油基鉆屑微波熱處理技術(shù)研究進(jìn)展*

張瑤瑤 侯影飛1， 齊升東 牛青山1，

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

油基鉆屑微波熱處理技術(shù)研究進(jìn)展*

張瑤瑤2侯影飛1，2齊升東2牛青山1，2

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，人們對能源的消耗逐年遞增，為緩解能源緊張問題，我國正積極開發(fā)頁巖氣能源。頁巖氣開發(fā)開采過程中需要大量使用油基鉆井液，這將導(dǎo)致大量含油鉆屑的產(chǎn)生。油基鉆屑處理不當(dāng)會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大危害，因此，油基鉆屑的無害化處理成為亟待解決的問題。通過簡述常規(guī)油基鉆屑處理技術(shù)，介紹微波處理技術(shù)的原理、特點(diǎn)及研究進(jìn)展和展望。為油基鉆屑微波熱解處理技術(shù)高效節(jié)能、安全環(huán)保，為油基鉆屑的資源化處理提供了新的思路和方向。

油基鉆屑；微波熱處理技術(shù)；除油率

隨著社會(huì)快速發(fā)展，人們對能源的消耗和需求日益增加，為滿足能源需求，各國均積極開發(fā)頁巖氣能源。頁巖是脆性礦物，易水化膨脹、剝落，若采用水基鉆井液易發(fā)生井壁垮塌等事故[1]，必須采用特殊的油基鉆井液。頁巖氣開發(fā)力度增大，大量油基鉆屑隨之產(chǎn)生，引起的環(huán)境問題日益突出，妥善處置油基鉆屑成為亟待解決的問題。

1 油基鉆屑處理現(xiàn)狀

油基鉆屑含有組成復(fù)雜的石油烴類、重金屬和有機(jī)物等污染物，甚至還含有苯系物、酚類、蒽、芘等毒性較大的物質(zhì)[2]，對環(huán)境危害嚴(yán)重。油基鉆屑隨雨水沖刷進(jìn)入土壤，會(huì)使土壤受到油類、重金屬離子及鹽類的污染，進(jìn)而影響植物，包括農(nóng)作物的正常生長；進(jìn)入江、河、湖、泊及其他地表水中，會(huì)污染飲用水源，危害地表水中水生生物，并可由食物鏈影響和危害人類健康；排放入海會(huì)對海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害，威脅海洋生物的生存。

目前國內(nèi)外處理油基鉆屑的技術(shù)主要有甩干-離心技術(shù)、化學(xué)脫附技術(shù)、微生物處理技術(shù)、固化資源化、填埋法、焚燒法等。甩干-離心技術(shù)設(shè)備簡單可以除去鉆屑中的大部分水，但對含油鉆屑處理效果較差，多作為其他工藝的前處理技術(shù)；化學(xué)脫附技術(shù)可極大降低殘?jiān)土?，但化學(xué)試劑價(jià)格昂貴且需避免藥劑揮發(fā)泄露，設(shè)備投資高、占地面積大、不易實(shí)現(xiàn)隨鉆處理；微生物處理技術(shù)處理后的泥漿可直接用作土壤，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，但降解時(shí)間長，受環(huán)境制約大；固化資源化可實(shí)現(xiàn)對鉆屑的回收利用，但油基鉆屑含油率高，直接固化難以達(dá)標(biāo)；填埋法操作簡單、成本低，但侵占土地，對環(huán)境存在潛在危害，當(dāng)污染物含量較大或毒性較強(qiáng)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)極大，不宜采用；焚燒法效果較好，但能耗大且會(huì)產(chǎn)生有害氣體，造成二次污染[3]。與以上技術(shù)相比，微波熱處理技術(shù)具有工藝、設(shè)備簡單，占地小，可回收柴油極大降低殘?jiān)吐实葍?yōu)點(diǎn)，因此利用微波法處理油基鉆屑受到廣泛關(guān)注，具有廣闊前景。

