CN107840623A - 一种废弃泥浆制免烧砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废弃钻井泥浆制免烧砖的方法，原料组分包括：钻屑、胶结剂、活性激发剂、缓凝剂、增强剂、污染物控制剂、其他助剂以及水。制备过程：将上述组分按照一定顺序和比例进行充分混合，再经陈化后制得熟料。往熟料中二次加入胶结剂、水再次轮碾，放入钢制模具中成型，脱模得到砖坯。砖坯经养护后可码垛，最终自然干燥至成品。本发明方法制备的免烧砖具有较高的抗压及抗折强度，其浸出液各项指标均达到《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB18599‑2001），且成本较低。

Description

一种废弃泥浆制免烧砖及其制备方法

技术领域

本发明属于免烧砖及其制备和应用领域，特别涉及一种废弃泥浆制免烧砖以及制备方法。

背景技术

随着现代石油工业的发展，石油工业生产规模日益扩大。钻井采油过程中产生的钻井废泥浆，成为重要的环境污染物。钻井废弃泥浆中含有盐碱类、重金属离子、石油烃类以及大分子有机物及其分解产物等多种污染物，成分复杂，若不处理对周围环境的危害极大，主要表现在以下几个方面：①污染地表水资源和地下水资源，且由于钻井生产的流动性造成污染面积大、区域广；②污染土壤，造成土壤板结，致使土地不能复耕，土壤中的重金属影响植物的生长和微生物的繁殖，间接危害人类和动物的健康；③水体中COD、BOD 浓度高，引发水体富营养化，影响水生生物的正常生长。由于堆场面积小，容量有限，而且堆放严重破坏了井区生态环境，所以，产生的钻屑废泥浆必须进行处理达标排放或进行综合利用，变废为宝，以提高经济和环境效益。

钻屑废泥浆目前处理方法主要有：固化回填、注入安全地层、焚烧处理、脱水回收、循环再利用等。国内外油气田行业对钻井废弃泥浆的处理做了较多的研究，目前我国采用的处理钻井废弃泥浆的方法主要还是固化处理法，对微生物处理技术、钻井泥浆制备免烧砖技术以及钻井废弃泥浆随钻处理技术的研究也较为成熟，但尚未大规模应用。

固化回填处理方法，是将废弃泥浆经过化学处理脱稳、絮凝、固液分离，分离出的污水经二次处理达到国标后排放；固液分离出的固相物加固化剂进行固化处理，处理后测浸出液达标后填埋。固化填埋钻井废弃物的处理方式逐渐暴露出很多问题和不足：一是固化法由于大量固化剂的加入，最终固废量在原来的基础上增加了30%，为后续的处置或综合利用带来很大困难；二是固化填埋后依然存在环境风险，固化只是将污染物固定在固化池内，并非把污染物质消解掉，从长远看，一旦有害物质在固化体内发生变化，向外界泄露，对环境存在一定污染风险。为了消除污染、保护环境、变废为宝，钻井废弃泥浆管理越来越向无害化、资源化利用方向发展。

几千年以来，粘土砖作为最大量应用最广的建筑材料在人类生活和生产中发挥了无法估量的作用。虽然近年来各种新型建筑材料不断涌现，但粘土砖目前仍是我国主要的墙体材料。可是这种发展在很大程度上是以可耕种的土地的毁坏，不可再生的能源过度的消耗以及环境污染为代价的。由于烧制粘土砖毁坏的耕地达15万公顷以上，每年生产粘土砖的煤耗大约为7000万吨，SO₂的年排放量为98万吨，CO₂的年排放量为156万吨，它们成为大气中的主要污染物之一。粘土砖带来的上述问题，均是关系到国计民生的大事。因此，寻找粘土砖的替代建材或新的墙体材料是一项不可容缓的研究课题。

发明内容

鉴于以上制备粘土砖的原料来源的不足，和烧制粘土砖的高能耗高污染，本发明提供了一种废弃泥浆制免烧砖及其制备方法，不仅拓宽了建筑用砖的来源，减少了污染，还实现废弃物的资源化利用。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种废弃泥浆制免烧砖，按重量份数，原料组分包括：钻屑40-80份、胶结剂15-35份、活性激发剂2-15份、缓凝剂0-6份、增强剂2-10份、污染物控制剂0-10份、水5-15份；所述钻屑由钻井产生的废弃泥浆依次经干燥、粉碎得到。

进一步的，所述胶结剂为水泥或粘土；所述活性激发剂为生石灰、熟石灰或者消石灰；所述缓凝剂为生石膏、α-半水石膏或者β-半水石膏；所述增强剂为粉煤灰或硅氧化物或粘土；所述污染物控制剂为河沙、石子或者煤渣。

