油基鉆屑微波熱處理技術研究進展*

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實驗室；2.中國石油大學重質油國家重點實驗室）

油基鉆屑微波熱處理技術研究進展*

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實驗室；2.中國石油大學重質油國家重點實驗室）

隨著社會不斷發展，人們對能源的消耗逐年遞增，為緩解能源緊張問題，我國正積極開發頁巖氣能源。頁巖氣開發開采過程中需要大量使用油基鉆井液，這將導致大量含油鉆屑的產生。油基鉆屑處理不當會對周圍環境產生巨大危害，因此，油基鉆屑的無害化處理成為亟待解決的問題。通過簡述常規油基鉆屑處理技術，介紹微波處理技術的原理、特點及研究進展和展望。為油基鉆屑微波熱解處理技術高效節能、安全環保，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；除油率

隨著社會快速發展，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。頁巖氣開發力度增大，大量油基鉆屑隨之產生，引起的環境問題日益突出，妥善處置油基鉆屑成為亟待解決的問題。

1 油基鉆屑處理現狀

油基鉆屑含有組成復雜的石油烴類、重金屬和有機物等污染物，甚至還含有苯系物、酚類、蒽、芘等毒性較大的物質[2]，對環境危害嚴重。油基鉆屑隨雨水沖刷進入土壤，會使土壤受到油類、重金屬離子及鹽類的污染，進而影響植物，包括農作物的正常生長；進入江、河、湖、泊及其他地表水中，會污染飲用水源，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；排放入海會對海洋環境產生嚴重危害，威脅海洋生物的生存。

目前國內外處理油基鉆屑的技術主要有甩干-離心技術、化學脫附技術、微生物處理技術、固化資源化、填埋法、焚燒法等。甩干-離心技術設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；化學脫附技術可極大降低殘渣含油量，但化學試劑價格昂貴且需避免藥劑揮發泄露，設備投資高、占地面積大、不易實現隨鉆處理；微生物處理技術處理后的泥漿可直接用作土壤，經濟環保，但降解時間長，受環境制約大；固化資源化可實現對鉆屑的回收利用，但油基鉆屑含油率高，直接固化難以達標；填埋法操作簡單、成本低，但侵占土地，對環境存在潛在危害，當污染物含量較大或毒性較強時風險極大，不宜采用；焚燒法效果較好，但能耗大且會產生有害氣體，造成二次污染[3]。與以上技術相比，微波熱處理技術具有工藝、設備簡單，占地小，可回收柴油極大降低殘渣含油率等優點，因此利用微波法處理油基鉆屑受到廣泛關注，具有廣闊前景。

2 微波熱處理技術

油基鉆屑微波熱處理技術是指脫水干化后的鉆屑在高溫無氧條件下發生熱解，鉆屑中有機物大分子被分解成小分子物質，存在形態由固體轉化為液體和氣體。油基鉆屑經微波除油后，可以用于建筑、生產水泥、土地耕作等，熱解油分也可作為能源回收利用，既可減少環境污染又避免了資源的浪費。為了解決現有油基鉆屑處理技術存在的不足，微波熱處理技術成為國內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部，與物料中極性分子發生相互作用，極性分子在誘導偶極矩和取向作用下發生頻率極高的振蕩運動，分子之間“摩擦生熱”轉化為熱能，實現對物料的加熱[1]。傳統的加熱方式效率低、能量耗散大、加熱時間長，而微波加熱可同時加熱每一個獨立原子，使物料整體同時獲得熱量升溫，用微波加熱的時間小于常規加熱的1%，微波加熱比常規電加熱可節電30%～50%。

2.2 微波熱解技術特點

由于微波加熱的特殊機理，其具有諸多獨特優勢[4]和特點：

1）由于微波的穿透能力強，加熱可作用于整個物體，屬于體積性加熱，所以加熱均勻，加熱速度快、耗時短、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排放，被加熱物質在全封閉的爐腔內進行加熱，易回收處理其產生的廢氣等，解決了傳統熱工藝容易產生二次污染的環保難題。

4）微波加熱的過程中一般只發生物理變化，原有物質中，各組分的性質通常不會發生變化，微波本身也不會破壞或改變化學鍵，油基鉆屑經微波除油后，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、處理時間、吹掃氣流量等。H.Shang，C.E.Snape等[5]將北海海上平臺鉆探產生的油基鉆屑在在單模諧振腔中進行處理，發現對于100 g的樣品質量，低至3 s的處理時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高于多模腔。同時，考察在單模腔中，微波加熱功率、處理時間以及N2流量等因素對處理效果的影響。通過實驗發現，加熱功率和處理時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，但可以改善揮發物的傳質，并誘導樣品中油分更均勻地加熱，因此N2吹掃可提高有機相脫除率。Jessika M.Santos等[6]通過增加吹掃氣發現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等人的研究結論相同。

