海上廢棄泥漿巖屑制備陶粒資源化可行性研究

王凱,李小龍,孫培,劉慶月

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司,天津 300452)

為了大力提升勘探開發(fā)力度,保障我國能源安全,各個石油企業(yè)及地區(qū)根據(jù)黨中央的重要指示及時調(diào)整并進(jìn)行了工作部署。2025年,中海油全國海上原油產(chǎn)量將達(dá)到5 300萬t,其中渤海地區(qū)將達(dá)到3 750萬t。這意味著更多的新油田需要被開采,也伴隨著大量的廢棄鉆井泥漿、巖屑以及含油固廢產(chǎn)生。隨著國家對海洋生態(tài)環(huán)境的愈發(fā)重視,法律法規(guī)也愈加完善,更多的海洋環(huán)保問題需要被重視。以渤海地區(qū)為例,渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑及鉆井油層的水基鉆井液和鉆屑,并且重金屬Hg含量≤1 mg/kg,Cd含量≤3 mg/kg[1]。且近年海上平臺從源頭、過程、終端積極推廣固廢減量化,如海上推廣的環(huán)保一體化技術(shù)服務(wù)(EPS工作船),該技術(shù)可將海上泥漿巖屑進(jìn)行篩分、破膠、板框壓濾機(jī)固液分離。分離后的水相回用至鉆井環(huán)節(jié),壓濾分離后的泥餅運(yùn)輸返回陸地統(tǒng)一處置[2]。但是僅從渤海地區(qū)泥漿、巖屑及EPS工作船泥餅相返回陸地的處理廠的數(shù)據(jù)來看,2022年全年產(chǎn)量依然高達(dá)36 000～39 000 t。巨量的海上固廢問題依然是急需解決的重點(diǎn)工作之一。

1 固廢資源化政策分析

2020年9月1日,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布實(shí)施了新《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》,新法在原基礎(chǔ)上又對固體廢物污染環(huán)境防治行為進(jìn)行規(guī)范,如:固體廢物的生產(chǎn)者和經(jīng)營者應(yīng)當(dāng)履行減量化、資源化、無害化的義務(wù),實(shí)施分類管理。并通過《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)固體廢物污染環(huán)境防治行動計(jì)劃的通知》強(qiáng)調(diào)了固體廢物要以減量化、資源化、無害化為原則,以分類管理為核心,以綜合利用和安全處置為手段的固體廢物污染環(huán)境防治理念。《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》再一次提出“減量化、再利用、資源化”的循環(huán)發(fā)展原則。

資源的循環(huán)利用水平,是社會進(jìn)步程度的重要標(biāo)志之一。“固體廢物是放錯位置的資源”,黨的第十九次全國代表大會報告提出,要“建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系”。循環(huán)經(jīng)濟(jì)又稱4R經(jīng)濟(jì):Reduce(減量)、Reuse(再利用)、Recycle(再循環(huán))、Remanufacture(再制造)。這與“十四五”提出的循環(huán)發(fā)展原則相得益彰。固廢資源化利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型內(nèi)涵。

固廢的減量化和資源化水平從側(cè)面也能代表著社會的文明水平?？沙掷m(xù)發(fā)展的社會要從一個資源的消耗體,變?yōu)橐粋€資源的循環(huán)體,這個“變”是社會的核心能力之一,是擁有未來發(fā)展戰(zhàn)略的制高點(diǎn)。針對海上泥漿、巖屑及泥餅的資源化做法隨著國家法律法規(guī)的頒布與修訂,學(xué)者們也做了大量的研究。

2 海上廢棄泥漿巖屑資源化研究進(jìn)展

目前海上平臺返回陸地處理廠的主要固廢包含鉆井泥漿、EPS泥餅及鉆屑。陸地處理廠對鉆井泥漿進(jìn)一步減量化,包括:篩分,按照不同鉆井體系的泥漿加入配伍的破膠劑脫穩(wěn),板框壓濾機(jī)固液分離;壓濾泥餅與EPS泥餅共同處置;鉆屑進(jìn)行脫水后,固相進(jìn)行進(jìn)一步處置。在海上鉆井產(chǎn)生的壓濾泥餅、巖屑的處置方面,學(xué)者們做了大量研究。固化填埋是一種常規(guī)處置方式,但由于填埋要求以及占地要求受到較大的限制;生物處置能實(shí)現(xiàn)固廢無害化,但占地及處置周期成為制約其技術(shù)發(fā)展的主要因素;焚燒方式處置效果較為徹底,但其煙氣問題以及整體處置費(fèi)用問題成為較大的制約。結(jié)合目前國家發(fā)展理念,無廢城市的逐步推行,固廢的資源化處置已經(jīng)成為主流方式。

