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鉆井巖屑廢渣制磚性能的試驗研究(一)
摘要:本文較為詳細地敘述了利用鉆井巖屑原料制磚的試驗研究結(jié)果,分析了巖屑的化學(xué)成分、物理性能及干燥焙燒性能,提出了利用巖屑制磚的一次半和二次碼燒工藝及主要設(shè)備調(diào)整方案。針對半工業(yè)性生產(chǎn)試驗結(jié)果,提出了一些主要工藝技術(shù)參數(shù)及設(shè)備選型優(yōu)化。并提出鉆井巖屑原料用于制磚的幾點建議。
關(guān)鍵詞:鉆井巖屑;制磚性能;工業(yè)試驗
巖屑是采油鉆井時產(chǎn)生的廢渣。據(jù)資料介紹,未來3~5年,中國石油國內(nèi)新鉆井預(yù)計將保持在年均2萬左右,深度3000m以上。在采油鉆井過程中,大量的鉆井巖屑星羅棋布的分布在全國各地鉆井場(見圖1),產(chǎn)生的廢渣不僅占用大片土地,而且造成環(huán)境和土地污染。如何將這些巖屑固體廢渣徖合利用,使其化害為利,變廢為寶,用于生產(chǎn)燒結(jié)墻材制品,成為磚瓦行業(yè)實驗研究的方向之一。鉆井巖屑主要成分為黏土、鉆屑、化學(xué)添加劑、無機鹽等。某些廢棄的鉆井巖屑泥漿,其主要污染物有鹽類、油類、殺菌劑、某些化學(xué)添加劑、重金屬、高分子有機化合物、生物降解產(chǎn)生的低分子化合物和一些堿性物質(zhì)。經(jīng)對陜西榆林、內(nèi)蒙鄂爾多斯和寧夏鹽池的鉆井巖屑原料進行了制磚性能試驗研究,其化學(xué)成分、物理性能等符合制磚性能的要求。在此基礎(chǔ)上,我們進行了制磚性能小試驗和半工業(yè)性生產(chǎn)試驗,取得了理想的試驗結(jié)果和指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝技術(shù)參數(shù)。
圖1:鉆井臺旁堆放的巖屑
圖2:內(nèi)蒙某地鉆井巖屑堆放場
圖3:陜西某地鉆井巖屑堆放場 圖4:壓濾后鉆井巖屑泥餅
1、鉆井巖屑外加劑對制磚性能的影響
鉆井巖屑是鉆井時鉆頭研磨或破碎了的巖石顆粒(見圖2和圖3)。在產(chǎn)生過程中,加入了沖洗液介質(zhì)、絮凝劑和加重劑等,這些物質(zhì)的存在是否對制磚性能構(gòu)成破壞,需要由試驗來給出結(jié)論。首先是沖洗液,鉆井循環(huán)沖洗液介質(zhì),它連續(xù)地通過鉆井桿柱從井內(nèi)將巖屑帶出地面,產(chǎn)生的泥漿水經(jīng)加藥、絮凝、固液壓濾分離后形成泥餅(見圖4),可與粘土或頁巖按比例摻配用來燒磚。根據(jù)鉆井巖層結(jié)構(gòu)不同,鉆井液采用粘土類(水基、有機膨潤土)和堿性〔硫酸鎂(MgCO3、氫氧化鈉(NaOH)、純堿碳酸鈉(NaCO3、小蘇打(NaHCO)、氫氧化鉀(KOH)〕等,這些物質(zhì)雖然混合到巖屑中,但含量不高,對制磚性能影響不大。再就是絮凝劑,普遍用于鉆井巖,因其具有凝膠、沉降、粘合性、降阻性和增稠性,加入后再進行壓濾脫水。常用的絮凝劑聚丙稀酰胺,分子量100~500萬,雖然難容于有機容劑,但溫度超過120℃時分解,中性無毒,也不會對制磚性能產(chǎn)生大的影響。其次是加重劑,主要是石灰石(CaCO3)和重晶石,將鉆井液密度加重到1.3t/m3以上。以上三種情況,是鉆井巖屑中存在的必然物質(zhì),由于含量較低,綜合試驗分析后對制磚生產(chǎn)影響不大。
2、小試討論分析
2.1、巖屑試驗分析
2.1.1、化學(xué)成分
由于制磚原料多屬于硅鋁酸鹽質(zhì)原料,因此,化學(xué)成分主要有二氧化硅(SiO2)及三氧