2015年，Irineu Petri Junior等[7]通過觀測鉆屑在微波熱解下正構烷烴的殘余量發現實際過程中鉆屑的干燥是非均勻的。實驗發現當對鉆屑施加攪拌時除油率顯著增加，攪拌能實現更均勻的干燥，因為除了增加微波的穿透力，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[8]。此外，Robinson等人也做過相似研究，在鉆屑床層高度為120 mm時，通過機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

鉆屑組成對于微波熱解效果的影響，研究發現鉆屑中的水含量在微波熱解中起著至關重要的作用，對熱解效果影響大。H.Shang等[11]通過數值模擬來評估電場和功率損耗密度分布對除油的影響。在這項研究中發現，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%的產物，保持其他參數不變，通過添加額外的水分將水分含量增加到15%時，可將殘油量降到到0.8%。這是因為在鉆屑中并不是所有物質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域不會發生很大程度的加熱。水是強極性物質，表現出非常高的損耗因子，容易吸收微波能量并將其轉化成熱。作為鉆屑中主要微波受體，水分子吸收了大量的微波能量，隨后以熱的形式轉移到油中引起熱解吸。理論上增加水含量會對熱解速率產生雙重影響，一方面，水含量增大，介電材料質量增加，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，電解質材料增加，整體功率密度增大，提高加熱速率。H.Shang等發現添加相同量的水分會使物料損耗因子增加幾個數量級，而比熱容僅微量增加。因此，增加含水量導致介電損耗因子比比熱容增加得多，從而導致提高加熱速率。同時，模擬數據顯示使用微波技術處理含油鉆屑成本可比常規加熱低20倍，具有良好的經濟效益。

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。實驗發現，相同熱解條件下，鉆屑顆粒越圓越大，除油率越高，這是因為鉆屑球狀度越高、顆粒越大，鉆屑床層的孔隙度越高，有利于油分揮發。實驗中測試了鉆屑高度由2 cm升高到6 cm處理效果的變化，發現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。這是因為隨著鉆屑厚度的增加，加熱速率降低，自由水與有機相接觸時間變長，使得能量由水相到有機相的轉移更加完全，從而提高了有機相的脫除率。Pereira等[12]也發現加熱速率越低，有機相去除率越高。

3 應用效果

基于微波獨特的加熱方式，微波熱解速度快、效率高。上海無線電廠曾在相同環境下加熱八種相同重量的食品，實驗結果表明：微波爐（960 W）比電爐（1500 W）平均省時45.6%，平均節能69.3%。美國通用電氣公司的實驗表明：用微波加熱食品，較常規電加熱方式一般節電55%～80%[13]。根據實驗結果，相較熱焚燒，微波熱解油基鉆屑是一種有效的節能手段。同時，為達到相同的處理效果，微波熱解處理可大大縮短處理時間。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，最終發現三種處理設備的除夜率高低順序是：微波爐、馬弗爐、管式爐，說明達到相同的處理效果，微波爐可用更短的時間。

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

4 結論及建議

微波處理技術是一種全新的處理技術，它具有加熱速度快，耗時短，節能高效，易于控制等特點，并通過大量實驗研究證實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用前景。但是與傳統的油基鉆屑處理技術相比，目前對微波處理的研究還不夠深入，為更好的發揮微波處理的優越性，必須對其進行更廣泛深入的研究：

1）進一步探究微波與物料間相互作用的機理，研究油基鉆屑在微波作用下的反應機理、動力學參數，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的優化與控制。

2）同常規熱解設備相比，微波熱解設備的復雜度較高，尤其是規模化的生產設備，為實現微波處理鉆屑的工業化，今后的重點之一就是開發高效低耗微波熱解關鍵技術與設備。針對鉆屑熱解工藝的特征與需求，優化微波熱解關鍵技術和設備并努力實現微波處理的在線監測與控制，提高微波熱解設備處理規模，使之系統化、標準化。同時，努力實現微波設備的小型化，降低設備制造成本。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.11.007

張瑤瑤，2016年畢業于中國石油大學（華東）（化學工程與工藝專業），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長江西路66號，266580。

國家科技重大專項項目“大型油氣田及煤層氣開發”，項目編號：2016X05040。

2017-08-10

（編輯 王古月）

跟蹤監測確保達標

中石化中原油田供熱管理處扎實做好環境保護工作，加強環保監測，細化排放標準，分重點、分層次利用先進測試儀器對14座運行中的鍋爐供熱裝置進行跟蹤監測，為環境治理和防控提供了可靠數據。該圖為安全環保人員在對燃煤鍋爐進行環保監測。