王茂仁 賈 悅 李慧敏 任 雯 張明棟 時漢峰

(1.克拉瑪依金鑫油田環(huán)保工程有限公司；2.新疆油田公司工程技術研究院；3.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司)

0 引 言

油基巖屑指在石油和天然氣開采過程中，使用油基鉆井液鉆井時產(chǎn)生的巖屑，為《國家危險廢物名錄》(2021年版)中HW08類危險廢物。熱脫附工藝是通過加熱使固液分離的一種無害化物理處理方法，用于處置油基巖屑時，具有可回收油資源、高效等優(yōu)點[1]，被列入《危險廢物環(huán)境管理指南 陸上石油天然氣開采》(公告2021第74號)中鼓勵優(yōu)先技術，在新疆、四川、重慶等地區(qū)已有工程應用。熱脫附裝置根據(jù)其關鍵單元的結(jié)構特征、加熱方式等可劃分為不同類型[2]，目前以螺旋推進式天然氣間接加熱類型為主，然而，熱脫附技術的工作原理暴露了該裝置對天然氣需求量大的局限，相對其他方法能耗偏高，單位處置費用偏高，嚴重制約了油基巖屑無害化處置效率及相關技術的發(fā)展[3]。

近年來，研究者開展了油基巖屑熱脫附機理[4]、運行參數(shù)優(yōu)化[5]、殘渣資源化[6-7]等方面的研究，而油基巖屑熱脫能耗方面的研究報道較少。許優(yōu)等[8]研究了直接熱脫附裝置各環(huán)節(jié)輸入、輸出熱量變化，基于熱量平衡分析，發(fā)現(xiàn)煙氣余熱可以預干燥土壤，降低含水率17%以上，土壤含水率由20%降低至15%時，裝置能耗降低20%以上；黃海[9]采用1.5 t/h回轉(zhuǎn)式間接熱脫附實驗裝置，熱量計算顯示，污染土壤修復后殘渣和原料中水分蒸發(fā)吸熱占能耗的60%以上；王博[10]用5 kg/h的熱脫附實驗裝置進行了石油烴污染土壤修復熱能分析，認為影響能耗的主要因素為裝置結(jié)構及換熱效率。然而，由于油基巖屑的理化特性與土壤不同，熱脫附裝置類型、處理能力差異等原因，導致當前缺乏對油基巖屑熱脫附工程應用過程中能耗變化規(guī)律的系統(tǒng)認識。本文基于兩段螺旋推進式天然氣間接連續(xù)熱脫附裝置為工程實驗平臺，研究熱脫附各環(huán)節(jié)熱量分布及變化特征，通過響應曲面法4因素、兩目標進行優(yōu)化并驗證，旨在為油基巖屑熱脫附節(jié)能降耗方案提供參考，有利于熱脫附裝置減少碳排放。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

兩段螺旋推進式間接連續(xù)熱脫附工程實驗裝置的核心單元示意見圖1，裝置設有2層，每層有2個熱脫附腔體，上層的熱脫附腔體內(nèi)部與下層腔體串聯(lián)，每個腔體中設有1個螺旋推進器，上層腔體外部設有煙氣通道和保溫殼，下層燃燒室中天然氣燃燒后的熱煙氣依次與下層腔體和上層腔體外壁接觸換熱，間接將熱量傳遞給腔體內(nèi)的油基巖屑。熱脫附燃燒室兩側(cè)均設熱電偶和燃燒器，熱電偶測量的溫度結(jié)合自控連鎖系統(tǒng)對腔體內(nèi)各點溫度進行調(diào)控。

圖1 兩段螺旋推進式間接連續(xù)熱脫附裝置核心單元示意

油基巖屑進入進料口，在螺旋推進器的作用下，經(jīng)上層腔體移動至下層腔體，燃燒室兩側(cè)的燃燒器以天然氣為燃料直燃產(chǎn)生高溫煙氣，與腔體換熱后經(jīng)煙囪排出。在熱量的作用下，腔體內(nèi)油基巖屑中的水和油從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，從巖屑中脫附，進入冷凝塔，與水直接換熱再轉(zhuǎn)化為液相，流入水系統(tǒng)處理后回收油組分；固相殘渣從出料口排出。