化二鋁(Al2O3)。另根據(jù)生成的條件不同,同時含有少量的堿金屬及堿土金屬氧化物,如氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)等。原料主要化學(xué)成分要求:二氧化硅(SiO2)要求范圍在45%~70%,三地巖屑在59.04%~62.94%(見表1);三氧化二鋁(Al2O3)要求范圍在10%~20%,三地巖屑在11.69%~14.02%;Fe2O3要求范圍在3%~10%,三地巖屑在3.68%~4.66%;氧化鈣(CaO)要求范圍在15%以下,三地巖屑在5.85%~6.66%;氧化鎂(MgO)要求范圍在5%以下,三地巖屑在1.79%~1.89%;三氧化硫(SO3)要求范圍在3%以下,三地巖屑在0.25%~0.35%;燒失量小于15%,三地巖屑在6.10%~7.95%。從表中可以看出,化學(xué)成分全部符合制磚要求。其有害成分氧化鈣(CaO)高含量為6.66%,不會發(fā)生產(chǎn)品“石灰爆裂”現(xiàn)象;三氧化硫(SO3)高含量僅為0.35%,不會對產(chǎn)品燒成時產(chǎn)生影響。
鉆井巖屑原料中Fe2O3、CaO、K2O、Na2O和MgO幾種化合物,在焙燒磚時會起到助溶劑的作用,但在表現(xiàn)形式和起的作用各不相同。 Fe2O3在焙燒過程中的是一種著色劑,含量的高低會引起燒結(jié)磚制品的顏色變化。在焙燒氧化氣氛中以高價鐵的形式存在,制品在一定含量下呈紅色,而在還原氣氛時氧化鐵被還原成低價鐵,燒結(jié)磚制品呈黑色或青藍色,這是其一;其二是焙燒過程中的一種助熔劑,在還原氣氛中可降低燒結(jié)磚的耐火度,而在氧化氣氛中不明顯;其三,大顆粒的氧化鐵會在燒結(jié)磚表面出現(xiàn)褐色或黑色斑點。故鉆井巖屑含量適宜。CaO是一種助溶劑,鉆井巖屑中的CaO顆粒小于1mm,不會形成燒結(jié)磚石灰爆裂,但要防止大顆粒的CaO混入,即使含量小于6%也會產(chǎn)生燒結(jié)磚爆裂,應(yīng)引起重視。K2O 和Na2O 在燒結(jié)磚制品焙燒中主要起助溶劑作用,并能提高磚的強度。這兩種化合物能降低濕坯成型含水率。如果用鉆井巖霄生產(chǎn)墻地磚,K2O 和Na2O含量略高時助溶效果更明顯,磚的密度和強度會更高一些。 MgO氧化鎂在燒成制品中同樣起助溶劑作用,也會降低制品的耐火度,但沒有氧化鈣那樣明顯。氧化鎂在制磚原料中,主要存在于菱鎂礦(MgCO3)、硫酸鎂(MgSO4)、白云石﹝MgCa﹝CO3﹞2﹞中,其中硫酸鎂為有害成分,它會形成白霜,體積膨脹,使磚制品受到破壞。其他鎂化合物危害不大,在加熱焙燒時或產(chǎn)品本身不致產(chǎn)生破壞,反而產(chǎn)生各種液相使制品更加致密。SO3是有害成分,在焙燒過程中會逸出,使燒結(jié)制品發(fā)生膨脹,并可能產(chǎn)生氣泡。其他含硫化合物也對燒結(jié)磚瓦制品有害,如硫酸鈣、硫酸鎂等也會引起燒結(jié)磚瓦制品泛白、起霜、膨脹等。因此,硫化合物越少越好。應(yīng)當(dāng)特別注意,為了滿足鉆井巖屑一次碼燒工藝,往往要改變原料性能,加入煤矸石做內(nèi)燃料,而我國許多地區(qū)的煤矸石硫含量偏高,除會引起制品缺陷外,還會加大脫硫的投入。因此,在確定內(nèi)燃料時應(yīng)盡可能選擇低含硫量的煤矸石。有機物含量高時,制品干燥燒成收縮較大,可能會產(chǎn)生制品開裂,制品孔隙率較高,強度略有下降,但制品的導(dǎo)熱系數(shù)有所降低。根據(jù)以上化學(xué)成分分析,三地鉆井巖屑均與黏土、頁巖等原料相近,生產(chǎn)燒結(jié)磚從化學(xué)成分看沒有問題。由于鉆井巖屑廢渣摻配比例在70%以上,制磚性能主要在于巖屑,加入粘土、頁巖等原料后,制磚性能會有所提高,重點試驗研究巖屑原料,其它摻配料不在分析。(見下表1:鉆井巖屑化學(xué)成分%)
