落地油泥焚烧残渣作路面底基层材料研究

王邦俊，海 龙

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新 123000)

0 引 言

落地油泥是石油生产中由原油及其他金属污染物与泥土、砂石等的混合物，其中含有大量蜡质、胶质、沥青质、固体悬浮物及重金属盐、苯、酚等有毒有害物质[1]，已被国家归入《国家危险废物目录》。大部分油田采用堆埋法处置，长此以往会污染周边土壤、空气、地下水环境等[2]，使生态环境遭到破坏，最终危害人类健康[3]。同时落地油泥中还存在石油类物质、砂石等可二次利用的物质，因此采用合理的处理方法成为油田工业中的重要研究内容。

本文采用焚烧法处理辽河油田的落地油泥，焚烧法处理彻底，时间短，效率高。同时焚烧后的残渣强度得到提升，可用于修筑公路路基，试验研究不同石灰石粉添加量对于焚烧残渣的影响，实现落地油泥处理的“彻底无害化”及“资源再利用化”。

1 实 验

1.1 原材料

落地油泥的原材料来自于盘锦的辽河油田，且经过简单的洗涤和干燥处理，其外观上呈黑色，部分区域有发亮光泽，带有强烈的刺激性气味。根据《公路工程无机结合稳定材料试验规程》[4]对其进行基础土力学分析，得到该落地油泥的堆积密度为1.57 g·cm-3，含水率为7.32%，烘干后的样品在马弗炉中850 ℃下燃烧30 min测得烧失量为5.96%。落地油泥在天然状态下比较松散、占地面积大，略潮湿，焚烧时需热量低，处理时间短，其中有害物可彻底被去除[5]，落地油泥中石油和其他有机物含量低，泥砂占比高，处理方式应以利用其中砂土资源为主。

落地油泥测比重时预先取试样经65 ℃水煮2 h，然后采用比重瓶法测试样的比重，将其煮沸60 min后测得样品比重为2.66，根据《公路工程集料试验规程》[6]，一般砂土的平均比重为2.65，粘土比重为2.74，试样的比重与一般砂土相近，其化学组成主要应为SiO2、Al2O3、Fe2O3，符合路面底基层材料要求。

1.2 实验方案

焚烧法利用落地油泥中石油成分的可燃性，借助空气使之燃烧，在焚烧过程中有毒物质高温分解转化成无毒材料[7]。焚烧前在落地油泥中添加一定量的石灰石粉，在高温条件下煅烧出的CaO会与石油焚烧产生的SO2反应生成CaSO4，能够有效减少SO2的排放，有助于脱硫固硫，其反应原理如下：

(1)

CaO+SO2+1/2O2→ CaSO4

(2)

落地油泥焚烧时可能会产生有毒有害的二噁英，而CaO能够与二噁英前驱物如CPs、CBs、HCP等发生脱氯反应[8]，并与酸性物质Cl2、HCl等反应，可以有效减少二噁英及其前驱物形成所必需的氯基，从而抑制二噁英的生成[9]。石灰石粉脱硫的最佳温度为800～850 ℃，而CaSO4在1 300 ℃时才会发生高温分解，落地油泥焚烧的理想温度在800～900 ℃之间较为合理，故焚烧试验时温度选择在850 ℃。

设计实验分析落地油泥中添加不同石灰石粉含量焚烧后的颗粒分布特征、击实特性以及无侧限抗压强度。将石灰石粉按照3%、6%、9%(质量分数，下同)添入落地油泥中混合均匀，在马弗炉中以850 ℃燃烧30 min得到焚烧残渣试样备用。

根据《公路工程无机结合稳定材料试验规程》[4]和《公路土工试验规程》[10]，将焚烧残渣进行颗粒分析试验，对于粒径大于0.075 mm的颗粒用筛分试验来测定，对粒径小于0.075 mm的颗粒用密度计法测定。每组焚烧残渣准备5个试样，按2%的含水率梯度预先设定好5个含水率，计算出每份试样材料需要添加的水量，然后将材料按设计好的配比加水混合拌和，闷料12 h完成试验前期准备工作。然后通过重型击实仪测定含水率与干密度，按照击实试验得到每组焚烧残渣的最佳含水率和最大干密度，以压实度为95%的标准每组制备3个试样，放到标准养护室浸水7 d后进行无侧限抗压强度试验[11]。

2 结果与讨论

2.1 落地油泥焚烧后颗粒的分布特征

颗粒分析试验反映了焚烧残渣的颗粒分布特征，即每组粒径的颗粒所占含量，可以用来验证其能否满足公路路基材料要求，试验结果如表1所示。

表1 落地油泥颗粒分析结果Table 1 Analysis results of oil sludge particles

含石灰石粉3%、6%、9%焚烧残渣中2～0.075 mm颗粒的占比分别为51.31%、47.69%、42.31%，根据《公路工程集料试验规程》[6]，落地油泥中泥土主要为粗粒土，属于砂类土；粒径在5～2 mm的颗粒比例最高分别为24.04%、27.02%、29.74%；对比分析可以发现随着石灰石粉添加量的增加，泥土中的粗颗粒含量增加。根据筛分试验结果可以通过级配系数进一步分析，其中不均匀系数Cu和曲率系数Cc的计算方程式分别为：

