油泥热解技术应用现状

金兆迪，丛培超，刘鹏，孙启刚，张岩，何茂金，梁仁刚，张树立

(1.杰瑞环保科技有限公司，山东烟台 264010；2.杰瑞环保邦达科技有限公司，宁夏银川 750000)

1 国内外油泥无害化处理的现状

调质-机械分离技术以及热水洗-机械分离技术无法实现油泥的无害化处置，在经济可承受的范围内， 一般处理后油泥含油率介于5%～10%之间。 随着国家标准的趋严该技术一般用作减量化及资源化，对油泥进行预处理。 焚烧技术可实现无害化处理，但是无法回收石油资源，并且存在尾气污染的风险。 热解技术不仅可回收石油资源，还能够实现在油泥的无害化处置过程中无尾气二次污染的目的。

2 热解技术

热解技术在国内的命名方式较多， 包括热解、热解吸、热解析、热脱附、热相分离等。 美国EPA 对热解技术的定义是通过直接或间接热交换的方式，将污染介质（土壤、污泥、沉积物等）及其所含的有机污染物加热到足够的温度，以使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离的过程[1]。

按照美国EPA 的解释，热解技术属于物理分离的范畴。 该技术的设计目的是使有机污染物从污染介质中物理蒸发，虽然在高温的状态下无法完全避免有机物发生裂解反应，但是化学反应的占比非常低[2]。

直接加热形式的热解，需要将分离后的有机物进行焚烧处理。 该工艺对污染介质中的有机物含量有严格的限制，要求有机物含量介于1%～4%之间， 否则在设备中容易形成爆炸下限的条件，存在较大的安全隐患。 根据英国应急署颁布的文件，直接加热形式的热解吸并不推荐用在危险废物处理领域[3]，所以后续介绍的是间接加热，并对污染物进行冷凝回收的工艺技术。

3 热解设备

3.1 燃料加热形式

3.1.1 回转设备

回转设备内部为空腔结构，通过燃料燃烧产生的热量对回转窑设备内部的油泥进行间接加热，实现矿物油组分与固体的分离；回转设备内部设置导流板、抄板、悬式金属构件等结构，可加强传热及传质的效果；通过调节整个设备的倾角及转速可调节物料在回转设备中的停留时间。

国内最早将回转设备用于油泥处置的是中国石油天然气集团公司，2006 年， 作为中石油重点科研项目，在新疆油田新疆乌尔禾区进行了实验， 后来在辽河油田的欢三联建设了10t/d 的油泥处理装置，在100 余天的运行试验期间，暴露出了不少有待完善的地方， 例如：1）不凝气回收处理问题；2）热解残渣收集问题；3）馏分管道淤积问题[4]。

2018 年，杰瑞环保科技有限公司才将回转式设备问题彻底解决，并在新疆油田公司成功应用，单台设备的处理能力达到10 万t/a。 自此之后，回转设备得到了快速的发展。 截至目前，已经在新疆、黑龙江、山东、四川、广东、重庆等多个项目现场使用，在役设备超过15 套。

经过不断的项目检验， 回转式设备具备如下优势：1）运动件少，设备故障率低，维保成本相对较低；2） 设备始终处于旋转状态， 受热均匀，设备的寿命大幅度延长；3）设备内部的抄板结构加快了传热、传质，油泥中的矿物油更容易分离。

虽然在回转设备中设置悬式金属构件、增加设备直径的方式可防止内部塑性物质发生板结，但在面临粘度大的油泥时，还是容易出现板结问题，造成热量无法及时传递给油泥，降低设备处理能力和处理效果。 塑性强、粘度大的油泥需进行预处理，才能保证设备的最佳工作性能。

对于设备的加热模式，现在分为火焰直接给反应筒加热和热烟风加热。 轮胎裂解企业由于处理物料单一，一般使用的是热烟风加热。 火焰直接给反应筒加热的方式可沿反应筒长度方向进行燃烧器布设，通过沿程方向燃烧控制实现沿反应筒长度方向的温度调控的目的，具有温度可调性好的特点，有利于热解反应的进行。 热烟风加热的模式，供热源只能设计在炉尾一处，即沿反应筒长度方向炉尾的温度最高， 炉头的温度最低。 然而物料从炉头进入初期因其水分蒸发干化需要的热量最大。 因此，在物料从炉头向炉尾运移的过程中，根据反应对能量的需求特征，要通过控制炉尾的集中供热源温度及热气量的大小实现沿反应筒长度方向温度的有效调控则比较困难， 且由于含油污泥的含水率等物性波动较大，热解反应过程对热量需求的变化也很大。 为确保含油污泥中有机物质的充分热解，必须方便调控温度。 因此，在油泥处理领域，燃烧火焰直接加热方式在温度控制以及处理能力上具备较大的优势[5]。

