王天宇，蔣文明，劉楊

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

引 言

在原油開(kāi)采、油田集輸及污水處理過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的含油污泥[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的含油污泥總量達(dá)500 余萬(wàn)噸，且隨著大多數(shù)油田的深度開(kāi)采，含油污泥的產(chǎn)量還將繼續(xù)增加。污泥若不經(jīng)處理就直接外排，不僅會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，而且其含有的毒害物質(zhì)還會(huì)對(duì)水、土壤和空氣造成污染；直接用于回注和在污水處理系統(tǒng)循環(huán)時(shí)，會(huì)造成注水水質(zhì)下降和污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行條件惡化，對(duì)生產(chǎn)造成不可預(yù)計(jì)的損失。因此，對(duì)含油污泥進(jìn)行合理的處置十分必要。

陰燃處理法是近年來(lái)國(guó)外的一種含油污泥處理新技術(shù)。與其他方法[2]相比，具有流程簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、處理迅速、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于煤焦油、雜酚油、石油碳?xì)浠衔?、有機(jī)溶劑等污染物的有效處理。針對(duì)含油污泥處理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并對(duì)陰燃技術(shù)的原理、分類、數(shù)值研究、工程應(yīng)用等方面開(kāi)展了重點(diǎn)說(shuō)明，指出了該技術(shù)的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向。

1 含油污泥及其常用處理方法概述

含油污泥主要由水、油、泥土和其他雜質(zhì)組成。因開(kāi)采工藝和成因的不同，含油污泥種類繁多。按照成因，含油污泥主要分為三類：因在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中落到泥土中形成的落地油泥；在石油儲(chǔ)存時(shí)殘留在儲(chǔ)罐里的罐底油泥；煉油廠在煉制石油時(shí)產(chǎn)生的含油污泥[3]。

含油污泥常用處理方法主要有固液分離法、化學(xué)破乳法、溶劑萃取法、熱洗滌法、生物處理法及焚燒法等。固液分離法是我國(guó)最早采用的含油污泥處理方法，主要是通過(guò)靜置含油污泥，利用密度差實(shí)現(xiàn)泥土或固體雜質(zhì)的沉淀，將表面原油抽出再利用。有時(shí)為了提高分離效果，可以添加化學(xué)絮凝劑，采用旋流分離器、螺旋離心機(jī)、壓濾機(jī)等設(shè)備對(duì)其進(jìn)行固液分離[4]，該方法工藝簡(jiǎn)單，但存在占地面積大、容易產(chǎn)生二次污染（廢水、廢渣）、油回收不徹底等缺點(diǎn)。此外，含油污泥產(chǎn)生原因多樣，性質(zhì)各不相同，限制了該處理方法在油田的全面使用[5]，而且提高固體回收率和減少泥餅含水率也影響著其處理成本[6]?；瘜W(xué)破乳回收法主要是通過(guò)加入破乳劑，使含油污泥充分破乳，經(jīng)熱洗后降低其黏度，再進(jìn)行機(jī)械分離，實(shí)現(xiàn)油-水-泥三相分離[7]。該方法原油回收率高達(dá)98%[8]，且無(wú)須加熱，可直接用于脫水回收燃料油、加工輕質(zhì)油[9]，也可用于處理煉油廠含油污泥。萃取分離法主要是利用萃取劑溶解含油污泥，經(jīng)離心攪拌后，分離出絕大多數(shù)有機(jī)物，再對(duì)萃取液進(jìn)行蒸餾處理，從混合物內(nèi)分離出溶劑進(jìn)行循環(huán)利用，回收油用來(lái)回?zé)?。?jīng)萃取分離后，回收水中的懸浮物含量降低，有機(jī)物含量明顯減少，可用于污水處理系統(tǒng)的循環(huán)利用；尾泥中的有機(jī)物含量明顯降低，經(jīng)壓濾成泥餅后可直接進(jìn)行填埋處理[6]。目前，國(guó)內(nèi)已有較多利用萃取分離法處理油田污泥的研究[10-12]。熱洗滌法是國(guó)內(nèi)常用的含油土壤處理方法，主要是用熱堿水溶液反復(fù)洗滌含油污泥并用氣浮實(shí)施固液分離，經(jīng)洗滌處理后的土樣用石油醚浸泡，通過(guò)紫外分光光度法測(cè)定其殘留油的含量，從含量的多少可以看出洗滌的效果[13-14]。含油污泥的生物處理方法包括生物堆肥法、聯(lián)合生物法、生物反應(yīng)器法、生物修復(fù)法和生物浮選法等。生物堆肥法主要利用污泥中的微生物進(jìn)行自然發(fā)酵[15-16]，從而達(dá)到凈化污泥的作用。聯(lián)合生物法目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，離工業(yè)化應(yīng)用還有一段距離[17]。生物反應(yīng)器法主要是通過(guò)在某一設(shè)備中為微生物的繁殖及生化反應(yīng)提供合適的環(huán)境條件，用以處理受污染土壤。微生物修復(fù)法通過(guò)利用微生物的分解作用，將環(huán)境中的有機(jī)和部分無(wú)機(jī)污染物降解或轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)[18]。國(guó)內(nèi)微生物修復(fù)目前還僅限于室內(nèi)研究和小型實(shí)驗(yàn)，對(duì)含油污泥的微生物處理工業(yè)化應(yīng)用方法研究較少[19]。

