本研究在实验室与中试尺度上，验证了一种新型含油污泥（OS）热解-焚烧耦合处置技术的可行性与经济性。研究人员首先使用热重分析仪（TGA）和水平管式炉反应器研究了其热解特性。随后，构建了一套中试装置，该装置将双螺旋热解反应器与循环流化床（CFB）锅炉集成，并采用固体热载体作为加热介质。实验室实验表明，在773 K时，热解油最大产率为11.9%。热解温度需超过823 K，才能将所得半焦中的含油量降至0.3%以下，此时半焦产率约为78.7%。中试规模实验获得了7.51%至10.76%的热解油，以及半焦和不凝气体（NC-gas，主要成分为H2和CH4），后者被送入CFB锅炉燃烧。产生的废物，包括半焦、飞灰、炉渣和烟气，均符合中国标准GB 18484-2020和GB 4284-2018。经济分析显示，该系统每年可产生64.31万美元的收益，投资回收期为1.7年。这些结果证明，该耦合技术能够实现OS的无害化处置与资源化回收，为工业部署提供了商业上可行的解决方案。
在石油化工行业的开采、运输和炼制过程中，含油污泥（Oil Sludge， OS）作为一种危险副产物被产生。它通常由水、油、固体颗粒和重金属形成稳定的乳状液，含有高浓度的多环芳烃、酚类、苯衍生物、病原微生物和重金属等有害物质，已被多国列为危险固体废物。据统计，中国每年产生约600万吨OS，全球年产量超过10亿吨。OS通常含有15-50%的石油烃组分，若处置不当，将对人体健康构成风险，造成严重的生态污染和资源浪费。随着环保政策日益严格，对处理后OS残渣含油量的关注至关重要，因此开发一种可持续、高效的OS处置技术势在必行。目前，热化学方法在有机固废处理中被广泛应用，相较于萃取、离心分离和填埋等方法，在解毒和资源利用方面具有显著优势。然而，单一的热化学处理方法，如气化、水热处理、焚烧或热解，均存在局限性。例如，热解虽能高效回收液态烃类，但不可避免地产生富含碳的固体残渣；焚烧虽能彻底解毒，但无法回收有价值资源，且处理高含水物料时需大量辅助燃料。综合热化学处理（Comprehensive Thermochemical Treatment， CTT）策略，即将热解与焚烧耦合，为克服这些限制提供了一条有前景的途径，通过顺序集成油品回收和固相彻底解毒，实现优势互补。虽然该耦合概念已在煤、油页岩和油砂的处理中实现工业化应用，但在OS处置领域，其应用仍主要局限于实验室研究，尚未有研究验证采用固体热载体双螺旋热解反应器与CFB锅炉集成的中试规模CTT工艺的技术可行性。为填补这一关键空白，本工作系统研究了OS从实验室到中试规模的热解特性，设计并运行了专门建造的中试装置，以评估耦合工艺的产品分布、排放合规性和过程稳定性，并进行了经济性分析以评估其商业可行性。
为开展本研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，通过热重分析（Thermogravimetric Analysis， TGA）和水平管式炉实验，在实验室尺度上探究OS的热解动力学与产物分布特性。其次，设计并建造了一套集成双螺旋热解反应器与循环流化床（Circulating Fluidized Bed， CFB）锅炉的中试装置，其中采用固体热载体技术强化热传递。最后，对中试装置运行产生的产品（热解油、半焦、不凝气体）及最终废物（飞灰、炉渣、烟气）进行了全面的表征分析与排放合规性检测，并进行了系统的经济性评价。研究的OS原料来源于中国黑龙江省大庆油田。
**实验室尺度的热解特性研究**：研究人员首先对来自大庆油田的OS进行了基础物性分析，包括共沸蒸馏分析（测定水、油、固相含量）、工业分析、元素分析和热值测定。随后，利用热重分析仪在氮气氛围下对OS的热解行为进行了非等温实验，确定了其热解阶段和关键温度区间。基于TGA结果，进一步在水平管式炉反应器中进行了等温热解实验，系统研究了热解温度（673-923 K）对产物（热解油、半焦、气体）分布及半焦含油量的影响。实验结果确定，为使热解半焦含油量降至0.3%以下，热解温度需不低于823 K，此时半焦产率约为78.7%；而在773 K时，热解油产率达到最大值11.9%。
**中试规模耦合工艺验证**：基于实验室研究结果，研究人员设计并搭建了OS热解-焚烧耦合处置中试系统。该系统核心为一台双螺旋热解反应器，采用固体热载体（石英砂）作为加热介质，实现OS的快速加热与热解。热解产生的热解油经冷凝回收，不凝气体（主要为H
2和CH
4）与热解半焦被直接送入配套的CFB锅炉作为燃料进行燃烧。中试实验连续运行，考察了系统的处理能力、产品产率（热解油、半焦、气体）以及运行稳定性。结果显示，中试装置热解油产率范围为7.51%至10.76%，半焦和NC-gas被成功用于CFB锅炉燃烧，实现了系统内的能量耦合与物质循环。
**排放合规性与经济性分析**：研究人员对中试系统最终排放的固废（半焦、飞灰、炉渣）和气态污染物（烟气）进行了取样和分析，以验证其是否符合中国《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484-2020）和《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284-2018）。分析结果表明，所有排放物均满足上述国家标准的要求，证明了该耦合技术环境友好性。此外，研究人员基于中试实验数据和相关经济参数，对该技术进行了全面的技术经济分析。分析涵盖了设备投资、运行成本以及从热解油、蒸汽发电等途径获得的收益。计算得出，该系统年净利润可达643,100美元，投资回收期仅为1.7年，显示出良好的商业化前景。
综上所述，讨论部分指出，本研究通过系统的实验室研究和成功的中试验证，证实了热解-焚烧耦合技术处理含油污泥的可行性。该技术有效整合了热解的高资源回收率（回收油品）与焚烧的高减害化程度（彻底分解残余污染物并回收热量）的双重优势，克服了单一技术的固有缺陷。中试规模的成功运行以及污染物排放达标，为该技术从实验室走向工业应用迈出了关键一步。经济性分析进一步表明其具备显著的经济可行性。
研究结论部分总结如下：本研究系统地探究了一种新型热解-焚烧耦合处置含油污泥技术从实验室到中试阶段的可行性。实验室规模实验揭示了四个明显的热解阶段，并确定了将半焦残留含油量降至0.3%以下所需的最低温度为823 K，对应约78.7%的半焦产率。在773 K时获得了11.9%的最大热解油产率。中试规模实验产生了7.51%至10.76%的热解油，以及可送入循环流化床（CFB）锅炉燃烧的半焦和不凝气体（NC-gas）。最终排放物符合中国相关标准。该耦合技术实现了含油污泥的无害化处置与资源化回收，是一项具有工业应用前景的解决方案。
