赵国峥，闫 浩，夏 宁，李颖华，李长波

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

基于“碳中和”理念的页岩油泥环保处理工艺

赵国峥，闫 浩，夏 宁，李颖华，李长波

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

页岩油行业的兴起使得页岩油泥的污染问题亟待解决，否则将会对环境和周围人群的身体健康造成较大影响。为了使页岩油泥达到资源化处置，通过采用热化学清洗法处理页岩油泥，可大幅度减少油泥含油量，清洗后残泥可安全处置，同时可回收大量石油。“碳中和”理念逐渐从生活领域转向生产领域，基于“碳中和”理念本工艺设计了页岩油泥环保处理工艺流程，并通过优化 DAT-IAT工艺的操作条件使其能够充分利用处理后油泥热值，实现节能降耗，并达到工业化稳定生产的目的，表明了本工艺可以实现页岩油泥的资源化及工业化。

页岩油泥；碳中和；热化学清洗法；DAT-IAT工艺

在固体矿产领域页岩油是一种人造石油，是由页岩干馏时有机质受热分解生成的一种褐色、有特殊刺激气味的粘稠状液体产物，页岩油将是石油最好的替代资源。我国页岩油资源储量也很丰富，根据2004-2006年新一轮中国油气资源评价结果，中国页岩油资源7 199.4亿t，页岩油可采资源2 432.4亿t；页岩油资源476.4亿t，页岩油可采资源159.7亿t，页岩油可回收资源119.8亿t1-4］。

油页岩干馏炼油工艺中形成的由油、水粉尘组成的混合物称为油泥，［5］页岩油泥含油率较高，具有一定的热值，如辽宁地区页岩油泥的含油量为44.74%，热值22038.71 kJ/kg。

油泥中含有硫化物、苯系物等多种有毒有害挥发物，有些还具有致癌性，同时油泥难以自然降解，堆放易污染土壤和地下水。若将其作为固体废弃物排入环境中则会对环境造成一定的危害。因此对于页岩油污泥环保化处理和资源化利用成为研究热点。目前处理油泥的技术主要为资源回收、无害化处理及综合利用技术。［6］处理方法主要有：热化学清洗法，焚烧法，热解析法，溶剂萃取法，生物处理法等等［7-9］。其中，热化学清洗法具有工艺易于实现，投资费用低，可回收大部分油品等优点，在页岩油污泥的处理中比较普遍。

近年来，兴起的“碳中和”理念给了这个问题一个解决方案。页岩油污泥的排放会造成环境中污染物排放量的增加，即碳排放，对页岩油污泥的环保化处理需要能源，即碳输入。若将碳排放用于补偿碳输入，则会在实现工艺环保化的基础上达到降低处理成本的效果。

基于上述几点，本文提出一种基于“碳中和”理论的页岩油污泥的环保化处理工艺。

1 工艺介绍

1.1 工艺简介

“碳中和”一词自1997年问世以来，逐渐成为一种流行的生活，生产方式。现在通行的“碳中和”概念为：对于那些在所有减少或避免排放的努力都穷尽以后仍然存在的排放额进行碳补偿。

针对页岩油的特点及理化性质，综合考虑目前页岩炼油厂的经济能力，技术水平，参考传统工艺［10］（含油污泥—加温匀化—化学分离—机械脱水—干化焚烧），设计出热化学清洗法多相分离处理工艺（含油污泥—加温水热洗—机械搅拌—多相分离—物料分流）。

1.2 工艺流程介绍

本设计的工艺流程图见图1。

图1 页岩油泥处理工艺流程图Fig.1 Process flow chart of shale oil sludge

工艺流程介绍如下：

（1）工艺的开头为两道链带式移动格栅，原料在格栅面上经历循环型热水的强力冲洗，起到剥离细小颗粒使之流态化和洗净大颗粒物如布和石子等。流态化的原料由原料槽用流体泵直接注入泥水混合单元油泥池，使用机械强力搅拌，打碎泥块，使之分散；

（2）流态化的原料源源不断地进入DAT-IAT［11］操作单元，DAT池中连续进料，并连续投加洗涤剂并连续搅拌，在IAT池中进行间歇搅拌，静置分层，出料。在DAT-IAT操作单元操作时，利用蒸汽对原料加热；