3.1.2 螺旋设备

螺旋设备的核心是一个可以加热的螺旋输送器，通过燃料燃烧产生的热量对螺旋输送器的外壳进行加热，进而对螺旋输送器内部的油泥进行间接加热， 实现矿物油组分与固体的分离；在加热的过程中螺旋设备内部螺旋推动物料不断向前移动，通过螺旋的转速调节，可控制物料的加热时间。 为了加强传热效果，一般在螺旋输送器的外壳设置翅片，增大传热面积。

螺旋设备最早是加拿大西山公司的全资子公司加拿大斐斯环境技术有限公司开发，国内目前常见的燃油、燃气内置螺旋的热解炉多是模仿斐斯的技术[6]。 但是由于螺旋设备采用固定的外壳加热，会造成受热不均，螺旋的外壳很容易变形弯曲，螺旋叶片与外壳发生摩擦，会造成外壳磨漏或是螺旋断裂；甚至可能出现油气直接进入炉膛的情况，存在重大的安全和环保隐患。 对于使用热烟风加热的螺旋设备也存在受热不均的问题，物料集中在螺旋的下方，吸热能力比上方大，虽然热烟风的温度相同且稳定，但是由于吸热的差异，也会出现上下温度不均的情况。 国内现有的螺旋设备的寿命一般不超过2～3a，需定期对螺旋外壳及螺旋进行更换。 从1999 年开始，MI-SWACO 将该技术应用在油泥处理领域，但螺旋外壳磨漏以及螺旋断裂的情况也一直困扰着它们，现阶段该公司已经停止了该项业务。 鉴于上述问题， 现在国内市场上螺旋设备的新增速度不断下降。

3.2 摩擦加热形式

锤磨设备是通过剧烈摩擦升温的方式对油泥进行加热，使油和水分从油泥中分离。 锤磨热解机是系统核心， 该装置轴上嵌套有锤摩叶片，轴在电动机或柴油机的带动下转动，将钻屑粉碎成粉末[7]（60%的钻屑粉碎成直径约50μm 的颗粒）。 粉碎的过程摩擦生热，实现油泥的热解，加热温度一般控制在250～350℃[8]。 设备具有紧凑，轻便，模块化等特点。

由于锤磨设备采用模块化设计，设备体积紧凑， 重量小， 同时设备启停动迅速， 满足海上ZONE-2 防爆要求。因此，在海上平台的钻屑处理领域得到了快速的发展。 Themtech 的锤磨设备得到了快速的推广，在役设备超过65 套，应用客户包括了MI-SWACO、哈利伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯、 史格米石油公司、TWMA、SAR 等大型油服公司。 经过项目的验证，锤磨设备的最大处理能力能够达到6t/h，可以满足多数钻井平台的需求；处理后的钻屑可直接排海； 由于加热温度温和，油品不会被破坏，回收油可以重新用于配制泥浆[9]。

经过多年的自主研发与设计，中石油集团川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院成功研制了锤磨热解工程样机，并且在国家科技重大专项的支持下， 在四川长宁-威远国家级页岩气示范区开展了工程示范，实验性的处理了超过200t 页岩气开发过程中形成的钻屑[10,11]。

锤磨设备未能在陆地大规模推广应用的关键在于核心设备的寿命及维护成本问题。 锤磨设备的加热依靠的是锤磨叶片与钻屑颗粒的摩擦产热，对锤磨叶片的材质要求及其严格，叶片的磨损严重。 国外设备锤磨叶片的应用周期也仅为2000～3000h。 除此之外，由于设备的加热温度低，应用范围受到限制，仅能用于处理含轻油的油基钻屑，无法处理含有原油的油泥[12]。

3.3 导热油加热形式

3.3.1 中空螺旋设备将导热油应用于油泥热解的企业主要为挪威的Brandt、美国的Therma-Flite 以及德国的Econ 等。 该类设备是利用循环加热的导热油换热加热热解装置内的中空螺旋转子和筒体，从而间接加热油泥。 通过控制导热油的温度，可以精确控制加热温度，避免油品的裂解，在处理油基钻屑与油基泥浆时， 可提取高品质的柴油或白油，最大化实现回收油的价值。

