油基泥浆固废摩擦热脱附技术及装备研究

张 伟，巩云鹏

（1.中国有色（沈阳）泵业有限公司,辽宁 沈阳 110144；2.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

1 引言

在石油、页岩气等钻井勘探过程中，必须采用钻井液维持钻井工艺的正常进行。钻井液的主要作用包括：对钻头进行冷却、润滑，从而保证钻头具有较长的使用寿命；通过钻井液循环作用将钻头切割的岩屑携带输送至地面；维持钻孔井壁的稳定性，避免坍塌。钻井液主要分为油基钻井液、水基钻井液和合成钻井液。油基泥浆钻井液主要由柴油（或白油）、水、有机粘土和油溶性化学添加剂组成。油基钻井液相比水基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵蚀，有利于井壁稳定、润滑性好、对油气层损害小；而较合成基钻井液成本相对较低等优点。因此，在石油及页岩气开发过程中广泛应用。

钻井生产过程中，油基泥浆与钻屑、地下水等不可避免的混合在一起，形成有机污染物油基泥浆固废，包括柴油（或白油）、多种添加剂中含有剧毒物质芳香烃、重金属等，这些固废直接排放将会对环境造成严重污染。

近年来，随着钻井开采产生的油基泥浆固废越来越多，所造成的环境污染问题受到各国环保部门关注。油基泥浆固废已被列为国家危险废弃物严禁直接排放；我国GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》规定了严格的油基泥浆固废污染物的排放标准。因此，油基泥浆固废在排放之前必须进行无害化处理[1-2]。

油基泥浆固废主要分为含油钻屑和废弃油基泥浆，其无害化处理有两个主要目的：其一，因油基泥浆配制成本较高，从固废中分离提取回收的油类可用于油基泥浆再生产，降低油气开采的成本；其二，降低固废中的有害物质含量，使其达到国家排放标准要求[3]。

目前，处理油基泥浆固废多为筛分、甩干初步分离后，采用微生物降解、化学脱附和热脱附等工艺进行无害化处理[3-5]。微生物降解处理工艺是利用微生物细菌对含油固废中的石油烃类和其他有机物进行降解分离。微生物处理技术需求的场地面积大、处理周期长，效率低；同时受到温度、湿度等环境条件的制约。常温化学脱附技术一般利用化学药剂对油基固废进行处理，使油和钻屑等分离，再利用加热等手段，回收脱附药剂循环使用。化学脱附存在设备投资大、处理成本高、不易现场随钻处理等不足。

油基泥浆固废热脱附处理的原理是将含油固废加热，实现固液分离。直接焚烧加热处理消耗大量燃料、油相不能回收、并造成二次空气污染；间接加热方法可以实现固液分离，回收液相物质，但现有的微波加热或液体间接加传导加热均需系统提供较高的温度，且存在加热不均、能耗大，热效率低等弊端。

摩擦热脱附是国外Thermtech公司提出的一种含油固废处理技术[6-8]，该公司的相关处理设备已在多个国家工程现场服务。油基泥浆固废摩擦热脱附装置直接将有机污染物破碎、碰撞、摩擦加热到有机物的沸点，使污染物从液相转化为气相从而达到固液分离目的。由于该过程属于物理分离，有机物不易发生氧化、分解等化学反应。因此，相对于现有的其他有机污染物处理工艺，油基泥浆固废摩擦热脱附技术具有污染物处理范围宽、无二次污染、处理效率高、回收物可再利用等优势。该项技术是到目前为止较为理想的含油固废处理方法，但由于国外公司采取技术封锁，该处理技术还未见在国内现场应用。

将结合本公司所开展的相关研究工作，阐述油基泥浆固废摩擦热脱附处理成套装置原理及关键技术，并探索该类成套设备的关键参数设计和稳定温控技术。

2 油基泥浆固废摩擦热脱附处理成套装置组成及工作原理

油基泥浆固废摩擦热脱附系统原理，如图1所示。该系统主要由供料单元、热脱附单元、尾气处理单元、固体灰渣收集单元、自动控制单元组成。

图1 油基泥浆固废热脱附处理系统原理图Fig.1 Schematic Diagram of Thermal Desorption System for Oil-Based Mud Waste

2.1 供料单元

供料单元主要由混料机、进料泵等部件组成，其主要作用是对油基泥浆固废进行均匀混料处理，并通过供料泵输送到热脱附单元。供料系统需要供料量连续可调，保证热脱附单元内物料量在设计规定范围内可调。

2.2 热脱附单元

热脱附单元为该处理系统的核心，主要由动力设备及热脱附摩擦加热部件组成。其作用是通过动力设备驱动主轴叶片高速回转，对热脱附筒体内的固废冲击、破碎、搅拌摩擦加热，使含油固废达到液体蒸发所需最低温度，实现油水汽化、固液分离；油、水、尘混合蒸汽排出到尾气处理系统，实现油、水的分离回收。热脱附单元安装温度、压力传感器等监控装置，实现对内部温度和压力参数的实时监控，为控制系统提供控制依据，保证热脱附单元平稳运行。

