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.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山 063200；

2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500；

3.唐鋼國際工程技術有限責任公司，河北唐山 063100；

4.西南交通大學電氣工程學院，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)保科技有限公司，河北唐山 063000）

摘 要：在冷軋板材的生產(chǎn)過程中，為了減少板帶與軋輥間的摩擦，冷卻軋輥和控制板型，通常使用乳化液進行冷卻、潤滑，但在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多細小鐵粉并不斷進入乳化液中，為使乳化液保持潔凈，普遍采用磁過濾裝置除去乳化液中的鐵粉，導致產(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)、社會的環(huán)保帶來極大地壓力，亟待合理有效的無害化處理、利用方案的研究。本文通過對含油污泥各種處理方法的比較、分析，提出采用過熱蒸汽噴射處理工藝的方案并進行試用和分析，結果表明該方案確實能夠有效的實現(xiàn)含油污泥的的處理和資源化利用，效益顯著。

關鍵詞：冷軋板材；含油污泥；過熱蒸汽噴射；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雜性，含有大量病原體，屬于危險固廢(HW09)，長期放置將導致嚴重的二次污染，是一種重要污染源，導致環(huán)保訴求非常迫切^[1]。

目前我國含油污泥的年產(chǎn)量已達400萬噸，但其無害化處理率卻相當?shù)停鎸@樣龐大的危廢處理市場，國內形成了多元化油泥處置技術并存的局面^[2]，處理效果參差不齊，也均相對較差。然而，挑戰(zhàn)與機遇并存，在含油污泥資源化處理的方案選擇中，要以環(huán)境保護為中心，按照“適用、安全、經(jīng)濟、高效”的原則。含油污泥處理工藝選擇應以“減量化、資源化”為目標，兼顧社會效益和經(jīng)濟效益，外加旺盛的市場需求量，本項目的研究勢在必行^[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)境又浪費資源。

1.2與轉爐OG泥混合返燒結利用

與轉爐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，與轉爐0G一起混合返燒會增加原系統(tǒng)阻力，降低其運行效率甚至嚴重時會導致堵管的現(xiàn)象,因此該方法不適合作為長期的處理方案^[7]。

1.3破乳分離法

首先對廢乳化液進行破乳的操作，使油、水分離并絮凝油泥，其次對分離后的油泥進行蒸餾，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，對燒結礦堿度及含碳量也有干擾，增加了燒結生產(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→基礎油^[8]。此方法處理時間長，需要添加多種藥劑，鐵粉無法二次利用。

1.6高壓靜電破乳和化學精制組合工藝

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

鑒于以上現(xiàn)狀，技術人員經(jīng)多次深入調研 考察對比分析各種含油污泥處理方法，最終采用過熱蒸汽噴射處理技術。該技術是專門針對國內含油污泥無法實現(xiàn)資源化利用，從航天發(fā)動機技術中轉化的一種民用含油污泥處理技術，具有安全、高效、環(huán)保等特點，具有較高的推廣價值。

2   超音速過熱蒸汽噴射技術處理方案

2.1  超音速過熱蒸汽噴射工作原理

超音速過熱蒸汽噴射含油污泥處理技術主要工作原理是通過鍋爐產(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 過熱蒸汽與油泥作用原理圖

過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，將會形成壓縮波；在這種情況下即形成一個壓縮膨脹波系結構。當氣體經(jīng)過壓縮波時，將受到突然、強烈的壓縮，形成強烈的摩擦和熱傳導。因此可以增強過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，達到瞬間干化污泥的效果^[11]。

如圖2所示，該設備的優(yōu)勢就在于增加了與油泥顆粒相接觸的高溫蒸汽的動能，高溫蒸汽以超音速從特制噴嘴中噴出，與油泥顆粒碰撞時蒸汽蘊含的巨大動能大大提高了石油類和水分從顆粒內部滲出速度，快速打破了含油污泥中油包水、水包油的物質形態(tài)，使油分和水分與顆粒物質瞬時分開^[12]。