挪威的Brandt 不仅生产制造了回转设备，也生产制造导热油加热的热解设备。 该类设备在阿塞拜疆、安哥拉、尼日利亚、丹麦、罗马尼亚、挪威、荷兰等地都得到了应用。2014 年重庆涪陵页岩气钻井过程中引进Brandt 的热解技术[7]，并在2015年建成了国内第一个导热油加热的油基钻屑热解处理站。该热解装置处理钻屑最大能力为2.5t/h，平均处理钻屑能力在1.5～2.0t/h，处理后的油基钻屑的含油率在1%以下，回收的油品与0# 柴油的相似度达99%[13]。但是国外对国内采取技术垄断，因此设备费和服务费用相当昂贵。

虽然导热油加热具备温度控制精确的优势，但是也面临加热温度受限的问题，无法用于处置含有原油等重质组分的油泥。 导热油分为液相油和气相油两种，目前市场上液相油最高使用温度不超过350℃， 一般液相油的使用温度为280℃、300℃、320℃。 气相油最高的加热温度能达到350℃左右。温度太高就会加速导热油的热聚合反应和氧化反应，影响导热油的使用寿命。Brandt 设备在使用工业级导热油的情况下，最高的表面温度（从物料测得）约为316℃[14]。这一温度仅能用于处理含油轻质油的污染物，例如油基岩屑。 为了解决加热温度受限的问题，Brandt[15]以及Therma-Flite 都采用了分段加热的方案，第一段采用导热油加热， 第二段采用电加热。 经过电加热后，Brandt 的温度可以达到500℃，Therma-Flite 的温度可达到550℃。

3.3.2 反应釜设备为了解决导热油加热温度不足的问题，德国的Econ 开发了真空的热解设备，设备的真空度可达到50mbar， 能够有效的将沸点低于450℃的组分从油泥中分离。 设备的构造及原理与真空耙式干燥机极为相似， 采用间歇式生产的釜式结构，通过夹套及搅拌轴中的导热油对油泥进行加热，单台热解设备反应釜最大的容积是12m3，在两个模块并联的情况下，最大的设备处理能力可达3～5t/h。 在处理油基泥浆和油基钻屑时，由于通过真空降低了油品的沸点， 避免了裂解反应的发生，可以回收具有高品质的基础油资源。 该公司业绩主要集中在欧洲和中东地区，根据其官方宣传材料介绍，2007 年， 曾在科威特用该类设备处理炼厂的油泥、油坑油泥、钻井油泥等，项目的主要目的是回收油泥中的石油资源；2009 年， 在英格兰用该设备处理含油废物，包括喷涂污泥、罐底油泥以及其它的轻质油泥；2013 年， 利用该设备成功处理了油基泥浆及钻屑。 截止目前，该公司在国内并没有相关业绩。

目前，限制导热油加热热解技术推广的另一个因素是安全问题，如果高温的导热油泄露会发生燃烧的情况，可能会烧毁导热油炉并波及周围的装置[14]。

3.4 电加热形式

最近，国内多家机构及企业开始研发电加热的热解设备。 电加热设备分为电阻加热和电磁加热，由于电磁加热具有温度高、设备故障点少等特点，现在成为研究的重点。

电磁加热的原理是高速变化的高频高压电流流过线圈会产生高速变化的交变磁场，在炉体金属外表皮部分产生交变的涡流，涡流使炉体外表面的铁原子高速无规则运动， 原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热炉体的作用。

与传统加热方式相比，采用电磁加热的热解设备具备结构紧凑，升温速度快，可精确控温，整个流程不产生明火等特点[16]，适合在井场及海上平台等防爆区域应用。 除此之外，油泥在设备中的分布问题会导致不同位置吸热不同，可能造成炉体受热不均，所以电磁线圈的缠绕疏密程度不同。 但是在实际运行过程中，油泥的性质无法保证统一，在设备实际运行过程中依旧存在局部过热的问题。 因此，选择导磁性能好、耐高温的材料成为发展该技术的关键。 现阶段由于成本过高，加热均匀性差等问题，该技术并没有得到大规模的应用，目前仍处于中试阶段。

4 结论

目前国内外油泥处理技术繁多，但在实际应用过程中都存在各自的优缺点。 热解处理技术由于具备对污染物处理彻底，二次污染少，可回收石油资源等优势，得到了快速的发展，成为国内油泥处理的主流技术，具有很强的可行性和广阔的发展前景。

热解设备的形式多种多样，对比目前的热解设备可发现：1）针对陆上建站项目，回转式设备具备运行稳定，处理能力大，适应性广，处理成本低的特点；2）在海上平台、 作业空间受限并且需要满足防爆要求的情况下， 锤磨设备可发挥最大优势；3）如果以高品质回收基础油为目的，导热油加热的热解设备最为适用。 相比较锤磨设备，该设备的寿命更长，运行成本较低。

项目建设阶段，需充分考虑现场油泥属性情况以及配套情况，选择最合适的热解设备。