2 微波熱處理技術(shù)

油基鉆屑微波熱處理技術(shù)是指脫水干化后的鉆屑在高溫?zé)o氧條件下發(fā)生熱解，鉆屑中有機(jī)物大分子被分解成小分子物質(zhì)，存在形態(tài)由固體轉(zhuǎn)化為液體和氣體。油基鉆屑經(jīng)微波除油后，可以用于建筑、生產(chǎn)水泥、土地耕作等，熱解油分也可作為能源回收利用，既可減少環(huán)境污染又避免了資源的浪費(fèi)。為了解決現(xiàn)有油基鉆屑處理技術(shù)存在的不足，微波熱處理技術(shù)成為國內(nèi)外研究人員研究的新方向。

2.1 微波加熱原理

微波屬于電磁波的一種，是指頻率在300 MHz～100 GHz、對應(yīng)波長在1 mm～1 m的交變電流信號。微波加熱是一種新的加熱方式，通過微波穿透物料內(nèi)部，與物料中極性分子發(fā)生相互作用，極性分子在誘導(dǎo)偶極矩和取向作用下發(fā)生頻率極高的振蕩運(yùn)動(dòng)，分子之間“摩擦生熱”轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)對物料的加熱[1]。傳統(tǒng)的加熱方式效率低、能量耗散大、加熱時(shí)間長，而微波加熱可同時(shí)加熱每一個(gè)獨(dú)立原子，使物料整體同時(shí)獲得熱量升溫，用微波加熱的時(shí)間小于常規(guī)加熱的1%，微波加熱比常規(guī)電加熱可節(jié)電30%～50%。

2.2 微波熱解技術(shù)特點(diǎn)

由于微波加熱的特殊機(jī)理，其具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢[4]和特點(diǎn)：

1）由于微波的穿透能力強(qiáng)，加熱可作用于整個(gè)物體，屬于體積性加熱，所以加熱均勻，加熱速度快、耗時(shí)短、能量利用率高。

2）由于介電特性的不同，不同材料對微波的反應(yīng)不同。因此，可以利用微波加熱的選擇性對物料中的不同成分進(jìn)行選擇性加熱。

3）微波加熱過程中，無廢水、廢氣等有毒有害物質(zhì)排放，被加熱物質(zhì)在全封閉的爐腔內(nèi)進(jìn)行加熱，易回收處理其產(chǎn)生的廢氣等，解決了傳統(tǒng)熱工藝容易產(chǎn)生二次污染的環(huán)保難題。

4）微波加熱的過程中一般只發(fā)生物理變化，原有物質(zhì)中，各組分的性質(zhì)通常不會(huì)發(fā)生變化，微波本身也不會(huì)破壞或改變化學(xué)鍵，油基鉆屑經(jīng)微波除油后，可以回收利用，被除去的油分也可作為能源回收利用。

2.3 微波熱處理技術(shù)影響因素

2.3.1 操作條件

目前對于操作條件對微波處理效果的影響主要圍繞微諧振腔模式、加熱功率、處理時(shí)間、吹掃氣流量等。H.Shang，C.E.Snape等[5]將北海海上平臺(tái)鉆探產(chǎn)生的油基鉆屑在在單模諧振腔中進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)對于100 g的樣品質(zhì)量，低至3 s的處理時(shí)間足以除去所需量的油，比多模腔中的等效測試快得多，在單模腔中加熱速率遠(yuǎn)高于多模腔。同時(shí)，考察在單模腔中，微波加熱功率、處理時(shí)間以及N2流量等因素對處理效果的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加熱功率和處理時(shí)間是直接影響樣品吸收微波能量的因素，可通過增加功率和延長處理時(shí)間來提高除油率。N2流速不直接影響樣品對微波能量的吸收，但可以改善揮發(fā)物的傳質(zhì)，并誘導(dǎo)樣品中油分更均勻地加熱，因此N2吹掃可提高有機(jī)相脫除率。Jessika M.Santos等[6]通過增加吹掃氣發(fā)現(xiàn)使用吹掃氣體可將正鏈烷烴的去除率從75%提高到90%，這均與H.Shang等人的研究結(jié)論相同。

