水泥窑系统因具有高温、强碱性环境、热容量大等优势，在处置油基钻屑类危险废物方面有着无可比拟的优势，在国外相关案例的启发下，A厂和B厂两条2500t/d水泥生产线分别在2018年建设了油基钻屑焚烧系统，经过近一年的调试解决了接收、卸车、输送、与水泥窑结合等诸多问题，最终实现了安全稳定运行，均实现了日处理100t以上的实际处置量。
油基钻屑是在页岩气开采过程中产生的油基钻井液和岩石碎屑混合的固体废弃物，其主要由基础油、岩石颗粒和几十种有机或无机添加剂组成，粘稠、比重较大、具有轻毒性和油基污染性，在其产生、堆放、运输和处理过程中均有可能对当地生态环境和人类健康造成危害，被列入《国家危险废物名录》(2016版)新增的危险废物。
水泥窑系统因具有高温、强碱性环境、热容量大等优势，在处置油基钻屑类危险废物方面有着无可比拟的优势。A厂和B厂各有一条2500t/d水泥生产线，分别在2018年建设了油基钻屑焚烧系统，经过近一年的调试截止到目前已经实现了安全稳定运行，均实现了日处理100t以上的实际处置量。本文就两线在生产调试过程中出现的部分问题进行了分析总结。
1.1 物料的基本情况分析
A厂处置的是陆上气田的油基钻屑，B厂处置的是海上钻井平台产生的钻屑。钻屑的热解吸收矿物分析数据如表1，物理性质如表2。样品1为A厂，样品2为B厂。
表1 钻屑矿物热解分析数据
BaSO4 | SiO2 （%） | 云母 （%） | CaCO3 （%） | 斜长石 （%） | 白云石（%） | 其他 （%） | |
样品1 | 53 | 20 | 4 | 3 | 14 | 3 | 7 |
样品2 | 55 | 19 | 4 | 4 | 11 | 2 | 5 |
表2 油基钻屑的物理性质测试数据
密度 | 含油率 （%） | 含固率 （%） | 含水率 （%） | PH值 | 低位热值 (kJ/kg) | COD (mg/ml) | |
样品1 | 1.74 | 10.16 | 80.37 | 9.47 | 8.2 | 10900 | 659 |
样品2 | 2.29 | 8.41 | 84.93 | 6.43 | 7.6 | 7329 | 558 |
从分析数据来看，钻屑所含固体无机物矿物与水泥原料矿物基本相符，完全可以为水泥配料所用，另一方面，钻屑含油率比较高有比较高的低位发热量，使用得当可以为水泥窑减少用煤量带来有益的帮助。
1.2 物料运输与卸车
两个公司都是从产废单位特定仓库承接吨箱盛装的油基钻屑，根据产废单位填写的危废运输五联单装车，然后通过汽车运输至厂内。运输采用专用货车、走特定运输路线，运输车辆都装有GPS定位和远程摄像头，在安环部门实时监控的状态下进行。汽车运输至工厂内，核对五联单后进入厂内卸入暂存料仓。两家企业卸车都是采用人工卸车和人工清理吨箱的方式，吨箱清理完成后由车队随车带回重复利用。
图1 油基钻屑形态照片
1.3 工厂协同焚烧工艺流程
两个公司均采用了“滑架料仓+液压柱塞泵+入窑雾化喷枪”的接收输送处置系统（如图2），具体流程为：油基钻屑经过人工卸车至滑架料仓内，料仓卸料口设置有物料筛板格栅，防止大块杂质进入料仓，料仓为矩形料仓，仓底设置有破拱滑架，滑架来回往复运动一方面活化物料防止物料在料仓内结拱架桥，另一方面则是实现底部钻屑的平稳输送。
仓底设置有自清洁双轴正压给料螺旋，钻屑经过螺旋输送至仓底的EPP10H型液压驱动活塞泵内，经过活塞泵推送后的油基钻屑经管至除杂装置后进入雾化喷枪，然后入窑焚烧。A厂在窑头罩、窑尾分解炉两个部位都开设了投加点并敷设了管道，但是在实际应用过程中由于输送距离等原因一直没有启用窑尾投加点，所以A厂实际运营的投加点为窑头罩，B厂则是采用了窑尾分解炉中部一个投加点焚烧的方式。
图2 钻屑接收输送工艺流程图
2.1 盛装吨箱破损快，增加处置难度和成本
油基钻屑具有粘稠、多油、比重大的特点，粘稠、比重大的特性造成实际装卸的时候非常困难，也就造成标准吨箱的损耗比较快，一般情况下一个新的标准吨箱运输一次到两次就无法再次使用。破损的吨箱一方面给实际的处置过程造成很大困扰，碎屑一旦进入到输送系统中极其容易造成输送系统堵塞；另一方面两个厂均没有废弃吨箱处置能力，需要对外委托处置，同时标准吨箱也是价格不菲，给处置过程带来较大成本负担。
