文炜涛 李辉 张薇 闫瑞景 陈坷铭 周鋆 孟召伟

（中国石油集团川庆钻探有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300）

1 引言

页岩地层黏土含量高，遇水易发生水化膨胀，在钻入页岩气目的层前，需采用强抑制性、能够满足水敏性地层的油气层保护需要的油基钻井液，由此产生大量油基岩屑［1］。油基岩屑成分复杂，是含有矿物油、酚类化合物及重金属的复杂多相体系，已被列入国家危险废物名录［2］，对其进行合理处置已成为制约页岩气开采的重要因素。我国对页岩气钻井过程中产生的油基岩屑的安全处置与利用高度重视，形成了固化填埋［3］、萃取［4-5］、热洗法［6］、热解［7］、热脱附［8］、热解析［9］、微生物处理［10］等一系列的物理、化学、生物处理方法，但由于技术、环保、装置、成本等原因，在现阶段未实现大规模应用。

焚烧法具有污染物消除彻底、减量化程度高、技术成熟、操作简单、热能可回收等优点，已成为处理油基岩屑的主要方法［11-12］。相比固废焚烧炉，水泥回转窑筒体长，危险废物在回转窑高温状态下停留时间长，利用水泥窑协同处置油基岩屑更具优势［13］。水泥回转窑通过回转作用对危险废物进行搅拌，在1 450～1 550 ℃的高温下使其充分燃烧，使有毒有害物质充分分解。水泥回转窑热容大，燃烧十分稳定，适应性强，无废渣废气排放，不易受危险废物投入量和性质变化的影响。同时，烧成系统内呈碱性固相氛围，有效地抑制了酸性物质的排放，避免了焚烧处理后产生二 英，已成为危险废物减量化、无害化最终处置的理想焚烧系统［14-15］。

本文通过对水泥窑协同处理油基岩屑开展实验研究，探索水泥窑协同处置油基岩屑的可行性，为油基岩屑的无害化、资源化和最终处置提供了另一种途径。

2 油基岩屑处理方法

2.1 油基岩屑成分检测

油基岩屑来自四川威远某页岩气开发平台，由专业检测机构按照相关标准进行检测，并出具权威检测报告。四川省冶金地质岩矿测试中心使用光谱分析对油基岩屑中矿物种类和含量进行分析检测，佛山市陶瓷研究所检测有限公司对油基岩屑的发热量进行检测。

2.2 油基岩屑处理流程

本文实验内容依托四川省某水泥厂开展，油基岩屑的处理流程如图1 所示。油基岩屑在井场通过甩干处理使含油率达到5%以下，通过卡车运至水泥厂进行协同处置。油基岩屑进入水泥厂后需对其成分、物化性质等进行进一步检测，用以制定配伍方案，对油基岩屑进行预处理后从水泥窑窑尾分解炉加入焚烧系统中，有机成分经过水泥窑彻底消除，灰分和水泥原材料一起形成熟料从窑尾排出。

2.3 熟料成分检测

油基岩屑协同处置前后的烧成熟料由西南冶金地质测试中心进行测试，分析熟料质量是否受到影响。

2.4 烟气飞灰处理

尾气处理采用成熟的“SNCR 脱硝＋水冷旋风除尘器＋半干式急冷脱酸塔＋活性炭及消石灰喷射＋布袋除尘＋碱液喷淋吸收塔”组合的烟气净化系统，实现尾气达标排放。飞灰收集后由四川清蓝检测技术有限公司进行浸出毒性检测。

3 结果与分析

3.1 油基岩屑成分分析

3.1.1 油基岩屑矿物成分

水泥窑协同处置危险废物必须以不影响水泥产品的品质为前提，需分析危险废物中的矿物、硫、氯、碱等成分的含量，评估对水泥质量的影响，确定合理的加入比例。四川省冶金地质岩矿测试中心对油基岩屑进行了光谱分析，其矿物成分及含量见表1。

表1 油基岩屑矿物成分及含量 mass%

从表1 可以看出，本油基岩屑样品主要组分为SiO2，Al2O3，BaO，Fe2O3等，也是水泥生产所必需的成分，使用水泥窑协同处置油基岩屑可以节约部分水泥生产原料。相关研究表明［16-17］，在使用回转窑处理危废时，氯、硫、碱的含量过高将导致对回转窑的高温腐蚀，很容易导致频繁停产事故。由于本油基岩屑样品中氯、硫、碱的含量较高，所以在烧制过程中注意将油基岩屑和其他原料进行合适的配比，焚烧后及时清理窑体避免堵塞。同时，焚烧系统中存在的氯特别是HCl，可以与金属结合生成氯化物，改变其挥发性，使重金属更容易挥发，所以在回转窑使用的过程中要注意尾气的处理。

