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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果,分析了巖屑的化學成分、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備調整方案。針對半工業性生產試驗結果,提出了一些主要工藝技術參數及設備選型優化。并提出鉆井巖屑原料用于制磚的幾點建議。

關鍵詞:鉆井巖屑;制磚性能;工業試驗

      巖屑是采油鉆井時產生的廢渣。據資料介紹,未來3~5年,中國石油國內新鉆井預計將保持在年均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),產生的廢渣不僅占用大片土地,而且造成環境和土地污染。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,用于生產燒結墻材制品,成為磚瓦行業實驗研究的方向之一。鉆井巖屑主要成分為黏土、鉆屑、化學添加劑、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、某些化學添加劑、重金屬、高分子有機化合物、生物降解產生的低分子化合物和一些堿性物質。經對陜西榆林、內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,其化學成分、物理性能等符合制磚性能的要求。在此基礎上,我們進行了制磚性能小試驗和半工業性生產試驗,取得了理想的試驗結果和指導生產的工藝技術參數。
   
                                 圖1:鉆井臺旁堆放的巖屑

                                圖2:內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)。在產生過程中,加入了沖洗液介質、絮凝劑和加重劑等,這些物質的存在是否對制磚性能構成破壞,需要由試驗來給出結論。首先是沖洗液,鉆井循環沖洗液介質,它連續地通過鉆井桿柱從井內將巖屑帶出地面,產生的泥漿水經加藥、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。根據鉆井巖層結構不同,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,由于含量較低,綜合試驗分析后對制磚生產影響不大。

2、小試討論分析

2.1、巖屑試驗分析

2.1.1、化學成分

由于制磚原料多屬于硅鋁酸鹽質原料,因此,化學成分主要有二氧化硅(SiO2)及三氧

化二鋁(Al2O3)。另根據生成的條件不同,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%,不會發生產品“石灰爆裂”現象;三氧化硫(SO3)高含量僅為0.35%,不會對產品燒成時產生影響。

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磚表面出現褐色或黑色斑點。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%也會產生燒結磚爆裂,應引起重視。K2O 和Na2O 在燒結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,在加熱焙燒時或產品本身不致產生破壞,反而產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,使燒結制品發生膨脹,并可能產生氣泡。其他含硫化合物也對燒結磚瓦制品有害,如硫酸鈣、硫酸鎂等也會引起燒結磚瓦制品泛白、起霜、膨脹等。因此,硫化合物越少越好。應當特別注意,為了滿足鉆井巖屑一次碼燒工藝,往往要改變原料性能,加入煤矸石做內燃料,而我國許多地區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,在確定內燃料時應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,可能會產生制品開裂,制品孔隙率較高,強度略有下降,但制品的導熱系數有所降低。根據以上化學成分分析,三地鉆井巖屑均與黏土、頁巖等原料相近,生產燒結磚從化學成分看沒有問題。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:鉆井巖屑化學成分%)
 

名稱

燒失量

TiO2

SiO2

Fe2O3

Al2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

內蒙

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。經細碎后的顆粒具體測定數據為(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%。根據生產實錢,顆粒主要控制小于0.5mm以下的含量應大于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:雖然細顆粒成分較高,但由于巖屑塵粒和黏粒含量較少,塑性指數在6.8~7.0之間,屬于低塑性原料。塑性指數是判斷坯體成型和能否滿足碼坯要求的重要指標。三地的巖屑屬于低塑性指數,應注意成型設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,碼坯層數應低于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,就出現繼續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和濕坯體低收縮,干燥時可適當提高送風溫度,加大風速,實現快速干燥。

⑷.低位發熱量:某地部分鉆井巖屑低位發熱量為負值78cal/g,說明有吸熱反應的礦物存在,在生產燒結磚時需要更多的外燃料加以補充,也可選擇發熱量較高的煤矸石作為內摻燃料。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。內蒙巖屑測試樣品含270Kcal/kg熱量。因此,在選擇內燃原料計算時,應考慮熱量平衡問題。 

⑸.放射性核素限量:根據國家標準GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》,委托國

家建筑材料工業墻體屋面材料質量監督檢驗測試中心進行檢測,陜西和寧夏兩地的鉆井巖屑內照射指數IRa分別為0.2和0.1;外照射指數Ir分別為0.5和0.3。放射性核素限量低于國家標準<1的規定。

2.2、內燃料煤矸石物理性能分析

2.2.1、發熱量

鉆井巖屑燒結磚燒成時需要的熱量大多來自煤矸石。我國地源遼闊,煤礦地質構造復雜多變,產生的煤矸石發熱量相差甚大。寧夏某煤礦煤矸石低位發熱量為 4.722MJ/kg (1129kcal/ kg);陜西某礦煤矸石低位發熱量為 12114MJ/ kg (2898kcal/kg);內蒙某礦煤矸石低位發熱量為 2.324MJ/ kg (556kcal/kg)。三地發熱量最高與最低相差5倍多。要滿足巖屑燒結磚所需熱量,不同的煤矸石應調整原料的摻配比例。

2.2.2塑性指數

陜西和寧夏兩地提供的煤矸石,測試結果無塑性,而內蒙煤矸石測試的塑性指數為6.2。前兩種煤矸石摻入巖屑中,會明顯降低巖屑塑性指數,對擠出成型產生不利影響。好在發熱量高,摻入量會大大減少,塑性指數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。內蒙原料摻入量超過25%,也能保證成型所需要的塑性指數。當然,塑性指數過低時可少量摻入當地豐富的膨潤土原料,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,無塑性指數很正常。生產燒結磚時兩地應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、煤矸石按照化學成分及物理性能測試分析結果,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;內蒙:鉆井巖屑:煤矸石=75:25??紤]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、加水攪拌,在陳化24h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     表2)
 

產地

混合料配比

成型含水率(%)

塑性指數

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。室內常溫干燥后再用電熱鼓風干燥箱烘干,進行試驗。三種原料干燥收縮小于4%,干燥敏感性系數小于0.5,干燥質量好,末發生收縮產生的應力裂紋,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性試驗的焙燒溫度、風量及升溫速度。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,樣品顏色發深發暗,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,吸水率是產品的重要技術指標之一,可以間接的反映磚的強度、抗凍抗風化性能??梢越梃b該燒成曲線來控制巖屑磚燒成溫度,調整產品吸水率指標。

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。

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,否則鉆井巖屑燒結磚會在焙燒時出現較大的收縮應力而嚴重變形或斷裂。經綜合分析,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,產品呈紅色,表面較為光滑,無裂紋產生。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

內蒙

單孔小試塊

2.9

0.1

3.0

       

        ---- 摘自2022.2. 《磚瓦世界》    

 

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