【摘要】：油基鉆屑作為頁巖氣開采過程當(dāng)中不可避免產(chǎn)生的廢棄物,近年來其產(chǎn)量隨頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)而與日俱增。其中含有石油烴及重金屬等有毒有害物質(zhì),如不妥善處置排放或在井場(chǎng)長(zhǎng)期堆存造成泄露都嚴(yán)重危害周圍環(huán)境。本文利用催化熱解技術(shù)回收廢棄油基鉆屑中可再次利用的石油烴,以實(shí)現(xiàn)其資源化處置。在分析鉆屑基本理化性質(zhì)和浸出毒性的基礎(chǔ)上,利用熱重分析儀研究了鉆屑熱解特性,探究不同升溫速率對(duì)鉆屑熱解反應(yīng)過程的影響并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,分析溫度及四種催化劑(HZSM-5、Fe_2O_3、Al_2O_3和5A分子篩)對(duì)熱解產(chǎn)物分布和熱解油組分的影響,同時(shí)通過對(duì)比熱解前后固相中重金屬的含量,分析熱解對(duì)重金屬的固化作用。結(jié)果表明:頁巖氣開采廢棄油基鉆屑的主要污染物為石油烴,含量達(dá)到108482mg/kg,有很大的回收利用價(jià)值。鉆屑中重金屬組分相對(duì)較低,均未超過《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284—2018)標(biāo)準(zhǔn)。浸出液中甲苯濃度比較高,共可檢測(cè)出9種EPA監(jiān)控的PAHs:萘、菲、芴、芘、茚并[1,2,3-cd]芘、苯并[b]熒蒽、苯并[a]蒽、苯并[g,h,i]傒和熒蒽。油基鉆屑的熱失重可分為三個(gè)過程階段:室溫至100℃、100℃至300℃和300℃至600℃。石油烴的揮發(fā)和裂解主要集中在后兩個(gè)階段,為輕質(zhì)組分揮發(fā)和重油裂解,熱重曲線隨升溫速率升高向高溫移動(dòng)。用不同方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解發(fā)現(xiàn):Coats-Redfern法擬合得到較高相關(guān)系數(shù),但所求活化能(E)為平均值,單一機(jī)理函數(shù)不能精確描述熱解反應(yīng)。FWO、Vyazovkin和Friedman法三種多重掃描速率法也能很好的擬合失重曲線。第二階段E隨轉(zhuǎn)化率波動(dòng)較小,結(jié)果與Coats-Redfern(14.39~20.08 kJ?mol~(-1))相近;重油裂解為復(fù)雜的多步反應(yīng),E隨反應(yīng)進(jìn)程加深而增大,FWO法與Vyazovkin法求解結(jié)果相近,Friedman法計(jì)算更精確,E分別為155.74~561.10 kJ/mol,141.06~524.96 kJ/mol和74.37~605.10 kJ/mol。熱解溫度對(duì)液相產(chǎn)物產(chǎn)率影響較大,500℃時(shí)得最大值;添加催化劑可提高熱解液相組分產(chǎn)率,其中HZSM-5和5A分子篩影響最明顯。熱解油中脂肪烴和芳香烴組分的GC-MS分析結(jié)果表明,碳數(shù)分布主要集中在C_(12)-C_(21)和C_(7.6)~C_(15.5);HZSM-5和5A分子篩均能有效促進(jìn)低碳段輕質(zhì)脂肪烴生成,降低高碳段脂肪烴,提升熱解油品質(zhì)。熱解后殘?jiān)兄亟饘俸可?更多的被富集在殘?jiān)?熱解是一種很好的固定重金屬方法。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X741
【圖文】：

液的處理處置中，因其具有高效穩(wěn)定，污染物處置徹底、資源回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代了部分的傳統(tǒng)工藝技術(shù)。1.2.1 熱解工藝原理及過程熱解技術(shù)是將經(jīng)過預(yù)處理后的廢棄鉆屑傳輸?shù)揭粋€(gè)密閉減壓的熱處理系統(tǒng)中，絕氧條件下進(jìn)行加熱以使烴類有機(jī)物在達(dá)到其相應(yīng)的餾程后氣化分離出來，保持適當(dāng)停留時(shí)間使得油氣完全揮發(fā)。熱解產(chǎn)生的蒸汽要預(yù)先通過分氣包過濾除去其中混入的少量粉塵顆粒，經(jīng)多次過濾后再將揮發(fā)的油氣和水蒸氣通過分離單元實(shí)現(xiàn)水、氣和油的三相分離。其中，石油烴類成分通過冷凝回收可用來配置油基鉆井液、或作燃料；不可冷凝氣體則可在實(shí)際應(yīng)用過程中作為燃料為熱解爐供熱系統(tǒng)提供能量而循環(huán)利用。加熱后的固體殘?jiān)M(jìn)行固化后則可作替代建材使用。叢培超等[19]發(fā)現(xiàn)油基鉆屑進(jìn)行熱解處理后的固體殘?jiān)挚勺鳛閺U棄水基泥漿或鉆屑的固化材料。英國(guó)北海油田經(jīng)熱解處理油基鉆屑，使油組分含量降低至小于 1%，符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)可直排海洋[20]。熱解處理工藝流程如圖 1.2 所示。巖屑箱螺旋輸送器震動(dòng)篩 油基鉆井巖屑H、CH、CO

