页岩气开发油基钻屑-酒糟共热解影响因素分析开题报告
2020-02-10 22:36:10
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 油基钻屑是页岩气开发过程中所产生的一种固体废物，20世纪80年代以前，人们很少考虑钻屑的处理问题。到了20世纪80年代和90年代，随着全球环保意识的加强，油气工业及其监管者开始了解并重视钻屑对生态环境及人类健康潜在的影响。油基钻屑因其含有石油烃类、重金属和有机物等污染物，已被列入国家危险废弃物(编号HW08)，若不经处理就直接排放，将会对周边生态环境造成严重危害，如有机物污染地表水和地下水资源，体现在水质COD值升高、色度升高；破坏土壤，对植物生长不利，甚至造成土壤无法返耕；重金属等有毒有害物质滞留土壤，影响植物的生长和微生物的繁殖，通过食物链的作用进入人体，危害人体健康等。油基钻屑已成为制约我国页岩气开发的主要环境问题之一。 目前，国内外页岩气油基钻屑多采用微生物法、固化法、萃取法、焚烧法和热解法等工艺处理。微生物处理法虽然效果较好，但存在处理周期长，占地面积大，且技术不够成熟等问题。焚烧法对原料的干度要求较高，当前干化法难以达到焚烧的干度要求，此外，焚烧法处理成本高且不能回收原油，造成资源浪费。溶剂萃取法回收油较彻底，但剩余污泥大，工艺较复杂，投资成本高。 酒糟是制酒过程中谷物发酵所产生的副产物，目前，我国制酒产业所产生的酒糟量大而集中，如果不及时加以处理，极易污染环境，并且生物质腐烂会使热值大大降低。目前酒糟主要用于家畜饲料和厌氧消化制取沼气，但是作为饲料利用可能使家畜出现中毒，制取沼气又存在成本高、二次污染等问题。酒糟富含丰富蛋白质和脂肪成分，是潜在的热解原料。因此，酒糟的高效利用对于资源开发和环境保护具有十分重要的意义。 |
针对以上现状，本次实验目的为探究油基钻屑和酒糟共热解能否产生协同作用，以达到油基钻屑无害化和酒糟资源化利用的效果。
| 目前，迫切需要针对油基钻屑特性的无害化和资源化处理技术，通过减小油基钻屑体积、降低毒性和阻止毒性扩散的处理处置技术思路实现油基钻屑无害化、资源化。目前国内外主要应用的 “末端处理处置”油基钻屑的技术包括: 热处理工艺、化学强化固液分离、生物修复、溶剂萃取等。其中，热处理工艺中的热解技术目前国外广泛用于油基钻屑、含油污泥处理处置，具有处置彻底、能完全实现无机化、减量减容效果好、能源回收率高等优点。 目前国内外对油基钻屑与酒糟共热解的报道较少，可以参考的是油基钻屑、油页岩或煤与生物质共热解的研究。黄思雨等对油基钻屑与生物质共热解特性进行了研究，得出了以下结论：①油基钻屑与单组分生物质热解效果随热解终温和终温时间的增加而增强、随升温速率的加快而减弱，氮气流量对热解过程影响不大；最佳热解工艺参数为热解温度 350 ℃、终温时间 60 min、升温速率 10 ℃/min、氮气流量 0.15 L/min. ②共热解可产生协同作用，当生物质与油基钻屑质量比分别为 3:7、7:3 时，热解灰渣含油量较理论值下降较为明显。③共热解可减少生物质热解过程中有害物质的生成，提高油基钻屑的液相产率，在油基钻屑无害化、资源化利用与生物质开发中具有良好的应用前景。 任秀彬等在固定床管式热解炉中对煤与生物质共热解进行了研究，考察了氮气气氛下煤与生物质混合比例对热解产物产率分布的影响。结果表明，生物质的加入促进了煤热解生成挥发分，使得煤的热分解提前。煤与葵花秆共热解降低了反应的活化能，并促进了挥发分的生成，二者共热解存在协同作用。 张雪等采用热重分析法（TGA）对白桦、豆杆和褐煤单独及混合热解特性进行了研究。发现在混合热解中，热解峰值温度高于理论值；热解最大速率、热解失重率小于理论值；最大析出温度随着生物质混合比例的增加而减少；主热解阶段的活化能与指前因子存在动力学补偿效应。种种变化说明生物质与褐煤产生了一定的协同作用。 柏静儒等利用热重分析法，研究了油页岩与木屑在不同升温速率与四种混合比下热解特性，探讨油页岩与木屑共热解时的协同作用。实验结果表明：油页岩与木屑混合热解特性并非二者单独热解的简单叠加，升温速率 20℃/min、混合比6：4时混合热解相较于单独热解程度更深，协同特性体现得最为明显。 