1.2 實驗樣品

油基巖屑樣品來自新疆某鉆井現(xiàn)場，其中的油組分主要為柴油，根據(jù)GB 5085.6—2007《危險廢物鑒別標準》中的附錄O測試程序測量方法測量油基巖屑樣品和熱脫附殘渣的含油率，根據(jù)HJ 613—2011《土壤干物質(zhì)和水分的測定 重量法》測量樣品的含水率，換算為質(zhì)量百分比平均值。油基巖屑的含水率主要取決于油基鉆井液和鉆遇地層巖石的含水量，平均值為5%～20%，含油率經(jīng)立式離心機處理后一般小于15%，但有清罐、未能減量處理等情況，綜合考慮，取含油率為5%～20%。

1.3 實驗方法

根據(jù)文獻[11]及工程經(jīng)驗，油基巖屑熱脫附后殘渣含油率<2%(達標要求)時，運行參數(shù)主要范圍為：加熱時間40～60 min、溫度控制點的加熱溫度400～600℃，進料速率0～4.0 t/h。選取同一來源的樣品，油基巖屑平均含水率12.15%、含油率7.28%，加熱時間設為45 min，為了確保殘渣含油率達標，加熱溫度設為最大值600℃，進料速率分別設為1.0，2.0，3.0，4.0 t/h。

實驗期間，從油基巖屑進入熱脫附腔體進料口開始計時。1)記錄裝置中各關鍵溫度監(jiān)控點、冷凝塔、殘渣和煙囪煙氣溫度變化；2)每3 h記錄一次天然氣平均消耗量。

1.4 能耗計算方法

熱脫附過程中油基巖屑主要為吸熱，根據(jù)熱脫附裝置核心單元輸入、輸出能量平衡，油基巖屑熱脫附過程中各環(huán)節(jié)熱量示意見圖1。Qn、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6依次表示天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量、油基巖屑中水分和柴油蒸發(fā)吸收的熱量、進入冷凝塔的熱脫附氣體(視為水蒸氣、柴油蒸氣和氮氣之和)攜帶的熱量、殘渣出料口處攜帶的熱量、煙囪中煙氣攜帶的熱量、燃燒室殼體外部向環(huán)境中散發(fā)的熱量。可以近似認為天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量與各環(huán)節(jié)損失的熱量相等，即：

Qn=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

天然氣燃燒的熱量等于其熱值qn與體積Vn之積，即：

Qn=qnVn

(2)

Q3、Q4、Q5等于對應組分的定壓比熱容Cp與質(zhì)量m和溫度差Δt的乘積，即：

Q=CpmΔt

(3)

Q1、Q2包括水和油升溫吸收的熱量、水和油相變吸收的熱量(質(zhì)量m與蒸發(fā)焓之積ΔH)，即：

Q=CpmΔt+mΔH

(4)

燃燒室殼體外部向環(huán)境中散發(fā)的熱量主要是對流傳熱，其熱量為空氣的導熱系數(shù)λa與裝置的散熱總面積Sq和溫度差Δt的乘積，即：

Q6=λaSqΔt

(5)

設定以上公式中的常用參數(shù)[12]，見表1。

表1 物料常量設定數(shù)值(環(huán)境溫度20℃，標準大氣壓)

實驗裝置外表面面積：下層56 m2、上層66 m2。

1.5 響應曲面優(yōu)化實驗方法

1.5.1 優(yōu)化實驗設計

影響油基巖屑熱脫附天然氣消耗量和殘渣含油率的因素諸多，選取加熱溫度、加熱時間、油基巖屑的含水率和含油率4個關鍵且宜調(diào)控的因素為優(yōu)化對象。采用軟件Design-Expert 10中的Box-Behnken模型，設計各因素的中心值，并以殘渣含油率和天然氣消耗量為響應因子，結(jié)果見表2。