名稱 | 燒失量 | TiO2 | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 |
內(nèi)蒙 | 7.95 | 0.60 | 62.94 | 4.66 | 14.02 | 6.66 | 1.79 | 2.25 | 2.79 | 0.33 |
陜西 | 6.92 | 0.63 | 59.34 | 4.64 | 13.89 | 5.85 | 1.85 | 2.74 | 2.85 | 0.25 |
寧夏 | 6.10 | 0.50 | 60.04 | 3.68 | 11.69 | 6.15 | 1.89 | 2.13 | 2.38 | 0.35 |
1.1.2 物理性能分析
⑴顆粒級配分析:鉆井巖屑不需要再粗碎。經(jīng)細碎后的顆粒具體測定數(shù)據(jù)為(陜西):大于 0.5mm 顆粒為 17%;0.5mm~ 0.25mm之間顆粒為10%;0.25mm~0.1mm顆粒為26%; 小于0.1mm顆粒為47%。以鉆井巖屑為主要原料,小于0.5mm顆粒占到83%;0.25mm以下顆粒占到73%。根據(jù)生產(chǎn)實錢,顆粒主要控制小于0.5mm以下的含量應(yīng)大于60%,大于 0.5mm 顆粒為40%以下,最大顆粒不超過2mm。從實際測試的顆粒級配看符合要求。
⑵ 塑性指數(shù):雖然細顆粒成分較高,但由于巖屑塵粒和黏粒含量較少,塑性指數(shù)在6.8~7.0之間,屬于低塑性原料。塑性指數(shù)是判斷坯體成型和能否滿足碼坯要求的重要指標(biāo)。三地的巖屑屬于低塑性指數(shù),應(yīng)注意成型設(shè)備工作壓力和直空度的選擇,盡可能避免高層碼垛。低塑性原料韌性差,擠出成型顆粒聚合能力不足,坯體承受壓力小,碼坯層數(shù)應(yīng)低于12層。
⑶ 干燥性能:在普氏拌和水為 23% 時,臨界含水率為 16%;干燥敏感性系數(shù)為 0.4;干燥線收縮為2.2%。一般黏土原料臨界含水率在10%~13%,較高的臨界含水平率,濕坯體只脫少量的水,就出現(xiàn)繼續(xù)干燥脫水而體積基本不收縮。鉆井巖屑屬于低干燥敏感性系數(shù)和濕坯體低收縮,干燥時可適當(dāng)提高送風(fēng)溫度,加大風(fēng)速,實現(xiàn)快速干燥。
⑷.低位發(fā)熱量:某地部分鉆井巖屑低位發(fā)熱量為負值78cal/g,說明有吸熱反應(yīng)的礦物存在,在生產(chǎn)燒結(jié)磚時需要更多的外燃料加以補充,也可選擇發(fā)熱量較高的煤矸石作為內(nèi)摻燃料。由于鉆井時加入的沖洗劑等不同,有的巖屑中含有一定的熱量。內(nèi)蒙巖屑測試樣品含270Kcal/kg熱量。因此,在選擇內(nèi)燃原料計算時,應(yīng)考慮熱量平衡問題。
⑸.放射性核素限量:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》,委托國
家建筑材料工業(yè)墻體屋面材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心進行檢測,陜西和寧夏兩地的鉆井巖屑內(nèi)照射指數(shù)IRa分別為0.2和0.1;外照射指數(shù)Ir分別為0.5和0.3。放射性核素限量低于國家標(biāo)準(zhǔn)<1的規(guī)定。
2.2、內(nèi)燃料煤矸石物理性能分析
2.2.1、發(fā)熱量
