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油泥主要产于油气田勘探、开发、储运过程以及炼化企业生产储存、污水处理过程中,主要包括落地油泥、罐底油泥、及炼化“三泥”。我国年产油泥约6.45×106 t,存量规模庞大,超过1.59×108 t[1]。油泥若不经处理就直接外排,不仅会占用土地资源,严重影响土壤的渗透性,威胁生态安全,油泥中含有的大量重金属和芳烃类剧毒物质,还会对水、土壤和空气造成污染。因此,对含油污泥进行合理处置问题亟待解决。
目前,已开发的含油污泥处理、处置方法有焚烧法、萃取法、生物处理法、调制-机械分离法、热解法、蒸汽喷射法、化学热洗、电化学处理法、固化法等[2-9]。以调质-分离、化学热洗、热解法、焚烧法等为代表的多种处理方法,均已应用于我国油气田及炼厂企业。其中,调质-分离法工艺简单适合各类油泥,但缺少标准化脱水机械设备和药剂组合系列,处理规模小;化学热洗法适用沙石为主的含油固废,化学药剂的筛选和使用是关键,反应条件要求较高,操作复杂;热解法适合含水率低、含油率适中的油泥,对工艺、设备和安全要求较高;焚烧法适用各类含油污泥,是较彻底的治理技术,但耗能大,投资和运行费用高,易产生二次污染。对于含油率在0.1%~3%的细粒含油污泥亟需一种绿色节能、效果彻底的处置技术。
工程化阴燃技术 (此后简称阴燃) 基于阴燃机理,是一个以高效、可控、安全、节能的形式回收利用能量的自持燃烧过程[10],主要用于治理低挥发性有机物或非水相液体 (NAPL) 污染的惰性多孔介质,包括但不限于土壤及各类油泥。阴燃技术最早于2006年由爱丁堡大学董事会提出[11];2009年SWITZER等[12]对惰性介质中煤焦油渣的阴燃修复研究;2011年PIRONI等[13]对粗砂中NAPL阴燃处理效率的主要影响因素进行了研究,并得出了阴燃能够处理的污染物浓度、含水率范围等;2015年SCHOLES等[14]提出了第一个中试规模的原位阴燃实验装置,并成功应用于美国新泽西州煤焦油污染场地的修复;2017年YERMÁN等[15]将阴燃成功应用于高含水率有机废物。2020年成明锴等[16]对市政污泥开展了阴燃实验;同年,DUCHESNE等[17]将阴燃应用于全氟烷基和多氟烷基物质 (PFASs) 污染的土壤。2021年GERHARD等[18]对污水污泥混砂自持阴燃的实验规模进行扩大。2022年葛传芹等[19]对石油烃重度污染土壤及油泥进行阴燃中试;同年,雷大鹏等[20]对国内首个阴燃技术治理含油污泥的示范工程进行了总结,并对装备和工艺方案、阴燃修复效果、经济指标等进行了分析。阴燃技术的研发过程中,还有诸多学者和机构对阴燃的影响因素进行实验、分析、模拟、总结。例如,SOLINGER等[21]、GAN等[22]、WYN等[23],这些研究成果均对阴燃用于油泥处置提供了重要的参考。但在上述研究中,阴燃料床多为渗透性较好的砂质污染土或有机质与砾状惰性介质混合物,而实际工程中面对种类繁杂、含水率高、渗透性差的油泥,处置难度增加,混砂制备多孔料床又会导致修复效率急剧下降,其他阴燃预处理手段鲜有报道。因此,本研究针对渗透性差的低含油物料进行渗透性改善、热值提升 (已申请专利[24-25]) 及相应阴燃工艺的优化探索,包括油泥制粒、辅助燃料添加、加热方式、在反应器里的阴燃蔓延方向等,以便提升此类物料阴燃的稳健性,缩短阴燃启动耗时,提升阴燃蔓延速度,以期达到优化阴燃工艺的目的,对阴燃工程化的工艺选择提供重要参考。
制粒及工艺优化对工程化阴燃治理含油污泥的影响
Effect of granulation and process optimization on the treatment of oil sludge by engineered smoldering
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摘要: 针对含油污泥含水率高、含油率高、渗透性差导致应用工程化阴燃处置技术的适应性差、处置能力低等问题,采用制粒手段强化含油污泥的预处理过程,并对其阴燃点燃及推进方式加以调整,旨在筛选出较优的预处理和阴燃工艺参数。通过小试实验探索了含水率对油泥制粒的影响,以及含水率、制粒状态、辅助燃料、阴燃启动方式和推进方向对阴燃的影响。结果表明,某含油废水治理产生的含油污泥可采用对辊挤出制粒的方式进行预处理,含水率宜控制在33%~35%;油泥经脱水或制粒均可增强阴燃稳健性;含水率较高时添加质量分数5%的稻壳,点燃耗时可缩短约40%,阴燃蔓延速度提升约70%;采用木炭间接启动阴燃也可显著缩短点燃耗时。本研究结果可为工程化阴燃治理油泥的工艺和设备设计提供参考。Abstract: Aiming at the issues of poor applicability and treatment capacity of engineered smoldering caused by high water content, high oil content and low permeability of oil sludge, granulation was adopted to strengthen its pretreatment process, and its smoldering ignition and propulsion mode were adjusted in order to screen out better pretreatment and smoldering technical parameters. The influence of water content on sludge granulation was explored through lab-scale experiments, the water content, granulation state, auxiliary fuel, and smoldering initiation mode were explored as well. The results demonstrated that the oil sludge from a oily wastewater treatment process could be pretreated by roller extrusion granulation, and the water content should be controlled within 33%~35%; sludge dehydration or granulation could enhance the smoldering stability; ignition time could be shortened by about 40%, and the smoldering propagation velocity could be increased by about 70% after adding rice husk with a mass fraction of 5% into high moisture sludge, indirect initiation of smoldering using charcoal could also significantly shorten the ignition time. The experimental results provide guiding significance fo the process and equipment design of engineering smoldering treatment of oil sludge.