(3)

(4)

在工程实践中，当材料的不均匀系数Cu>5，且曲率系数Cc在1～3之间时，粒径级配连续，粒径曲线分布表现为平滑，级配良好[12]。将3组试样的筛分结果制成级配曲线如图1所示。

图1 落地油泥添加石灰石粉焚烧残渣级配曲线Fig.1 Gradation curves of incineration residue of oil sludge added with limestone powder

根据级配曲线可知含石灰石粉3%、6%、9%焚烧残渣的不均匀系数分别为16.95、15.03、13.53，均满足条件；而3%、6%焚烧残渣的曲率系数分别为0.56和0.92，并不满足条件，表明其中大颗粒含量较少，级配曲线不平滑，可以添加其他如黄土等物质改良；9%焚烧残渣的曲率系数为1.27，满足条件，级配良好。

2.2 击实特性分析

击实试验采用南京土壤仪器厂生产的重型击实标准仪器进行试验[13]，通过确定材料的最佳含水率和最大干密度,进而分析不同的石灰石粉含量、含水率与焚烧残渣干密度的关系[14]，得到不同石灰石粉含量击实曲线，如图2所示。

图2 不同石灰石粉含量击实曲线Fig.2 Compaction curves of different limestone powder content

从图2可以看出随着含水率的不断增加，三组焚烧残渣的干密度都呈先增加后减小的趋势。分析数据得出以3%为石灰石粉添加量的最佳含水率为13.47%，最大干密度为1.557 g·cm-3；以6%为石灰石粉添加量的最佳含水率为13.77%，最大干密度为1.645 g·cm-3；以9%为石灰石粉添加量的最佳含水率为13.82%，最大干密度为1.691 g·cm-3。随着石灰石粉含量的增加，试验的最大干密度也逐渐增加。

2.3 无侧限抗压强度分析

影响含油污泥焚烧后残渣作路面底基层强度的因素分内外两种：内因包括砂土成分、添加的石灰石粉等级、混合材料比例、残渣筑路时的密实度等；外因包括养护的周期、环境温度、湿度等[15]。焚烧时提前在落地油泥中添加一定量的石灰石粉并充分混合，发生一系列的反应，如碳酸化作用、结晶作用和火山灰作用等[16]，石灰石粉高温分解出的活性CaO和泥砂中的无机组分SiO2、Al2O3发生化学反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等具有胶凝性的物质。其反应方程式为：

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→xCaO·SiO2·nH2O

(5)

xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→xCaO·Al2O3·nH2O

(6)

焚烧后的残渣含有这些胶凝物质通过添加水可以发生硬化，这种作用会随着时间的延长一直保持，使残渣的整体强度得到提高[17]。同时，胶凝物质在土颗粒的外围会形成一圈稳定保护膜，这层保护膜有很强的粘结力，使得土颗粒固结在一起，这也为焚烧残渣提供了强度和稳定性。

焚烧残渣的强度与材料性质、压实度以及养护时间有关[18]，本次试验主要以不同石灰石粉含量为研究对象，得到结果如表2所示。

表2 落地油泥焚烧残渣单轴抗压强度Table 2 Uniaxial compressive strength of oil sludge incineration residue

根据表2可知添加石灰石粉有助于焚烧残渣强度的提升，石灰石粉含量越大强度提升越高，依照《公路路面基层施工技术规范》[19]，二级及以下公路底基层的抗压强度标准为0.5～0.7 MPa，石灰石粉含量为9%的焚烧残渣试件，在最佳含水率为13.82%，压实度 95%以上的单轴抗压强度为0.71 MPa，满足标准要求，可作为公路底基层填料；石灰石粉含量为6%的焚烧残渣试件的单轴抗压强度为0.52 MPa，也可作为公路底基层填料，需要满足最佳含水率13.77%，压实度控制在95%以上。

3 结 论

(1)辽河油田经预处理后的落地油泥堆积密度为1.57 g·cm-3，含水率为7.32%，天然状态下松散潮湿；烧失量为5.96%，砂石泥土占比高，后续处理应以利用砂土资源为主。落地油泥试样充分煮沸后比重为2.66，可以作为路面底基层材料。

(2)随着添加石灰石粉含量的增加，焚烧残渣中大颗粒的含量增加，落地油泥中添加9%(质量分数)的石灰石粉焚烧后的不均匀系数Cu为13.53，曲率系数Cc为1.27，粒径级配连续且曲线平滑，级配良好。

(3)增加石灰石粉含量会提高焚烧残渣的最大干密度，其中添加9%(质量分数)的石灰石粉试样的最佳含水率为13.82%，最大干密度为1.691 g·cm-3。

(4)添加石灰石粉含量分别为6%、9%(质量分数)的焚烧残渣，在其各自的最佳含水率为13.77%、13.82%左右，压实度95%以上的单轴抗压强度分别为0.52 MPa、0.71 MPa，皆满足公路底基层标准要求。