劉宇程 王茂仁 吳建發(fā) 陳明燕 祝 夢 廖茂芪

1.西南石油大學化學化工學院 2.西南石油大學工業(yè)危廢處置與資源化利用研究院 3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、潤滑性好、有利于井壁穩(wěn)定、對油氣層損害小等優(yōu)點，廣泛運用在各類鉆井平臺。鉆井過程中，每口井產(chǎn)生的油基巖屑量介于200～800 m3。油基巖屑屬于《國家危險廢物名錄》中HW08類危險廢物，每年數(shù)百萬噸的油基巖屑亟待無害化處置。熱脫附處理技術(shù)源于土壤中有機物污染修復(fù)技術(shù)[1]，近幾年用于油基巖屑無害化處置領(lǐng)域。該技術(shù)通過直接或間接對油基巖屑加熱，使油溫達到沸點后從巖屑中揮發(fā)出來，實現(xiàn)油與巖屑分離，具有處理后殘渣含油量低于0.3%、油回收率大于75%等優(yōu)點，目前已應(yīng)用于四川、重慶、新疆等地區(qū)的油氣田。

油基巖屑熱脫附處理技術(shù)目前仍存在著不少關(guān)鍵問題有待于研究解決。為此筆者在梳理國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合對現(xiàn)場應(yīng)用的認識，系統(tǒng)介紹了油基巖屑熱脫附機理、工藝和設(shè)備、主要影響因素及資源化利用的現(xiàn)狀，指出了存在的問題并提出了今后研究方向的建議，以期為油基巖屑熱脫附處理技術(shù)的研究和發(fā)展提供參考。

1 油基巖屑熱脫附機理

1.1 油基鉆井液用基油熱解特征

白油主要為飽和的環(huán)烷烴與鏈烷烴混合物，當前油基鉆井液使用的白油有3號、4號、5號、10號白油。其中，5號白油熱解氣相色譜圖顯示90～276℃，16～40 min時出現(xiàn)規(guī)則梳狀峰，主要碳數(shù)分布范圍C14～C24。

柴油是復(fù)雜的烴類混合物，一般分為輕柴油（沸點介于180～370 ℃）和重柴油（沸點介于350～410 ℃）兩類。油基鉆井液常用0號柴油，在新疆等氣候極端地區(qū)冬季使用-35號柴油。王翔等[2]研究發(fā)現(xiàn)0號柴油的失重區(qū)間主要集中在100～350℃，330 ℃時柴油的失重率占總失重率的98%。何敏等[3]分析發(fā)現(xiàn)，頁巖氣油基鉆井液、油基巖屑中礦物油和熱脫附回收油3類樣品中石油烴分布為：C15～C28占 比65.13%～68.51%、C10～C14占 比30.96%～ 33.88%、C6～C9占比0.19%～0.37 %。

1.2 油基巖屑熱脫附過程及機理

油基巖屑熱脫附的反應(yīng)過程可根據(jù)加熱溫度和脫附組分劃分為水分干燥、輕質(zhì)成分揮發(fā)、重質(zhì)成分揮發(fā)、少量重質(zhì)成分裂解等幾個階段。DTG曲線將油基巖屑熱脫附過程分3個階段[4]：①溫度300℃以內(nèi)，失重率15.59%，水分與輕質(zhì)有機物分離；②300～600 ℃，失重率5.82%，重質(zhì)成分分離；③600 ℃以上，失重率4.07%，殘留重質(zhì)石油烴斷裂裂解。比熱容顯示100～200 ℃油基巖屑熱損失占400 ℃以下熱損失總和的91.03%，該階段吸熱較少，134～142 ℃為放熱反應(yīng)[5]。

基于以上研究可知，油基巖屑熱脫附過程以物理反應(yīng)為主。油基巖屑表面吸收熱量，溫度迅速上升，水分和低分子烴類化合物劇烈運動，從油基巖屑表面脫吸附；隨著熱脫附溫度升高至410 ℃，熱量向油基巖屑內(nèi)部傳遞，內(nèi)部水分子、低分子烴類化合物和表面分子量大的烴類化合物脫吸附，當表面和內(nèi)部溫度差趨于0 ℃時，可揮發(fā)組分基本分離；若加熱時間繼續(xù)延長和溫度升高，少量重質(zhì)烴在無氧或低氧條件下可能發(fā)生斷鏈裂解，生成小分子烴類化合物。