目前，我國(guó)對(duì)于含油污泥的處理，大都采用上述相對(duì)傳統(tǒng)的工藝。在一定程度上，這些工藝可以有效去除受污染土壤中的有機(jī)物含量，實(shí)現(xiàn)油氣資源的回收利用。但是，傳統(tǒng)的含油污泥處理方法或處理流程冗長(zhǎng)繁雜，或處理工藝復(fù)雜、操作難度大，或處理成本相對(duì)較高，并不能完全滿足含油污泥凈化處理的迫切需求。因此，研究一種低成本、易操作、安全可靠的新型含油污泥處理工藝十分必要。相較于國(guó)內(nèi)普遍使用的含油污泥處理方法，國(guó)外已有不少學(xué)者提出基于陰燃原理的含油污泥處理新工藝。陰燃法相較于其他含油污泥處理方法，具有處理成本低、操作安全簡(jiǎn)單、處理流程便捷、處理迅速等優(yōu)點(diǎn)，適用于頑固性污染物，包括煤焦油、雜酚油、石油碳?xì)浠衔?、溶劑等的凈化處理[20-21]。根據(jù)是否就地處理受污染土壤，陰燃法又分為原位陰燃和異位陰燃兩種。原位陰燃技術(shù)可處理地表以下一定深度的受污染土壤[22-23]，還可用于深入到地下水位以下的土壤層修復(fù)[24]。目前，國(guó)外已完成了部分陰燃室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[25-26]，驗(yàn)證了處理含油污泥的可行性。在工程應(yīng)用上，美國(guó)新澤西州紐瓦克已有采用陰燃技術(shù)修復(fù)潟湖淤泥中煤焦油污染土壤的報(bào)道[27]。

2 含油污泥陰燃處理技術(shù)

2.1 陰燃定義

陰燃，即一種緩慢、低溫的無(wú)焰燃燒過(guò)程。類似于“燃燒三角形”，陰燃的產(chǎn)生亦需要滿足“陰燃三角形”，即燃料、氧化劑（空氣或氧氣）和引燃點(diǎn)。不同于燃燒三角形，當(dāng)燃料達(dá)到引燃點(diǎn)時(shí)，停止熱量供應(yīng)，陰燃反應(yīng)區(qū)所釋放的能量與向外損失的傳熱量間建立起能量平衡，陰燃開(kāi)始自維持地向前傳播[28-29]。陰燃對(duì)燃料有一定的要求，即燃料必須是表面積相對(duì)較大的多孔結(jié)構(gòu)，來(lái)保證陰燃反應(yīng)區(qū)有充足的氧氣且氧氣能很快地?cái)U(kuò)散到燃料表面[30]。

陰燃傳播遵循以下基本規(guī)律：

（1）達(dá)西定律：多孔介質(zhì)內(nèi)部的氣體整體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律由介質(zhì)內(nèi)部壓力梯度驅(qū)動(dòng)。

（2）氧氣質(zhì)量流率：是陰燃傳播的重要控制參數(shù)，如果氧氣濃度小于一定水平，陰燃熄滅；大于一定水平，陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰餥31]。

（3）傳熱過(guò)程：包括熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射過(guò)程。反應(yīng)區(qū)熱量傳到燃料，燃料溫度到達(dá)反應(yīng)溫度的速率決定了陰燃的傳播速率。燃料是多孔結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)作用較小，輻射傳熱作用較大[32]。