鉆井巖屑燒結(jié)磚燒成時需要的熱量大多來自煤矸石。我國地源遼闊,煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變,產(chǎn)生的煤矸石發(fā)熱量相差甚大。寧夏某煤礦煤矸石低位發(fā)熱量為 4.722MJ/kg (1129kcal/ kg);陜西某礦煤矸石低位發(fā)熱量為 12114MJ/ kg (2898kcal/kg);內(nèi)蒙某礦煤矸石低位發(fā)熱量為 2.324MJ/ kg (556kcal/kg)。三地發(fā)熱量最高與最低相差5倍多。要滿足巖屑燒結(jié)磚所需熱量,不同的煤矸石應(yīng)調(diào)整原料的摻配比例。
2.2.2塑性指數(shù)
陜西和寧夏兩地提供的煤矸石,測試結(jié)果無塑性,而內(nèi)蒙煤矸石測試的塑性指數(shù)為6.2。前兩種煤矸石摻入巖屑中,會明顯降低巖屑塑性指數(shù),對擠出成型產(chǎn)生不利影響。好在發(fā)熱量高,摻入量會大大減少,塑性指數(shù)6以上時,在高壓力和高真空度下可以順利成型。但其摻配量不宜太大,否則會影響成型。內(nèi)蒙原料摻入量超過25%,也能保證成型所需要的塑性指數(shù)。當(dāng)然,塑性指數(shù)過低時可少量摻入當(dāng)?shù)刎S富的膨潤土原料,來改善巖屑的成型性能。
2.2.3顆粒組成
陜西和寧夏兩地取樣的煤矸石測試前破碎到粒徑1mm以下,其顆粒組成為0.5mm以上30%;0.5mm~0.25mm為 16%;0.25mm~0.1mm 和 0.1mm 以下均為 27%。從破碎后顆粒分析,粒徑大于0.5mm顆粒遠高于鉆井巖屑,而 0.1mm 以下顆粒則遠低于鉆井巖屑,中間顆粒相差不大。由于大顆粒過高,而0.1mm以下顆粒又低,無法測試出塑限和液限,無塑性指數(shù)很正常。生產(chǎn)燒結(jié)磚時兩地應(yīng)控制混合料中摻入量不宜超過25%。
2.3、成型、焙燒試驗
2.3.1、原料配比
鉆井巖屑、煤矸石按照化學(xué)成分及物理性能測試分析結(jié)果,確定小型試驗原料配比分別為,陜西和寧夏:鉆井巖屑:荒山土:煤矸石=75:15:10;內(nèi)蒙:鉆井巖屑:煤矸石=75:25。考慮到陜西和寧夏兩地煤矸石無塑性的實地,加入了15% 荒山土,塑性指數(shù)在10以上,解決了試驗用的無真空小磚機成型問題。
2.3.2、成型試驗
陜西和寧夏兩種原料按照以上配比充分混合均勻、加水?dāng)嚢?,在陳?4h后進行擠出空心磚模擬成型試驗。成型采用JZK/10型真空擠出機,并在機口取料測試成型含水率。原料成型含水率分別為 18.5% 和18.2%。擠出的泥條分為兩種尺寸,一種是作為確定焙燒溫度范圍及焙燒溫度的小試樣,尺寸為40mm×15mm×25mm;另一種作為最終燒成的3孔空心小樣,尺寸為60mm×40mm×25mm。內(nèi)蒙原料按鉆井巖屑:煤矸石=75:25配料后混合攪拌,陳化48h后再混合攪拌成型。原料成型水分略高,但擠出成型順利。經(jīng)機口擠出的試樣為單孔空心小樣,尺寸為50.0mmX50.0mm,成型情況見表2,外形狀見圖5和圖6。擠出試樣平整、光滑、無裂紋。
(見下表:成型含水率和塑性指數(shù) 表2)
產(chǎn)地 | 混合料配比 | 成型含水率(%) | 塑性指數(shù) | 成型試件 |
陜西 | 巖屑:黃山土:煤矸石 =75:15:10 | 21 | 11.7 | 三孔空心磚 |
寧夏 | 巖屑:煤矸石=80:20 | 20 | 10.1 | 三孔空心磚 |
內(nèi)蒙 | 巖屑:煤矸石=75:25 | 23 | 12.2 | 單孔空心磚 |
2.3.3、干燥焙形狀