两个工厂都遇到了类似的问题，解决方式也基本一致。
A厂经过多次摸索和总结之后，通过咨询相关管理部门之后，自己设计并向相关厂家定制了一批规格铁箱子（图3），每次使用之后经过清洗后重新返回气田现场盛装油基钻屑，新设计的规格铁箱子非常坚固，可以长期循环使用，进而解决了这个问题。
B厂则是采用了产废的单位提供的标准海上钻屑标准箱（图3），并且为标准箱改造了新的卸料装置，实现了顺利入厂和卸车。
图3两种钻屑转移铁箱
2.2 正压螺旋堵塞和压死频繁
两个厂采用的都是原有的普通工业污泥正压输送螺旋，再输送常规工业污泥的时候系统运行正常，螺旋7.5kW,运行电流比较小，在油基钻屑进厂后就出现了螺旋电流持续增高、最终压死跳停的情况，打开螺旋发现已经完全堵死，清理之后也没有发现有大块异物卡阻。再次投入运行后很短时间又出现了压死堵塞，随后两次更换了更大功率的电机都没有解决问题。
分析：螺旋就是通过物料在壳体和螺旋表面的滑动实现输送的一种输送装置，物料自身的阻力系数（粘度）以及运动摩擦系数的大小，都会直接影响螺旋输送机的功率输出。相比于普通污泥钻屑粘度大，是普通污泥的2.5~4倍；比重大，是普通污泥的1.8~2.15倍,在同等输送量的条件下其理论要求轴功率是普通污泥输送轴功率的10倍以上，而且随着温度和料层厚度变化，作用在螺旋叶片上的摩擦力也会急剧变化，显然在原有螺旋的基础上只是更换电动机的做法是不现实的。
问题解决：在设备厂家技术人员的帮助下，A厂对螺旋进行了更换，采用了较小的螺旋开口和较大功率的电机，减少摩擦面积的同时增加输出扭矩；B则是对螺旋叶片部分进行了改造，减少了摩擦面积，同时在入料时控制料层厚度；两个改造都比较成功。
2,3 输送管道堵塞严重
出现管道堵塞的情况有两种，一种情况是在接近空仓的时候，物料上层废油变少、出料浓度增加的时候，活塞泵出口压力会逐渐增加直至超压停机；油基钻屑在料仓内存放的时候会有明显的分层，上层绝大部分是废油，底层的物料则大多是钻屑和钻井液中含有的重介质物质，钻屑管道输送的沿程阻力损失主要还是来自于柱塞流表面与管道内壁之间的摩擦力，料层过低的时候进泵物料比重更大、含油量更少，进而造成输送摩擦阻力更大。针对这个现象，两家工厂都采用了“管道注膜润滑装置”（如图4），通过向管道内注膜的办法降低管道输送阻力，解决了问题。
另一种情况是在停机后再次开机的时候，这时候一般就是污泥管道出口部位出现烧结变硬造成的堵塞，每次开机都要进行专门清理。这是由于输送完成以后没办法实现管路完全清理的缘故，根据现场情况对入炉点管路做了改进，让最末端1米管路垂直向下物料可以自由下落并，同时增加压缩空气作为负压补偿，这样可以使最末端料头远离高温区域进而避免烧结，另外在入炉处增加辅助三通清料点以方便及时清理。通过运行效果来看改造比较成功。
图4 注膜润滑 图5 入炉雾化喷枪
A厂只采用窑头入料的方式，钻屑直接泵入窑头罩顶部，B厂则是采用窑尾入料方式，油基钻屑直接泵送至窑尾分解炉椎体；不同入料点对窑系统影响表现不同。
3.1 窑头加入（ A厂）遇到的问题与解决
1）二次风温度明显提高，但是窑况变差，熟料质量变差
A厂的实际投加点位于窑头罩上方，由于钻屑中含有大量的柴油每次投加以后都会明显看到窑头罩内亮度增加、二次风温度迅速提高可以轻易突破1200℃，烟室温度也会有明显上升，但是随后窑电流却是逐渐降低，熟料的f-CaO合格率迅速下降，在配料方案不变的情况下f-CaO合格率很难达到50%以上；另外就是熟料升重降低、轻烧料、细粉料也明显增多，呈现典型的欠烧特征。
经过多次观察和分析后认为，是由于钻屑投加位置不合适造成的，钻屑进入窑头罩以后全部在窑出口处燃烧，燃烧后的高温烟气全部被吸入到窑内，虽然可以使窑头罩测量的二次风温明显提高，但是实际入窑的二次风氧气降低导致火焰峰值温度降低是主要原因，在投加钻屑的时候，会明显看出火焰前头颜色变暗。另外，火焰峰值温度降低也会造成煤粉中碳元素燃烧时间延长，窑尾温度升高，理论分析与实际事实表现一致。
根据以上分析，检修时将投加点做了改变，将投加位置由窑头罩篦冷机一侧改为三次风斜坡一侧，使钻屑在三次风管入口下方燃烧，使绝大部分钻屑燃烧烟气直接进入三次风管，通过三次风管后进入分解炉，改造完成以后效果明显，基本解决上述问题同时三次风温度也有近50℃的提高。