2.1 制備免燒磚

泥漿壓濾泥餅、巖屑制備免燒磚有大量的研究成果,其技術(shù)可行性以及產(chǎn)品指標(biāo)滿足。關(guān)舉忠[3]以廢棄泥漿為主要原料,按照m(泥漿)∶m(水泥)∶m(河沙)∶m(黏土)∶m(碎石)為3∶1.2∶2∶1∶4的配比下,抗壓強(qiáng)度21.2 MPa,產(chǎn)品性能滿足JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚標(biāo)準(zhǔn)》的要求;張忠亮等人[4]以海上巖屑為主要材料,在m(水泥)∶m(鉆屑)∶m(細(xì)集料)∶m(粗集料)∶m(石膏)∶m(外加劑)=20∶20∶47.5∶8∶4∶0.5的條件下,免燒磚抗壓強(qiáng)度16 MPa、吸水率10%,也符合JC/T 422中MU15等級要求。但是根據(jù)實(shí)際情況分析,免燒磚產(chǎn)品產(chǎn)出將添加大量的其他配料,這也造成產(chǎn)品產(chǎn)量將遠(yuǎn)大于原固廢的數(shù)量。并且從市場反響來看,免燒磚價格優(yōu)勢較低,銷路不暢通,部分地區(qū)產(chǎn)品依舊堆砌放置。

2.2 水泥窯協(xié)同

2013年1月,國務(wù)院印發(fā)的《循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計(jì)劃》,其中就明確提出鼓勵水泥窯協(xié)同資源化處理固體廢棄物。2014年3月,《水泥窯協(xié)同污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》開始執(zhí)行。2016年12月,環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術(shù)政策》并開始實(shí)施。2017年4月,國家發(fā)改委等14部委聯(lián)合發(fā)布的《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動》提出推進(jìn)水泥行業(yè)利用現(xiàn)有水泥窯協(xié)同處理危險廢物、污泥、生活垃圾。

從技術(shù)和政策層面上來看,水泥窯協(xié)同處置固體廢物早有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并且一直在完善處置技術(shù)。在焚燒過程中能有效抑制各種有害物質(zhì)的產(chǎn)生,進(jìn)一步控制二噁英等廢氣的排放,尾氣控制系統(tǒng)也有達(dá)標(biāo)排放的保障。但是由于海上固廢含氯較高,其氯化物平均水平一般大于6%。氯化物在高溫條件下容易在窯內(nèi)揮發(fā),隨煙氣回到窯尾煙室、分解爐等部位,隨溫度降低逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)。氯化物在窯內(nèi)中不斷往復(fù)循環(huán),不停地在氣液固相轉(zhuǎn)化,容易引起結(jié)皮堵塞[5],海上固廢的摻混量將大幅受限,這成為水泥窯協(xié)同技術(shù)在處置泥餅巖屑的技術(shù)難點(diǎn)。

2.3 陶粒窯協(xié)同

傳統(tǒng)陶粒是以頁巖、黏土、泥巖、粉煤灰、煤矸石等為原料,經(jīng)加工成球再燒脹成的人造輕骨料,是一種橢圓形微孔狀的建筑材料[6]。在陶粒創(chuàng)造發(fā)明和生產(chǎn)制造之初,它首要用于建筑材料行業(yè)。隨著陶粒功能的不斷被開發(fā),目前,全國用于建筑領(lǐng)域陶粒量約占總需求量的55%左右,用于濾料市場約30%,其他路橋工程、文化石、隔音板、園藝陶粒等占比約15%。陶粒的需求總量及使用范圍將不斷增長。

隨著國家對工業(yè)窯爐協(xié)同處置工業(yè)廢物的技術(shù)的深入推進(jìn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2621—2021《污泥陶?！吠瓿蓤笈尽Ｒ缘吞佳h(huán)產(chǎn)業(yè)為發(fā)展方向,以工業(yè)污泥等為原料的陶粒燒制技術(shù)研究也應(yīng)運(yùn)而生。《陶粒窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范(征求意見稿)》的將頒也加快了陶粒窯協(xié)同技術(shù)的快速發(fā)展。2021年,張曉亞等[6]用城市污泥和磷尾礦制得輕質(zhì)陶粒;2022年,王軍等[7]以城市污泥為原料,通過不同配方,燒制出最大筒壓強(qiáng)度10.3 MPa的污泥陶粒;2023年,李瑞娜等[8]用含油污泥的熱解及尾渣制陶粒可用做各種新型墻體材料及高性能輕集料混凝土結(jié)構(gòu)材料;不同原料通過不同的原料配比以及配伍性較高的輔料均能燒制出筒壓強(qiáng)度、吸水率等指標(biāo)滿足產(chǎn)品要求滿足GBT 17431.2—2010標(biāo)準(zhǔn)。因此針對以海上泥餅巖屑為主要原料的陶粒展開了前瞻性研究。

3 可行性實(shí)驗(yàn)研究

此次試驗(yàn)為可行性研究,主要的原料為渤海海域鉆井產(chǎn)生的壓濾泥餅、巖屑,主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)泥餅巖屑陶粒的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù),包括原料的主要成分、不同階段下的物相轉(zhuǎn)變、造粒過程含水率情況;2)陶粒產(chǎn)品的性能檢測及小試參數(shù)的確定,包括變化不同原料配比,獲得陶粒的性能。實(shí)驗(yàn)主要儀器為電熱輥道窯。