干燥;用于試燒的樣品先要進行干燥。室溫下干燥 3d。室內(nèi)常溫干燥后再用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干,進行試驗。三種原料干燥收縮小于4%,干燥敏感性系數(shù)小于0.5,干燥質(zhì)量好,末發(fā)生收縮產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋,可以實施高溫快速干燥,縮短干燥周期。樣品干燥后含水率小于3%時再進行焙燒試驗。
焙燒:將干燥好的小樣品放入高溫梯度爐中進行焙燒試驗,以確定煤矸石磚半工業(yè)性試驗的焙燒溫度、風(fēng)量及升溫速度。試驗升溫速度≥150℃,兩次最高焙燒溫度分別為 950℃和 1130℃,保溫時間 30min,冷卻方式為保溫時間到了以后,爐溫下降,并自然冷卻至室內(nèi)溫度。燒成的試樣見圖5和圖6。燒成樣品的過程進行了溫度、收縮及吸水率分析,得出的陜西磚樣曲線圖(見圖7)。從曲線圖可以看出,鉆井巖屑小樣空心磚在1010℃前隨焙燒溫度升高而吸水率有所降低,其燒成收縮隨溫度升高而有所增大,這與頁巖、黏土等原料試驗結(jié)果基本一致。但1040℃后變化有一定的差距。從兩組梯度爐焙燒的樣品看,1100℃和1130℃。
圖5:陜西巖屑磚小樣 圖6:內(nèi)蒙巖屑磚小樣
注:藍色為吸水率--溫度曲線、橙色為燒成收縮--溫度曲線
圖7:燒成溫度與收縮率--溫度與吸水率曲線
時,樣品顏色發(fā)深發(fā)暗,很明顯過燒。
燒成溫度高低對樣品吸水的影響:從得出的吸水率—溫度曲線可以看出,以鉆井巖屑為主燒成的磚樣品,從在800℃~1010℃時,吸水率變化不大,焙燒溫度升高至1010℃~1070℃,吸水率隨溫度再升高有所降低,但降低幅度較小。當(dāng)溫度升高至 1070℃后,吸水率急速下降。在同一原料時,吸水率是產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)之一,可以間接的反映磚的強度、抗凍抗風(fēng)化性能??梢越梃b該燒成曲線來控制巖屑磚燒成溫度,調(diào)整產(chǎn)品吸水率指標(biāo)。
燒成溫度高低對樣品收縮的影響:一般情況下,燒成收縮隨溫度升高而明顯升高。從得出的燒成收縮—溫度曲線圖可以看出,燒成的磚樣品從 800℃~1040℃看,樣品收縮變化不大 ;焙燒溫度升高至1040℃~1070℃,收縮率從不到 0.3% 快速增長到1.5%;當(dāng)溫度再升高30℃,即1100℃時,燒成收縮急速增加到7.5%。這一溫度變化非常重要,對于鉆井巖屑來說,是確定最高燒成溫度的重要依據(jù)。
從以上分析可知,確定燒成溫度范圍和最佳焙燒溫度的原則,一是滿足吸水率;二是燒成收縮率限制在一定范圍,否則鉆井巖屑燒結(jié)磚會在焙燒時出現(xiàn)較大的收縮應(yīng)力而嚴重變形或斷裂。經(jīng)綜合分析,陜西鉆井巖屑最佳焙燒溫度為970℃,燒成溫度范圍900℃ ~1070℃;寧夏鉆井巖屑最佳焙燒溫度為 950℃,燒成溫度范圍900℃~1050℃;內(nèi)蒙鉆井巖屑最佳焙燒溫度為1010℃,燒成溫度范圍900℃ ~1090℃。在最佳燒成溫度下燒制的樣品空心磚,產(chǎn)品呈紅色,表面較為光滑,無裂紋產(chǎn)生。燒成后的小試塊的干燥收縮率、燒成收縮率、總收縮率見表3。(參看下表:干燥收縮率、燒成收縮率、總收縮率 -表3)
地名 | 樣品名稱 | 干燥收縮率(%) | 燒成收縮率(%) | 總收縮率(%) |
陜西 | 三孔小試塊 | 3.7 | --- | 3.7 |
寧夏 | 三孔小試塊 | 3.3 | 0.2 | 3.5 |
內(nèi)蒙 | 單孔小試塊 | 2.9 | 0.1 | 3.0 |
---- 摘自2022.2. 《磚瓦世界》