2）钻屑焚烧残渣在篦冷机堆积，容易形成“雪人”
在窑头罩喂入的时候，为了防止钻屑焚烧残渣落到篦冷机矮墙以及燃烧器上面，实际选择的落料点是在窑头燃烧器与篦冷机矮墙之间，同时为了防止残渣堆积也在落料下方增加了空气炮进行吹扫，但是实际投入运行却也是发生过多次因钻屑焚烧残渣逐渐堆积形成“雪人”的事故，后续虽对空气炮吹扫制度和现场清理制度进行了多次优化也有完全杜绝。
我们分析认为主要是还是因为钻屑骨料的实际比重过大，在经过高温焚烧的时候又容易烧结成块这就非常容易在固定篦板上堆积，而从窑内卸料方向来看，钻屑落料点又恰好是细料侧，表面熔融的细粉料跌落钻屑烧结快上的时候就容易发生堆积，如果空气炮吹扫或岗位清理不及时就容易发展成“雪人”。
根据以上分析，新的投加点位置又做了微调，选择在三次风取风口斜坡处，并在落料点的位置增加了3个单独控制的空气炮，增设两个观察孔和人工捅料孔，空气炮与泵送系统联锁同时加强人工清理次数，最终使类似“雪人”事故得到控制。
3.2 窑尾加入（B厂）遇到的问题与解决
1）窑尾分解炉温度波动大，温度虚高，入窑分解率低，熟料烧成效果差；
具体表现为：输送系统开机后，钻屑进入分解炉，短时间内分解炉出口温度提高明显，但是C5下料温度基本不变，系统CO浓度先大幅增加后逐渐降低，操作人员不断减少用煤后分解炉出口温度会逐步稳定在一个范围之内，但是温度波动较大最高最低相差在30℃以上，C5下料管温度则是降低约35℃。实测的C5下料管分分解率不足70%，窑电流下降明显、篦冷机出料不稳定，熟料f-CaO合格率下降明显，表观质量变差。
经过分析后认为，主要是油基钻屑内含有大量的废油具有极高的热值，但是入炉点高于C4入料点，高热值、易燃且分散不好的钻屑入炉后迅速燃烧会使得局部烟气迅速升温，但是又由于入炉点高于C4入料点，进而造成分解炉上部的烟气温度虚高，虚高的分解炉出口温度直接影响操作人员判断，导致实际供热不足造成分解率下降。在钻屑使用初期实测的C5下料管分分解率不足70%，对窑内煅烧造成了巨大影响，进而也就造成了熟料表观质量差、游离钙合格率低等工艺问题。
经过总结，让操作人员更多的参照C5下料温度和入窑分解率进行操作，同时将实际入炉位置改变到C4入料点以下后窑系统基本表现正常。
2）分解炉锥体耐火材料损坏
B厂钻屑的加入点在分解炉中部，在投加后不到一个月的时间内分解炉锥部、入料点下方就出现浇注料脱落、炉体表面烧红的现象，停机检修发现锥体部位的浇注料表面破损明显，在入料点正下方最严重已经完全脱落。
综合之前在其他协同焚烧污泥的项目情况，分析认为是由于钻屑呈柱塞流进入分解炉后分散效果较差，会造成大部分钻屑跌落并堆积在锥体表面，由于锥体表面温度达到1000℃以上，污钻屑与锥体接触后会造成接触面的水分、油急剧受热气化造成局部高压造成泥团炸裂分散，造成了锥体表面浇注料的“炸毁”。
最终采取了两个措施解决了这个问题，一方面将分解炉锥体部位的浇注料更换为荷软温度更高的刚玉质浇注料，另一个方面，将入炉喷枪更换为ENSA新一代雾化喷枪（图5），雾化效果更好、喷射距离更远；两个措施实施后已经安全运行6个月没有出现类似问题。
两个厂的配料方案和配料率值都没有做专门改动，投加以后熟料率值、熟料强度等没有明显变化。经过不断的摸索改进之后，两个厂最终基本实现了安全稳定运行，其中A厂日处置量达到113t，B厂达到93t，熟料产量和消耗基本稳定，一些经济数据如表（3）。
表3 处置钻屑前后经济参数对比
日处置量 （t/d） | 熟料产量 （t/d） | 实物煤耗 （kg/t熟料） | 余热发电量 （kwh/t熟料） | 熟料3d强度 （MPa） | 熟料28d强度 （MPa） | ||
A 厂 | 前 | 0 | 2873 | 157 | 34.7 | 27.1 | 57.9 |
后 | 113 | 2833 | 155 | 35.4 | 26.9 | 58.2 | |
B厂 | 前 | 0 | 2740 | 149 | 32.43 | 25.9 | 59.6 |
后 | 93 | 2699 | 144 | 31.90 | 26.2 | 59.9 | |
联系客服
