油泥主要產(chǎn)于油氣田勘探、開發(fā)、儲運過程以及煉化企業(yè)生產(chǎn)儲存、污水處理過程中，主要包括落地油泥、罐底油泥、及煉化“三泥”。我國年產(chǎn)油泥約6.45×106 t，存量規(guī)模龐大，超過1.59×108 t。油泥若不經(jīng)處理就直接外排，不僅會占用土地資源，嚴(yán)重影響土壤的滲透性，威脅生態(tài)安全，油泥中含有的大量重金屬和芳烴類劇毒物質(zhì)，還會對水、土壤和空氣造成污染。因此，對含油污泥進行合理處置問題亟待解決。

目前，已開發(fā)的含油污泥處理、處置方法有焚燒法、萃取法、生物處理法、調(diào)制-機械分離法、熱解法、蒸汽噴射法、化學(xué)熱洗、電化學(xué)處理法、固化法等。以調(diào)質(zhì)-分離、化學(xué)熱洗、熱解法、焚燒法等為代表的多種處理方法，均已應(yīng)用于我國油氣田及煉廠企業(yè)。其中，調(diào)質(zhì)-分離法工藝簡單適合各類油泥，但缺少標(biāo)準(zhǔn)化脫水機械設(shè)備和藥劑組合系列，處理規(guī)模小；化學(xué)熱洗法適用沙石為主的含油固廢，化學(xué)藥劑的篩選和使用是關(guān)鍵，反應(yīng)條件要求較高，操作復(fù)雜；熱解法適合含水率低、含油率適中的油泥，對工藝、設(shè)備和安全要求較高；焚燒法適用各類含油污泥，是較徹底的治理技術(shù)，但耗能大，投資和運行費用高，易產(chǎn)生二次污染。對于含油率在0.1%~3%的細(xì)粒含油污泥亟需一種綠色節(jié)能、效果徹底的處置技術(shù)。

工程化陰燃技術(shù)(此后簡稱陰燃)基于陰燃機理，是一個以高效、可控、安全、節(jié)能的形式回收利用能量的自持燃燒過程，主要用于治理低揮發(fā)性有機物或非水相液體(NAPL)污染的惰性多孔介質(zhì)，包括但不限于土壤及各類油泥。陰燃技術(shù)最早于2006年由愛丁堡大學(xué)董事會提出；2009年SWITZER等對惰性介質(zhì)中煤焦油渣的陰燃修復(fù)研究；2011年PIRONI等對粗砂中NAPL陰燃處理效率的主要影響因素進行了研究，并得出了陰燃能夠處理的污染物濃度、含水率范圍等；2015年SCHOLES等提出了第一個中試規(guī)模的原位陰燃實驗裝置，并成功應(yīng)用于美國新澤西州煤焦油污染場地的修復(fù)；2017年YERMÁN等將陰燃成功應(yīng)用于高含水率有機廢物。2020年成明鍇等對市政污泥開展了陰燃實驗；同年，DUCHESNE等將陰燃應(yīng)用于全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)(PFASs)污染的土壤。2021年GERHARD等對污水污泥混砂自持陰燃的實驗規(guī)模進行擴大。2022年葛傳芹等對石油烴重度污染土壤及油泥進行陰燃中試；同年，雷大鵬等對國內(nèi)首個陰燃技術(shù)治理含油污泥的示范工程進行了總結(jié)，并對裝備和工藝方案、陰燃修復(fù)效果、經(jīng)濟指標(biāo)等進行了分析。陰燃技術(shù)的研發(fā)過程中，還有諸多學(xué)者和機構(gòu)對陰燃的影響因素進行實驗、分析、模擬、總結(jié)。例如，SOLINGER等、GAN等、WYN等，這些研究成果均對陰燃用于油泥處置提供了重要的參考。但在上述研究中，陰燃料床多為滲透性較好的砂質(zhì)污染土或有機質(zhì)與礫狀惰性介質(zhì)混合物，而實際工程中面對種類繁雜、含水率高、滲透性差的油泥，處置難度增加，混砂制備多孔料床又會導(dǎo)致修復(fù)效率急劇下降，其他陰燃預(yù)處理手段鮮有報道。因此，本研究針對滲透性差的低含油物料進行滲透性改善、熱值提升(已申請專利)及相應(yīng)陰燃工藝的優(yōu)化探索，包括油泥制粒、輔助燃料添加、加熱方式、在反應(yīng)器里的陰燃蔓延方向等，以便提升此類物料陰燃的穩(wěn)健性，縮短陰燃啟動耗時，提升陰燃蔓延速度，以期達到優(yōu)化陰燃工藝的目的，對陰燃工程化的工藝選擇提供重要參考。