（3）从反应器分离出来的液相和固相分别进入隔油池和干燥器。在隔油池中完成对液相部分中油和水的分离，将油储存于原油罐中，水则进入水池作为生产中的水源供给生产。固相则进入干燥器，利用加热干燥的方式使残留在固相中的液体以蒸汽形式释放出去，并对蒸汽进行热交换，热量回用，最终的固相则可以作为燃料来供给生产。

从本工艺流程中可以看出，本工艺中水是循环利用的。若处理含水量较高的含有污泥时，将产生过量的污水。设计将过量的废水进入简易的污水净化装置，汇入全厂的污水处理子系统。统筹考虑全厂各种废水的性质和流量后，独立设计水处理达标排放子系统。

在能源方面，本工艺采用“碳中和”的思想来解决能源问题。利用热化学清洗法需要对反应过程加热，而对页岩油污泥的处理并不能完全地提取出其中的原油，干燥后的固相则可以作为燃料提供反应池蒸汽热源，干燥器的热源等。

1.3 DAT-IAT操作单元

鉴于热化学清洗法步骤分为：进料—搅拌—静置—出料，这样一个间歇过程，在连续化，工业化生产中有着诸多不便。活用DAT-IAT工艺，通过改变操作条件和操作方式来实现对页岩油污泥的连续化处理。操作及运行步骤如下：

进料阶段：泥水混合物以一定速率不断进入DAT池，洗涤剂通过投药装置以一定速率进入DAT池。并在池底通过蒸汽加热的方式，使泥水混合物的温度处于60～90 ℃，并连续搅拌；

搅拌阶段：DAT池中连续搅拌，并由导流管不断进入IAT池中，在IAT池中进行间歇搅拌，同样利用控温装置保证IAT池中的处理温度在60 ℃左右；

静置阶段：IAT池中停止进水，停止搅拌，池中泥水混合物开始静置分层，清洗出的油类漂浮在池中最上方，而固体颗粒物则停留在池底；

出料阶段：通过IAT池顶部的滗水器将池中油水混合物取出并排入下一处理单元，固相物质则由池底排出进入干燥器进行干燥处理。

1.4 热化学清洗法

利用热化清洗法处理页岩油污泥，其主要操作参数有：温度、搅拌机速率、pH、洗涤剂种类、洗涤剂用量。

在采用洗涤剂配方为LAS：Na2SiO3=1：2（质量比）的情况下，采用二级清洗可得出最佳操作条件为：当温度为 75 ℃，搅拌器转速为 200 r/min，pH=11，液固比=11，洗涤剂用量为2.8 g/L，含油率为21.2%的样品经一级清洗，残油率可降为0.8%，经二级清洗，残油率可降为0.3%。在工程设计中，应优先考虑温度，加药浓度和清洗液pH对清洗效果的影响。

1.5 工艺设计

基于“碳中和”的理念，运用热化学清洗，对于年处理量为10 000 t/a，页岩油污泥含油率为30%的工程实际做出设计。各主要构筑物的处理效果见表1。

表1 各主要构筑物的处理效果一览表Table 1 List of treatment effects of main structures

设计如下：

（1）格栅：高压泵以15 t/h的速度来提供清洁水冲洗原料，原料以3.0 t/h的速度来进入格栅，对杂质进行分离。

（2）油泥池：原料与水以1：5的比例混合，进行充分搅拌使游离的原油离析出来。处理时间为10 min，设计容积9 m3。

（3）DAT池：原料与水的混合物以一定的速率进入DAT池中，在池中于投加的洗涤剂充分混合，并利用蒸汽加热至 60～90 ℃，连续搅拌，考虑到其后IAT池为间歇进料，DAT池设计容积为28 m3。

（4）IAT池：通过DAT池与IAT池之间的导流装置，物料实现间歇进料，在其中进行间歇搅拌-静置分层-出料的操作，各操作用时为：间歇搅拌（20 min），静止分层（30 min），出料（10 min）。处理时间总计60 min，设计容积为9 m3。

（5）隔油池：IAT池中排出的油水混合物进入到隔油池中，以实现对油和水的分离，采用平流式隔油池，其处理时间为1.5 h，设计容积为30 m3。

（6）干燥器，IAT池中排出的固相废物在其中，被加热到102 ℃，以完成干燥操作，也为间歇性操作，干燥后的固相废物则作为能源供给生产过程。

（7）简易净水装置，设计处理时间为10 min，设计容积为7 m3。

1.6 能量衡算

以原油热值为45 MJ/kg，泥水混合物的比热容近似为4.18 kJ/（kg·℃），泥水混合物由20 ℃被加热到90 ℃，泥水比为1：5为例进行衡算，并对工艺设计的合理性进行探究。