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Key words:
- oil sludge /
- pretreatment /
- granulation /
- engineered smoldering
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表 1 油泥、稻壳、木炭特性
Table 1. Characteristics of sample sludge, rice husk and charcoal
供试物料 形状 含水率/% TPH质量分数/ (mg·kg−1) 矿物油/ (mg·kg−1) 低位热值/ (kJ·kg−1) 油泥 粘结块状 36.7 8 625 2 198 433 稻壳 2 mm梭子壳状 0 — — 16 000 木炭 10 cm×10 cm方块蜂窝状 0 — — 26 000 表 2 小试实验设计
Table 2. Experimental design of lab scale study
编号 物料 辅助燃料 制粒 预处理后
含水率/%阴燃方向 阴燃启动
方式点燃耗时* 启动阶段达西
空气通量**/ (cm·s−1)最大达西空气
通量/ (cm·s−1)S-1 油泥 无 否 33.0 正向 电加热 根据升温曲线调整 0.94 2.83 S-2 油泥 无 是 33.0 正向 电加热 0.94 3.77 S-3 油泥 无 是 36.7 正向 电加热 0.94 2.36 S-4 油泥 5%稻壳 是 33.9 正向 电加热 0.94 3.77 S-5 油泥 无 是 33.0 反向 木炭 2.83 3.77 注:*点燃耗时是指从开始加热到停止外部供热所需的时长;**达西空气通量是指单位时间垂直于气流方向单位横截面积上的空气体积 (单位:cm·s−1) 。 表 3 阴燃小试结果汇总表
Table 3. Smoldering results of lab study
编号 物料 辅助
燃料制粒 预处理后
含水率/%阴燃
方向阴燃启动
方式点燃
耗时/min启动阶段达西
空气通量/
(cm·s−1)最大达西
空气通量/
(cm·s−1)阴燃蔓延
速度/
(cm·min−1)峰值
温度/℃修复
效果S-1 油泥 无 否 33.0 正向 电加热 136 0.94 2.83 0.375 800 一般 S-2 油泥 无 是 33.0 正向 电加热 67 0.94 3.77 0.44 750 很好 S-3 油泥 无 是 36.7 正向 电加热 246 0.94 2.36 0.375 570 一般 S-4 油泥 5%稻壳 是 33.9 正向 电加热 40 0.94 3.77 0.75 815 很好 S-5 油泥 无 是 33.0 反向 木炭 42 2.83 3.77 0.7 830 很好 表 4 不同燃料或能源的成本表
Table 4. Cost Schedule of different fuels or energies
燃料种类 平均低位发热量 单价 能量转化系数* 每吨油泥提升1MJ·kg−1
热值的成本稻壳 16 MJ·kg−1 600 元·t−1 1 38 元 动力煤 26 MJ·kg−1 1 500 元·t−1 1 58 元 原油 42 MJ·kg−1 4 400 元·t−1 1 105 元 地沟油 38 MJ·kg−1 3 250 元·t−1 1 86 元 电 (当量) 0.86 MJ· (kW·h) −1 0.6 元· (kW·h) −1 0.8 872 元 注:*电加热由电能转化为热能的能量转化系数按0.8计算,其他燃料由化学能转化为热能,发热损失忽略不计,能量转化系数按1计算。 -
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