根據(jù)岳敏等[9]對城市污泥制陶粒的研究了解,陶粒原料中化學(xué)成分對陶粒的制備有顯著的影響,當(dāng)其化學(xué)成分處于合適的范圍時(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)53%～79%,Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～25%,Fe2O3、CaO、MgO等質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%～26%),可制得燒脹充分的陶粒。其反應(yīng)機(jī)理為:原料中的SiO2和Al2O3在高溫?zé)七^程中形成玻璃熔融體,形成陶粒骨架,Fe2O3、CaO、MgO等起助熔作用,降低焙燒溫度。

根據(jù)岳敏研究成果,對海上壓濾泥餅及巖屑的構(gòu)成進(jìn)行分析,進(jìn)行陶粒燒制實(shí)驗(yàn),最終形成強(qiáng)度較高的陶粒產(chǎn)品。壓濾泥餅含大量黏土,主要成分為二氧化硅以及氧化鋁的骨架材料;巖屑的主要成分為骨料物質(zhì)二氧化硅以及氧化鈣、氧化鈉。詳見表1、表2。

表2 巖屑主要成分

3.1 物料單燒可行性實(shí)驗(yàn)研究

將壓濾泥餅和巖屑兩種物料進(jìn)行單燒,觀測陶粒表觀形態(tài)及成粒效果,具體如表3和圖1。壓濾泥餅單獨(dú)燒制后,陶粒有一定的強(qiáng)度,但吸水性較高;巖屑燒制陶粒由于二氧化硅含量較少,且氧化鈣、氧化鈉含量過高不利于陶粒的燒制,從而造成陶粒炸裂?？紤]與壓濾泥餅混合配伍后進(jìn)行燒制,實(shí)現(xiàn)固廢資源化。

圖1 壓濾泥餅和巖屑燒制形態(tài)對比

3.2 物料摻混燒制實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)表4中配方比例分別稱量總量200 g原料,于球磨機(jī)中快速磨成粉,干磨時間3 min。粉末加水約30%,揉成泥團(tuán),搓成條,切成小段,手工搓成小球,放入120 ℃電熱烘干箱中干燥,干燥后的小球在電熱輥道窯中燒制,燒制溫度制度及產(chǎn)品性能見表5。

表4 原料摻混配比表

表5 燒制溫度及產(chǎn)品性能表

根據(jù)陶粒強(qiáng)度、吸水率、燒失量進(jìn)行綜合評價,4#配方的產(chǎn)品相對優(yōu)秀,抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到16.55 MPa。隨著海上巖屑摻混量降低,陶粒綜合性能有所提高,達(dá)到當(dāng)巖屑摻入量過大時,產(chǎn)品出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度差,且部分出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。

壓濾泥餅和巖屑混摻燒制形態(tài)對比見圖2。

圖2 壓濾泥餅和巖屑混摻燒制形態(tài)對比

4 結(jié)論

通過壓濾泥餅以及巖屑的合理配比,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,陶粒的最高強(qiáng)度能達(dá)到16.55 MPa,吸水性也滿足陶粒的產(chǎn)品指標(biāo)要求。通過實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了海上泥漿壓濾泥餅與巖屑配伍燒陶粒的可行性。

小試實(shí)驗(yàn)僅能代表餅巖屑燒制陶粒的可行性,成陶的強(qiáng)度、吸水性、燒制后的粒徑分布、燒失量等以及煙氣污染問題重要數(shù)據(jù)需要使用中試設(shè)備進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 展望

陶粒可應(yīng)用于建筑、機(jī)場、碼頭、公路等領(lǐng)域。目前,中國燒結(jié)陶粒市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到3 000萬t,預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到5 000萬t。目前,我國陶粒行業(yè)在原材料、環(huán)保要求等領(lǐng)域面臨重大變化,黏土、頁巖等原材料逐步被限制使用,能耗、排放等環(huán)保要求備受關(guān)注。隨著《污泥陶?！返刃聵?biāo)準(zhǔn)的出臺,企業(yè)環(huán)保意識的加強(qiáng),陶粒行業(yè)將通過技術(shù)革新逐步走上具備處置固體廢棄物等環(huán)保功能的新型發(fā)展道路。

1)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了海上固廢燒制陶粒的可行性,如需燒制更能更優(yōu)的產(chǎn)品,需要進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn),通過配比黏土、砂石等配料改善陶粒性能;

2)通過更加合理的配方提高陶粒的質(zhì)量,補(bǔ)齊固廢燒制陶粒品種和規(guī)格,并且最大限度地?fù)交旃I(yè)固廢,實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢物資源化目標(biāo);

3)環(huán)保問題也需要重點(diǎn)重視。高度重視陶粒生產(chǎn)過程中的環(huán)境治理。要從源頭抓起,貫穿整個生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié),做好末端處理,消除無組織排放,加強(qiáng)煙氣除硫、除氮和粉塵收集,努力實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境。