2.2 陰燃用于含油污泥處理的研究歷史

陰燃現(xiàn)象在生活中很常見(jiàn)，如香煙、蚊香和寺廟高香等燃燒都屬于陰燃。將陰燃法用于含油污泥處理則是21世紀(jì)以后出現(xiàn)的[33-37]。2009年Switzer等[25]提出一種實(shí)驗(yàn)室陰燃裝置，可用于室內(nèi)含油污泥陰燃技術(shù)研究；2011 年P(guān)ironi 等[38]研究了影響陰燃處理效率的主要因素，并得到了陰燃法能夠處理的污染物濃度、含水率范圍等；2015 年Scholes 等[39]提出了第一個(gè)中試規(guī)模的原位陰燃現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，得到較好的處理效果；2016 年Rajendiran 等[40]研究了實(shí)驗(yàn)室條件下陰燃過(guò)程溫度變化，并評(píng)估了陰燃處理效率；2016年Grant等[41]對(duì)原位陰燃的局限性進(jìn)行了研究，提出了一系列指導(dǎo)性見(jiàn)解。

2.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)含油污泥陰燃處理技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究，探究陰燃的點(diǎn)火規(guī)律和影響因素，是將陰燃技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)際的第一步。一般而言，陰燃技術(shù)的室內(nèi)研究以異位陰燃為主，原位陰燃由于需要在地下或地下水位以下開(kāi)展測(cè)試，故常以現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn)為主。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置 含油污泥陰燃處理技術(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置主要由陰燃反應(yīng)爐、溫度測(cè)控裝置、加熱源、尾氣收集及處理裝置4 部分構(gòu)成。陰燃反應(yīng)主要在陰燃反應(yīng)爐中進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)相關(guān)溫度參數(shù)由溫度測(cè)控裝置記錄并全程監(jiān)控。尾氣收集及處理裝置能夠有效減少二次污染的產(chǎn)生。

（1）異位陰燃 利用陰燃原理，將受污染的土壤運(yùn)離原位，送至陰燃處理裝置進(jìn)行凈化處理，是異位陰燃的指導(dǎo)思想。由于不受地形和場(chǎng)地的限制，異位陰燃被廣泛運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室研究，其實(shí)驗(yàn)方法大多采用正向陰燃，即陰燃推進(jìn)方向與空氣流動(dòng)方向一致[42-43]。Switzer 等[26]提出一種實(shí)驗(yàn)室陰燃裝置設(shè)計(jì)，可收集陰燃反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣并可對(duì)尾氣進(jìn)行紅外光譜分析，如圖1所示。

Rajendiran 等[40]設(shè)計(jì)出專門用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室含油污泥陰燃處理研究的陰燃爐裝置。實(shí)驗(yàn)用油泥在實(shí)驗(yàn)室中配制，配料為粗砂+2T 10W-30 發(fā)動(dòng)機(jī)油，每5 kg 粗砂配500 ml 發(fā)動(dòng)機(jī)油。熱源采用電阻加熱絲，最高溫度可達(dá)1000℃。在達(dá)到400℃的點(diǎn)火溫度后，關(guān)閉加熱器，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，陰燃前鋒開(kāi)始傳播。發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下，陰燃過(guò)程的最高溫度可達(dá)650℃，煤爐中的石油污染物以揮發(fā)性氣體和水蒸氣的形式逸出。在進(jìn)行陰燃過(guò)程后，系統(tǒng)的溫度會(huì)自動(dòng)降低。該實(shí)驗(yàn)室含油污泥陰燃處理效果前后對(duì)比如圖2所示。評(píng)定異位陰燃處理效果的參數(shù)是紅外光譜測(cè)出波長(zhǎng)的波峰。對(duì)于石油烴類化合物，含有大量的C====H、—CH3、—CH2、CH—等，在1000～3000 cm-1段應(yīng)該有明顯的波峰；而對(duì)于硅砂，其波峰在400～500 cm-1段。對(duì)處理后的含油污泥進(jìn)行了紅外光譜測(cè)定，在1000～3000 cm-1段未出現(xiàn)明顯的波峰。說(shuō)明處理后的沙土中含有的碳?xì)浠衔镙^少，陰燃處理效果較好。

(2)原位陰燃 不同于異位陰燃，原位陰燃（insitu STAR）適用于處理地表或水位以下的受污染土壤，能夠就地處理大規(guī)模污染土壤，量化破壞率和修復(fù)效率[44]。在原位陰燃過(guò)程中，通過(guò)向地下供氣維持燃燒前沿的傳播，亦可通過(guò)終止供氣迅速切斷陰燃反應(yīng)的進(jìn)行?？諝鈮毫σ瞥?，地下的水力梯度逆轉(zhuǎn)，地下水向陰燃反應(yīng)區(qū)流動(dòng)，迅速把熱量從地層中帶走。因此，在含水層中不可能發(fā)生失控的原位陰燃反應(yīng)。