2015年，Irineu Petri Junior等[7]通過觀測鉆屑在微波熱解下正構(gòu)烷烴的殘余量發(fā)現(xiàn)實(shí)際過程中鉆屑的干燥是非均勻的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對鉆屑施加攪拌時(shí)除油率顯著增加，攪拌能實(shí)現(xiàn)更均勻的干燥，因?yàn)槌嗽黾游⒉ǖ拇┩噶?，攪拌能最大限度地減少熱電偶金屬反射影響和容器的邊緣效應(yīng)[8]。此外，Robinson等人也做過相似研究，在鉆屑床層高度為120 mm時(shí)，通過機(jī)械攪拌成功將除油率從35%提高至90%[9]，由于微波具有一定穿透深度，床層高度的增加會(huì)降低底部的原料對微波的吸收能力，在這種情況下（高床層厚度），攪拌器大大增加了微波的穿透效率[10]。在淺床層中，幾乎所有的原料都可以在不攪拌的情況下吸收微波。

2.3.2 鉆屑組成及性質(zhì)

鉆屑組成對于微波熱解效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)鉆屑中的水含量在微波熱解中起著至關(guān)重要的作用，對熱解效果影響大。H.Shang等[11]通過數(shù)值模擬來評估電場和功率損耗密度分布對除油的影響。在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，含水量在除油中起著最重要的作用。在單模腔中處理水分含量為6%的原料，可得殘油量為1.9%的產(chǎn)物，保持其他參數(shù)不變，通過添加額外的水分將水分含量增加到15%時(shí)，可將殘油量降到到0.8%。這是因?yàn)樵阢@屑中并不是所有物質(zhì)都能夠在很大程度上吸收微波，通常介電損耗因子值相對較大的材料吸收微波能量，而介電損耗因子值低于0.02的那些材料在微波領(lǐng)域不會(huì)發(fā)生很大程度的加熱。水是強(qiáng)極性物質(zhì)，表現(xiàn)出非常高的損耗因子，容易吸收微波能量并將其轉(zhuǎn)化成熱。作為鉆屑中主要微波受體，水分子吸收了大量的微波能量，隨后以熱的形式轉(zhuǎn)移到油中引起熱解吸。理論上增加水含量會(huì)對熱解速率產(chǎn)生雙重影響，一方面，水含量增大，介電材料質(zhì)量增加，即有更多的材料可用于吸收有限量的微波能源，所以水含量的增加可能降低加熱速率。另一方面，電解質(zhì)材料增加，整體功率密度增大，提高加熱速率。H.Shang等發(fā)現(xiàn)添加相同量的水分會(huì)使物料損耗因子增加幾個(gè)數(shù)量級，而比熱容僅微量增加。因此，增加含水量導(dǎo)致介電損耗因子比比熱容增加得多，從而導(dǎo)致提高加熱速率。同時(shí)，模擬數(shù)據(jù)顯示使用微波技術(shù)處理含油鉆屑成本可比常規(guī)加熱低20倍，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，Jessika M.Santos等研究了鉆屑粒徑和形狀、鉆屑床層厚度、鉆屑組成等因素對處理效果的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同熱解條件下，鉆屑顆粒越圓越大，除油率越高，這是因?yàn)殂@屑球狀度越高、顆粒越大，鉆屑床層的孔隙度越高，有利于油分揮發(fā)。實(shí)驗(yàn)中測試了鉆屑高度由2 cm升高到6 cm處理效果的變化，發(fā)現(xiàn)隨鉆屑床層厚度的增加，正鏈烷烴去除率從70%左右升到90%左右。這是因?yàn)殡S著鉆屑厚度的增加，加熱速率降低，自由水與有機(jī)相接觸時(shí)間變長，使得能量由水相到有機(jī)相的轉(zhuǎn)移更加完全，從而提高了有機(jī)相的脫除率。Pereira等[12]也發(fā)現(xiàn)加熱速率越低，有機(jī)相去除率越高。

