冷軋廠含油污泥資源化利用方案研究

孫  潔^1,5,6，孫超群¹，劉志軍²，王德勝³，劉靜偉⁴，張瑞新^5,6

(1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063200；

2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500；

3.唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限責(zé)任公司，河北唐山 063100；

4.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031；

5.唐山睿澤爾科技有限公司，河北唐山 063000；

6.柯美瑞（唐山）環(huán)?？萍加邢薰荆颖碧粕?063000）

摘 要：在冷軋板材的生產(chǎn)過(guò)程中，為了減少板帶與軋輥間的摩擦，冷卻軋輥和控制板型，通常使用乳化液進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑，但在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)小鐵粉并不斷進(jìn)入乳化液中，為使乳化液保持潔凈，普遍采用磁過(guò)濾裝置除去乳化液中的鐵粉，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的含有鐵粉的含油污泥。含油污泥作為危廢，給企業(yè)、社會(huì)的環(huán)保帶來(lái)極大地壓力，亟待合理有效的無(wú)害化處理、利用方案的研究。本文通過(guò)對(duì)含油污泥各種處理方法的比較、分析，提出采用過(guò)熱蒸汽噴射處理工藝的方案并進(jìn)行試用和分析，結(jié)果表明該方案確實(shí)能夠有效的實(shí)現(xiàn)含油污泥的的處理和資源化利用，效益顯著。

關(guān)鍵詞：冷軋板材；含油污泥；過(guò)熱蒸汽噴射；資源化

0  引言

含油污泥是鐵粉與軋制油的混合物，鐵粉被油污包裹，油泥本身的成分具有復(fù)雜性，含有大量病原體，屬于危險(xiǎn)固廢(HW09)，長(zhǎng)期放置將導(dǎo)致嚴(yán)重的二次污染，是一種重要污染源，導(dǎo)致環(huán)保訴求非常迫切^[1]。

目前我國(guó)含油污泥的年產(chǎn)量已達(dá)400萬(wàn)噸，但其無(wú)害化處理率卻相當(dāng)?shù)停鎸?duì)這樣龐大的危廢處理市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)形成了多元化油泥處置技術(shù)并存的局面^[2]，處理效果參差不齊，也均相對(duì)較差。然而，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，在含油污泥資源化處理的方案選擇中，要以環(huán)境保護(hù)為中心，按照“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、高效”的原則。含油污泥處理工藝選擇應(yīng)以“減量化、資源化”為目標(biāo)，兼顧社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，外加旺盛的市場(chǎng)需求量，本項(xiàng)目的研究勢(shì)在必行^[3-6]。

1 各種含油污泥處理方法的比較

1.1燃燒或者掩埋

既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源。

1.2與轉(zhuǎn)爐OG泥混合返燒結(jié)利用

與轉(zhuǎn)爐0G泥混合返燒利用,方案工藝流程為：

廢乳化液→鐵廠→OG→泥噴漿。由于廢乳化液含油量為40％左右,黏度大，與轉(zhuǎn)爐0G一起混合返燒會(huì)增加原系統(tǒng)阻力，降低其運(yùn)行效率甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致堵管的現(xiàn)象,因此該方法不適合作為長(zhǎng)期的處理方案^[7]。

1.3破乳分離法

首先對(duì)廢乳化液進(jìn)行破乳的操作，使油、水分離并絮凝油泥，其次對(duì)分離后的油泥進(jìn)行蒸餾，最后回收油和鐵。因廢乳化液黏度大，且鐵粉被油包覆，分離難度很大，處理效果不理想。

1.4壓球返高爐利用方案

將石灰或焦粉和廢乳化液混合后，按一定比例進(jìn)行壓球，制成類似搗固焦產(chǎn)品，直接返回高爐利用。此方法不但產(chǎn)生大量煙塵，造成環(huán)境污染，對(duì)燒結(jié)礦堿度及含碳量也有干擾，增加了燒結(jié)生產(chǎn)工藝控制的難度。