进一步的，所述水泥为标号为32.5号或者42.5号的水泥；所述活性激发剂为生石灰、熟石灰和消石灰；经研究发现，生石灰作为激活剂可达到较好的激活效果，用生石灰制备的免烧砖抗压强度可达15Mpa以上，高于熟石灰和消石灰（约为13MPa）。所述缓凝剂优选为α-半水石膏；石膏作为缓凝剂制备的免烧砖的抗压强度均能够达到10MPa以上，其中α-半水石膏强度最高，其免烧砖抗压强度达13.4Mpa以上，优于生石膏和β-半水石膏；所述硅氧化物优选为二氧化硅。

进一步的，上述三种污染物控制剂在相同条件下制备的免烧砖强度不同，其中河沙（细沙）、石子（粗砂）实验效果相近，而炉渣制备的免烧砖效果较差，具体使用哪一种，可根据当地取材决定。可以选用两者的混合料，但是两者都要优于炉渣的效果。选用河沙（细沙）、石子（粗砂）差别不大。

进一步的，所述原料组分还包括其他助剂0-3份，所述其他助剂为早强剂、减水剂以及破胶剂中的一种或者几种的组合；所述早强剂优选为氯化钠或氯化钙；所述减水剂优选为木质素磺酸钙；所述破胶剂优选为铝盐或者铁盐。

进一步的，所述钻屑、胶结剂、活性激活剂、缓凝剂、污染物控制剂、增强剂以及其他助剂质量比最佳控制为52：28：10：3：5：3：1。通过对水泥、激活剂、污染物控制剂、增强剂加量研究发现，随水泥、激活剂、污染物控制剂加量的增加，免烧砖抗压强度呈现逐步上升的趋势，其中钻屑/胶结剂/激活剂/缓凝剂/污染物控制剂/增强剂/其他助剂质量百分比为52/28/10/3/5/3/1达到较优值。

以下给出上述废弃泥浆制免烧砖的制备方法，包括如下步骤：

（1）将废弃泥浆进行预处理步骤得到钻屑，所述预处理步骤包括干燥、粉碎以及过筛；

（2）向所述钻屑中选择性地加入部分胶结剂、活性激发剂、缓凝剂、增强剂、污染物控制剂以及其他助剂，混合均匀后加水轮碾，经过陈化工艺后制得熟料；

（3）向所述熟料中二次加入余下的胶结剂以及水，再次充分轮碾得到混料；

（4）将所述混料放入模具中经成型工艺压制成型，脱模得到砖坯；

（5）所述砖坯经养护工艺后自然干燥得到成品。

所述胶结剂也可以在步骤（3）中一次性加入；即步骤（2）中不加入胶结剂。

进一步的，预处理必要时可以向废弃泥浆加入破胶剂，然后依次进行干燥、粉碎以及过筛。

进一步的，所述步骤（1）中的钻屑粉碎到粒径为0.3-0.6mm；预处理后废泥浆粒径大小对免烧砖抗压强度有较大影响。参见图3，在钻屑从4.0mm逐渐降低到0.125mm的实验中，粒径≥0.3mm时，抗压强度随着粒径减小而增加，当到达0.3mm时后，进一步减小粒径，抗压强度保持稳定。由于过细原料对粉碎设备的要求高，所以生产时可以考虑将钻屑粉碎到0.3-0.6mm，这样既能降低设备要求，也能达到一个相对较高的抗压强度值。

进一步的，所述步骤（2）以及（3）加入的胶结剂为水泥。

进一步的，所述步骤（2）中的陈化工艺为在常温下放置2-12小时；混料加水搅拌后，辅料水泥、激活剂完全水化需要一段时间，即陈化，再加压成型。陈化效果随陈化时间的增加先增强后减弱，最佳时间为8小时左右。

进一步的，所述步骤（3）中混料的含水率控制为5%-15%；混料的含水率对于试件最后的抗压强度起到重要的作用，含水太低，水泥、激活剂等固化材料水化不充分，原料利用率低，影响强度；含水过高，在加压成型时会有大量的水流出，试件脱模是容易缺损，既影响成型操作，又使得试件不完整，所以含水应控制在，原料既能充分水化，又不至于过湿，影响成型。本次实验中测试含水率为5%-15%，结果，强度呈现一个先上升而后下降的趋势，最优的含水率约为13%。

进一步的，所述成型工艺为：将混料装入钢制模具中，在压力试验机上加压成型，成型加压速度控制在0.5-1KN/s，或手动加压，成型压力为15-60MPa。参见图2，加压成型所得免烧砖其抗压强度远大于浇筑成型，且该抗压强度随成型压力的增加而增大，这是由于压力过低会使得产品密实度不够，不仅影响抗压，抗折强度，还不耐侵蚀，可能会导致钻屑中的有机污染物泄漏，污染水体。当成型压力超过60MPa，抗压强度反而下降，这是由于过大的压力使得原料中的水分被过度挤压排出，反而不利于水泥、激活剂、增强剂的后期水化过程。考虑到压力过大，对实验设备的损害，以及压力过大也使得试件中水分被全部压出，不利于后期水化过程。压力一般控制在15-60Mpa即可。实际生产过程可根据设备情况等各方面条件，适当调整。