在頁巖氣開采過程中，鉆頭切破巖壁產(chǎn)生的碎屑經(jīng)者混合之后產(chǎn)生的固體廢棄物。其理化性質(zhì)由于所各異。另外，頁巖氣開采鉆井水平井和直井因其鉆的油基鉆井液以及巖壁碎屑的成分均有所差異，產(chǎn)因此，只有對(duì)頁巖氣廢棄鉆屑理化性質(zhì)進(jìn)行分析后才能有效處理以實(shí)現(xiàn)其無害化，資源化。過對(duì)廢棄油基鉆屑進(jìn)行元素分析，含水率和石油烴毒性分析測(cè)定，判斷其所含主要有毒有害物質(zhì)成分物化性質(zhì)外觀油基鉆屑取自于中石化涪陵頁巖氣開采井場(chǎng)鉆井三為黑色固體，石油氣味強(qiáng)烈。

以 10 K/min 升溫速率條件下的熱分析曲線圖為例分析油基鉆屑熱解過程。實(shí)驗(yàn)條件下，油基鉆屑的熱失重曲線（TG）、微商熱失重(DTG)曲線及差熱曲線（DSC）見圖 3.1。樣品在整個(gè)熱解升溫過程中處于不斷失重的狀態(tài)，在此過程中，鉆屑中的有機(jī)組分受熱不斷揮發(fā)溢出，總失重達(dá)到 13.62%。廢棄油基鉆屑熱解過程大致可分三階段。第一階段為室溫至 100℃，主要為鉆屑內(nèi)剩余水分的快速揮發(fā)，由于實(shí)驗(yàn)采用的是已經(jīng)過自然風(fēng)干的樣品，該階段失重很小，此階段也包含了少數(shù)輕質(zhì)組分的揮發(fā)。第二階段為 100~300℃，此階段為內(nèi)部結(jié)合水及石油烴類輕質(zhì)組分的揮發(fā)，在 177.27℃時(shí)出現(xiàn)了最大失重峰，此階段失重率為 9.97%，遠(yuǎn)高于其他階段，說明樣品中輕質(zhì)石油烴化合物較多，受熱大量揮發(fā)，DSC 出現(xiàn)放熱峰。第三階段為 300℃至 600℃，為重油裂解階段，失重率為 3.65%，DTG 曲線在此階段末端趨于平穩(wěn)，熱解逐漸結(jié)束。有研究表明一般溫度達(dá)到 370℃左右時(shí)，重質(zhì)油才開始裂解，與此同時(shí)隨著裂解程度的加深縮合反應(yīng)加快[44]。從熱分析的結(jié)果可以看出，鉆屑中重油裂解的主要溫度范圍為 400℃~600℃，為熱解液化回收油的最佳反應(yīng)溫度段。

【參考文獻(xiàn)】

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1 顧潔;周建斌;馬歡歡;馬孟;邢美騰;;油茶殼熱解產(chǎn)物特性及熱解炭制備活性炭工藝優(yōu)化[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年21期

2 李神勇;孫水裕;劉敬勇;徐東軍;曾佳俊;伍家麒;楊帆;王逸;;廢線路板催化熱解脫溴產(chǎn)物和重金屬的分布特征[J];中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年04期

3 李桂菊;秦璐璐;白麗萍;何迎春;;罐底含油泥熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法的優(yōu)選[J];環(huán)境工程學(xué)報(bào);2014年04期

4 王翔;王旭江;范燕榮;王志強(qiáng);;不同氣氛下柴油熱解及熱動(dòng)力學(xué)特性分析[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2014年04期

5 孫佰仲;馬奔騰;;頁巖油泥催化熱解研究[J];東北電力大學(xué)學(xué)報(bào);2013年05期

6 李秀云;何海龍;汪文英;;淺議鉆井固體廢物處理[J];科技與企業(yè);2013年17期

7 鄧皓;謝水祥;王蓉沙;劉光全;許毓;彭峰;郝清源;黃敏;;含油鉆屑高效除油劑及除油機(jī)理研究[J];環(huán)境工程學(xué)報(bào);2013年09期

8 王斐;唐景春;林大明;程秀;;牛糞強(qiáng)化高含油污泥堆肥生物處理及評(píng)價(jià)[J];生態(tài)學(xué)雜志;2013年01期

9 袁麗;劉陽生;;鉛鋅尾礦中重金屬在模擬酸雨淋溶下的浸出規(guī)律[J];環(huán)境工程;2012年S2期

10 徐青;鄭章靖;凌長(zhǎng)明;李軍;;低溫選擇性催化還原脫除NO_X的催化劑的研究進(jìn)展[J];環(huán)境污染與防治;2011年06期

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1 叢培超;秦宗倫;劉陽;許期聰;肖超;;頁巖氣鉆井平臺(tái)含油廢棄物治理技術(shù)研討[A];環(huán)保鉆井液技術(shù)及廢棄鉆井液處理技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2014年

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1 王薛平;上海市地表水體中多環(huán)芳烴與多氯聯(lián)苯的環(huán)境行為與風(fēng)險(xiǎn)研究[D];華東師范大學(xué);2017年

2 劉鴻洲;催化熱裂解催化材料的探索及相應(yīng)微反評(píng)價(jià)裝置的建立[D];石油化工科學(xué)研究院;2000年

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1 石豐;石油污泥熱解研究[D];華東理工大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2785555