馬蒸釗，謝江浩，邵天澤，肖成磊，劉 濤

（1.中海石油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司，天津 300452； 2.天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300450；3.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300452）

0 前言

含油污泥是在原油開發(fā)、儲運(yùn)和煉化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要廢物之一。 《國家危險廢物目錄》規(guī)定：含油污泥屬于危險廢物類。 隨著原油的不斷開采與加工，含油污泥的產(chǎn)生量不斷增加。 據(jù)了解，我國的原油開采量從1990 年的13 830.6萬 t，逐年增加到了 2015 年 21 455.6 萬 t，而原油中的含油污泥含量為2%～5%。 因此，僅在原油開采領(lǐng)域，我國的含油污泥年產(chǎn)量已超過了100 萬t，而在原油的加工領(lǐng)域，含油污泥的產(chǎn)量也是逐年增加的[1]。

含油污泥產(chǎn)生的途徑主要包括原油開采、油氣運(yùn)輸和石油加工。 這3 種途徑產(chǎn)生的含油污泥中一般含有大量的老化原油、 蠟質(zhì)、 瀝青質(zhì)、膠體、細(xì)菌、寄生蟲等有機(jī)質(zhì)，以及苯系物、酚類、蒽、芘等有惡臭的有毒物質(zhì)，如果不及時處理，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2]，[3]。 因此，無論是從環(huán)保角度出發(fā)，還是從回收能源的角度出發(fā)，尋求處理含油污泥的有效方法，均具有重要意義。

目前，含油污泥的處理方法包括：焚燒法、生物處理法、 熱解吸法、 熱洗滌法、 化學(xué)破乳法、調(diào)質(zhì)-機(jī)械分離法、焦化法、調(diào)剖法以及電化學(xué)法等[4]～[7]。其中，焚燒法具有減重減容率高、處理量大、處理速度快、無害化徹底、余熱可用于發(fā)電或供熱等優(yōu)點(diǎn)[8]，[9]。 隨著計算機(jī)的發(fā)展和傳熱質(zhì)模型的逐漸完善，數(shù)值模擬已成為研究含油污泥燃燒及污染物生成過程的有效手段[10]。

國內(nèi)外學(xué)者在污泥燃燒特征的數(shù)值模擬方面做了大量的研究工作。 張悠然建立了污泥混燒最適比例的求解模型，研究了水泥窯污泥燃燒過程中的污染物排放情況[9]。 盧閃[11]基于CFD 模擬了污泥流化床中的溫度場和主要污染物的排放特性。 在Yang Y B 研究的基礎(chǔ)上[12]，本文利用FLIC計算軟件對某油田含油污泥的焚燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計算分析焚燒產(chǎn)物、爐內(nèi)固體殘留物的含量以及氣體和固體的溫度分布特征。

1 模型建立

1.1 物理模型參數(shù)及基本假設(shè)

圖1 為反應(yīng)爐的示意圖。

圖1 反應(yīng)爐的示意圖Fig.1 The schematic diagram of the reactor

反應(yīng)爐為固定床焚燒爐，燃燒室的高度為1.5 m，內(nèi)徑為200 mm。 爐排位于爐膛底部，由不銹鋼孔板組成，孔板開孔數(shù)約為700 個，每個小孔的直徑為2 mm，開孔率為7%。 燃燒器位于反應(yīng)爐上部，燃燒從爐體上部向下部延伸。

一維燃燒模型假設(shè)如下。

①在進(jìn)行數(shù)學(xué)計算時，假定固定床層不動，床層上的氣體和固體溫度、氣體和固體成分的含量可以描述為一維床層高度的函數(shù)。

②假設(shè)床層為多孔介質(zhì)，固態(tài)和氣態(tài)之間可以進(jìn)行熱質(zhì)傳遞，顆粒的形狀為球形；采用數(shù)值方法，將整個床層沿床高分成許多薄層（層的厚度遠(yuǎn)小于顆粒的尺寸），每一層內(nèi)主要顆粒的參數(shù)假定為均勻的。

③固體燃料假定由4 種成分組成，即水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分，具體的元素組成為C，H，O，N 和 S。

1.2 控制方程

氣相連續(xù)方程：

式中：φ 為物料空隙率，%； ρg為氣體密度，kg/m3；t 為反應(yīng)時間，s；x 為床層高度（x=0 時，表示床層底部），m； Vg為氣體表觀速度，m/s；Ssg為氣固轉(zhuǎn)化率，kg/（m3·s）。

氣相輸運(yùn)方程：

式中：Yig為組分 i（H2，H2O，CO，CO2，CmHnOl）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；SYig為質(zhì)量源，kg/（m3·s）；Dig為包含擴(kuò)散和湍流分布的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

氣相能量方程：

式中：Hg為氣體焓，J/kg； Qh為燃燒熱，W/m3；Tg為氣體溫度，K；Ts為固體溫度，K；Sa為顆粒的表面積，m2； hs′為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）； λg為熱擴(kuò)散系數(shù)，W/（m·K）。