2 油基巖屑熱脫附工藝及設(shè)備

熱脫附技術(shù)來源于有機物污染土壤修復(fù)，設(shè)備設(shè)計溫度可達700 ℃，可應(yīng)用于油基巖屑、含油污泥無害化處理，石油烴、農(nóng)藥、汞污染土壤修復(fù)，處理不同目標污染物時需選擇不同熱脫附工藝及設(shè)備，并設(shè)置不同運行參數(shù)。

2.1 不同加熱方式下熱脫附工藝及設(shè)備類型

2.1.1 天然氣/油燃燒加熱方式

按熱脫附腔體是否串聯(lián)將熱脫附工藝及設(shè)備分為兩段式和一段式。兩段式熱脫附設(shè)備[6-7]具有串聯(lián)的2個熱脫附腔體（圖1-a）。油基巖屑從上層脫附腔體后進入下層熱脫附腔體，熱源由燃燒器直接加熱或燃燒室內(nèi)高溫煙氣提供，與物料運行方向相反，通過熱脫附腔體外的燃燒室或夾套，與熱脫附腔體換熱后經(jīng)煙囪排出。油基巖屑在上層熱脫附腔體內(nèi)先經(jīng)煙氣余熱預(yù)加熱，分離水和輕質(zhì)組分，進入下層熱脫附腔體溫度繼續(xù)升高，達到油沸點以上溫度，油與巖屑分離。該工藝設(shè)備有效利用了煙氣余熱，并設(shè)置了2段分隔溫區(qū)使水和油分別從巖屑中脫吸附。

一段式熱脫附設(shè)備[8-11]與兩段式熱脫附設(shè)備的主要區(qū)別在于：①只有1個熱脫附腔體（圖1-b）；②加熱方式為燃燒室內(nèi)多組燃燒器直接燃燒，通過控制各燃燒器的起停，調(diào)節(jié)熱脫附腔體內(nèi)進料口—出料口間形成不同的溫區(qū)，控制方式更為靈活；③物料推移可以是螺旋推進方式或回轉(zhuǎn)窯方式，而兩段式熱脫附裝置目前只有螺旋推進方式；④燃燒室內(nèi)熱量從煙氣中損失，煙囪煙氣溫度相對較高。

圖1 熱脫附核心單元工藝及設(shè)備示意圖

根據(jù)熱脫附腔體內(nèi)物料推移方式的不同，一段式熱脫附設(shè)備可分為螺旋推進式和回轉(zhuǎn)窯式兩種熱脫附設(shè)備，其分類與特點如表1所示。

正常情況下，油基巖屑中含水率小于20%，根據(jù)白油和柴油的熱解特征可知，油基巖屑中的油相蒸發(fā)溫度區(qū)間相對集中，兩種工藝及設(shè)備都可以用于油基巖屑無害化處置。其對比結(jié)果如表2所示。

2.1.2 微波加熱方式

微波加熱具有加熱速度快、均勻、即熱控制、熱效率高等優(yōu)點。Petri等[12]開發(fā)了一種處理能力750 kg/h的微波熱脫附設(shè)備，最高輸出功率可達84 kW、2.45 GHz，該設(shè)備已在實際運行條件下進行了測試，進料量250～750 kg/h，油基巖屑中含油率初始含量分別為7.5%、10%、12.5%，能夠在處理量為250 kg/h的情況下，將殘渣的含油率降低到0.1%。

基于微波利用水分子高速運動讓物料自身發(fā)熱的原理，加熱在物料內(nèi)部和外部同時進行，加熱速度快，在電力充足的地區(qū)，微波加熱方式的熱脫附設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢。微波熱脫附設(shè)備可以設(shè)計反射扼流圈和吸收性扼流圈作為安全措施，扼流圈內(nèi)襯微波吸收碳泡沫用于衰減微波，微波泄漏傳感器被放置在吸收性扼流圈的末端，并與微波發(fā)生器相連，如果傳感器檢測到泄漏水平為大于0.5 mW/cm2，則系統(tǒng)將完全關(guān)閉[12]。盡管如此，仍需要解決設(shè)備處理能力提高以及防止工業(yè)化大功率微波設(shè)備對人體的傷害的問題。