进一步的，所述步骤（5）中的养护工艺为：将砖坯放在阴凉通风处自然干燥，然后适量洒水保证原料充分水化，如此养护7-35天。即采用自然养护，将砖坯放在通风处并不再移动，数小时后，砖坯表面逐渐干燥，可适量洒水，保证原料充分水化，但又不至于过湿，水含量一般控制在5-15%，经上述过程养护7-35天后砖可码垛，然后自然干燥至检测。

本发明方法制备的免烧砖具有较高的抗压及抗折强度，抗压强度不低于11MPa，抗折强度不低于2MPa，抗压强度最高可达到12.8MPa，抗折强度最高可达到2.8MPa，其浸出液各项指标均达到《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB18599-2001），且成本较低；钻井废弃钻屑泥浆制备免烧砖技术不仅可以消除钻井废弃泥浆对环境的影响，还能制备出免烧砖用于铺路、修建井场围墙、生活区，降低修建成本，具有一定的经济效益。在无害化治理的同时还实现了对钻井废泥浆的资源化利用。此外，原来用于填埋废弃泥浆的岩屑池也可以拆除，节约土地，减少租地，缓解了用地紧张问题。

综合利用是国家的重要产业政策，利用水泥和钻屑泥浆生产新型墙体材料（如制造免烧砖），不仅可节约土地资源，节约能源，大量的消化钻屑泥浆，使钻屑得到较好的利用，同时可以净化环境，为石油工业的长久发展扫找到新的增收点；另一方面也将克服粘土砖生产所面临的困窘问题，为我国的墙体材料添砖加瓦。所以，钻屑泥浆制备新型墙体材料意义深远，也势在必行，是我国石油工业可持续发展的一项重要内容。。

附图说明

图1是本发明所述废弃泥浆制免烧砖详细流程；

图2是本发明所述成型压力对免烧砖抗压强度的影响曲线；

图3是本发明所述钻屑粒径对免烧砖的影响曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。以下实施例中胶结剂水泥均为二次轮碾前一次性加入，实验证明在一次轮碾和二次轮碾前分批加入也能够得到同样的技术效果。

实施例1

将自然风干的钻屑，经过研磨、过筛处理，得到粒径0.3-0.6mm的钻屑，然后取60g与10g碎石子、8g熟石灰、3gβ-半水石膏、3g粘土、1g助剂，充分混合，加水（14g）轮碾，陈化4小时，加入20g水泥，补充适量的水分，控制混料含水率5%，再次轮碾，完毕。放入模具中，在30MPa压力下进行成型，脱模后自然养护20天。所述助剂为氯化钙、木质素磺酸钙以及水玻璃按照质量比2：1：1配置而成。

实施例2

将少量脱稳控水剂加入200g废泥浆(含水率约为20-30％)，充分搅拌破乳后，在110℃下烘干，采用万能粉碎机粉碎、过筛，得到粒径0.3-0.6mm的钻屑备用。取50g上述钻屑与5g碎石子、8g熟石灰、3gβ-半水石膏、3g粘土、1g助剂充分混合，加水轮碾，陈化4小时，加入28g水泥，补充适量的水分，控制混料含水率15%，再次轮碾，完毕。放入模具中，在50MPa压力下进行成型，脱模后自然养护30天。所述助剂为氯化钙、木质素磺酸钙按照质量比2：1配置而成。

实施例3

取经自然风干的钻屑，研磨、过筛，得到粒径为0.3mm钻屑，然后取52g钻屑与10g生石灰、3gα-半水石膏、3g粘土、河沙5g，1g助剂充分混合，加水轮碾，陈化8小时，加入28g水泥，补充适量的水分，控制混料含水率13%，再次轮碾，完毕。放入模具中，在50MPa压力下进行成型，脱模后自然养护30天。所述助剂为氯化钙、木质素磺酸钙按照质量比2：1配置而成。

实施例4

取经自然风干的钻屑，研磨、过筛，得到粒径为0.3mm钻屑，然后取75g钻屑与13g生石灰、5gα-半水石膏、10g粘土、河沙8g，1g助剂充分混合，加水轮碾，陈化8小时，加入25g水泥，补充适量的水分，控制混料含水率14%，再次轮碾，完毕。放入模具中，在35MPa压力下进行成型，脱模后自然养护30天。所述助剂为氯化钙、木质素磺酸钙按照质量比2：1配置而成。