1.5凝聚法配合離心分離、 白土吸附回收工藝

凝聚法配合離心分離、白土吸附，回收工藝流程：沉淀→離心脫水、脫渣→凝聚精制      →白土吸附→基礎(chǔ)油^[8]。此方法處理時(shí)間長(zhǎng)，需要添加多種藥劑，鐵粉無(wú)法二次利用。

1.6高壓靜電破乳和化學(xué)精制組合工藝

基本工藝是將濃縮廢乳化液先在沉降罐中加熱進(jìn)行沉降、過(guò)濾，然后用泵送入高壓靜電設(shè)備破乳，處理后的產(chǎn)品加入聚合沉降劑后一起進(jìn)入分離罐分離，從分離罐放出下層的水分和雜質(zhì)，中間層返回再循環(huán)加工，上層進(jìn)入真空塔進(jìn)行脫水處理，再輔以化學(xué)藥劑進(jìn)行精制^[9]。此方法工藝投資大，運(yùn)行成本相對(duì)較高，操作運(yùn)行復(fù)雜。

鑒于以上現(xiàn)狀，技術(shù)人員經(jīng)多次深入調(diào)研 考察對(duì)比分析各種含油污泥處理方法，最終采用過(guò)熱蒸汽噴射處理技術(shù)。該技術(shù)是專門針對(duì)國(guó)內(nèi)含油污泥無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源化利用，從航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中轉(zhuǎn)化的一種民用含油污泥處理技術(shù)，具有安全、高效、環(huán)保等特點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。

2   超音速過(guò)熱蒸汽噴射技術(shù)處理方案

2.1  超音速過(guò)熱蒸汽噴射工作原理

超音速過(guò)熱蒸汽噴射含油污泥處理技術(shù)主要工作原理是通過(guò)鍋爐產(chǎn)生的超高溫蒸汽，蒸汽溫度為500～550℃，經(jīng)特制噴嘴以2Ma速度噴出，與油泥顆粒正面碰撞，在高溫作用及高速所產(chǎn)生的沖量作用下將油泥中所吸附或包含的油分和水分蒸出^[10]，如圖1所示。

圖1 過(guò)熱蒸汽與油泥作用原理圖

過(guò)熱蒸汽超音速噴管射流的噴射出口處為欠膨脹狀態(tài)，噴管出口為斜激波，射流壓力場(chǎng)表現(xiàn)為膨脹波和壓縮波相互交替的現(xiàn)象。壓縮波使核心區(qū)域速度下降，壓力升高，壓力升高到一定程度，開(kāi)始形成膨脹波；膨脹波使核心區(qū)域速度升高，壓力下降，壓力下降到一定程度，將會(huì)形成壓縮波；在這種情況下即形成一個(gè)壓縮膨脹波系結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)壓縮波時(shí)，將受到突然、強(qiáng)烈的壓縮，形成強(qiáng)烈的摩擦和熱傳導(dǎo)。因此可以增強(qiáng)過(guò)熱蒸汽和污泥之間的換熱，加速污泥中灰分、油分和水分的分離，達(dá)到瞬間干化污泥的效果^[11]。

如圖2所示，該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)就在于增加了與油泥顆粒相接觸的高溫蒸汽的動(dòng)能，高溫蒸汽以超音速?gòu)奶刂茋娮熘袊姵?，與油泥顆粒碰撞時(shí)蒸汽蘊(yùn)含的巨大動(dòng)能大大提高了石油類和水分從顆粒內(nèi)部滲出速度，快速打破了含油污泥中油包水、水包油的物質(zhì)形態(tài)，使油分和水分與顆粒物質(zhì)瞬時(shí)分開(kāi)^[12]。

