稠油开采过程中的油泥砂产生于稠油生产的各个过程。稠油粘度高、流动阻力大，会从地层中携带大量油泥砂，另外还有：落地油泥、清罐油泥、浮渣、底泥等。稠油泥砂成分复杂，含油量高，直接外排会造成土壤和大气污染，原油的浪费。据不完全统计，胜利油田每年产生10万吨以上油泥砂，对周边环境造成了严重影响，对油田的持续、高效、清洁发展造成很大压力。
目前，国内外比较成熟的处理方法主要有：萃取法、离心分离法、干燥燃烧法、生物处理、调剖处理法等(见表 1)[1-4]。以上几种方法存在能源回收效率低、处理费用高、处理规模小以及排放难以达标等缺点[5-7]。本文对胜利油田草桥稠油泥砂理化性质进行了研究，提出了稠油泥砂高温燃烧处理技术。该技术在特种燃烧炉内实现了雾化水煤浆与稠油泥砂掺和燃烧，油泥砂中热量得到回收利用，利用两级烟气处理系统及粉尘处理系统，有效地消除了有害气体的二次污染，尾气排放达到国家标准。
本文以胜利油田草桥稠油泥砂为例，进行了实验分析，得出了稠油泥砂的矿物组成，并进行了浸出液毒性分析。
使用X射线衍射分析方法对草桥稠油泥砂进行物象分析，由衍射图可知污泥主要成分为：方解石和粘土，另外含有少量的Fe(NO3)3、PbTiO3、Zn(NO3)2等。
取适量稠油泥砂放入水中浸泡24 h，对浸出液进行毒性分析实验结果如表 2所示。
本文使用溶剂抽提法准确测定了含油污泥的含水量：先用无水石油醚抽提样品中的水分，读取抽提出水的体积，再抽滤剩余混合物，收集滤渣，烘干称重，最后计算出样品中油、水和固相的含量(w , %)。此方法是参照GB 260-77《石油产品水分测定法》进行的。根据上述方法，现场取样，测定结果见表 3。
将雾化水煤浆喷入特种燃烧炉中，在上部燃烧，制造高温环境，温度可达1 000 ℃~1 200 ℃。使用稠油泥砂流态装置将稠油泥砂流态化后，通过高压柱塞泵直接打入管道中，输送至特殊燃烧炉流化床上，实现油泥砂高温流化燃烧。同时有效地进行脱硫、脱氮和烟尘处理。该过程有效地回收了原油燃烧热能，采用两级除尘设备，效率高达98%，消除了二次污染，同时灰渣可以烧砖或铺路，增加了生产附加值。
工艺流程示意图(见图 1)主要由三部分组成：
(1) 稠油泥砂流态装置：加料系统、搅拌系统、柱塞泵。
(2) 特种燃烧炉：燃烧炉主体、送风机。
(3) 尾气处理系统：换热器、布袋除尘器、惯性除尘器。
含油污泥与雾化水煤浆掺和燃烧技术是该技术的关键设计之一，该技术大幅度提高了燃烧温度，使含油污泥能够燃烧彻底，炉内含油污泥的燃烧过程主要分为以下两个阶段：
(1) 含油污泥热解阶段(400 ℃左右)
图 2是含油污泥高温挥发曲线，取两种含油污泥样品1、2在特种燃烧炉中燃烧，测定不同温度下挥发量的挥发特征曲线。由图 2可看出，200 ℃以下挥发量很少，300 ℃~600 ℃有较高的挥发量，600 ℃以后趋于稳定，挥发物质极少，其中400 ℃~450 ℃是含油污泥中原油热解的转折点。在试验的初始阶段主要是污泥中的水分受热汽化蒸发，而随着温度的继续升高，原油中的低分子物质开始气化燃烧，然后大分子逐步裂解成小分子。该过程主要的化学反应如下：
断链反应：
脱氢反应：
缩合反应：
不完全氧化反应：
完全氧化反应：
该阶段部分轻质组分与空气中氧气主要发生不完全氧化反应，生成CO，同时伴随小部分的烃类完全氧化。
(2) 高温裂解及燃烧阶段(750 ℃~1 200 ℃)
当温度高于750 ℃时，已远远超过轻质组分的燃烧点，在充足氧气供给情况下，轻质组分大量燃烧生成H2O及CO2，释放大量的热，促进原油进一步发生高温裂解反应，产生更多轻质组分，维持氧化反应的进行。在此温度下，混合掺入的水煤浆已经开始燃烧，使炉腔的温度迅速达到1 000 ℃以上。当温度超过1 000 ℃后，媒体物料中的石灰石在流化床运行温度下煅烧生成CaO，与烟气中的SO2反应生成CaSO4，从而抑制SO2的排放。流化床运行温度控制在1 000 ℃~1 200 ℃的范围内，有效地控制热力型NOX的形成和避免炉内结焦。另外在燃烧室出口设有分离回收装置，被热烟气带出的媒体物料和较大的油泥砂颗粒团被分离扑捉，返回燃烧室下部密相区实现循环燃烧，从而获得高的燃烧效率，同时也减少了媒体物料的损失。这一阶段主要的化学反应式如下：
高温裂解反应：
高温煅烧石灰石:
除硫反应：
利用稠油泥砂高温燃烧技术对以上所取4种样品进行了试验。对燃烧时炉膛温度、燃烧后产物及废气排放物的组分进行了检测，结果如表 4、表 5、表 6。
表 4示出，随着含油量的增加，炉膛内燃烧温度逐渐升高，最高达到1 185 ℃。从表 5中可以看出，燃烧产生的烧渣中含油量很低，含油率为0.02%~0.08%，达到了国家规定的含油污泥排放标准(GB 4284－1984)中矿物油的最大质量分数0.3%的要求。含油量越高的油泥砂燃烧温度越高，燃烧越充分、燃烧产物含油率越低。对废气进行烟气检测，结果如表 6。经过处理的废气排放物均远低于《生活垃圾燃烧污染控制标准》(GB 18485-2001)中大气污染物排放限值的要求。
(1) 稠油泥砂成分复杂，含有重金属，任意排放会严重污染环境。
(2) 自行设计的稠油泥砂高温燃烧工艺实现了含油污泥和雾化水煤浆掺和燃烧。1000 ℃~1200 ℃的高温确保了油泥砂的充分燃烧。
(3) 稠油泥砂流态装置实现了油泥砂的管道输送和连续供料，体现了该工艺的清洁、安全、环保的特点。
(4) 高温燃烧后的渣相可以铺路或用作建筑原料，油泥中的热量被收集用于发电，具有极佳的经济效益。采用两级除尘装置，除尘效率达98%，真正实现了油泥砂的无害化处理，体现了良好的环境效益。
2011, Vol. 40 Issue (2): 204-207
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