固相連續(xù)方程：

式中： ρp為含油污泥的密度，kg/m3； Vs為床層的下移速度，m/s。

固相物質(zhì)守恒方程：

式中：Yis為顆粒組成（水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；SYis為質(zhì)量源，表示單組分（水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分）的損失，kg/（m3·s）。

固相能量方程：

式中：qr為徑向熱流密度，W/m2；Qsh為固相熱源，W/m3。

1.3 爐內(nèi)輻射換熱

輻射換熱是爐內(nèi)物料之間的主要換熱方式，輻射換熱模型可用以下方程表示。

2 數(shù)學(xué)方程求解與邊界條件

除輻射換熱外，控制方程均可以表示為以下形式。

式中：ρ 為密度，kg/m3；V 為速度，m/s；Φ為求解參數(shù)；λ 為傳輸系數(shù)，W/（m·K）； SΦ為源項(xiàng)，kg/（m3·s）。

整個求解區(qū)域被分割為很多小單元，并在小單元上對上式進(jìn)行離散，用SIMPLE 算法進(jìn)行數(shù)值求解。 輻射方程用四階龍格-庫塔方法進(jìn)行求解。整個計算區(qū)域被劃分為400 個小單元體，燃燒反應(yīng)溫度為1 170 K，輻射率為0.8，床層空隙率為0.65。

計算區(qū)域包含了床層高度以上的200 mm，床層底部的空氣溫度和流速由運(yùn)行條件給出，即，x=0 時，Tg=298 K，Vg=5 m/s。

固相邊界條件：床層底部和頂部的表面溫度假定為第三邊界條件。

3 結(jié)果與討論

3.1 含油污泥焚燒產(chǎn)物計算

本文所用含油污泥的含油率為3.38%，含油污泥的焚燒過程中的主要產(chǎn)物包括H2，CO，CO2和 H2O。 含油污泥的工業(yè)分析（以收到基為準(zhǔn)）與元素分析（以空氣干燥基為準(zhǔn)）結(jié)果見表1。

表1 含油污泥的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of oily sludge

含油污泥焚燒過程中，反應(yīng)爐內(nèi)不同床層高度處的CO 濃度的變化情況如圖2 所示。 從圖2可以看出： 在105.4 mm 處，CO 濃度的最大值為2.98%；由于反應(yīng)爐底部的溫度較低，54.79 mm 處的 CO 平均濃度為 0.33%；在 248.7 mm 處，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO 濃度呈現(xiàn)出近似線性的上升趨勢，最終達(dá)到2.43%。這是因?yàn)榉磻?yīng)爐中部的溫度較高，O2濃度較小，含油污泥燃燒不充分，導(dǎo)致CO 濃度快速升高。

圖2 不同床層高度的CO 濃度Fig.2 The concentration of CO at different reactor layer

CO2是含油污泥焚燒過程中的主要產(chǎn)物，反應(yīng)爐內(nèi)不同床層高度處的CO2濃度的變化情況如圖3 所示。 從圖3 可以看出： 在不同高度處，CO2的濃度變化均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；在349.8 mm 處，從反應(yīng)剛開始就有CO2生成，并在700 s時達(dá)到峰值（19.45%）；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其他高度處的CO2濃度也快速增加； 在反應(yīng)結(jié)束時，爐體下部（54.79 mm 處）的 CO2濃度可達(dá)到 9.6%，這也表明反應(yīng)即將結(jié)束。

圖3 不同床層高度的CO2 濃度Fig.3 The concentration of CO2 at different reactor layer

反應(yīng)爐內(nèi)不同床層高度處的H2O 濃度的變化情況如圖4 所示。

圖4 不同床層高度的H2O 濃度Fig.4 The concentration of H2O at different reactor layer

從圖4 可以看出：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，不同高度處的H2O 濃度均呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢；在反應(yīng)開始時，349.8 mm 處的H2O 濃度最大，可達(dá)46.54%，這是因?yàn)槲锪线M(jìn)入反應(yīng)爐后，在較高溫度條件下，物料首先進(jìn)行干燥脫水，大量的水分在這一階段被蒸發(fā)出來，這一過程也伴隨著吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致爐體溫度下降。 隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，爐內(nèi)溫度逐漸升高，熱解和燃燒反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)作用，隨著時間的推移，H2O 的濃度逐漸下降。在反應(yīng)爐底部54.79 mm 處，H2O 的濃度基本保持平穩(wěn)。

3.2 含油污泥焚燒過程中殘留物計算

不同床層高度處殘留揮發(fā)分濃度的變化情況如圖5 所示。

圖5 不同床層高度的揮發(fā)分濃度Fig.5 The concentration of volatile at different reactor layer