表1 一段式熱脫附設(shè)備分類與特點表

表2 兩段式和一段式熱脫附設(shè)備對比表

2.1.3 電磁加熱方式

電磁加熱是通過纏繞在熱脫附腔體周圍的電磁加熱設(shè)器產(chǎn)生電磁場，作用熱脫附腔體產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。當前國內(nèi)已經(jīng)有2.5 t/h電磁加熱方式的熱脫附設(shè)備，總裝機功率600 kW，設(shè)備正常運行時，常用功率約400 kW，熱脫附腔體內(nèi)溫度最高可達到520 ℃，具有升溫時間短、分段纏繞控制溫區(qū)等特點。

2.2 不同加熱方式下熱脫附工藝和設(shè)備對比

天然氣燃燒加熱的熱脫附設(shè)備煙氣可直接排放，油燃燒加熱方式適合天然氣和電力供應(yīng)不足地區(qū)使用，需增加煙氣處理設(shè)備；微波加熱方式的熱脫附設(shè)備工業(yè)化應(yīng)用仍有很多難點；對于頁巖氣開采區(qū)內(nèi)，電磁加熱方式的熱脫附設(shè)備因沒有明火，相對安全，但功率較大，需要有連續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。3種加熱方式的熱脫附工藝和設(shè)備的對比結(jié)果如表3所示。

表3 不同加熱方式下熱脫附工藝和設(shè)備對比表

2.3 熱脫附設(shè)備工業(yè)化應(yīng)用

熱脫附設(shè)備成功應(yīng)用于長寧、威遠國家級頁巖氣示范區(qū)油基巖屑處理，處理能力可達40 t/d[13]，殘渣的油含量小于1%，油回收率大于95%，處理過程中不添加處理劑，不凝氣處理后二次燃燒，煙氣達標排放。2017年的數(shù)據(jù)顯示[5]，該裝置已累計處置油基巖屑近2×104m3，熱脫附處置后殘渣可以資源化用于制磚。中國石油新疆油田公司霍11、高探1井等油基巖屑也通過熱脫附裝置累計處理1×104m3，處理后殘渣的含油率低于0.3%，達到《陸上石油天然氣開采含油污泥資源化綜合利用及污染控制技術(shù)要求》（SY/T 7301—2016）要求。

3 油基巖屑熱脫附主要影響因素

油基巖屑熱脫附過程中影響因素主要包括油基巖屑理化特征（如油基巖屑中含油率、含水率，粒徑，基油及添加劑沸點等）、加熱溫度、加熱時間、傳熱方式、載氣氣氛、進料速度（或處理能力）等，目前研究多集中在加熱溫度、加熱時間、進氣速率等因素。

3.1 殘渣含油率的主要影響因素

殘渣含油率是考核油基巖屑熱脫附效果的主要指標之一，國內(nèi)外學者們當前圍繞油基巖屑熱脫附加熱溫度、加熱時間、升溫速率、進料速度、進氣速率以及油基巖屑含固率等影響因素展開了大量研究。黃維巍[4]認為加熱溫度對熱脫附效果的影響最大，熱脫附殘渣的含油率在0.03%時，工藝最佳條件為：加熱溫度500 ℃、加熱時間60 min、升溫速率20 ℃/min、氮氣進氣速率0.10 L/min。郭文輝等[14]研究顯示，加熱溫度和加熱時間對熱脫附處理后殘渣的含油率影響較大，400 ℃時加熱120 min，含油率仍為2.83%，而550 ℃時加熱30 min，含油率可低于1%。孫靜文等[15]研究顯示，對于固控系統(tǒng)振動篩出渣（物料A），375 ℃、15 L/h進料速度、45 min條件下，殘渣含油率可小于1%；而離心機出渣（物料B），350 ℃時、20 L/h進料速度、50 min，可達到同樣效果。