1、材料與方法

1.1 實驗原料

實驗選擇某焦化廠搬遷場地存量含油污泥(以下簡稱油泥)為實驗原料，油泥由遺留的含油廢水“化學(xué)調(diào)質(zhì)+板框壓濾”工藝產(chǎn)生，經(jīng)陳放外表已呈棕黑色且有一定硬度。實驗中選擇稻殼作為輔助燃料，選用速燃果木炭(以下簡稱木炭)作為優(yōu)化加熱啟動陰燃的輔助措施/材料。其特性分別見表1所示。

1.2 實驗裝置

實驗小試裝置由預(yù)處理部分(對輥制粒機2GL4035，河南鄭礦機器有限公司，功率7.5kW)、供氣設(shè)備、陰燃小試系統(tǒng)(自主研發(fā)，內(nèi)徑159mm，最高溫度為1300℃，沿豎直方向設(shè)有15支間距30mm的熱電偶，電加熱啟動功率2.7kW，可裝載木炭啟動，陰燃方向可調(diào)整)、尾氣處理系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)5部分組成。陰燃小試系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)見圖1。

1.3 實驗設(shè)計

將初始含水率36.7%的油泥，部分晾曬風(fēng)干至含水率33.0%，部分直接添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的稻殼使含水率降低至33.9%，然后將含水率為33.0%、33.9%、36.7%的試樣分別開展對輥制粒實驗。完成預(yù)處理實驗后，對含水率33.0%的未制粒物料和不同含水率的制粒產(chǎn)品分別開展正向陰燃實驗，對含水率33.0%的制粒產(chǎn)品還進行反向陰燃實驗。正向陰燃時，底部電加熱啟動并進風(fēng)，頂部抽風(fēng)，陰燃前鋒自下而上蔓延；反向陰燃時，已燃木炭置于頂部加熱，底部抽風(fēng)，陰燃前鋒自上而下蔓延。陰燃開始啟動后，待物料第2~3層熱電偶升溫超過加熱溫度可停止外部供熱，陰燃進程中微調(diào)達西空氣通量，使得達到最佳陰燃效果。具體實驗設(shè)計見表2。

1.4 分析方法

1)含水率分析。油泥制粒前，采用快速含水率測定儀(LGD-805A，昆山鷺工精密儀器有限公司)進行含水率檢測。

2)壓力、流量、溫度監(jiān)測。陰燃小試系統(tǒng)的進風(fēng)管路上設(shè)置在線流量計Q1監(jiān)測進風(fēng)量，進出風(fēng)管路上分別設(shè)置在線壓力傳感器P1、P2用于監(jiān)測進風(fēng)壓力、排氣壓力，加熱進風(fēng)底座上設(shè)置2個熱電偶T加、T進用于監(jiān)測加熱室溫度和反應(yīng)器進風(fēng)溫度，陰燃反應(yīng)室自下而上設(shè)置15個熱電偶，T1~T14和T出分別用于監(jiān)測相應(yīng)空間點位的溫度，所有數(shù)據(jù)均上傳到電腦端進行實時顯示并記錄。

4)固體樣品分析。物料反應(yīng)前采樣送第三方實驗室檢測總石油烴、礦物油質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱值，分別依據(jù)《非鹵代有機化合物的氣相色譜分析》(USEPA8015C-2007) 、《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJ/T221-2005) 、《生活垃圾采樣和分析方法》(CJ/T313-2009) 。

5)陰燃燃燒鋒面蔓延速度的測定。陰燃的燃燒鋒面蔓延在空間上是三維的，本研究主要探究反應(yīng)器內(nèi)豎直軸線上的燃燒鋒面的蔓延速度，計算方法如式(1)所示。

式中：Vf為鋒面豎直蔓延速度，cm·min-1；Lt為豎直相鄰熱電偶間距，cm；Tt為豎直相鄰熱電偶達到溫度峰值的時間差，min。

6)液相“墻”移動速度的測定。在陰燃燃燒鋒面前方水汽遇冷凝結(jié)形成的液相“墻”，溫度曲線演替是規(guī)律的，其移動速度可等同于陰燃燃燒鋒面的移動速度。

7)液相“墻”與陰燃燃燒鋒面間距的測定。溫度曲線即將陡升前的約90℃水平段視為液相“墻”最先停留位置，溫度曲線的峰頂視為陰燃燃燒鋒面所在位置，液相“墻”與陰燃燃燒鋒面間距計算方法如式(2)所示。