实施例5

取经自然风干的钻屑，研磨、过筛，得到粒径为0.3mm钻屑，然后取45g钻屑与4g生石灰、2gα-半水石膏、2g粘土、河沙3g，粉煤灰2g，0.5g助剂充分混合，加水轮碾，陈化8小时，加入15g水泥，补充适量的水分，控制混料含水率10%，再次轮碾，完毕。放入模具中，在20MPa压力下进行成型，脱模后自然养护30天。所述助剂为氯化钙、木质素磺酸钙按照质量比2：1配置而成。

将实施例1-5得到的免烧砖进行性能测试，免烧砖的性能表征，包括：抗压强度、抗折强度，及后处理效果，包括浸出液pH、COD、含有、色度及重金属指标。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-水平振荡法》(HJ 557-2010)中规定的标准方法对免烧砖浸出毒性进行分析，具体步骤为：以去离子水为浸取剂，浸取剂与免烧砖样品按液固比10：1混合后放入具塞锥形瓶，然后将具塞锥形瓶塞子塞紧垂直固定于恒温往复式水平振荡机上，以120mrp的频率在25±2℃条件下振荡8h后，再静置16h，然后用有效孔径为0.45μm的过滤装置过滤，滤液中的重金属含量使用等离子体发射光谱进行测定。

以下是为测试结果：

表1测试结果汇总表

通过以上指标对比，可见实施例1-5制得的免烧砖具有较高的抗压及抗折强度，其浸出液各项指标均达到《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB18599-2001）；综合比较实施例3的技术效果最佳。

以上所述，仅是本发明的典型实施例，本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：按重量份数，原料组分包括：钻屑40-80份、胶结剂15-35份、活性激发剂2-15份、缓凝剂0-6份、增强剂2-10份、污染物控制剂0-10份、水5-15份；所述钻屑由钻井产生的废弃泥浆依次经干燥、粉碎得到。

2.根据权利要求1所述的废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：所述胶结剂为水泥或粘土；所述活性激发剂为生石灰、熟石灰或者消石灰；所述缓凝剂为生石膏、α-半水石膏或者β-半水石膏；所述增强剂为粉煤灰或硅氧化物或粘土；所述污染物控制剂为河沙、石子或者煤渣。

3.根据权利要求2所述的废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：所述水泥为标号32.5号或者42.5号的水泥；所述活性激发剂为生石灰；所述缓凝剂为α-半水石膏；所述硅氧化物为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：所述原料组分还包括其他助剂0-3份，所述其他助剂为早强剂、减水剂以及破胶剂中的一种或者几种的组合。

5.根据权利要求4所述的废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：所述钻屑、胶结剂、活性激活剂、缓凝剂、污染物控制剂、增强剂以及其他助剂质量比控制为52：28：10：3：5：3：1。

6.根据权利要求4所述的废弃泥浆制免烧砖，其特征在于：所述早强剂为氯化钠或氯化钙；所述减水剂为木质素磺酸钙；所述破胶剂为铝盐或者铁盐。

7.权利要求1-6任一项所述废弃泥浆制免烧砖的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）将将废弃泥浆进行预处理步骤得到钻屑，所述预处理步骤包括干燥、粉碎以及过筛；

（2）向所述钻屑中选择性地加入部分胶结剂、活性激发剂、缓凝剂、增强剂、污染物控制剂以及其他助剂，混合均匀后加水轮碾，经过陈化工艺后制得熟料；

（3）向所述熟料中二次加入余下的胶结剂以及补充一部分水，再次充分轮碾得到混料；

（4）将所述混料放入模具中经成型工艺压制成型，脱模得到砖坯；

（5）所述砖坯经养护工艺后自然干燥得到成品；

所述胶结剂也可以在步骤（3）中一次性加入。

8.根据权利要求7所述的废弃泥浆制免烧砖的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的钻屑粉碎到粒径为0.3-0.6mm；所述步骤（2）中的陈化工艺为在常温下密封放置2-12小时；所述步骤（3）中混料的含水率控制为5%-15%；所述步骤（5）中的养护工艺为：将砖坯放在阴凉通风处自然干燥，然后适量洒水保证原料充分水化，如此养护7-35天。

9.根据权利要求7所述的废弃泥浆制免烧砖的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）以及（3）加入的胶结剂为水泥；所述步骤（4）中成型工艺为：将混料装入钢制模具中，在压力试验机上加压成型，成型加压速度控制在0.5-1KN/s，或手动加压，成型压力为15-60MPa。

10.根据权利要求8所述的废弃泥浆制免烧砖的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的陈化工艺为在常温下放置8小时左右，所述步骤（3）中混料的含水率控制为13%。