CN110590338A - 一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法。包括如下步骤：将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉烘干处理，用行星式球磨机分别磨粉过325目标准筛网；按比例将所得原料充分混匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，过筛得到粒径大小20‑40目的压裂支撑剂半成品；将半成品放入瓷方舟中，于烘箱中烘干；将烘干半成品置于马弗炉中1200℃‑1400℃下烧结1‑3h，随炉冷却至室温，过筛得到粒径大小为20‑40目的压裂支撑剂产品。本发明以垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉混合物，通过一系列方法将其制备为压裂砂，得到了近乎球形的高强度低密度颗粒。本发明制备方法简单，易于工业化生产，所得产物可以满足压裂支撑剂的性能要求。

Description

一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法
技术领域
本发明属于垃圾资源化技术领域，具体涉及一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法。
背景技术
我国35.8％的陆地石油资源分布在山林、戈壁、高原、沼泽等环境相对较为恶劣的地方，且大部分储藏在3000m以深，开采起来比较困难。现各国渗透力，井浅的油田几乎开采殆尽，目前开钻的油气井在逐渐加深，渗透力也越来越弱，必须通过压裂来开采。油气压裂开采技术作为一种新型天然气、石油开采技术，可以延长油气井产气年限，提高油气产率，对低渗透矿床的作用尤为突出。
压裂砂是油田压裂开采时必不可少的一种原材料，全名为石油、天然气钻井压裂支撑剂。压裂砂是一种球形颗粒，强度较高，通常以陶瓷材料作为原材料制备。在水力压裂时，压裂砂可以支撑岩石开裂的缝隙，为油气的逸出形成通道。高强度高品质的压裂支撑剂可以提高油气60％的产出率，延长井5-10年的使用时间。根据我国已探明石油资源的总量，当采收率提高一个百分点时，采储量可提高2亿吨。
在该技术不断发展过程中，压裂砂材质与性能也在不断发生变化。研究者曾探索过的材料有玻璃球、塑料球、铝球等。经过反复的实验论证，以上大部分材料被逐渐淘汰，最终确定了覆膜支撑剂、石英砂支撑剂与陶粒支撑剂这三大类。石英砂支撑剂易破碎强度低，而且碎屑会将裂缝堵塞，使导流率降低，无法满足深井开采的需要，且工艺复杂，生产成本高。烧结而成的陶粒支撑剂相对而言性价比比较高，化学稳定性好，强度也高，因而被油田采用的越来越广泛，当然，陶粒支撑剂也存在一定的不足，比如密度高，容易损坏设备等。本发明方法属于陶粒支撑剂的范畴。
随着经济和人口的快速增长，垃圾产量也随之飞速增长。目前垃圾处理主要有垃圾填埋和垃圾焚烧发电两种方式。目前我国大部分地区开始开展垃圾焚烧发电，在垃圾焚烧发电运行中，产生了大量飞灰(约为垃圾焚烧量20％)，仍需进行填埋，占用了大量的土地，并存在较大的环境风险。目前常见的方式是将飞灰制砖，但可能会受市场季节性销售影响，存在滞销的问题，会严重影响垃圾焚烧处理的正常运行。因此，目前急需开展垃圾焚烧发电飞灰高附加值资源化利用技术研究，实现飞灰“零填埋”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，既可以减少飞灰填埋量避免污染环境，又能对飞灰进行资源化利用，所得压裂砂成本低廉、性价比高、球度好、密度低、优异的抗破碎性能、耐腐蚀性能、易于工业化生产。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，包括如下步骤：
1)将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉烘干处理，用行星式球磨机分别磨粉过325目标准筛网；
2)按比例将步骤1所得原料充分混匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
3)将半成品放入瓷方舟中，于烘箱中烘干；
4)将烘干半成品置于马弗炉中1200℃-1400℃下烧结1-3h，随炉冷却至室温，过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
按上述方案，所属垃圾焚烧飞灰主要成分如下
Si Ca Al Fe
主要存在形式 SiO<sub>2</sub> Ca(OH)<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
存在比例 20％-40％ 10％-30％ 20％-30％ 一般在10％以下
按上述方案，所述铝矾土呈灰色粉末状，密度2.4-2.5g/cm3。
按上述方案，所述锰矿粉呈黑色粉末状，二氧化锰含量达到91wt％以上。
按上述方案，步骤2中按质量比铝矾土：飞灰：锰矿粉＝(140-190)：(10-60)：(2-12)。
按上述方案，步骤2中圆盘造粒机转速为45-60r/min，造粒喷水量为60-80ml。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
本发明以垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉混合物，通过一系列方法将其制备为压裂砂，得到了近乎球形的高强度低密度颗粒。
本发明压裂支撑剂制备方法简单，易于工业化生产，所得产物可以满足压裂支撑剂的性能要求。
采用垃圾焚烧飞灰为原料较好地体现了“低消耗、低排放、高效率”的循环经济特征，既可以实现飞灰资源化利用，最大限度实现垃圾减量化，又可以应用于提高海上油气田采收率和低渗油田开发水平，通过废物利用的途径实现了环境保护的目标，同时以有限的资源消耗和环境成本，获得了较大的社会效益。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限定。
具体实施方式中所用飞灰为垃圾焚烧后燃尽产物。铝矾土取自巩义万盈环保材料有限公司，呈灰色粉末状，密度2.4-2.5g/cm3,熔点高，难溶于水，能溶于强酸强碱性溶液。锰矿粉为国药集团化学试剂有限公司生产的高纯二氧化锰，呈黑色粉末状，一般以碳酸锰矿和氧化锰矿为主，本药品中二氧化锰含量达到91wt％以上。
实施例1：
将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉等原料在电热恒温鼓风干燥箱烘干后，用行星式球磨机分别磨粉，置于振筛机上过325目标准筛网，筛上部分继续磨粉；
将筛下样品质量比为铝矾土：飞灰：锰矿粉＝140g：60g：12g混合均匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，观察达到目标粒径时，停止喷雾。防止料球长的过大，保持圆盘继续转动，使料球进一步滚实，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
将半成品缓慢放入瓷方舟中，置于105℃烘箱中烘干；
将烘干样品置于马弗炉中1200℃下烧结1.5h，随炉温冷却至室温后，将烧结后的样品过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
将得到的样品置于干燥器中保存，留予性能检测，其中所得样品圆度与球度形状良好，平均圆度和球度均在0.8以上，都满足石油天然气行业标准SY/T5108-2014中圆度和球度大于等于0.7的要求；浊度(NTU)为18.3；酸溶解度为7.79；在52MPa闭合压力破碎率为5.08％；体积密度为1.51g/cm3，视密度为2.84g/cm3，达到石油天然气行业标准SY/T5108-2014的要求。
实施例2
将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉等原料在电热恒温鼓风干燥箱烘干后，用行星式球磨机分别磨粉，置于振筛机上过325目标准筛网，筛上部分继续磨粉；
将筛下样品质量比为铝矾土：飞灰：锰矿粉＝160g：40g：8g混合均匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，观察达到目标粒径时，停止喷雾。防止料球长的过大，保持圆盘继续转动，使料球进一步滚实，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
将半成品缓慢放入瓷方舟中，置于105℃烘箱中烘干；
将烘干样品置于马弗炉中1250℃下烧结2h，随炉温冷却至室温后，将烧结后的样品过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
将得到的样品置于干燥器中保存，留予性能检测，其中所得样品圆度与球度形状良好，平均圆度和球度均在0.8以上，都满足石油天然气行业标准SY/T5108-2014中圆度和球度大于等于0.7的要求；浊度(NTU)为15.9；酸溶解度为6.72；在52MPa闭合压力破碎率为4.21％；体积密度为1.47g/cm3，视密度为2.74g/cm3，达到石油天然气行业标准SY/T5108-2014的要求。
实施例3
将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉等原料在电热恒温鼓风干燥箱烘干后，用行星式球磨机分别磨粉，置于振筛机上过325目标准筛网，筛上部分继续磨粉；
将筛下样品质量比为铝矾土：飞灰：锰矿粉＝180g：20g：4g混合均匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，观察达到目标粒径时，停止喷雾。防止料球长的过大，保持圆盘继续转动，使料球进一步滚实，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
将半成品缓慢放入瓷方舟中，置于105℃烘箱中烘干；
将烘干样品置于马弗炉中1300℃下烧结2.5h，随炉温冷却至室温后，将烧结后的样品过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
将得到的样品置于干燥器中保存，留予性能检测，其中所得样品圆度与球度形状良好，平均圆度和球度均在0.8以上，都满足石油天然气行业标准SY/T5108-2014中圆度和球度大于等于0.7的要求；浊度(NTU)为16.8；酸溶解度为7.93；在52MPa闭合压力破碎率为5.36％；体积密度为1.59g/cm3，视密度为2.92g/cm3，达到石油天然气行业标准SY/T5108-2014的要求。
实施例4
将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉等原料在电热恒温鼓风干燥箱烘干后，用行星式球磨机分别磨粉，置于振筛机上过325目标准筛网，筛上部分继续磨粉；
将筛下样品质量比为铝矾土：飞灰：锰矿粉＝190g：10g：4g混合均匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，观察达到目标粒径时，停止喷雾。防止料球长的过大，保持圆盘继续转动，使料球进一步滚实，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
将半成品缓慢放入瓷方舟中，置于105℃烘箱中烘干；
将烘干样品置于马弗炉中1350℃下烧结3h，随炉温冷却至室温后，将烧结后的样品过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
将得到的样品置于干燥器中保存，留予性能检测，其中所得样品圆度与球度形状良好，平均圆度和球度均在0.8以上，都满足石油天然气行业标准SY/T5108-2014中圆度和球度大于等于0.7的要求；浊度(NTU)为17.8；酸溶解度为8.21；在52MPa闭合压力破碎率为5.39％；体积密度为1.57g/cm3，视密度为2.87g/cm3，达到石油天然气行业标准SY/T5108-2014的要求。