加熱溫度是油基巖屑微波熱脫附的主要影響因素，侯影飛等[16]研究發(fā)現(xiàn)微波功率越大，升溫速率越快，加熱溫度250 ℃，時間30 min條件下，殘渣的含油率可降至0.23%。Júnior等[17]研究認為，只有加熱溫度超過油基巖屑中重質(zhì)碳氫化合物的沸點時，熱脫附處理才有效果，油基巖屑中C9以下組分較少，100 ℃時油基巖屑中含油率幾乎沒有變化，采用10 ℃/min升溫速度，達到400 ℃后穩(wěn)定10 min，油基巖屑中含C26的組成也得到了清除。Júnior等[18]研究了非均質(zhì)干燥、巖屑中鉆井液的初始含量、床層機械攪拌、鉆井液類型等變量和參數(shù)對微波干燥過程的影響，結(jié)果表明，加熱溫度是熱脫附處理的最重要參數(shù)。

以上研究表明，殘渣含油率的主要影響因素為加熱溫度、加熱時間、巖屑含固率，其次為堆放厚度、進料速度、升溫速率、進氣速度、微波或電磁功率、（微波）床層機械攪拌等。實踐顯示，油基巖屑含固率大于70%時，550 ℃穩(wěn)定60 min熱脫附條件下，殘渣的含油率可以降低至0.3%以下。

3.2 回收油的主要影響因素

熱脫附過程加熱溫度和加熱時間對回收油的回收率影響較大。郭文輝等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同加熱溫度和加熱時間給回收油帶來3種不同趨勢變化：400 ℃時，加熱時間越長，回收率越大，45～90 min時回收率上升最快；500 ℃時，隨著時間增長，因基礎(chǔ)油裂解影響，回收率先上升后下降；550 ℃開始，隨著溫度的升高，回收率下降，溫度越高，隨著時間增長，回收率下降越快。

加熱溫度對回收油的組分影響最大。夏世斌等[19]用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀研究了油基巖屑熱脫附過程，200 ℃時C4～C12組分含量最高，隨著溫度升高，該組分含量下降，400 ℃時該組分因基油裂解其含量小幅升高；300 ℃時C13～C18組分含量最高；隨著溫度升高，重質(zhì)組分含量升高，500 ℃時回收油中柴油組分含量最高。Hou等[20]研究了微波處理油基巖屑熱脫附過程，結(jié)果顯示：在較低的熱解溫度下，微波熱解得到CH4和H2，說明微波對油基巖屑中油的熱裂解具有重要的促進作用。在300 ℃、400 ℃和500 ℃下分別得到大量＜ C12、C12～C20和C21～C24組分。此外，溫度對能夠發(fā)生裂解反應(yīng)的油品組分也有很大的影響，C12～C20組分在500 ℃時發(fā)生熱裂解，同時有大量C21～C24組分揮發(fā)。在500 ℃以上，發(fā)生了＞ C25組分的熱裂解反應(yīng)。

油基巖屑在熱脫附過程以蒸餾、揮發(fā)等物理過程為主，還存在芳烴類與鹵代烴類所占比例增加的化學反應(yīng)[3]。在熱脫附前后樣品中石油烴分布基本一致，C15～C28、C10～C14、C6～C9占比依次為65.13%～68.51%、30.96%～33.88%、0.19%～0.37%。熱脫附過程不會對油基巖屑中油產(chǎn)生顯著影響，回收油重復(fù)用于配制油基鉆井液流變性和乳化性能較好，滿足鉆井液性能需求。

以上研究結(jié)果表明：加熱溫度對回收油的組分影響最大；加熱溫度不變的情況下，加熱時間延長會增加油的回收率，回收油可以滿足配制鉆井液流變性等性能要求。

3.3 轉(zhuǎn)速對油基鉆屑熱脫附過程中升溫速度的影響

油基巖屑熱脫附傳熱過程除了與油基巖屑物性有關(guān)，還與油基巖屑在熱脫附腔體內(nèi)的運動狀態(tài)有關(guān)，轉(zhuǎn)速是其運動狀態(tài)的主要影響因素之一。吳靜[21]研究了傳熱系數(shù)計算模型的建模和物料填充率對傳熱系數(shù)的影響，認為：轉(zhuǎn)速的增加將從管壁與顆粒間的對流傳熱和接觸傳熱兩個方面對傳熱系數(shù)的變化規(guī)律產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速升高使顆粒垂直于腔體壁的運動速度分量增加，顆粒與壁面的最大接觸面積和單位時間內(nèi)接觸頻次增加；此外，管壁與顆粒內(nèi)氣體的對流傳熱增強，從而增大了兩者的傳熱系數(shù)，導致加熱管壁的平均傳熱系數(shù)出現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速提高而逐漸增大的趨勢?；诖朔治?，轉(zhuǎn)速增加對油基巖屑熱脫附過程中油基巖屑顆粒升溫速度具有增大作用。徐千芃等[22]采用Fluent軟件對回轉(zhuǎn)窯式熱脫附裝置內(nèi)油基巖屑熱脫附過程進行數(shù)值模擬，回轉(zhuǎn)速度為0.02 rad/s時，前6 min物料溫度急劇至386.85 ℃左右，之后物料溫度變化較為緩慢，窯體固定或回轉(zhuǎn)速度偏小及偏大均會導致新進入的油基巖屑無法得到充分混合與加熱，加熱不夠充分，影響熱脫附效果。