圖2 激波快速破碎油泥顆粒及加速內(nèi)部水分蒸發(fā)原理圖

技術(shù)特點(diǎn)：a.本質(zhì)安全。在絕氧狀態(tài)下進(jìn)行高溫處理，且不使用明火；b.清潔環(huán)保。以蒸汽為熱源，處理過(guò)程不使用化學(xué)藥劑，不造成二次污染；c.自動(dòng)化程度高。遠(yuǎn)程監(jiān)控下全自動(dòng)運(yùn)行，遇緊急狀態(tài)能夠自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)；d.殘?jiān)秃实?。殘?jiān)吐实陀?%，含水率低于5%；e.有效回收油品?；厥沼秃实停亟饘俸康?；f.燃料多樣性?？蛇x擇天然氣、液化石油氣、柴油、煤氣等燃料。

2.2 工藝流程

本方案采用的油泥處理工藝如圖3所示，經(jīng)過(guò)篩選的油泥通過(guò)上料設(shè)備進(jìn)入SOSS油泥干化設(shè)備進(jìn)行深度減量、脫油處理，過(guò)熱蒸汽噴射含油污泥處理技術(shù)主要工作原理是通過(guò)鍋爐產(chǎn)生的超高溫蒸汽，蒸汽溫度為500～550℃，經(jīng)特制的噴嘴以2Ma速度噴出，與油泥顆粒正面碰撞，在高溫作用及高速所產(chǎn)生的沖量作用下將油泥中所吸附或包含的油分和水分蒸出。干化后的氣固兩相混合物進(jìn)入除塵設(shè)備中進(jìn)行氣固分離，搜集的達(dá)標(biāo)干灰可再次利用。油水混合蒸汽經(jīng)冷凝后進(jìn)行油水分離，油份同樣可以再次利用，污水排入污水處理站。

圖3 油泥處理設(shè)備的工藝流程圖

2.3 系統(tǒng)組成

過(guò)熱蒸汽噴射含油污泥處理設(shè)備主要包括以下五個(gè)子系統(tǒng)，其現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備如圖4所示。

圖4 40t/y油泥處理設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

（1）過(guò)熱蒸汽生成系統(tǒng)：提供處理設(shè)備所需的熱量，是系統(tǒng)處理能力的體現(xiàn)。

（2）含油污泥輸送系統(tǒng)：輸送量為300kg/h，含2m³料斗、破碎機(jī)、水平螺旋輸送機(jī)。輔助出料系統(tǒng)輸送量為300kg/h，含2m³料斗、破碎機(jī)、水平螺旋輸送機(jī)。

（3）污泥干化系統(tǒng)：該分系統(tǒng)是處理設(shè)備最關(guān)鍵的部件，在這里含油污泥和過(guò)熱蒸汽進(jìn)行了充分的碰撞、接觸，實(shí)現(xiàn)了油、水分與泥砂的分離。干化處理器效率為40噸/年。

（4）氣固分離系統(tǒng)：分離后的水蒸氣和干化后的干灰在離心力的作用下進(jìn)行分離，干灰得到收集。

（5）冷凝冷卻系統(tǒng)：分離后的油蒸氣和水蒸汽在該系統(tǒng)進(jìn)行冷卻分離，從而提取油份。

（6）控制系統(tǒng)

該方案的控制系統(tǒng)主要根據(jù)工藝說(shuō)明及功能要求確定，以SiemensPLC為中央控制器，完成各種開(kāi)關(guān)量的采集與輸出。手自動(dòng)控制功能主要由一個(gè)手自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)、六個(gè)啟停選擇開(kāi)關(guān)和兩個(gè)控制自動(dòng)運(yùn)行啟停按鈕構(gòu)成，其中六個(gè)啟停選擇開(kāi)關(guān)在手自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)為手動(dòng)條件下有效（由PLC控制器判斷），實(shí)現(xiàn)蒸汽電磁閥、燃燒器、刮板電動(dòng)機(jī)、物料輸送電動(dòng)機(jī)、破碎器電動(dòng)機(jī)和殘?jiān)斔碗妱?dòng)機(jī)的啟停；兩個(gè)控制自動(dòng)運(yùn)行啟停按鈕在手自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)為自動(dòng)狀態(tài)下有效，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)啟停運(yùn)行。上述元件均向控制器提供開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。

a.油泥分離處理器進(jìn)出口溫度檢測(cè)、顯示與信號(hào)輸出

b.燃燒器控制策略

c.電動(dòng)機(jī)及排水泵的控制實(shí)現(xiàn)

d.報(bào)警、急停和狀態(tài)指示

e.蒸汽管路控制

3 處理效果及效益分析

3.1 含油污泥的成分檢測(cè)