Claims (6)

1.一种利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将垃圾焚烧飞灰、铝矾土、锰矿粉烘干处理，用行星式球磨机分别磨粉过325目标准筛网；
2)按比例将步骤1所得原料充分混匀，在圆盘制粒机中喷雾成球，过筛得到粒径大小20-40目的压裂支撑剂半成品；
3)将半成品放入瓷方舟中，于烘箱中烘干；
4)将烘干半成品置于马弗炉中1200℃-1400℃下烧结1-3h，随炉冷却至室温，过筛得到粒径大小为20-40目的压裂支撑剂产品。
2.如权利要求1所述利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于垃圾焚烧飞灰包含以下成分：SiO2为20-40wt％；Ca(OH)2为10-30wt％；Al2O3为20-30wt％；FeO、Fe2O3和Fe3O4合计在10wt％以下。
3.如权利要求1所述利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于所述铝矾土呈灰色粉末状，密度2.4-2.5g/cm3。
4.如权利要求1所述利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于所述锰矿粉呈黑色粉末状，二氧化锰含量达到91wt％以上。
5.如权利要求1所述利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于步骤2中按质量比铝矾土：飞灰：锰矿粉＝(140-190)：(10-60)：(2-12)。
6.如权利要求1所述利用垃圾焚烧飞灰制备压裂砂的方法，其特征在于步骤2中圆盘造粒机转速为45-60r/min，造粒喷水量为60-80ml。
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