整个工艺中，热源通通来自于页岩油污泥的处理产物固体废物，而在DAT池，干燥器中则需要消耗热量。为计算简便，取1 t油泥来衡算。

热量总消耗包括DAT池中对泥水混合物的加热，以及干燥器中对水分的蒸发。

DAT池：4.18×5×1×1 000×（90-20）=1 463 MJ

干燥器：2 258×15%×1×1 000=338.7 MJ

总热消耗：1 463+338.7=1 801.7 MJ

油泥中残余总热量：45×1×1 000×5%=2 250 MJ

热量消耗1 801.7 MJ＜残余热量2 250 MJ，故能量上而言，是可以实现的。

2 工艺创新点

2.1 DAT-IAT的活用

DAT-IAT工艺是由需氧池（Demand Aeration Tank）以及间歇曝气池（Intermittent Aeration Tank）两个串联的反应池组成的工艺主体构筑物的一种污水处理工艺。由DAT池进水并进行连续曝气，然后进入IAT池完成曝气、沉淀、滗水并排除剩余污泥。而我们在页岩油泥的处理过程中首次引用了DAT-IAT工艺，并进行了如下的改进：

（1）机械搅拌代替曝气。生化处理中，需要使用曝气的方式来提供溶解氧，以维持微生物的生化作用。在页岩油污泥处理过程中需要通过一定速率的机械搅拌来实现水，污泥，洗涤剂的混合来达到较好的处理效果。

（2）利用高温。生化处理中，需要为微生物提供一个相对温和的环境来实现微生物的正常新陈代谢。在页岩油污泥处理过程中需要高温环境以提高乳化效果，增大原油的析出。

2.2 “碳中和”理念的引入

在现阶段，页岩油泥的处理工艺中对于含油泥渣的最终处置方法有固化、填埋、烧砖、生产型煤等。此次我们首次将“碳中和”的理论引入到页岩油泥的处理工艺中，既利用处理产生的页岩油泥渣（含有一定热值）来为装置提供动力及能源，来供给整个生产过程中的能量损耗。

3 结 论

本设计利用“碳中和”的环保理论，在页岩油污泥处理工艺和工程实际方面均提出了一定的方案。

（1）利用“碳中和”理念解决页岩油污泥处理过程中所带来环保问题，利用处理后的页岩油污泥残渣，即“碳排放”，作为能源供给整个生产过程中的能量需求，即“碳输入”。实现了页岩油污泥处理的工业实际中的环保化，无害化目的。

（2）利用热化学清洗法解决页岩油污泥处理过程中的资源化问题，对比国内外对页岩油污泥的处理方式，综合考虑热化学清洗法的优势及操作条件，并将其引入生产中，实现页岩油污泥的资源化。

（3）活用DAT-IAT工艺来解决页岩油污泥处理过程中的连续化处理问题，通过改变操作条件，把污水处理中一个常见的生化处理单元，运用于页岩油污泥的工业化生产中以实现其连续化处理的目的。

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Research on Environmental Treatment Process of Oil Shale Sludge Based on Carbon Neutral

ZHAO Guo-zheng， YAN Hao， XIA Ning ， LI Ying-hua， LI Chang-bo
（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

With the rising of shale oil industry， the pollution of shale oil sludge need be solved. Otherwise it will cause a greater impact on the surrounding environment and people's health. In order to make the oil shale sludge to achieve resource disposal， using the chemical cleaning method can greatly reduce the oil shale sludge， at the same time， a large number of oil can be recycled. Carbon neutral concept gradually transforms from the areas of life to production. The use of this theory can be very good to find the balance between normalization and environmental protection of oil shale. Thermo chemical cleaning method of cleaning the shale oil sludge owns easy process， low investment cost， etc. Changing the DAT-IAT process operating conditions can make that the method is better applied to the industrial production. So the resource and industrialization of shale oil industry through this technology can be realized.

Shale oil sludge； Carbon neutral； Thermo chemical cleaning method； DAT-IAT technology

X 742

A

1671-0460（2015）12-2895-03

2015-07-14

赵国峥（1980-），女，辽宁抚顺人，讲师，硕士，2007年毕业于辽宁石油化工大学环境工程专业，研究方向：工业水处理。E-mail：lcbzgz@163.com。