某冷軋廠現(xiàn)有850冷軋一條四聯(lián)軋，一條三聯(lián)軋，1500冷軋三條單機(jī)架，850冷軋和1500冷軋共5條生產(chǎn)線，每月產(chǎn)生污泥約40噸，年產(chǎn)污泥約480噸。通過(guò)采集該冷軋廠的油泥樣品，做油、水含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：

表1 油和水含量檢測(cè)結(jié)果

3.2 中試結(jié)果

針對(duì)某冷軋廠提供的含油污泥，采用超音速過(guò)熱蒸汽噴射處理方案，成功實(shí)現(xiàn)了油、水和鐵粉的分離，干粉可做為煉鐵原料使用，油品可做為基礎(chǔ)油使用，水可進(jìn)入冷卻系統(tǒng)循環(huán)使用。經(jīng)過(guò)處理后，鐵粉（干粉）含油率在1%以下，油的含水率在500ppm以下，分離出的鐵粉（干粉）分析結(jié)果如下：

表2 分離出的鐵粉（干粉）分析結(jié)果

其中，TFe是指全鐵，即鐵元素在干渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。現(xiàn)場(chǎng)采集的處理后鐵粉（干粉）如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)采集的處理后鐵粉（干粉）圖片

3.3 效益分析

生產(chǎn)成本包括動(dòng)力費(fèi)、原料費(fèi)（未考慮工資及福利費(fèi)、折舊折耗費(fèi)、維護(hù)及修理費(fèi)以及其它直接費(fèi)等）。

⑴ 耗電量：

總電耗：約200千瓦時(shí)/噸泥（以0.5元/度電）

電費(fèi)：約100元/噸泥

⑵ 原料費(fèi)：

燃料耗量：約560Nm³轉(zhuǎn)爐煤氣/噸油泥　?。ㄒ?.2元/Nm³轉(zhuǎn)爐煤氣）

燃料費(fèi)：約112元/噸油泥

飽和蒸汽用量：約2.25 噸/噸油泥（以 100元/噸飽和蒸汽）

飽和蒸汽費(fèi)：約225元/噸油泥

水用量：約2噸/噸泥（以1.2元/噸水）

水費(fèi)：約2.4元/噸油泥

總處理成本：439.4 元/噸油泥

參照含油污泥的檢測(cè)數(shù)據(jù)：含水率15%，含油率41.7%，鐵粉（干粉）含量34.59%。按照年處理量450t含油污泥計(jì)算，經(jīng)處理后可收得鐵粉約156t，油品188t，鐵粉每噸1000元，油品每噸3500元計(jì)算，年可創(chuàng)效81.4萬(wàn)元。

按照年處理量450t含油污泥，每噸處理費(fèi)用439.4元計(jì)算，年處理費(fèi)用19.77萬(wàn)元，加上人工費(fèi)用每年15萬(wàn)元，合計(jì)年處理費(fèi)用34.77萬(wàn)元。按照年產(chǎn)量450t含油污泥，全部外送處理，每噸3000元，每年發(fā)生費(fèi)用135萬(wàn)元。合計(jì)每年可創(chuàng)效135+81.4-33.47=182.93萬(wàn)元。

4  結(jié)論

通過(guò)對(duì)某冷軋廠的提供的含油污泥，采用超高音速過(guò)熱蒸汽噴射處理方案進(jìn)行資源化處理的試用過(guò)程及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，該資源化利用方案有效地對(duì)含油污泥進(jìn)行了處置利用。含油污泥是一種可貴的二次資源，對(duì)含油污泥進(jìn)行處理和污油回收，不僅會(huì)減輕污染，消除環(huán)境、安全隱患，而且能回收大量的資源，產(chǎn)生良好的社會(huì)環(huán)境效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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