3.1.2 油基岩屑物化指标

在处置危险废物时，应保证入炉废物理化性质稳定，根据物化性质检测结果，在焚烧前对危险废物进行配伍，以使其热值、主要有机有害组分含量、有机氯含量、重金属含量、硫含量、水分和灰分等指标满足水泥窑的设计要求。由佛山市陶瓷研究所检测有限公司对油基岩屑的物化指标进行检测，结果见表2。

表2 油基岩屑物化指标

从表2 中可以看出，油基岩屑的低位发热量可达1.40 MJ/kg，在回转窑协同处置的过程中可以释放热量，从而减少水泥工业对燃煤的需要量，实现废弃物的资源化利用。油基岩屑灰分较高，经水泥窑协同处置后成为熟料的一部分，产生一定的经济价值，实现油基岩屑资源化利用。油基岩屑水分含量较低，符合水泥窑入窑物料低于20%含水率的要求，不需额外处理。油基岩屑的硫含量较高，在协同处置时需要注意原料的配比，以符合回转窑设计要求。

3.2 熟料成分分析

本实验油基岩屑投加点为窑尾分解炉，水泥窑熟料生产规模4 000 t/d，危废处置规模333 t/d，处置比例为8.3%，入窑物料符合HJ 662—2013 相关要求。投加油基岩屑前后熟料的检测结果见表3。

表3 投加油基岩屑前后熟料化学成分对比 %

经回转窑焚烧后，岩屑中的有机物已完全分解，沸点低的易挥发元素常常在飞灰中富集，沸点高难挥发的元素则滞留于熟料中，可能对熟料的性能造成一定影响。从表3 可以看出，本实验油基岩屑添加量控制合理，添加油基岩屑协同处置的熟料样品成分变化较小，协同处置油基岩屑不会对水泥的生产造成影响。

3.3 燃烧飞灰及尾气

油基岩屑协同处置的过程中产生的气体主要有CO2、水蒸气和过量的空气，有害物质为NOX，SOX，HCl 以及可挥发的金属及其化合物，同时也可能含有极少量的未燃成分以及有机剧毒性污染物（二英等）。大量研究表明［18-19］，喷入尿素溶液可以控制NOX的浓度［20］。通过向半干式急冷塔内喷入NaOH溶液，可使烟气急速降温，控制二 英的再度生成。在布袋除尘器入口前喷入消石灰和活性炭，进一步干法除酸，并吸附烟气中的重金属和二 英［21］。燃烧烟气再经引风机进入碱液喷淋吸收塔进行彻底的脱酸处理，最终经50 m 高的排气筒达标排放。

挥发性重金属和金属氯化物可能在飞灰中富集，对燃烧后飞灰成分进行了检测，旋风除尘灰浸出毒性鉴别结果见表4。

表4 旋风除尘灰浸出毒性鉴别结果 mg/L

从表4 可以看出，油基岩屑燃烧飞灰浸出液检定结果为一般废弃物，可以进行资源化利用。但是在长期使用后燃烧飞灰中重金属的含量存在超标的可能，所以要定期检测，如果超标，需要交给有资质的危废处理单位进行固化填埋处理。

4 结论

（1）油基岩屑矿物成分与水泥原料成分类似，协同处置时可以减少水泥原料使用，产生一定的资源化利用效果，但是SO3和Cl－的含量较高，在进行水泥窑协同处置时，应设计合适的添加比例，以避免对水泥熟料的影响。油基岩屑的主要污染成分为汽油类烃，具有较高的热值，在水泥生产过程中可以替代燃料使用，实现废弃物的资源化利用。

（2）通过设计适合的油基岩屑加入量，可以实现燃烧尾气的达标排放，不影响水泥熟料的性能，同时燃烧飞灰的浸出液含量也符合危险废物的限值要求。

（3）水泥窑协同处置实现了油基岩屑的无害化、资源化和最终处置，为油基岩屑的合规处置提供了一种新的方法，对保证页岩气开发具有重要的意义。