以上研究結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速的增加加快了物料與熱脫附腔體管壁接觸的頻次，提高了升溫速度，但提升轉(zhuǎn)速減少了油基巖屑在熱脫附腔體內(nèi)的加熱時間，可能會導致殘渣的含油率不能達標；反之，轉(zhuǎn)速降低，相同處理能力條件下，油基巖屑的填充量明顯增加，會增大內(nèi)部傳質(zhì)阻力和設(shè)備負荷，影響設(shè)備穩(wěn)定運行。因此，需要優(yōu)化最佳轉(zhuǎn)速。

4 油基巖屑熱脫附殘渣資源化利用

4.1 油基巖屑組分分析

根據(jù)油基巖屑及其殘渣的組分和化學成分[4-5,14,23]，其成分與油基鉆井液黏附量存在一定關(guān)系。油基鉆井液黏附量越大，其重晶石和BaO含量越高。熱脫附后殘渣組分和化學成分以石英、重晶石和SiO2、CaO、BaO等為主，具有較小的燒失量，SiO2、Al2O3·CaO、Fe2O3等成分是凝膠材料水化反應(yīng)的主要物質(zhì)，SiO2與CaO反應(yīng)生成水合硅酸鈣（C—S—H），這一性能為油基巖屑熱脫附后殘渣資源化用于建筑材料、筑路材料、混凝土填充劑等提供了條件。

4.2 油基巖屑熱脫附殘渣資源化利用

國內(nèi)外已經(jīng)研究將熱脫附后殘渣作為細骨料的部分替代品和磚與混凝土中凝膠材料的一部分[24-25]，姚曉等[26]用油基巖屑熱脫附處理后殘渣替代部分油井水泥，用于制備固井水泥漿（40%油井水泥＋60%殘渣＋3%降水水劑＋4%硅灰＋2%晶體膨脹劑），摻渣水泥漿體系的各項工程性能均滿足固井施工的基本技術(shù)要求。王朝強等[27-28]將油基鉆屑熱脫附殘渣和粉煤灰作為混凝土細骨料及膠凝材料的替代品，進行了一系列資源化利用探索。研究發(fā)現(xiàn)該殘渣具有獨特的火山灰特性，摻入熱脫附殘渣的混凝土抗壓強度、干容重和導熱系數(shù)基本滿足《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》（GB/T 11969—2008）的要求；此外，采用50%的油基巖屑熱脫附殘渣作為再生骨料，并添加混合物來制備免燒磚，耐久性可靠，達到國家標準《砌墻磚試驗方法》（GB/T 2542—2012）M10級標準[29]。Ikotun等[30]用熱脫附后殘渣摻混混凝土中，比較了硅酸鹽水泥、粉煤灰、礦渣等水泥/水泥填料的物理性能，處理后的殘渣物理、化學和礦物學性能與其他水泥類型的表現(xiàn)性能和技術(shù)特征參數(shù)要求相似，可以用于部分置換混凝土中填充材料。Mneina等[31]用熱脫附后殘渣作為砂或粉煤灰的部分替代品，制備一種膠凝材料，可作為土壤回填材料的替代材料。

5 存在的問題

近幾年油基鉆井液技術(shù)的全面推廣，推動了油基巖屑熱脫附處理技術(shù)的研究和應(yīng)用，盡管已經(jīng)取得了一些階段成果，但仍存在很多技術(shù)問題，需要進一步研究。