2.3 尾气处理单元

尾气处理单元主要由旋风分离器、油水冷凝器、油水分离器、冷却水箱等部件组成。其作用是分离粉尘与油水蒸汽、提纯、回收油类，保证油基泥浆固废处理工艺系统不会产生二次污染。回收的油类可作为油基泥浆配制的原料或作为燃料利用。回收的粉尘、污水满足排放标准要求。

2.4 灰渣收集单元

灰渣收集单元主要由星型排料器、螺旋输送机、料斗等部件组成。其作用是使热脱附单元中处理后的粉体废料稳定排出，并维持其中的物料填充量满足工艺要求；同时，收集旋风分离器排出的粉尘，传送到废料收集箱。

2.5 自动控制单元

自动控制系统对油基泥浆固废处理工艺中的关键参数指标进行实时监测和调节，保证该工艺系统运行的连续性、高效性及稳定性。

3 油基泥浆固废摩擦热脱附系统关键技术研究

本项目组开发的油基泥浆固废摩擦热脱附试验系统，如图2所示。结合EDME数值仿真分析，对摩擦热脱附系统的若干关键技术进行仿真分析与实验对比研究，以探索将其实施工程应用的途径。

图2 摩擦热脱附实验系统Fig.2 Friction Thermal Desorption Experiment System for Oil-Based Mud Waste

3.1 连续供料技术

供料连续稳定可调是保证该处理工艺稳定的关键环节。本公司研制了满足油基泥浆固废摩擦热脱附工艺需求、具有自主知识产权的双缸单作用供料泵系统，如图3所示。该供料泵送系统特别适合高浓度、高粘度的油基泥浆固废的稳定泵送。经实验验证，所研制的供料泵输送固废流量相对稳定、供料流量脉动小、不堵料；供料流量范围无级可调。在满足热脱附单元处理量的基础上，保证供料量连续稳定实时可调。

图3 供料泵系统Fig.3 Feed Pump System

3.2 热脱附单元结构参数设计

油基泥浆固废所含油的组分决定了热脱附单元的最低保证工艺温度。在热脱附单元内，由于固废颗粒经叶片搅拌、摩擦碰撞，降低了油水分子和固体颗粒之间的粘着力，加速了油水汽化；另外，由于局部微负压的存在，油水汽化温度相比常态条件下的沸点降低，更易汽化蒸发。摩擦热脱附单元的参数设计是影响固废摩擦发热效率和功耗的关键。

摩擦热脱附滚筒的直径及筒体长度、转子叶片的厚度及每片叶数、叶片间距、叶片线速度、筒体内物料流化层厚、物料属性等参数均对热脱附单元能够达到的温度和动力消耗有综合影响。通过EDEM仿真分析对这些参数的影响机理进行了探索，结合本公司所开发的实验样机系统验证，为合理的参数设计奠定了基础。筒体内的物料运动仿真，如图4所示。

图4 物料运动EDEM仿真Fig.4 Material Movement Simulation with EDEM

3.3 连续稳定控温技术

摩擦热脱附单元连续稳定控温是该处理工艺的核心技术，也是国外技术封锁的关键。热脱附单元内工作温度应维持在稍高于最低工艺温度之上较小的范围。以确保含油固废中油水充分汽化的前提下，使所分离出的油品成分尽可能不发生变化，并能重用于油基泥浆配制。影响热脱附单元内温度波动的因素包括：固废固相属性及供料浓度、供料速度、排料速度、主轴转速及热脱附单元结构参数等。实际生产过程中，所处理油基泥浆固废的浓度、油水比例均会产生一定变化，进而引起热脱附单元内温度的波动；在物料属性及结构参数一定条件下，为了维持筒体内工艺温度稳定性，需要以工艺温度为控制目标，以一定转速下主轴转矩作参考值，通过调节供料泵供料速度和排料器排料速度来维持筒体工艺温度的稳定性。基于上述控制逻辑，通过PLC控制单元对影响系统工艺的各参数进行实时监测和协同控制，可以保证摩擦热脱附单元内温度的稳定性。基于所提出的控温逻辑，结合本公司开发的实验样机处理系统实验验证，攻克了稳定控温的关键技术，实现了热脱附单元连续稳定控温运行。

3.4 模块化设计技术

在陆基石油钻井或海基油气平台钻井过程中，一般需要定期对产生的固废进行现场处理。因此，要求摩擦热脱附处理系统装备应具有移动灵活、运输组装方便等特点。为实现上述功能，需将油基泥浆固废摩擦热脱附处理装置按功能进行模块化设计、制造，并通过设置合理的单元接口实现模块间的连接。各功能模块运输到施工现场后，通过接口连接组成不同布置形式的处理系统。模块化方便适应陆上各种复杂井场环境下设备运输及固废处理；对于海基油气钻井平台固废无害化现场处理的特殊环境限制，模块化摩擦热脱附处理装置是目前唯一的选择。

4 结论

分析对比了目前各种含油固废无害化处理技术的优缺点；介绍了油基泥浆固废摩擦热脱附处理系统的设备组成、工作原理和系统关键技术；基于本公司所开发的摩擦热脱附实验样机系统和进行的相关实验研究工作，论述了摩擦热脱附单元结构设计参数的影响；确定了热脱附单元温度稳定性控制策略，并通过实验样机验证了所述的控制技术的可行性。