更多内容请点击

基于制砖法处置水基钻井废屑和市政污泥

卢西雷 ,  朱小林 ,  蒲贵 ,  曾明亮

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 404 -407.

PDF (4180KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 404-407. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.070
科研与开发

基于制砖法处置水基钻井废屑和市政污泥

作者信息 +

Disposal of water-based drilling waste and municipal sludge based on brick making method

Author information +
文章历史 +
PDF (4280K)

摘要

选取水基钻井废屑和市政污泥作为原料,通过改变市政污泥掺量、烧结温度等参数,制备烧结砖,并对其性能进行测试。研究表明,当市政污泥绝干掺量为10%~15%、烧结温度为950℃、保温时间为2 h,制得的烧结砖性能符合国家标准《烧结普通砖》中MU10的要求。市政污泥掺量低于15%时,烧结温度是影响烧结砖性能的主要因素;污泥掺量过高时,烧结砖内部空隙增加,烧结温度对烧结砖的性能没有影响。通过水基钻井废屑和市政污泥的协同处理,不仅减少了它们对环境的危害,实现了工业固废的高效利用,还为可持续能源开发提供了新的思路。

Abstract

Water-based drilling waste and municipal sludge are selected as raw materials to prepare the fired bricks through changing the dry content of municipal sludge,firing temperature,and so on,and the performance of the fired bricks is tested.Results show that the fired bricks meet the requirements of China’s national standard “Fired Common Bricks” with a MU10 performance when the dry content of municipal sludge is 10%-15%,the firing temperature is 950℃,and the holding time is 2 hours.As the dry content of municipal sludge is less than 15%,the firing temperature is the main factor affecting the performance of fired bricks.As the dry content of municipal sludge is too high,the internal pores of fired bricks increase,and the firing temperature has no effect on the performance of fired bricks.Through synergistic treatment of water-based drilling waste and municipal sludge,not only does it reduce their harm to the environment and achieve efficient utilization of industrial solid waste,but it also provides a new idea for sustainable energy development.

Graphical abstract

关键词

水基钻井废屑 / 固体废物资源化 / 污泥处置 / 制砖工艺

Key words

water-based drilling waste / solid waste re-utilization / sludge disposal / brick making process

Author summay

卢西雷(1999-),男,硕士生,研究方向为固废物资源化处置的研究

引用本文

引用格式 ▾
卢西雷,朱小林,蒲贵,曾明亮. 基于制砖法处置水基钻井废屑和市政污泥[J]. 现代化工, 2025, 45(S2): 404-407 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.070

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

根据中国国家能源局公布的数据,中国页岩气可采资源量达2.18×1013 m3。合理勘探和开发页岩气资源,对于保障国家能源安全、促进能源结构优化、实现碳中和目标等具有重要战略意义[1]。页岩气钻井过程会产生大量的钻井废屑,水基钻井废屑作为二类一般工业固体废物,其结构复杂,对环境危害性大[2]。另一方面,中国现阶段污水处理厂等市政基础设施建设进程加速,市政污泥产量增加,市政污泥不能合理的处置已经成为制约城市发展的枷锁[3]。对此,《“十四五”工业绿色发展规划》中明确指出需要推动工业固体废物资源化和循环化转型。
目前国内外对于工业固体废物的资源化处置多用于建筑材料方面。Yang等[4]以水基钻井废屑和铝土矿为原料制备低密度高性能陶粒支撑剂,实现了工艺的优化升级。杜磊[5]采用水基钻井岩屑代替制砖黏土,制得的烧结砖性能符合国家标准《烧结普通砖》中MU20的要求。Yu等[6]在页岩-市政污泥烧结砖中加入废玻璃来改善砖体性能,制备的污泥页岩砖的吸水率为15.29%,抗压强度为52.01 MPa。但目前关于水基钻井废屑和市政污泥的协同处理研究较少。本研究将污泥脱水工艺和烧结砖制备工艺相结合,将水基钻井废屑和市政污泥混合脱水后的泥饼用作制砖原料,优化生产工艺,资源化处置水基钻井废屑和市政污泥2种工业固体废物,实现工业固体废物处置的减量化、无害化、固定化和资源化。

1 材料与方法

1.1 原料

实验所用水基钻井废屑取自重庆市某钻井平台,含水率为26.31%,塑性指数为12.73。实验所用市政污泥取自佛山市某污水处理厂,含水率为86.62%,密度为1.2 g/cm3,有机质含量为56.34%,pH为8.15。

