油基钻屑微波热处理技术研究进展*

张瑶瑶 侯影飞1， 齐升东 牛青山1，

（1.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室；2.中国石油大学重质油国家重点实验室）

油基钻屑微波热处理技术研究进展*

张瑶瑶2侯影飞1，2齐升东2牛青山1，2

（1.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室；2.中国石油大学重质油国家重点实验室）

随着社会不断发展，人们对能源的消耗逐年递增，为缓解能源紧张问题，我国正积极开发页岩气能源。页岩气开发开采过程中需要大量使用油基钻井液，这将导致大量含油钻屑的产生。油基钻屑处理不当会对周围环境产生巨大危害，因此，油基钻屑的无害化处理成为亟待解决的问题。通过简述常规油基钻屑处理技术，介绍微波处理技术的原理、特点及研究进展和展望。为油基钻屑微波热解处理技术高效节能、安全环保，为油基钻屑的资源化处理提供了新的思路和方向。

油基钻屑；微波热处理技术；除油率

随着社会快速发展，人们对能源的消耗和需求日益增加，为满足能源需求，各国均积极开发页岩气能源。页岩是脆性矿物，易水化膨胀、剥落，若采用水基钻井液易发生井壁垮塌等事故[1]，必须采用特殊的油基钻井液。页岩气开发力度增大，大量油基钻屑随之产生，引起的环境问题日益突出，妥善处置油基钻屑成为亟待解决的问题。

1 油基钻屑处理现状

油基钻屑含有组成复杂的石油烃类、重金属和有机物等污染物，甚至还含有苯系物、酚类、蒽、芘等毒性较大的物质[2]，对环境危害严重。油基钻屑随雨水冲刷进入土壤，会使土壤受到油类、重金属离子及盐类的污染，进而影响植物，包括农作物的正常生长；进入江、河、湖、泊及其他地表水中，会污染饮用水源，危害地表水中水生生物，并可由食物链影响和危害人类健康；排放入海会对海洋环境产生严重危害，威胁海洋生物的生存。

目前国内外处理油基钻屑的技术主要有甩干-离心技术、化学脱附技术、微生物处理技术、固化资源化、填埋法、焚烧法等。甩干-离心技术设备简单可以除去钻屑中的大部分水，但对含油钻屑处理效果较差，多作为其他工艺的前处理技术；化学脱附技术可极大降低残渣含油量，但化学试剂价格昂贵且需避免药剂挥发泄露，设备投资高、占地面积大、不易实现随钻处理；微生物处理技术处理后的泥浆可直接用作土壤，经济环保，但降解时间长，受环境制约大；固化资源化可实现对钻屑的回收利用，但油基钻屑含油率高，直接固化难以达标；填埋法操作简单、成本低，但侵占土地，对环境存在潜在危害，当污染物含量较大或毒性较强时风险极大，不宜采用；焚烧法效果较好，但能耗大且会产生有害气体，造成二次污染[3]。与以上技术相比，微波热处理技术具有工艺、设备简单，占地小，可回收柴油极大降低残渣含油率等优点，因此利用微波法处理油基钻屑受到广泛关注，具有广阔前景。

2 微波热处理技术

油基钻屑微波热处理技术是指脱水干化后的钻屑在高温无氧条件下发生热解，钻屑中有机物大分子被分解成小分子物质，存在形态由固体转化为液体和气体。油基钻屑经微波除油后，可以用于建筑、生产水泥、土地耕作等，热解油分也可作为能源回收利用，既可减少环境污染又避免了资源的浪费。为了解决现有油基钻屑处理技术存在的不足，微波热处理技术成为国内外研究人员研究的新方向。

2.1 微波加热原理

微波属于电磁波的一种，是指频率在300 MHz～100 GHz、对应波长在1 mm～1 m的交变电流信号。微波加热是一种新的加热方式，通过微波穿透物料内部，与物料中极性分子发生相互作用，极性分子在诱导偶极矩和取向作用下发生频率极高的振荡运动，分子之间“摩擦生热”转化为热能，实现对物料的加热[1]。传统的加热方式效率低、能量耗散大、加热时间长，而微波加热可同时加热每一个独立原子，使物料整体同时获得热量升温，用微波加热的时间小于常规加热的1%，微波加热比常规电加热可节电30%～50%。