表2 影響因子編碼及水平

1.5.2 優(yōu)化結(jié)果驗證

選取油基巖屑含水率為7.32%、含油率為5.25%的樣品1，含水率為12.15%、含油率為7.28%的樣品2，含水率為15.22%、含油率為18.69%的樣品3共三個樣品，進料速度為3.5 t/h。優(yōu)化前：設定加熱溫度為600℃、加熱時間60 min。優(yōu)化目標假設含油率最大值為1，天然氣消耗量為最小值，根據(jù)優(yōu)化后的加熱溫度和加熱時間，按1.3方法進行工程實驗。測量殘渣含油率(數(shù)值<0時，取值為0)和天然氣消耗量。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱脫附裝置核心單元能耗分析

2.1.1 關鍵節(jié)點溫度和天然氣消耗量

部分位置溫度和天然氣消耗量見表3。外壁溫度指熱脫附裝置上、下層外表面的溫度。

表3 熱電偶測量的部分位置溫度

2.1.2 熱量計算結(jié)果

根據(jù)2.1.1參數(shù)和1.4能耗計算方法，計算主要環(huán)節(jié)的熱量，結(jié)果見表4。

將表4中Q1～Q6之和與天然氣燃燒熱值之比記為天然氣理論消耗量，實驗過程中天然氣流量計讀數(shù)為實測消耗量，對比結(jié)果見表5。

表4 工程實驗平臺各環(huán)節(jié)的理論熱量

表5 工程實驗平臺天然氣消耗量理論與實際對比

表5顯示，理論天然氣消耗量稍大于實測量，可能因為不凝氣燃燒產(chǎn)生了熱量，及理論計算時各參數(shù)設置與真實值存在差異，最大誤差率7.12%，相對較小，表明理論計算基本能反映熱脫附過程中各環(huán)節(jié)的熱量。

2.1.3 熱脫附裝置各環(huán)節(jié)能耗分析

根據(jù)表4計算的各環(huán)節(jié)消耗熱量Q1～Q6，分別按進料速率1.0～4.0 t/h做餅狀圖，結(jié)果見圖2。結(jié)果顯示，裝置殼體外部向環(huán)境中散熱損失的熱量Q6占比最小，水吸收熱量Q1占比28.91%～30.42%，油吸收熱量Q2占比10.55%～11.1%，進入冷凝塔的熱脫附氣體余熱Q3占比14.59%～17.6%，殘渣余熱Q4占比28.19%～29.91%，煙氣排放的余熱Q5占比13.73%～16.16%。Q1和Q4占比最大，兩者之和約占總熱量的2/3，且隨著進料速度的增加先增大再減小，表明油基巖屑樣品中含水率和殘渣的溫度對能耗影響最大。同時發(fā)現(xiàn)，油基巖屑的含水率、含油率降低，可以降低Q1～Q4的增加幅度，減小Q5，達到節(jié)能的目的。

圖2 實驗平臺不同進料速度時Q1～Q6占比

2.1.4 油基巖屑含水率和含油率對工程實驗裝置能耗的影響

根據(jù)理論計算公式，當進料速度為3.0 t/h時，分別設定油基巖屑含油率為7.28%、含水率為15.22%，改變對應的含水率、含油率，需要的總熱量見圖3。

圖3 油基巖屑含水率、含油率變化對總熱量需求的影響

圖3顯示，含水率和含油率的增大，都引起總熱量的明顯增加，即裝置的能耗增大；且含水率增加時，能耗增大更顯著。理論結(jié)果計算顯示，油基巖屑的含水率和含油率分別每增加1%，每噸樣品熱脫附能耗增加折算為天然氣消耗量為2.53 Nm3和1.81 Nm3。

2.2 響應曲面實驗結(jié)果分析

2.2.1 實驗數(shù)據(jù)

響應曲面法實驗設計及結(jié)果見表6。

表6 響應曲面法實驗設計及結(jié)果

依據(jù)表6實驗結(jié)果，選擇二階回歸模型，得到回歸方程，如式(6)、(7)所示。

Y1=32.93+1.88X1+1.67X2+7.35X3+

7.96X4-1.85X1X2+1.05X1X3+

1.12X1X4+2.75X2X3-0.8X2X4+

(6)

Y2=1.25-0.55X1-0.34X2+0.04X3+

0.55X4-0.13X1X2-0.027X1X3+

0.028X1X4-0.14X2X3-0.085X2X4-

(7)