1.2 原料分析方法

采用荷兰帕纳科公司的Axios PW4400 X射线荧光光谱仪对原料的化学成分进行分析;采用荷兰帕纳科公司的X’pert Powder多位自动进样X射线衍射仪对水基钻井废屑及烧结砖的物相组成进行分析,设备为Cu靶,设置管电压40 kV,电流40 mA,扫描范围10°~90°;采用Mastersizer 3000马尔文激光粒度仪对水基钻井废屑粒径分布进行分析;采用深圳市新三思材料检测有限公司的CMT5105 10T微机控制电子万能试验机测试烧结砖抗压强度;采用日本日立公司SU5000场发射扫描电镜拍摄SEM电镜照片,加速电压为3 kV。
吸水率测试方法:清理烧结砖表面后放入干燥箱中干燥至恒重,称其干质量记为m1(g)。将干燥后的烧结砖浸入水中,室温放置24 h。取出烧结砖,用湿毛巾拭去表面水分,立即称量,所得质量为浸泡24 h的湿质量m2(g)。吸水率计算:
W = [ ( m 2 - m 1 ) / m 1 ] × 100 %

1.3 烧结砖的制备方法

烧结砖砖胚成型含水率应控制在18%左右,高温烧结之前的含水率应控制在2%左右[7-10]。实验以市政污泥绝干掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%和水基钻井废屑混合,采用广东宝福嘉环保科技有限公司的梯级增压带式深度脱水设备进行深度脱水,通过改变设备的压滤压力以及压滤时间,将泥饼含水率降至18%左右。对压滤后得到的泥饼放入粉碎机中粉碎,接着转移至模具中,控制成型压力7 MPa,保持5 min。将成型后的砖胚自然干燥24 h后,转入电热恒温鼓风干燥箱中干燥5 h。室温下将砖胚样品放入马弗炉中,升温速率为系统额定参数,约为9.7℃/min,分别设置最高烧结温度为900、950℃和1 000℃,保温2 h。烧结砖制作过程见图1,马弗炉温度变化曲线见图2,烧制结束后关闭马弗炉,自然冷却至室温,得到烧结砖样品。

2 结果与讨论

2.1 原料分析

2.1.1 原料化学成分分析

水基钻井废屑和市政污泥的XRF测试结果见表1,两种原料主要化学成分成分都为SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3。高温烧结时,Al2O3作为烧结砖原料的助熔剂与大量的硅和钙结合形成玻璃相晶体,Fe2O3和CaO等作为助熔剂可促进液相形成进而填充砖体内部孔隙,以确保制备出的烧结砖具有足够的强度等性能[12]。水基钻井废屑的化学成分与传统制砖黏土相似,但含量不同。水基钻井废屑中SiO2含量偏低,但CaO含量高,基本符合制砖要求。而市政污泥中SiO2含量为25.62%,比水基钻井废屑低,但Al2O3含量较高。市政污泥中大部分为有机质,在高温烧结过程,这些有机质为砖胚提供热值,有助于砖体内部温度升高,提高熔融效率,同时可以节省能源。水基钻井废屑和市政污泥具有与黏土相似的矿物成分,可以代替黏土用于烧结砖的制备。

2.1.2 水基钻井废屑组成

水基钻井废屑的XRD图谱见图3。水基钻井废屑中主要含有石英(SiO2)、方解石(CaCO3)和云母,石英和方解石在烧结过程中可以形成硅酸钙玻璃相,增加烧结砖的强度和耐火性能。水基钻井废屑中主要矿物的熔点较高、物化性质比较稳定且不具有亲水性,这保证了烧制过程中砖坯的稳定性和质量[13]。

2.1.3 水基钻井废屑粒度分布

将烘干的水基钻井废屑经过粉碎机粉碎,过80目筛测试粒度分布,结果见表2。原料的粒度分布会对烧结砖的胚体密实度、烧结过程、可塑性等产生影响。作为烧结砖原料,水基钻井废屑中粒径≤100 μm的颗粒占85%左右,这可以减少烧结过程中空隙的数量,从而提高烧结砖的密度和强度。