2.2 微波热解技术特点

由于微波加热的特殊机理，其具有诸多独特优势[4]和特点：

1）由于微波的穿透能力强，加热可作用于整个物体，属于体积性加热，所以加热均匀，加热速度快、耗时短、能量利用率高。

2）由于介电特性的不同，不同材料对微波的反应不同。因此，可以利用微波加热的选择性对物料中的不同成分进行选择性加热。

3）微波加热过程中，无废水、废气等有毒有害物质排放，被加热物质在全封闭的炉腔内进行加热，易回收处理其产生的废气等，解决了传统热工艺容易产生二次污染的环保难题。

4）微波加热的过程中一般只发生物理变化，原有物质中，各组分的性质通常不会发生变化，微波本身也不会破坏或改变化学键，油基钻屑经微波除油后，可以回收利用，被除去的油分也可作为能源回收利用。

2.3 微波热处理技术影响因素

2.3.1 操作条件

目前对于操作条件对微波处理效果的影响主要围绕微谐振腔模式、加热功率、处理时间、吹扫气流量等。H.Shang，C.E.Snape等[5]将北海海上平台钻探产生的油基钻屑在在单模谐振腔中进行处理，发现对于100 g的样品质量，低至3 s的处理时间足以除去所需量的油，比多模腔中的等效测试快得多，在单模腔中加热速率远高于多模腔。同时，考察在单模腔中，微波加热功率、处理时间以及N2流量等因素对处理效果的影响。通过实验发现，加热功率和处理时间是直接影响样品吸收微波能量的因素，可通过增加功率和延长处理时间来提高除油率。N2流速不直接影响样品对微波能量的吸收，但可以改善挥发物的传质，并诱导样品中油分更均匀地加热，因此N2吹扫可提高有机相脱除率。Jessika M.Santos等[6]通过增加吹扫气发现使用吹扫气体可将正链烷烃的去除率从75%提高到90%，这均与H.Shang等人的研究结论相同。

2015年，Irineu Petri Junior等[7]通过观测钻屑在微波热解下正构烷烃的残余量发现实际过程中钻屑的干燥是非均匀的。实验发现当对钻屑施加搅拌时除油率显著增加，搅拌能实现更均匀的干燥，因为除了增加微波的穿透力，搅拌能最大限度地减少热电偶金属反射影响和容器的边缘效应[8]。此外，Robinson等人也做过相似研究，在钻屑床层高度为120 mm时，通过机械搅拌成功将除油率从35%提高至90%[9]，由于微波具有一定穿透深度，床层高度的增加会降低底部的原料对微波的吸收能力，在这种情况下（高床层厚度），搅拌器大大增加了微波的穿透效率[10]。在浅床层中，几乎所有的原料都可以在不搅拌的情况下吸收微波。

2.3.2 钻屑组成及性质

钻屑组成对于微波热解效果的影响，研究发现钻屑中的水含量在微波热解中起着至关重要的作用，对热解效果影响大。H.Shang等[11]通过数值模拟来评估电场和功率损耗密度分布对除油的影响。在这项研究中发现，含水量在除油中起着最重要的作用。在单模腔中处理水分含量为6%的原料，可得残油量为1.9%的产物，保持其他参数不变，通过添加额外的水分将水分含量增加到15%时，可将残油量降到到0.8%。这是因为在钻屑中并不是所有物质都能够在很大程度上吸收微波，通常介电损耗因子值相对较大的材料吸收微波能量，而介电损耗因子值低于0.02的那些材料在微波领域不会发生很大程度的加热。水是强极性物质，表现出非常高的损耗因子，容易吸收微波能量并将其转化成热。作为钻屑中主要微波受体，水分子吸收了大量的微波能量，随后以热的形式转移到油中引起热解吸。理论上增加水含量会对热解速率产生双重影响，一方面，水含量增大，介电材料质量增加，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热速率。另一方面，电解质材料增加，整体功率密度增大，提高加热速率。H.Shang等发现添加相同量的水分会使物料损耗因子增加几个数量级，而比热容仅微量增加。因此，增加含水量导致介电损耗因子比比热容增加得多，从而导致提高加热速率。同时，模拟数据显示使用微波技术处理含油钻屑成本可比常规加热低20倍，具有良好的经济效益。