Grant 等[41]研究了原位陰燃的局限性，發(fā)現(xiàn)黏結(jié)的土壤必須具有足夠的滲透性，以允許足夠的空氣流向燃燒前沿，并且存在最低要求的污染物濃度，使土壤中含有足夠的燃料，才能使反應(yīng)以一種自我維持的方式進(jìn)行。在滿足原位陰燃的條件下，處理區(qū)污染物濃度將降低99%以上，剩余污染物質(zhì)量受限，地下水污染物質(zhì)量通量降低，從而降低成本，改善污染區(qū)域的環(huán)境條件。

2.3.2 影響因素研究

(1)異位陰燃 Pironi 等[38]設(shè)計(jì)一系列多因素正交實(shí)驗(yàn)，探究影響陰燃處理效果的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污染物濃度、含水飽和度、土壤類型和空氣流量是影響陰燃推進(jìn)的主要因素。在滿足陰燃反應(yīng)所需的一般空氣通量下，煤焦油的含量在28400～142000 mg/kg 的 范 圍 內(nèi)，原 油 的 含 量 在31200～104000 mg/kg 的范圍內(nèi)，初始含水量在0～177000 mg/kg 的范圍內(nèi)，陰燃都能夠自我維持地進(jìn)行。土壤顆粒粒徑大小也影響陰燃處理效率，范圍從細(xì)砂到粗砂不等，但最大粒徑一般在6～10 mm 之間。該實(shí)驗(yàn)選取的土壤平均粒徑為1.34 mm。上述因素在允許范圍內(nèi)偏離較遠(yuǎn)，盡管陰燃可以自維持地進(jìn)行，但點(diǎn)火時(shí)間顯著延長(zhǎng)，反應(yīng)前沿溫度和速度降低，陰燃處理效率顯著下降。此外，陰燃的傳播速度高度依賴于空氣通量。在原油和煤焦油的陰燃實(shí)驗(yàn)中，空氣的達(dá)西通量至少為0.5 cm/s，陰燃方可自維持地進(jìn)行。

表1 展示了Pironi 等[38]做的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)和多因素正交實(shí)驗(yàn)的分析，給出了陰燃能夠點(diǎn)火成功需要滿足的一系列條件，包括污染物類型、多孔介質(zhì)類型、污染物含量和含水率等。其中，污染物類型及含油量決定了陰燃反應(yīng)過(guò)程中能夠釋放的能量大小，污染物的熱值越高，含量越高，陰燃過(guò)程中釋放的能量也越多，相對(duì)也越容易建立起陰燃反應(yīng)的能量平衡。但污染物含量超出某個(gè)上界，未陰燃的部分反而難以達(dá)到陰燃的著火點(diǎn)或者難以建立起陰燃反應(yīng)的能量平衡，陰燃無(wú)法產(chǎn)生或者自維持地推進(jìn)。多孔介質(zhì)孔隙度決定了沙土表面包裹的有機(jī)污染物同氧化劑（空氣或氧氣）的接觸面積，在一定范圍內(nèi)，沙土的孔隙度越大，空氣越容易與沙土表面包裹的一層有機(jī)污染物充分接觸，越有利于陰燃的產(chǎn)生和自維持地推進(jìn)。含水量對(duì)陰燃的影響，主要體現(xiàn)在水分蒸發(fā)時(shí)，帶走了陰燃反應(yīng)體系內(nèi)一部分熱量。陰燃反應(yīng)向外界損失的能量增多，建立起陰燃反應(yīng)能量平衡需要有機(jī)污染物反應(yīng)時(shí)釋放更多的能量，增加了陰燃自維持推進(jìn)的難度。

圖1 一種改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室陰燃裝置[26]Fig.1 An improved laboratory smolder[26]

圖2 含油污泥異位陰燃處理實(shí)驗(yàn)前后效果對(duì)比[40]Fig.2 Results of smoldering experiment of oily sludge before and after treatment[40]

在實(shí)驗(yàn)室條件下，陰燃溫度取決于反應(yīng)速率和反應(yīng)介質(zhì)的熱物理性質(zhì)，而這些因素又取決于土壤類型和污染物含量[45]。當(dāng)陰燃達(dá)到著火點(diǎn)以后，加熱器還可以可變功率運(yùn)行，不一定要停止加熱，但要保證外部邊界溫度至少低于反應(yīng)溫度100℃。當(dāng)陰燃規(guī)模較大時(shí)，相對(duì)于反應(yīng)前沿而言，外邊界的尺度更大，更能代表陰燃前鋒的推進(jìn)。因此，這種方法在接近可持續(xù)性極限的燃燒實(shí)驗(yàn)中很常見(jiàn)[46]。