2.2 烧结砖物质组成

取烧结温度950℃下市政污泥掺量分别为0%和25%的烧结砖进行XRD表征分析,结果见图4和图5。可以看出,烧结砖中石英(SiO2)含量较高,还存在钙长石(CaAl2Si2O8)和蓝晶石(Al2SiO5),这两种矿物都是硅酸盐矿物,在烧结过程中经过高温处理后形成了坚固的骨架结构[14],为烧结砖提供了强度保障。

2.3 不同温度下制备的烧结砖抗压强度

以水基钻井废屑和市政污泥为原料,按照1.3中方法制备烧结砖样品。不同温度下制备的烧结砖抗压强度随市政污泥掺量的变化结果见图6。可以看出,市政污泥掺量对烧结砖抗压强度的影响很大。随着市政污泥掺量的增加,烧结砖的抗压强度逐渐降低,市政污泥掺量为0%时,1 000℃下制备的烧结砖抗压强度最高,为50.46 MPa;当市政污泥掺量低于10%时,随着烧结温度的升高,烧结砖的抗压强度逐渐升高,这可能是因为当烧结温度达到950℃以上时,方解石在高温下继续与SiO2反应生成钙长石,同时SiO2与Al2O3反应形成蓝晶石,在烧结砖内部生成玻璃相晶体,结构更加紧密,砖体强度提高[15];当市政污泥掺量高于15%时,随着污泥掺量的增加,烧结砖抗压强度的变化不明显,污泥掺量达到临界值;同时,升高烧结温度,对烧结砖抗压强度的影响可以忽略不计,污泥掺量对烧结砖抗压强度的影响大于烧结温度的影响。继续增加市政污泥掺量,烧结砖的抗压强度均低于国家《烧结普通砖标准》(GB 5101—2003)规定的最低要求MU10等级。

2.4 不同温度下制备的烧结砖吸水率

在不同温度下制备的烧结砖吸水率随市政污泥掺量的变化结果见图7。通过数据分析看出,市政污泥掺量为0%时,不同烧结温度下制备的烧结砖吸水率比较接近,1 000℃下制备的烧结砖吸水率最低,为16.82%。烧结温度越高,烧结砖吸水率越低,这可能是因为升高温度,促进了原料中的CaO、MgO与Al2O3及SiO2反应,生成CaO/MgO—Al2O3—SiO2三元系统液相[16]。在冷却过程中,液相转变成玻璃相,填充了砖体内部的孔隙,导致吸水率降低。随着市政污泥掺量增加,烧结砖的吸水率逐渐增大,这是因为市政污泥掺量增加,砖体中有机物含量升高,在高温烧结过程中有机质发生分解,在砖体内部形成大量孔隙,导致砖体外形发生收缩,砖体内部结构破坏,使得烧结砖吸水率升高。市政污泥掺量为5%~15%时,1 000℃下制备的烧结砖吸水率明显低于900℃和950℃下制备的烧结砖,此时烧结温度是影响烧结砖吸水率的主要条件;当市政污泥掺量大于20%时,升高烧结温度,烧结砖吸水率变化不明显,此时烧结温度对吸水率的影响要小于市政污泥掺量。

2.5 烧结砖微观结构分析

为了探究烧结砖物理性能和微观表面结构之间的关系,取950℃烧结温度下市政污泥掺量为0%和25%的烧结砖截面进行SEM分析,结果见图8。图8(a)、(b)为不同放大倍数下市政污泥掺量0%的烧结砖横截面SEM图,图8(c)、(d)为市政污泥掺量25%的烧结砖横截面SEM图。当市政污泥掺量为0%时,烧结砖截面比较紧实,孔隙较少,可以看到大片的玻璃化结构,从图8(b)可以看到上面附着许多不规则的结晶颗粒,此时烧结砖抗压强度较高,吸水率较低;当市政污泥掺量为25%时,烧结砖截面存在大量开放孔隙,看不到明显的玻璃化区域,内部结构疏松呈现片状结构,此时烧结砖抗压强度较低,吸水率较高,这与其抗压强度和吸水率的曲线变化相一致。