3 應(yīng)用效果

基于微波獨(dú)特的加熱方式，微波熱解速度快、效率高。上海無線電廠曾在相同環(huán)境下加熱八種相同重量的食品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微波爐（960 W）比電爐（1500 W）平均省時(shí)45.6%，平均節(jié)能69.3%。美國通用電氣公司的實(shí)驗(yàn)表明：用微波加熱食品，較常規(guī)電加熱方式一般節(jié)電55%～80%[13]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相較熱焚燒，微波熱解油基鉆屑是一種有效的節(jié)能手段。同時(shí)，為達(dá)到相同的處理效果，微波熱解處理可大大縮短處理時(shí)間。將15 g相同的油基鉆屑樣品置于微波爐、馬弗爐、管式爐中800℃恒溫20 min，最終發(fā)現(xiàn)三種處理設(shè)備的除夜率高低順序是：微波爐、馬弗爐、管式爐，說明達(dá)到相同的處理效果，微波爐可用更短的時(shí)間。

此外，微波熱解處理油基鉆屑的氣體產(chǎn)物主要成分是H2、CH4、CO等可燃性氣體，H2與烷烴類具有高熱值，可用作燃料，具有良好的節(jié)能效益。表1為孤島油田油基鉆屑經(jīng)微波爐熱解處理得到的不凝氣組成。

4 結(jié)論及建議

微波處理技術(shù)是一種全新的處理技術(shù)，它具有加熱速度快，耗時(shí)短，節(jié)能高效，易于控制等特點(diǎn)，并通過大量實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)對油基鉆屑具有良好的除油效果，在處理油基鉆屑方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是與傳統(tǒng)的油基鉆屑處理技術(shù)相比，目前對微波處理的研究還不夠深入，為更好的發(fā)揮微波處理的優(yōu)越性，必須對其進(jìn)行更廣泛深入的研究：

1）進(jìn)一步探究微波與物料間相互作用的機(jī)理，研究油基鉆屑在微波作用下的反應(yīng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以及物料特性對微波加熱特性的影響。這有助于鉆屑熱解工藝參數(shù)的優(yōu)化與控制。

2）同常規(guī)熱解設(shè)備相比，微波熱解設(shè)備的復(fù)雜度較高，尤其是規(guī)?；纳a(chǎn)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)微波處理鉆屑的工業(yè)化，今后的重點(diǎn)之一就是開發(fā)高效低耗微波熱解關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備。針對鉆屑熱解工藝的特征與需求，優(yōu)化微波熱解關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備并努力實(shí)現(xiàn)微波處理的在線監(jiān)測與控制，提高微波熱解設(shè)備處理規(guī)模，使之系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，努力實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備的小型化，降低設(shè)備制造成本。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.11.007

張瑤瑤，2016年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（化學(xué)工程與工藝專業(yè)），從事石油與天然氣加工、固廢資源化、電池隔膜研究，E-mail：sdhgzyy2012@163.com，地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號，266580。

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”，項(xiàng)目編號：2016X05040。

2017-08-10

（編輯 王古月）

跟蹤監(jiān)測確保達(dá)標(biāo)

中石化中原油田供熱管理處扎實(shí)做好環(huán)境保護(hù)工作，加強(qiáng)環(huán)保監(jiān)測，細(xì)化排放標(biāo)準(zhǔn)，分重點(diǎn)、分層次利用先進(jìn)測試儀器對14座運(yùn)行中的鍋爐供熱裝置進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，為環(huán)境治理和防控提供了可靠數(shù)據(jù)。該圖為安全環(huán)保人員在對燃煤鍋爐進(jìn)行環(huán)保監(jiān)測。