（2）原位陰燃 對(duì)原位陰燃的研究，大都通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn)的方式開(kāi)展，其研究成果集中體現(xiàn)在工程實(shí)際的應(yīng)用中。詳見(jiàn)本文2.5節(jié)。

2.4 數(shù)值研究

2.4.1 數(shù)學(xué)模型 陰燃過(guò)程的數(shù)值模擬研究對(duì)探究陰燃處理效果的影響因素、提高陰燃處理效率和研究陰燃污染物生成有著極為重要的作用[47-51]。國(guó)外已有不少學(xué)者對(duì)陰燃傳播速度的解析式進(jìn)行了細(xì)致的研究[52-55]，提出了一系列陰燃演化方程。MacPhee 等[56]提出一種用于計(jì)算局部正向陰燃傳播速度的解析表達(dá)式[式（1）]和一種原位陰燃模型工藝流程圖（圖3）。

式中各變量的定義見(jiàn)表2，特別地，式（1）必須使用校準(zhǔn)系數(shù)A校準(zhǔn)到每片土壤或污染物堆。

MacPhee 等[56]利用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到一系列空氣分布矢量圖和陰燃前鋒等值線圖，選取其中之一介紹，如圖4所示。

圖4(a)展示了該模型的模型域設(shè)置，背景灰度表示滲透率場(chǎng)，較暗的灰度表示較小的滲透率；圖4(b)展示了點(diǎn)火前的空氣分布矢量圖，矢量大小范圍在0～1.55 m/s，滲透率場(chǎng)用灰白背景表示，灰色背景表示滲透率小于5×10-11m2；圖4(c)展示了從t=0 s 到1500 s，每隔300 s繪制的陰燃鋒位置等值線圖。

這種耦合建模方法的效果是能夠預(yù)測(cè)二維陰燃前鋒隨時(shí)間變化的復(fù)雜形狀，給定了內(nèi)在滲透率的空間變異性，并考慮了空氣質(zhì)量通量和有機(jī)液體飽和度在空間和時(shí)間上的變化。該模型的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠以計(jì)算效率求解復(fù)雜的悶燒條件，然而，由于該模型沒(méi)有考慮溫度效應(yīng)且未對(duì)能量方程進(jìn)行求解，因此只適合于與該模型有效過(guò)程(如只考慮空氣通量、滲透率、液體飽和度等)相一致的工程模擬。

表1 含油污泥陰燃處理多因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果［38］Table 1 Results of multi-factor orthogonal experiment on smolder treatment of oily sludge［38］

圖3 原位陰燃模型工藝流程[56]Fig.3 In-situ smolder model process flow[56]

表2 式（1）中陰燃速率參數(shù)［40］Table 2 Smouldering rate parameters in Eq.（1）［40］

在考慮氧化反應(yīng)生成熱和熱損失的前提下，Shinya 等[61]提出了一種基于極細(xì)多孔固體的陰燃演化方程，如式(2)所示

其中，ds為燃料外徑，m；Vsml為陰燃傳播速度，m/s；ρs為固體燃料密度，kg/m3；c為物料比熱容，kJ/(kg·K)；φ 為固體燃料孔隙率；Tsml為陰燃溫度，K；T∞為未燃物料溫度，K；τ為陰燃部分厚度，m；ω為氧氣的消耗速度，mol/s；Δh 為氧化反應(yīng)生成物的生成焓，kJ/(m3·mol)；Q·″loss為燃燒部分的熱損失，kJ/(m2·s)。在此基礎(chǔ)上，考慮固體表面燃燒擴(kuò)張現(xiàn)象和極限理論等因素的影響[62-63]，Shinya 等[61]又提出一種修正方程，如式(3)所示

經(jīng)過(guò)修正后的樣本外徑和孔隙率之間存在式（4）所示的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)所示結(jié)果趨于一致。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)陰燃速率與理論預(yù)測(cè)的陰燃速率比較如圖5所示。

Maika等[64]提出了一種簡(jiǎn)單、快速的數(shù)值方法來(lái)求解陰燃前鋒演化方程，該方程在Kuramoto-Sivashinsky 方程的 基 礎(chǔ)上對(duì)f·= ε3l′T和f′= ε3/2l′ξ進(jìn)行微分，并做g = 1+ ε3l′2ξ/2 + ο(ε3)的泰勒展開(kāi)，考慮擴(kuò)展參數(shù)、移動(dòng)曲線前鋒和空間離散化的影響，該方程依然等價(jià)于Kuramoto-Sivashinsky 方程[65-66]。數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，該模型方程不僅適用于氣相火焰前沿的擴(kuò)展，而且適用于薄壁固體陰燃前鋒的擴(kuò)展。