圖2 激波快速破碎油泥顆粒及加速內部水分蒸發(fā)原理圖

技術特點：a.本質安全。在絕氧狀態(tài)下進行高溫處理，且不使用明火；b.清潔環(huán)保。以蒸汽為熱源，處理過程不使用化學藥劑，不造成二次污染；c.自動化程度高。遠程監(jiān)控下全自動運行，遇緊急狀態(tài)能夠自動報警并停機；d.殘渣含油含水率低。殘渣含油率低于1%，含水率低于5%；e.有效回收油品。回收油含水率低，重金屬含量低；f.燃料多樣性。可選擇天然氣、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)過篩選的油泥通過上料設備進入SOSS油泥干化設備進行深度減量、脫油處理，過熱蒸汽噴射含油污泥處理技術主要工作原理是通過鍋爐產(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入除塵設備中進行氣固分離，搜集的達標干灰可再次利用。油水混合蒸汽經(jīng)冷凝后進行油水分離，油份同樣可以再次利用，污水排入污水處理站。

圖3 油泥處理設備的工藝流程圖

2.3 系統(tǒng)組成

過熱蒸汽噴射含油污泥處理設備主要包括以下五個子系統(tǒng)，其現(xiàn)場處理設備如圖4所示。

圖4 40t/y油泥處理設備的現(xiàn)場設備

（1）過熱蒸汽生成系統(tǒng)：提供處理設備所需的熱量，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、水平螺旋輸送機。輔助出料系統(tǒng)輸送量為300kg/h，含2m³料斗、破碎機、水平螺旋輸送機。

（3）污泥干化系統(tǒng)：該分系統(tǒng)是處理設備最關鍵的部件，在這里含油污泥和過熱蒸汽進行了充分的碰撞、接觸，實現(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)工藝說明及功能要求確定，以SiemensPLC為中央控制器，完成各種開關量的采集與輸出。手自動控制功能主要由一個手自動選擇開關、六個啟停選擇開關和兩個控制自動運行啟停按鈕構成，其中六個啟停選擇開關在手自動選擇開關為手動條件下有效（由PLC控制器判斷），實現(xiàn)蒸汽電磁閥、燃燒器、刮板電動機、物料輸送電動機、破碎器電動機和殘渣輸送電動機的啟停；兩個控制自動運行啟停按鈕在手自動選擇開關為自動狀態(tài)下有效，實現(xiàn)整個過程的自動啟停運行。上述元件均向控制器提供開關量信號，通過控制器實現(xiàn)對應功能。

a.油泥分離處理器進出口溫度檢測、顯示與信號輸出

b.燃燒器控制策略

c.電動機及排水泵的控制實現(xiàn)

d.報警、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

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。通過采集該冷軋廠的油泥樣品，做油、水含量檢測，檢測結果如下：

表1 油和水含量檢測結果

3.2 中試結果

針對某冷軋廠提供的含油污泥，采用超音速過熱蒸汽噴射處理方案，成功實現(xiàn)了油、水和鐵粉的分離，干粉可做為煉鐵原料使用，油品可做為基礎油使用，水可進入冷卻系統(tǒng)循環(huán)使用。經(jīng)過處理后，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）分析結果如下：

表2 分離出的鐵粉（干粉）分析結果

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

圖5 現(xiàn)場采集的處理后鐵粉（干粉）圖片

3.3 效益分析

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

⑴ 耗電量：

總電耗：約200千瓦時/噸泥（以0.5元/度電）

電費：約100元/噸泥

⑵ 原料費：

燃料耗量：約560Nm³轉爐煤氣/噸油泥　　（以0.2元/Nm³轉爐煤氣）

燃料費：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：約225元/噸油泥

水用量：約2噸/噸泥（以1.2元/噸水）

水費：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元計算，年可創(chuàng)效81.4萬元。

按照年處理量450t含油污泥，每噸處理費用439.4元計算，年處理費用19.77萬元，加上人工費用每年15萬元，合計年處理費用34.77萬元。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)生費用135萬元。合計每年可創(chuàng)效135+81.4-33.47=182.93萬元。

4  結論

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

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