此外，Jessika M.Santos等研究了钻屑粒径和形状、钻屑床层厚度、钻屑组成等因素对处理效果的影响。实验发现，相同热解条件下，钻屑颗粒越圆越大，除油率越高，这是因为钻屑球状度越高、颗粒越大，钻屑床层的孔隙度越高，有利于油分挥发。实验中测试了钻屑高度由2 cm升高到6 cm处理效果的变化，发现随钻屑床层厚度的增加，正链烷烃去除率从70%左右升到90%左右。这是因为随着钻屑厚度的增加，加热速率降低，自由水与有机相接触时间变长，使得能量由水相到有机相的转移更加完全，从而提高了有机相的脱除率。Pereira等[12]也发现加热速率越低，有机相去除率越高。

3 应用效果

基于微波独特的加热方式，微波热解速度快、效率高。上海无线电厂曾在相同环境下加热八种相同重量的食品，实验结果表明：微波炉（960 W）比电炉（1500 W）平均省时45.6%，平均节能69.3%。美国通用电气公司的实验表明：用微波加热食品，较常规电加热方式一般节电55%～80%[13]。根据实验结果，相较热焚烧，微波热解油基钻屑是一种有效的节能手段。同时，为达到相同的处理效果，微波热解处理可大大缩短处理时间。将15 g相同的油基钻屑样品置于微波炉、马弗炉、管式炉中800℃恒温20 min，最终发现三种处理设备的除夜率高低顺序是：微波炉、马弗炉、管式炉，说明达到相同的处理效果，微波炉可用更短的时间。

此外，微波热解处理油基钻屑的气体产物主要成分是H2、CH4、CO等可燃性气体，H2与烷烃类具有高热值，可用作燃料，具有良好的节能效益。表1为孤岛油田油基钻屑经微波炉热解处理得到的不凝气组成。

4 结论及建议

微波处理技术是一种全新的处理技术，它具有加热速度快，耗时短，节能高效，易于控制等特点，并通过大量实验研究证实对油基钻屑具有良好的除油效果，在处理油基钻屑方面具有广阔的应用前景。但是与传统的油基钻屑处理技术相比，目前对微波处理的研究还不够深入，为更好的发挥微波处理的优越性，必须对其进行更广泛深入的研究：

1）进一步探究微波与物料间相互作用的机理，研究油基钻屑在微波作用下的反应机理、动力学参数，以及物料特性对微波加热特性的影响。这有助于钻屑热解工艺参数的优化与控制。

2）同常规热解设备相比，微波热解设备的复杂度较高，尤其是规模化的生产设备，为实现微波处理钻屑的工业化，今后的重点之一就是开发高效低耗微波热解关键技术与设备。针对钻屑热解工艺的特征与需求，优化微波热解关键技术和设备并努力实现微波处理的在线监测与控制，提高微波热解设备处理规模，使之系统化、标准化。同时，努力实现微波设备的小型化，降低设备制造成本。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.11.007

张瑶瑶，2016年毕业于中国石油大学（华东）（化学工程与工艺专业），从事石油与天然气加工、固废资源化、电池隔膜研究，E-mail：sdhgzyy2012@163.com，地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号，266580。

国家科技重大专项项目“大型油气田及煤层气开发”，项目编号：2016X05040。

2017-08-10

（编辑 王古月）

跟踪监测确保达标

中石化中原油田供热管理处扎实做好环境保护工作，加强环保监测，细化排放标准，分重点、分层次利用先进测试仪器对14座运行中的锅炉供热装置进行跟踪监测，为环境治理和防控提供了可靠数据。该图为安全环保人员在对燃煤锅炉进行环保监测。