圖4 陰燃前鋒數(shù)值模擬[56]Fig.4 Numerical simulation of smoldering forward[56]

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得陰燃速率與理論預(yù)測(cè)陰燃速率的對(duì)比[61]Fig.5 Comparison of smoldering rate measured by experiment and predicted by theory[61]

2.4.2 擴(kuò)散規(guī)律 Marco 等[67]研究了陰燃過(guò)程中砂土傳熱的一系列能量方程，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)陰燃發(fā)生時(shí)強(qiáng)制空氣對(duì)流與砂之間的界面?zhèn)鳠徇M(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6 所示。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，得到縱向面不同位置上溫度隨時(shí)間的變化曲線[圖7(a)]和溫度隨縱向距離的變化曲線[圖7(b)]。

圖6 界面?zhèn)鳠崮M研究裝置示意圖[67]Fig.6 Schematic diagram of interface heat transfer simulation research device[67]

圖7(a)中的不同曲線表示與熱電偶的縱向距離(x)，范圍為0.120～0.505 m，間隔為0.035 m；圖7(b)中不同曲線表示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔不同，范圍為3840～9240 s，間隔為1080 s。圖7 為顯示溫度演化基本情況的實(shí)驗(yàn)。在空氣噴射器開(kāi)啟之前，加熱器對(duì)砂土加熱，這種熱傳導(dǎo)只延伸到第二個(gè)熱電偶(x=0.155 m)之前。由于加熱器下部沒(méi)有熱電偶，無(wú)法顯示這部分砂土的熱傳導(dǎo)。假設(shè)熱傳導(dǎo)對(duì)稱，這就說(shuō)明加熱器中心有一個(gè)0.11 m 厚的受熱區(qū)。啟動(dòng)空氣噴射時(shí)，觀察到沿著柱狀實(shí)驗(yàn)裝置向上發(fā)生對(duì)流傳熱，剛開(kāi)始時(shí)加熱器上方第一個(gè)熱電偶溫度迅速升高(x = 0.120 m)，然后關(guān)閉加熱器(t = 2400 s)。砂土中儲(chǔ)存的能量向上傳遞并縱向擴(kuò)散，對(duì)應(yīng)峰值溫度穩(wěn)定下降。這一點(diǎn)在圖7(b)中得到了清楚的體現(xiàn)，圖中溫度分布是時(shí)間的函數(shù)。

圖7 時(shí)間-溫度變化曲線(a)及距離-溫度變化曲線(b) [67]Fig.7 Time-temperature curve(a)and distance-temperature curve(b) [67]

2.5 工程應(yīng)用

2.5.1 異位陰燃 近年來(lái)，國(guó)外已有異位陰燃應(yīng)用于大型撬裝設(shè)備進(jìn)行污泥凈化的報(bào)道[68-69]。其中，“熱墊(hot pads)”是異位陰燃在工程應(yīng)用中的典型代表。所謂“熱墊”，即將大批量的污染土壤堆放在一個(gè)工程基地中，利用集中供熱設(shè)備，使污染土壤達(dá)到點(diǎn)火溫度。當(dāng)陰燃前鋒能夠自維持地自熱墊向上傳播后，停止供熱。在整個(gè)熱墊處理過(guò)程中，空氣噴射裝置為陰燃提供充足的空氣，避免污染土壤堆因缺氧而阻斷陰燃前鋒的傳播。處理后的土壤經(jīng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)后便可外排。類似大型撬裝設(shè)備，熱墊裝置具有“模塊化、撬裝化、工廠化”的特點(diǎn)，被污染的土壤送至熱墊基礎(chǔ)上進(jìn)行陰燃處理，能最大化批量處理受污染土壤，且使批量處理時(shí)間最短。此外，熱墊技術(shù)還具有能耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)。完整的“熱墊”如圖8所示。

圖8 “熱墊”概念圖Fig.8 Concept diagram of“hot pad”