式中：Lw,f為液相“墻”與陰燃燃燒鋒面間距，cm；Vw為液相“墻”移動速度，cm·min-1；Tw,f為溫度曲線自約90℃陡升至峰頂?shù)臅r間差，min。

2、結(jié)果與討論

2.1 制粒結(jié)果與討論

對輥制粒機適用于油泥制粒，含水率為33.0%、33.9%、36.7%的試樣均可制備出長度15~20mm，直徑12~13mm的短棒狀顆粒，含水率控制在33~35%較為適宜。含水率36.7%的試樣制備的顆粒容易粘連，自身落下強度差，堆積承壓容易變形；含水率33.0%的試樣初次擠壓制粒時，顆粒自身裂隙較多，2次重復(fù)制粒可獲得落下強度高、粒度均勻的顆粒；含水率33.9%的試樣進行對輥制粒時，可以產(chǎn)出夾帶稻殼、具有一定落下強度的短棒狀顆粒，稻殼分布均勻，顆粒可承壓堆積成疏松多孔的料床，含水率33.9%的油泥試樣制備的顆粒見圖2。

2.2 陰燃結(jié)果與討論

采用油泥試樣開展的陰燃實驗結(jié)果匯總于表3。

1)制粒對陰燃過程的影響。含水率33.0%的油泥制粒前后其S-1、S-2實驗的溫度曲線分別見圖3、圖4。對比2圖可知，油泥制粒后陰燃燃燒鋒面蔓延速度更快，鋒面蔓延更穩(wěn)健。

S-1、S-2陰燃燃燒鋒面的蔓延速度為0.375、0.44cm·min-1，油泥制粒后陰燃蔓延速度略快于未制粒；S-1與S-2實驗最大的區(qū)別在于，圖3中溫度曲線演替發(fā)生了中斷，而制粒后陰燃燃燒鋒面蔓延更穩(wěn)健。可能的原因是制粒后粒度組成更均勻，料層的透氣性更好，流體形成局部竄流或短路的概率更小，料層的傳熱和傳質(zhì)能力更均一，從而使陰燃推進更穩(wěn)健，S-2實驗陰燃后物料圖片見圖5。SOLINGER等也曾提出高度異質(zhì)性堆積土壤的陰燃竄流可能非常顯著，對污染物的去除產(chǎn)生負(fù)面影響，建議謹(jǐn)慎對待料床的非均一性。

2)含水率對陰燃過程的影響。含水率為33.0%、36.7%的油泥顆粒的陰燃過程參數(shù)見表3中S-2、S-3，S-3溫度曲線見圖6。與圖4對比可知，含水率對陰燃蔓延速度影響較小，對陰燃穩(wěn)健性和陰燃峰值溫度有較大影響。

從圖6可以看出，陰燃峰值溫度僅570℃，溫度曲線未能呈現(xiàn)出規(guī)律演替，即使維持外部供熱，溫度曲線的演替也較難；根據(jù)T2~T4演替曲線，計算出陰燃燃燒鋒面的蔓延速度約為0.375cm·min-1。本次油泥試樣的TPH(8625mg·kg-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，含水率為36.7%時，低位熱值僅433kJ·kg-1。油泥陰燃所產(chǎn)生的熱能可能無法維持系統(tǒng)升溫和熱損失，從而難以維持陰燃自持推進，陰燃的穩(wěn)健性對含水率的波動便表現(xiàn)的十分敏感。因此，高含水率的物料只有在足夠燃料的情況下才可以維持穩(wěn)健的陰燃，這與YERMÁN等的研究結(jié)果是一致的。

3)輔助燃料對陰燃過程的影響。直接添加5%稻殼的油泥顆粒的陰燃實驗S-4溫度曲線見圖7。與圖6對比可以看出，無法自持陰燃的油泥(含水率36.7%)中直接補充輔助燃料表現(xiàn)出良好的陰燃特性。

添加5%稻殼的油泥顆粒僅需電加熱40min即可啟動點燃，陰燃峰值溫度為815℃，陰燃燃燒鋒面的蔓延速度為0.75cm·min-1；相較S-2實驗，點燃耗時縮短了27min(40%)，蔓延速度提升了0.31cm·min-1 (70%)。葛傳芹等、SALMAN等、FENG等等研究向未能自持陰燃的物料中添加植物油或鋸末，也曾獲得較好的陰燃實驗結(jié)果。