岳勇等以北方某油田湿地芦苇与油田某污水处理厂剩余污泥为对象，利用同步热分析仪及静态热解炉研究油田含油污泥及含油污泥－芦苇混合物的热解特性，结果表明：添加一定比例的芦苇可以使含油污泥热解过程变得匀速缓和，5％（质量比）的芦苇添加量可以使热解残渣恒重温度降低约25℃。混掺芦苇的样品残渣呈分散颗粒状，无聚结现象，对热解结焦将产生一定抑制作用。 Cordero等在 600 ℃的条件下对高硫煤和生物质的共热解进行研究，结果表明，生物质存在能明显提高煤的脱硫效果。Abnisa等将棕榈壳和聚苯乙烯按照 1:1 的比例进行了共热解以及棕榈壳单独热解，发现棕榈壳与聚苯乙烯共热解的产油率和热值均高于棕榈壳单独热解。Wu等在低阶煤中掺混 25%的生物质在 600~850 ℃下共热解，发现生物质对挥发性气体和液体产物的生成有促进作用。 为了寻求油基钻屑无害化处理和酒糟资源化利用的新途径，开展了本次试验研究，以探究二者共热解能否产生协同作用。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 基本内容 （1）查阅油基钻屑无害化处理的国内外研究现状与进展。 （2）在固定床反应器中对油基钻屑-酒糟混合样进行热解，探究在不同终温、升温速率、终温时间等条件下对二者共热解的影响。 （3）测定油基钻屑-酒糟共热解灰渣的含油率，并对固相产物、液相产物进行相关表征分析。 （4）对试验中的数据进行分析处理，综合分析各因素对二者共热解的影响，探究二者共热解是否产生协同作用，并完成论文的撰写。 技术方案 试验采用的油基钻屑取自于中国石化江汉油田重庆涪陵页岩气公司，为黑色块状固体，质地黏稠，散发出浓烈的柴油味。酒糟富含丰富蛋白质和脂肪成分。试验前，将油基钻屑与酒糟分别在 105 ℃下烘 24 h，研磨并过60目标准筛(孔径为 0.25 mm)备用。 试验试剂有四氯化碳、无水硫酸钠及硅酸镁等。试验仪器有VTL1200 立式管式炉(南京博蕴通仪器科技有限公司)、Agilent 7890/5975 气相色谱-质谱联用仪(美国 Agilent 公司)、热重质谱连用仪、SYT700 红外分光测油仪(北京三合永道有限公司)等。 阅读大量文献后发现，油基钻屑与生物质混合质量比例为 7:3 时，可以取得较好的热解效果，于是本次试验选取油基钻屑与酒糟的混合样质量比为7：3。试验称取 30 g 混合试样（油基钻屑21g、酒糟9g）于立式管式炉反应器中热解，分别考察热解终温、终温时间、升温速率三个因素对二者共热解的影响，其中热解终温梯度为250、300、350、400、450、500 ℃；终温时间梯度为30、45、60、75、90 min；升温速率梯度为 5、10、15、20 ℃/min；由于管式炉最高升温速率为 20 ℃/min，故升温速率仅设 4 个梯度。当考察某一因素时，其余项热解条件分别为热解温度 350 ℃、终温时间 60 min、升温速率 10 ℃/min、混合比例 7：3。 试验过程中将热解产生的气相产物冷凝后回收，在每次实验完成之后，计算所得液相产物的产率，并以四氯化碳为萃取剂，对热解液相产物进行 GC-MS 分析；对热解灰渣进行扫描电镜分析（SEM）以及X射线衍射分析（XRD）。对于实验热解灰渣，以四氯化碳为萃取剂，在红外分光测油仪中测定含油率，热解灰渣含油率参考GB4284—2018《农用污泥中污染物控制标准》中对矿物油的浓度限值(＜3000 mg/kg)。 |
3. 研究计划与安排
| 第1~2周：进行毕业实习，撰写毕业实习报告。 第3~4周：查阅与选题有关的文献并对文献进行整理，明确研究内容，了解研究方案，撰写开题报告。 第5~9周：将查阅的文献进行吸收总结，积极与老师、学长沟通，了解课题组现阶段研究成果，确定最终实验方案。根据实验方案进行相关实验，及时记录实验现象与实验结果，解决在实验过程中所遇到的问题。 第10~12周：根据实验结果着手毕业论文的写作，向老师、学长请教写作过程中的注意事项，完成论文的初稿。 第13~14周：根据老师及学长的建议，及时修改毕业论文，完成论文的定稿。 第15周：准备及完成毕业答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
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