Grant 等[41]提出一種陰燃熱處理修復(fù)反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆應(yīng)用了“熱墊”的原理，對(duì)異位陰燃處理工藝進(jìn)行了撬裝化、工廠化、自動(dòng)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在“熱墊”的基礎(chǔ)上，該反應(yīng)堆增加了尾氣收集及處理裝置，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行收集和進(jìn)一步的凈化處理，減少二次污染的產(chǎn)生。另一方面，不同于圖8介紹的“熱墊”，進(jìn)行陰燃處理時(shí)，反應(yīng)堆和外界環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)，在擋風(fēng)避雨的同時(shí)，能夠防止熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的部分有害氣體未被尾氣收集裝置收集從而逸散到大氣中，危及作業(yè)人員的身體健康和對(duì)環(huán)境造成破壞。

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司提出利用異位陰燃法處理鉆井泥漿和罐底油泥的技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)陰燃反應(yīng)爐的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大批量地對(duì)鉆井泥漿和罐底油泥的陰燃處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用罐底原油+適量泥沙的配料方式，在實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)罐底油泥的配制，采用加熱盤管對(duì)鉆井泥漿和罐底油泥進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到陰燃反應(yīng)的著火點(diǎn)，采用空氣噴射裝置作為氣源實(shí)現(xiàn)陰燃前鋒自維持地推進(jìn)。其中，處理前樣品的含油量為137000 mg/kg，經(jīng)陰燃處理后的泥沙中幾乎不含油，得到了較好的處理效果。

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司還對(duì)采油作業(yè)油泥的陰燃處理進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)，分三個(gè)批次對(duì)采油作業(yè)油泥進(jìn)行了陰燃處理。從中試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，處 理 前C10～C14含 量 為356 mg/kg，C15～C28含 量 為25400 mg/kg，C29～C36含量為9750 mg/kg，總有機(jī)污染物含量為35506 mg/kg，經(jīng)過(guò)陰燃處理的采油作業(yè)油泥中有機(jī)污染物基本除去，處理效果較好。因此，陰燃技術(shù)以污染物中自持有機(jī)物作為能源，可以持續(xù)、完全處理此類油泥。

2.5.2 原位陰燃 相較于異位陰燃，原位陰燃在實(shí)際工程中的應(yīng)用更加普遍[70-71]。Scholes 等[39]提出了第一個(gè)中試規(guī)模的原位陰燃現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)在不同的地層內(nèi)進(jìn)行淺層和深層試驗(yàn)，揭示在地下和地下水位下啟動(dòng)和維持陰燃反應(yīng)的能力，同時(shí)量化峰值溫度、陰燃速度、處理速率、處理效率、排放產(chǎn)物、井的影響半徑和能量需求?，F(xiàn)場(chǎng)施工如圖9所示。

圖9 原位陰燃案例現(xiàn)場(chǎng)施工圖[39]Fig.9 Site construction drawing of in-situ smoldering case[39]

對(duì)淺層和深層原位陰燃的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)單元進(jìn)行了研究，提出了淺層[圖10(a)]和深層[圖10(b)]現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)單元的示意圖如圖10 所示。淺場(chǎng)試驗(yàn)由點(diǎn)火井組成，點(diǎn)火井安裝在淺填體單元的底部，測(cè)試單元由板樁隔柵組成。深場(chǎng)試驗(yàn)是在無(wú)板樁阻擋的深砂裝置上安裝點(diǎn)火井進(jìn)行的。兩項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均在完全飽和條件下(即地下水位以下)開(kāi)始。點(diǎn)火井對(duì)受污染土壤進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到著火點(diǎn)后，停止供熱，被處理的土壤發(fā)生自維持的陰燃反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程中，空氣噴射器不斷向地層注入空氣，使得陰燃前鋒能夠穩(wěn)健地向前傳播。

圖10 原位陰燃現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)單元示意圖[39]Fig.10 Schematic diagram of in-situ smolder field test unit[39]

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司在美國(guó)新澤西州紐瓦克市進(jìn)行了潟湖淤泥陰燃處理工程試驗(yàn)。本項(xiàng)目采用原位陰燃技術(shù)，總處理煤焦油土方量約42000 m3，從2014 年起進(jìn)行分區(qū)域分批修復(fù)，至2018 年結(jié)束；系統(tǒng)總設(shè)計(jì)1700 淺井（1.5 m 作用半徑，3 m 間距）和300 深井（3 m 作用半徑，6 m 間距）；處理區(qū)域分為不同節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)小室，點(diǎn)完火后即可抽取進(jìn)入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)火。該中試規(guī)模的試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)原位陰燃對(duì)地下及地下水位以下有機(jī)污染物的處理效果，量化原位陰燃對(duì)有機(jī)污染物的破壞率和對(duì)土壤的修復(fù)效率。該中試實(shí)驗(yàn)采用深入到地下或者地下水位以下的加熱管對(duì)潟湖淤泥進(jìn)行加熱，使其達(dá)到陰燃著火點(diǎn)。當(dāng)潟湖淤泥陰燃釋放的能量和向外界損失的能量建立起能量平衡時(shí)，陰燃前鋒開(kāi)始隨著空氣的通入不斷向未陰燃的有機(jī)污染區(qū)域推進(jìn)。從淺層試驗(yàn)的處理效果來(lái)看，潟湖淤泥中絕大部分有機(jī)物質(zhì)都燃燒殆盡，得到了較好的處理效果。處理前樣品中持久性有機(jī)污染物含量為38386 mg/kg，處理后其含量降低至258 mg/kg，其處理效率高達(dá)99.3%。