油基巖屑熱脫附響應曲面多項式及顯著性分析見表7。

表7 油基巖屑熱脫附響應曲面多項式及顯著性分析

“模型”的P值(Prob>F)、P(Y1)、P(Y2)為<0.000 1，該模型的可信度較高?！笆M項”P值Y1為0.526 8(P>0.05)、Y2為0.664 1(P>0.05)，失擬響應的效果呈現(xiàn)不顯著，模型合理。

2.2.2 優(yōu)化結(jié)果

Y1模型顯示，實驗工況下，加熱時間相對其余3個因素對熱脫附裝置能耗的影響小，油基巖屑的含水率、含油率和裝置加熱溫度對能耗的影響見圖4。

圖4 多因素共同作用對能耗的影響

圖4顯示，H點為53.56 Nm3/t，能耗最大，此時油基巖屑含水率和含油率均為最大值20%，加熱溫度也為最大值600℃。E點為18.59 Nm3/t，能耗最小，此時油基巖屑含水率和含油率均為最低值5%，與2.1.3和2.1.4分析的結(jié)果相吻合。油基巖屑的含水率和含油率均由5%提高至20%，其余條件不變時，裝置需要的天然氣量增加34.97 Nm3/t。

2.2.3 能耗優(yōu)化方法應用與驗證

由表8中工程實驗優(yōu)化前后預測和實際能耗值計算得知，優(yōu)化前，樣品1、樣品2、樣品3所需天然氣消耗量預測值與實測值的誤差依次為1.51%，1.32%，1.02%，以能耗最小和殘渣含油率≤1%雙目標優(yōu)化后，預測與實測誤差依次為1.63%，1.56%，1.06%，誤差相對較小，結(jié)果相對可靠。優(yōu)化后樣品能耗降低了6.01%～13.16%，其能耗降低率呈“棗弧形”，當含水率和含油率越處于5%～20%的中間值時，模型優(yōu)化效果越明顯，越靠近兩端，優(yōu)化效果越小。

表8 工藝參數(shù)優(yōu)化前后能耗和殘渣的含油率對比

樣品2含水率為12.15%、含油率為7.28%，采用以上模型和雙目標優(yōu)化后，相比優(yōu)化前，實測數(shù)據(jù)顯示，可節(jié)約天然氣3.95 Nm3/t，若天然氣單價為3.0元/Nm3，對于處理量10×104t/a的工程應用項目，通過對不同含水率、含油率的油基巖屑物料熱脫附過程中加熱溫度、加熱時間進行優(yōu)化后，可節(jié)約成本118.5 萬元/a。

由此可見，通過模型與優(yōu)化可以實現(xiàn)節(jié)能降耗，增加經(jīng)濟效益。工業(yè)化過程中，對于不同來源的油基巖屑，通過測量含水率和含油率，根據(jù)殘渣的含油率設定，可以預測和優(yōu)化能耗，從而設置加熱溫度和時間，分析是否需要預處理，控制最佳運行參數(shù)。

3 結(jié)論與建議

1)通過油基巖屑熱脫附過程中熱量平衡分析，水分蒸發(fā)吸收熱量Q1和殘渣余熱Q4占比最大，兩者之和約占總吸熱的2/3，裝置殼體外部向環(huán)境中散熱損失的熱量Q6占比最小，進入冷凝塔的熱脫附氣體余熱Q3和煙囪排出的廢氣余熱Q5相近，油蒸發(fā)吸收的熱量Q2與殘渣的含油率相關。

2)基于響應曲面法，建立了油基巖屑含水率、含油率及加熱溫度、時間4因素和熱脫附殘渣的含油率、天然氣消耗量兩目標的優(yōu)化模型，優(yōu)化后能耗降低6.01%～13.16%，誤差1.06%～1.63%，該方法可以用于油基巖屑熱脫附工程項目節(jié)能降耗。

3)油基巖屑的含水率和含油率分別每增加1%，每噸樣品熱脫附能耗增加折算為天然氣消耗量依次為2.53 Nm3和1.81 Nm3。建議依托以上能耗優(yōu)化方法，測算總成本，選擇適當?shù)念A處理技術，控制最優(yōu)條件下的油基巖屑含水率、含油率。