3 结论

本研究基于烧结砖制作工艺与污泥脱水工艺相结合,优化工艺条件,实现资源化处置工业固体废物,结论如下。
(1)水基钻井废屑-市政污泥烧结砖的最佳制备工艺条件为:市政污泥绝干掺量为10%~15%、烧结温度为950℃、保温时间为2 h。在此条件下,制得的烧结砖性能符合国家标准《烧结普通砖》中MU10的要求,含水率26.31%的水基钻井岩屑和含水率86.62%的市政污泥处理量比例接近1∶1,固体废物利用率100%。
(2)市政污泥掺量对烧结砖性能的影响大于烧结温度。市政污泥掺量较低时,烧结温度与抗压强度表现为正相关的关系,与吸水率表现为负相关的关系;市政污泥掺量过高导致烧结砖内部空隙增加,此时烧结温度对烧结砖性能影响忽略不计。
(3)通过XRD和SEM分析烧结机理和试验现象,发现构成烧结砖骨架的主要晶相是长石类矿物和石英,其中长石主要为钙长石,石英则以SiO2形式存在。这两种矿物都是硅酸盐矿物,在烧结过程中经过高温处理后形成了坚固的骨架结构,为水基钻井废屑-市政污泥烧结砖提供强度保障。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

何希鹏, 蔡潇, 高玉巧, 等. 页岩气勘探开发实验技术研究进展与发展方向[J]. 天然气工业, 2024, 44(7):12-26.
[2]

Wang Z, Li B, Liang X. Utilization of river sediment,sewage sludge and wheat straw as the primary raw material in sintered-shale bricks[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2022, 24(6):2401-2415.
[3]

Liang Y, Xu D, Feng P, et al. Municipal sewage sludge incineration and its air pollution control[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 295:126456.
[4]

Yang H, Liu Y, Bai G, et al. Solidification and utilization of water-based drill cuttings to prepare ceramsite proppant with low-density and high performance[J]. Petroleum Science, 2022, 19(5):2314-2325.
[5]

杜磊. 页岩气水基钻井岩屑制备烧结类墙体材料性能研究[D]. 绵阳: 西南科技大学, 2023.
[6]

Yu G, Yao Y, Shi J, et al. The reuse of waste glass to enhance strength during the introduction of municipal sewage sludge in shale brick manufacturing[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2024, 26(6):3681-3698.
[7]

Lv C, Wang J, Zhao P, et al. Effect of red mud content on the property of sintered brick[J]. Advanced Materials Research, 2013,726/731:2677-2680.
[8]

Sun D, Sun P, Wang A, et al. Establishing performance of prediction models and optimizing preparation parameters of sintered product based on response surface methodology[J]. Asian Journal of Chemistry, 2014, 26(5):1501-1505.
[9]

Cheng J, Shao Z, Xu T, et al. The advantages of microwave in using engineering spoil to sinter bricks[J]. Journal of Building Engineering, 2022, 57:104940.
[10]

Huang B, Jing J, Zhu J, et al. The comparative analysis of lime burst between sintered shale brick and light-weight sintered brick[J]. Advanced Materials Research, 2012,450/451:683-687.
[11]

卢娟娟, 鹿晓泉, 段兆辉, 等. GB/T 16399《黏土化学分析方法》的修订介绍[J]. 中国水泥, 2021(S1):4-7.
[12]

Luo L, Li K, Fu W, et al. Preparation,characteristics and mechanisms of the composite sintered bricks produced from shale,sewage sludge,coal gangue powder and iron ore tailings[J]. Construction and Building Materials, 2020, 232:117250.
[13]

Guo C, Kong J, Wang Z, et al. Study on preparation and properties of sintered brick from multi-source solid waste[J]. Applied Sciences, 2022, 12(19):10181.
[14]

Chiang K, Chien K, Hwang S. Study on the characteristics of building bricks produced from reservoir sediment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 159(2/3):499-504.
[15]

Liu Y, Wang Z, Chen M, et al. Preparation of sintered brick from thermal desorption residue of oily sludge and analysis of environmental performance[J]. Construction and Building Materials, 2023, 376:130923.
[16]

李欣聪, 户晶荣, 郭鑫桥. 石煤提钒尾渣基钙长石烧结砖的烧结及重金属固化机理[J]. 矿产综合利用, 2024, 45(5):153-160.
AI Summary AI Mindmap
PDF (4180KB)

233

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉

京ICP备09035943号-37
版权所有 ©《现代化工》编辑部
地址：北京市朝阳区安定路33号化信大厦B座206　邮政编码：100029
编辑部电话：010-64444090　E-mail:mci@cncic.cn
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司