3 總結(jié)與展望

在我國(guó)，含油污泥處理量龐大；隨著我國(guó)環(huán)境修復(fù)步伐不斷加快，政府和人民對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也越來(lái)越高。陰燃技術(shù)因其具備高效地、大規(guī)模地處理含油污泥的潛力，在污染土壤的凈化處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景及巨大的市場(chǎng)需求。綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，陰燃法處理含油污泥技術(shù)目前還需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）陰燃處理過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生尾氣，而對(duì)于有機(jī)污染物，尤其是含油污泥的陰燃，尾氣中常含有多種有害氣體。有效地收集、處理這些尾氣，減少二次污染的產(chǎn)生，是陰燃法處理含油污泥技術(shù)需要直面的一個(gè)問(wèn)題。

（2）由于含油污泥的物理性質(zhì)和化學(xué)組成不同，陰燃向明火轉(zhuǎn)變的條件也不盡相同?？刂脐幦紲囟仍谥瘘c(diǎn)以下，避免其向明火轉(zhuǎn)變，同時(shí)確保反應(yīng)能自持續(xù)地進(jìn)行，是陰燃法處理含油污泥技術(shù)的關(guān)鍵。

（3）探尋最優(yōu)的處理?xiàng)l件，使得陰燃的處理效率最高，是該技術(shù)能夠大規(guī)模地運(yùn)用到工程實(shí)際中的關(guān)鍵。對(duì)于性質(zhì)相同或相似的含油污泥，有必要確定其陰燃處理的最佳條件，這主要體現(xiàn)在確定其最佳的空氣通量。

（4）對(duì)于不同的陰燃反應(yīng)器類型，陰燃前鋒的傳播速率不盡相同。在陰燃反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，反應(yīng)器的形狀、加熱器的位置、空氣噴射裝置的形狀和截面積等均會(huì)影響最終的處理效果。

（5）不同于各種可燃多孔介質(zhì)（如香煙、蚊香）等的陰燃，陰燃反應(yīng)不僅發(fā)生在可燃物的表面，也在可燃物內(nèi)部進(jìn)行。而含油污泥只在泥砂表面裹有一層薄薄的有機(jī)污染物，陰燃反應(yīng)只在油泥表面進(jìn)行，有機(jī)物陰燃殆盡后，泥砂完全保留了下來(lái)。這個(gè)客觀條件，給含油污泥陰燃技術(shù)的數(shù)值模擬帶來(lái)了一定的難度。

綜合以上考量，未來(lái)對(duì)陰燃法處理含油污泥的研究，可以從以下幾方面展開(kāi)。

（1）建立有效的尾氣處理系統(tǒng)。對(duì)于大型撬裝陰燃反應(yīng)裝置，配套相關(guān)尾氣處理系統(tǒng)，減少二次污染的產(chǎn)生。

（2）含油污泥的陰燃傳熱性質(zhì)研究。用數(shù)值模擬和其他技術(shù)手段分析陰燃傳熱機(jī)理，確定油泥由陰燃向明火轉(zhuǎn)變的臨界溫度，并對(duì)陰燃反應(yīng)涉及的相關(guān)化學(xué)機(jī)理進(jìn)行模擬研究，確定陰燃反應(yīng)生成物組分。

（3）多因素變量的研究。污染物濃度、孔隙率、含水飽和度和空氣通量都影響著陰燃處理效果。設(shè)計(jì)一系列正交實(shí)驗(yàn)，確定陰燃處理的最佳條件，是今后研究的一個(gè)方向。

（4）陰燃反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與完善。包括陰燃反應(yīng)器的形狀、加熱器的位置、空氣噴射裝置的形狀和截面積的設(shè)計(jì)與完善。

（5）原位陰燃系統(tǒng)的保護(hù)措施。建立原位陰燃失控保護(hù)系統(tǒng)，確保原位陰燃安全、可靠地進(jìn)行。