從圖5 可以看出：每一個高度上，揮發(fā)分濃度均呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢，這是因?yàn)樵诜磻?yīng)器中，含油污泥中的原油成分均要經(jīng)過加熱分解的階段，使得含油污泥中的揮發(fā)性物質(zhì)大量析出，原油中的有機(jī)成分分解為小分子氣體或有機(jī)物，從而造成了揮發(fā)分濃度迅速增大的現(xiàn)象；隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，這些揮發(fā)分和氧氣發(fā)生反應(yīng)，揮發(fā)分濃度快速降低直至徹底氧化。 由于揮發(fā)分的析出速率一定，所以在相同床層高度內(nèi)析出的揮發(fā)分的量相當(dāng)，每一層的揮發(fā)分濃度最大可達(dá)82.4%。

不同床層高度處殘留固定碳含量的變化情況如圖6 所示。在含油污泥的燃燒過程中，固定碳只是一個中間產(chǎn)物，即一部分含油污泥發(fā)生部分熱解和氣化，從而會產(chǎn)生固定碳。 從圖6 可以看出，不同高度處的固定碳的產(chǎn)生過程均非常迅速，在燃燒界面運(yùn)動到床層之前，床層中的固定碳的含量通常很低，約為4%，但隨著燃燒界面的臨近，固定碳的含量會迅速增大，最大可達(dá)54%～56%。由于氧氣的參與，這些在熱解和氣化過程中產(chǎn)生的固定碳會迅速和氧氣反應(yīng)生成CO 和CO2，并放出熱量。由于爐層底部燃燒反應(yīng)進(jìn)行得不徹底，布風(fēng)板處的固定碳的含量幾乎不變。

圖6 不同床層高度的固定碳含量Fig.6 The concentration of char at different reactor layer

3.3 焚燒溫度的影響

在含油污泥的焚燒過程中，溫度變化對反應(yīng)爐內(nèi)的氣、固相均有重要影響，不同床層高度氣體和固體的溫度變化曲線分別如圖7，8 所示。

圖7 不同床層高度氣體的溫度變化曲線Fig.7 The temperature of gas at different reactor layer

圖8 不同床層高度固體的溫度變化曲線Fig.8 The temperature of solid at different reactor layer

從圖7 可以看出，不同床層高度上的氣體溫度均隨著反應(yīng)界面的下移而快速升高，不同床層高度處的氣體溫度均隨著反應(yīng)的進(jìn)行而持續(xù)升高。在349.8 mm 處，氣體溫度快速升高，而其它高度上，在反應(yīng)界面之前，溫度上升較慢，在反應(yīng)界面之后，氣體溫度快速上升，最大可達(dá)1 067 K。從圖8 可以看出，不同床層高度處的固體溫度表現(xiàn)出不連貫性，這主要是爐床下移造成的。在每個床層高度上明顯存在兩個溫度上升過程，前一個升溫過程可能是傳熱過程導(dǎo)致的升溫，第二個升溫過程可能是含油污泥燃燒過程的放熱造成的。 第二個升溫過程的升溫速率遠(yuǎn)大于第一個升溫過程，這與實(shí)際情況相符合。 在反應(yīng)爐內(nèi)，固體物料的最高溫度可達(dá)1 065 K，和氣體所達(dá)到的最高溫度（1 067 K）相當(dāng)。 布風(fēng)板處的溫度始終變化不大，這也表明計算結(jié)果與實(shí)際狀況相一致。

3.4 計算與文獻(xiàn)的對比

本文研究了計算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果[16]的對比。文獻(xiàn)中在流化床反應(yīng)器中，CO2的含量從布風(fēng)板處到 700 mm，其濃度從0 增大到 100 mm 處的10%，隨后繼續(xù)逐漸增加，最后在700 mm 處達(dá)到約14%。 而本計算中，CO2濃度在各高度處，從0快速增大到11%左右，之后逐漸提高到17%。 其增加趨勢與文獻(xiàn)研究基本一致。 通過開展固定床實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CO2的平均濃度為10.43%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也在計算結(jié)果范圍內(nèi)。 由于物料、 反應(yīng)器的差異性，油泥焚燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果存在差異，但其濃度范圍及趨勢基本一致。

4 結(jié)論

本文對某油田含油污泥的焚燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了焚燒產(chǎn)物、爐內(nèi)固體殘留含量以及氣固溫度特性，得出如下結(jié)論。

①CO2是焚燒過程中的主要產(chǎn)物，在爐體床層的上部，反應(yīng)700 s 時出現(xiàn)峰值，在反應(yīng)的界面上，燃燒反應(yīng)比較劇烈。

②從布風(fēng)板處吹入的干空氣加快含油污泥中水分蒸發(fā)。水分濃度隨床層升高而快速增加。水分濃度的增加延長了點(diǎn)火時間。水分蒸發(fā)越快，點(diǎn)火時間越短。

③不同床層高度之間的氣體溫度隨反應(yīng)的延續(xù)而持續(xù)走高。

④通過理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的對比，理論計算與實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果基本一致。