACO 將該技術應用在油泥處理領域，但螺旋外殼磨漏以及螺旋斷裂的情況也一直困擾著它們，現階段該公司已經停止了該項業務。 鑒于上述問題， 現在國內市場上螺旋設備的新增速度不斷下降。

3.2 摩擦加熱形式

錘磨設備是通過劇烈摩擦升溫的方式對油泥進行加熱，使油和水分從油泥中分離。 錘磨熱解機是系統核心， 該裝置軸上嵌套有錘摩葉片，軸在電動機或柴油機的帶動下轉動，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，實現油泥的熱解，加熱溫度一般控制在250～350℃[8]。 設備具有緊湊，輕便，模塊化等特點。

由于錘磨設備采用模塊化設計，設備體積緊湊， 重量小， 同時設備啟停動迅速， 滿足海上ZONE-2 防爆要求。因此，在海上平臺的鉆屑處理領域得到了快速的發展。 Themtech 的錘磨設備得到了快速的推廣，在役設備超過65 套，應用客戶包括了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。 經過項目的驗證，錘磨設備的最大處理能力能夠達到6t/h，可以滿足多數鉆井平臺的需求；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]。

經過多年的自主研發與設計，中石油集團川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院成功研制了錘磨熱解工程樣機，并且在國家科技重大專項的支持下， 在四川長寧-威遠國家級頁巖氣示范區開展了工程示范，實驗性的處理了超過200t 頁巖氣開發過程中形成的鉆屑[10,11]。

錘磨設備未能在陸地大規模推廣應用的關鍵在于核心設備的壽命及維護成本問題。 錘磨設備的加熱依靠的是錘磨葉片與鉆屑顆粒的摩擦產熱，對錘磨葉片的材質要求及其嚴格，葉片的磨損嚴重。 國外設備錘磨葉片的應用周期也僅為2000～3000h。 除此之外，由于設備的加熱溫度低，應用范圍受到限制，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 導熱油加熱形式

3.3.1 中空螺旋設備將導熱油應用于油泥熱解的企業主要為挪威的Brandt、美國的Therma-Flite 以及德國的Econ 等。 該類設備是利用循環加熱的導熱油換熱加熱熱解裝置內的中空螺旋轉子和筒體，從而間接加熱油泥。 通過控制導熱油的溫度，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， 可提取高品質的柴油或白油，最大化實現回收油的價值。

挪威的Brandt 不僅生產制造了回轉設備，也生產制造導熱油加熱的熱解設備。 該類設備在阿塞拜疆、安哥拉、尼日利亞、丹麥、羅馬尼亞、挪威、荷蘭等地都得到了應用。2014 年重慶涪陵頁巖氣鉆井過程中引進Brandt 的熱解技術[7]，并在2015年建成了國內第一個導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99%[13]。但是國外對國內采取技術壟斷，因此設備費和服務費用相當昂貴。

雖然導熱油加熱具備溫度控制精確的優勢，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組分的油泥。 導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到350℃左右。溫度太高就會加速導熱油的熱聚合反應和氧化反應，影響導熱油的使用壽命。Brandt 設備在使用工業級導熱油的情況下，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，第一段采用導熱油加熱， 第二段采用電加熱。 經過電加熱后，Brandt 的溫度可以達到500℃，Therma-Flite 的溫度可達到550℃。

3.3.2 反應釜設備為了解決導熱油加熱溫度不足的問題，德國的Econ 開發了真空的熱解設備，設備的真空度可達到50mbar， 能夠有效的將沸點低于450℃的組分從油泥中分離。 設備的構造及原理與真空耙式干燥機極為相似， 采用間歇式生產的釜式結構，通過夾套及攪拌軸中的導熱油對油泥進行加熱，單臺熱解設備反應釜最大的容積是12m3，在兩個模塊并聯的情況下，最大的設備處理能力可達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， 避免了裂解反應的發生，可以回收具有高品質的基礎油資源。 該公司業績主要集中在歐洲和中東地區，根據其官方宣傳材料介紹，2007 年， 曾在科威特用該類設備處理煉廠的油泥、油坑油泥、鉆井油泥等，項目的主要目的是回收油泥中的石油資源；2009 年， 在英格蘭用該設備處理含油廢物，包括噴涂污泥、罐底油泥以及其它的輕質油泥；2013 年， 利用該設備成功處理了油基泥漿及鉆屑。 截止目前，該公司在國內并沒有相關業績。

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

3.4 電加熱形式

最近，國內多家機構及企業開始研發電加熱的熱解設備。 電加熱設備分為電阻加熱和電磁加熱，由于電磁加熱具有溫度高、設備故障點少等特點，現在成為研究的重點。

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生高速變化的交變磁場，在爐體金屬外表皮部分產生交變的渦流，渦流使爐體外表面的鐵原子高速無規則運動， 原子互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而起到加熱爐體的作用。

與傳統加熱方式相比，采用電磁加熱的熱解設備具備結構緊湊，升溫速度快，可精確控溫，整個流程不產生明火等特點[16]，適合在井場及海上平臺等防爆區域應用。 除此之外，油泥在設備中的分布問題會導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。 但是在實際運行過程中，油泥的性質無法保證統一，在設備實際運行過程中依舊存在局部過熱的問題。 因此，選擇導磁性能好、耐高溫的材料成為發展該技術的關鍵。 現階段由于成本過高，加熱均勻性差等問題，該技術并沒有得到大規模的應用，目前仍處于中試階段。

4 結論

目前國內外油泥處理技術繁多，但在實際應用過程中都存在各自的優缺點。 熱解處理技術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勢，得到了快速的發展，成為國內油泥處理的主流技術，具有很強的可行性和廣闊的發展前景。

熱解設備的形式多種多樣，對比目前的熱解設備可發現：1）針對陸上建站項目，回轉式設備具備運行穩定，處理能力大，適應性廣，處理成本低的特點；2）在海上平臺、 作業空間受限并且需要滿足防爆要求的情況下， 錘磨設備可發揮最大優勢；3）如果以高品質回收基礎油為目的，導熱油加熱的熱解設備最為適用。 相比較錘磨設備，該設備的壽命更長，運行成本較低。

項目建設階段，需充分考慮現場油泥屬性情況以及配套情況，選擇最合適的熱解設備。