1）能耗成本相對偏高。熱脫附處理主要目的是將油基巖屑中的油與巖屑分離，實現(xiàn)油回收和殘渣的含油率達標。但是在熱脫附過程中油基巖屑中的水分、巖屑、通入腔體的惰性保護氣體等同樣吸收了大量的熱能，且油基巖屑中蒙脫石類吸附能力強的成分含量越高，脫附時需要的熱量越多。此外，為了實現(xiàn)殘渣的含油率達標，實際生產(chǎn)中加熱溫度、加熱時間、進氣速率等都會遠高于理論需求，相比熱清洗、萃取等類似處理技術(shù)，熱脫附處理能耗成本偏高，工業(yè)化經(jīng)濟效益制約了其應(yīng)用推廣。

2）資源化利用仍需進一步研究和政策引導：①殘渣方面，頁巖氣開采中的油基巖屑處理后資源化用于燒結(jié)磚，摻混比在10%左右。SY/T 7301—2016明確處理后剩余固相宜用于鋪設(shè)通井路、鋪墊井場基礎(chǔ)材料。熱脫附后殘渣主要為灰分和碳組分，小粒徑組分含量高，直接鋪墊易揚塵，缺乏結(jié)構(gòu)力，也存在環(huán)境二次污染隱患，需要研究固穩(wěn)劑解決這些問題。無論是用于燒結(jié)磚還是鋪墊道路，目前有效利用的消耗量有限，且明確了可以資源化利用政策的地區(qū)較少，實施遇到諸多困難。②回收油雖然滿足配制油基鉆井液性能的要求，但基油和鉆井液處理劑在熱脫附過程中伴生硫醚和噻吩類硫化物等物質(zhì)，易揮發(fā)產(chǎn)生惡臭，人長期處于該環(huán)境容易出現(xiàn)惡心、頭暈等現(xiàn)象，因此，回收油目前主要按原油或老化油利用。若回收油除臭后用于重新配置鉆井液，其經(jīng)濟效益可以提高3～5倍。③廢水方面，現(xiàn)有熱脫附設(shè)備多采用水與熱脫附氣體直接接觸噴淋冷卻方式，冷凝后的油水混合物通過靜止和氣浮設(shè)備油水分離，產(chǎn)生的廢水COD可達2×104mg/L，伴隨惡臭[32]。產(chǎn)生量介于物料質(zhì)量的3%～8%，單獨對其處理達到回用或排放標準，經(jīng)濟成本高，污水處置設(shè)備利用率低。可以依托油田聯(lián)合站或煉油廠污水處理設(shè)施協(xié)助處置。

3）單套設(shè)備的處置能力和穩(wěn)定運行能力有待進一步提升?，F(xiàn)有設(shè)備單套處理規(guī)模0.5～4 t/h，4 t/h以上多采用“一拖二模式”。每套一段式熱脫附單元有2～3個熱脫附腔體，兩段式熱脫附單元則有4個或6個熱脫附腔體。熱脫附單元都共用一套進料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)等，可以明顯提高設(shè)備的處理能力，但增加了共用裝置的負荷，且一旦共用設(shè)備發(fā)生故障需要停機檢修時，2套熱脫附撬都需要停機，停機和開機的升溫和降溫過程在8～10 h，增加了額外運營成本。

4）油基巖屑熱脫附裝置針對性不足：①油基巖屑中基油（白油或柴油）的沸點低于400 ℃，當前工業(yè)化設(shè)備PLC控制自動設(shè)置的最高溫度為550 ℃，由于熱脫附腔體內(nèi)填充量有限，不能靠增加進料來吸收多余的熱量，造成熱量浪費。②油基鉆井液中油水比95∶5～85∶15，經(jīng)過立式離心機固液分離后的油基巖屑中含水率5%～10%，含油率8%～15%，含水率和含油率都相對較低且粒徑較小，熱脫附腔體內(nèi)的溫度場分布設(shè)計應(yīng)該針對性設(shè)計。③重晶石、有機土等含量增加了油基巖屑中細微顆粒，增加了熱脫附蒸汽中亞微顆粒和殘渣中的小粒徑成分。蒸汽中亞微顆粒冷凝后進入循環(huán)水和油水分離系統(tǒng)，容易造成氣提罐、管線堵塞，冷凝水箱及污水管線堵塞；殘渣中含水率要求控制小于60%，殘渣中小粒徑組分占比越高，粉塵控制越難。④熱源提供方式在部分區(qū)域施工時受限，已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的熱脫附設(shè)備多采用天然氣或柴油為燃料，熱能利用率和處理能力有待進一步提高，頁巖氣或其他天然氣開采井區(qū)內(nèi)施工存在燃料泄露次生的燃燒爆炸等安全風險，目前國內(nèi)有電磁熱脫附技術(shù)研究，但未見工業(yè)化應(yīng)用于油基巖屑熱脫附處置。