稻殼自身具有18%~20%的灰分(90%以上為二氧化硅)，燃燒后可維持自身梭子殼形狀；稻殼的點燃溫度僅340℃，可顯著降低物料整體的點燃溫度，便于陰燃啟動；稻殼還具備約16MJ·kg-1的低位熱值，按添加5%的稻殼計算，整個油泥的熱值提升了0.76MJ·kg-1，有助于陰燃推進。

稻殼的價格按600元·t-1計算，每噸油泥添加5%稻殼的成本為30元。煤、油等高熱值物料也可作為輔助燃料，電能持續(xù)供熱也能起到同樣效果。按照油泥提升1MJ·kg-1熱值計算，每噸油泥所需不同燃料或能源的成本計算如表4所示。對比可知，稻殼是一種性價比較高的輔助燃料。

4)陰燃啟動方式及推進方向?qū)﹃幦歼^程的影響。將已點燃的木炭置于料床頂部，以熱傳導(dǎo)方式為主對物料實施加熱，底部抽風(fēng)，陰燃自上而下推進的S-5實驗溫度曲線見圖8。從圖8可以看出，已燃木炭可短時間內(nèi)順利啟動陰燃，陰燃自上而下推進表現(xiàn)出更快的蔓延速度。

S-5實驗中木炭為料床供熱點燃耗時為42min，而S-2實驗中電加熱點燃耗時為67min。可見，木炭點燃可明顯縮短陰燃啟動時間。電加熱的傳熱形式以熱對流為主，而已燃木炭直接與油泥接觸，加熱方式以熱傳導(dǎo)為主，結(jié)果顯示這有助于加速陰燃啟動；同時，木炭順利啟動陰燃可能還歸因于具有充足的接觸截面 (物料橫截面積176cm2，木炭橫截面積100cm2)、供熱時長(可持續(xù)供熱時間大于1h)和能量供應(yīng)。S-5實驗中實際消耗木炭約100g，為料床提供約2600kJ能量，S-2實驗中電加熱功率為2.7kw，為料床提供約2100kJ能量，前者提供的能量更加充足。從成本角度分析，實驗用木炭價格為9元·kg-1，木炭點燃約0.9元·次-1，電價為0.6元·(kW·h)-1，電加熱點燃約1.8元·次-1，木炭點燃仍具明顯成本優(yōu)勢。

經(jīng)過圖形解析可知，S-5實驗的陰燃燃燒鋒面蔓延速度為0.7cm·min-1，明顯快于電加熱的S-2實驗(0.44cm·min-1)。這可能是由于木炭點燃初期，為促進其燃燒放熱，提高了點燃時的達西空氣通量，此時高風(fēng)量強化了料床的熱對流傳熱從而加快了陰燃燃燒鋒面的蔓延速度；同時，自上而下的陰燃方式對蔓延速度也可能起到促進作用。自下而上陰燃時，陰燃燃燒鋒面與液相“墻”的間距為5.3cm，自上而下陰燃時為8.3cm。可見，陰燃自上而下推進時陰燃燃燒鋒面與液相“墻”的間距更大(如示意圖9所示)。這可能是因為，液相“墻”的移動無需再克服重力作用所致。陰燃出口溫度數(shù)據(jù)同時表明，在接近陰燃末尾時，自上而下陰燃的尾氣溫度(約400℃)顯著高于自下而上陰燃的尾氣溫度(約190℃)，這間接說明，自上而下陰燃更有利于液相的遷移和提前蒸發(fā)。綜合可知，自上而下陰燃對燃燒鋒面蔓延是有利的。但從節(jié)能的角度考慮，高溫的尾氣代表了陰燃體系中逃逸了更多能量，建議對尾氣考慮余熱回收利用。

3、結(jié)論

1)含油污泥陰燃治理前可通過對輥制粒的方式制成顆粒狀物料，含水率宜控制在33%~35%。

2)對于熱值較低的油泥，通過制粒改善滲透性和均質(zhì)性對其陰燃的穩(wěn)健性有利，對于含水率高導(dǎo)致無法自持陰燃的油泥，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的稻殼可有效改善陰燃的穩(wěn)健性，可縮短點燃耗時40%，陰燃蔓延速度可提高70%，稻殼作為輔助燃料經(jīng)濟可行。

3)使用點燃后溫度可高達1300°C的木炭作為加熱介質(zhì)更適用于油泥顆粒的加熱點燃、陰燃啟動，且具有明顯的成本優(yōu)勢。自上而下的反向陰燃過程中，陰燃燃燒鋒面與液相“墻”的間距更大，陰燃蔓延速度更快。（來源：江蘇大地益源環(huán)境修復(fù)有限公司）