5）油基巖屑熱脫附過程中動力學研究多，而對傳質(zhì)傳熱的研究較少。油基巖屑熱脫附過程是一個復(fù)雜的熱量、質(zhì)量傳遞過程。系統(tǒng)提供的熱量目的是將油基巖屑中的油與巖屑分離，這部分熱量消耗是有效的，而其余熱量的消耗都是浪費，如油基巖屑中水分吸熱蒸發(fā)為水蒸氣，巖屑吸熱、煙氣尾氣排放、裝置對外輻射散熱等。通過工藝中傳遞過程研究，建立各種傳熱傳質(zhì)模型分析，可以更好地揭示熱脫附微觀傳熱傳質(zhì)過程，進一步認識熱脫附腔體與油基巖屑顆粒間的對流傳熱、輻射傳熱、接觸傳熱及其與油基巖屑顆粒氣體的傳熱規(guī)律，為提高有效熱量利用，降低無效熱量消耗提供理論基礎(chǔ)，由此可以優(yōu)化熱脫附腔體材質(zhì)、尺寸等設(shè)備參數(shù)和運行工藝參數(shù)，提高設(shè)備性能和經(jīng)濟性。

6）油基巖屑熱脫附過程中的二噁英、結(jié)焦和腐蝕控制等相關(guān)技術(shù)未見研究。含油廢物焚燒因容易產(chǎn)生二噁英而被限制，研究油基巖屑中二噁英產(chǎn)生機理、概率及影響因素與控制措施，將更有利于熱脫附技術(shù)尾氣安全排放。熱脫附腔體結(jié)焦，影響傳熱速率，增大螺旋推進器扭矩甚至卡死，降低了設(shè)備處置效率和穩(wěn)定運行時率；油基巖屑pH值較高，少量地區(qū)為了油基巖屑鉆井現(xiàn)場貯存和運輸過程中降低含液率，添加了CaO，pH值達到14，同時Cl-及其他礦物質(zhì)在高溫下，對熱脫附腔體、螺旋推進器等設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。目前對這些腐蝕規(guī)律與控制技術(shù)的研究未見報道。

6 結(jié)論與建議

1）針對能耗成本相對偏高、單套設(shè)備的處置能力和穩(wěn)定運行能力偏低等問題，建議通過預(yù)處理降低油基巖屑的含水率和含油率；進一步研究油基巖屑中蒙脫石等組分含量、巖屑粒徑等質(zhì)地，油基巖屑中黏附的瀝青等膠體含量等對熱脫附工藝參數(shù)影響，建立在滿足熱脫附殘渣的含油率達標的前提下最佳工藝參數(shù)快速優(yōu)化方法。

2）針對資源化利用問題，建議多途徑探索熱脫附后殘渣資源化方法，污泥或含油污泥熱脫附殘渣已有研究用于吸附劑[33]、催化劑[34]及其他基礎(chǔ)材料[35]等，油基巖屑熱脫附殘渣資源化可以參考開展研究。

3）基于油基巖屑熱脫附設(shè)備針對性不足、傳熱傳質(zhì)基礎(chǔ)研究不足、二噁英、結(jié)焦及腐蝕控制等問題，建議進一步研究傳導、對流和輻射3種不同傳熱方式對于油基巖屑熱脫附裝置的適用性，開發(fā)微波加熱或微波輔助復(fù)合加熱方式的新型熱脫附裝置，優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，控制和減少熱脫附腔體結(jié)焦，提高燃燒效率等措施，提高裝置的熱利用效率。

期望隨著研究的深入，油基巖屑熱脫附技術(shù)工藝認識更全面、殘渣資源化途徑更通暢、裝置的適用性和能量利用率更高，油基巖屑熱脫附技術(shù)將展現(xiàn)更大的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。