页岩气油基钻屑热解行为动力学与产物特性研究：资源化利用与环境风险控制新策略

本研究针对页岩气开发中产生的典型危险废物——油基钻屑(OBDC)，通过热解动力学分析和产物特性研究，探索了其资源化利用路径与环境风险控制策略。研究人员采用四种等转化率方法(FM、OFW、KAS、Starink)解析三阶段热解动力学特征，发现活化能随反应进程递增(142.3-203.5 kJ/mol)；系统考察了温度对气相产物(CH4 、CO2 等)、液相组分(C10 -C36 烃类)及固相重金属(Cr、Cu、Zn等)迁移规律的影响，证实热解技术可实现石油烃资源回收(残油<0.3%)与重金属稳定化(残存率最高达92.34%)，为工业级OBDC清洁处理提供了理论依据与技术支撑。

　　

页岩气作为21世纪最具潜力的非常规能源，其开发过程中伴生的油基钻屑(OBDC)正成为严峻的环境挑战。这类含油率高达18.2%的危废，既含有可回收的石油烃资源，又富集Pb、Cr等重金属(含量65.9-240.4 mg/kg)，传统填埋和固化法难以兼顾经济性与生态安全。如何实现OBDC无害化与资源化的双赢，成为制约页岩气绿色开发的关键瓶颈。

针对这一难题，四川轻化工大学机械工程学院联合华东油田服务公司等机构的研究团队，在《Scientific Reports》发表了创新性研究成果。该工作通过多尺度实验与理论计算，首次系统揭示了页岩气OBDC的热解转化规律：采用固定床反应器结合TGA技术，在50 mL/min氮气氛围下，以10-50°C/min升温速率解析了从室温至900°C的三阶段热解行为；运用GC-MS和原子吸收光谱分别表征了气相产物和重金属分布；创新性地采用四种动力学方法交叉验证了活化能变化规律。

热解动力学分析
TG-DTG曲线显示OBDC热解呈现明显的三阶段特征：350°C前为水分挥发阶段(I)，350-550°C为矿物油裂解主阶段(II)，550-900°C为复杂烃类二次裂解阶段(III)。通过FM、OFW等方法计算发现，活化能随反应阶段显著递增，其中Starink法测得II阶段E_a
为171.0 kJ/mol，III阶段升至184.2 kJ/mol。高温区活化能提升现象揭示了有机-无机复合污染物分解的能垒特性，为工业反应器温度分区设计提供了量化依据。

产物分布特性
温度对产物分布具有决定性影响：500°C时固相产率降至73.6%，而气相中CH₄
和H₂
产量分别增长3.8倍和2.6倍。液相组分发生显著重组，C₁₅
-C₂₈
烃类减少3.26%的同时，四环芳烃占比提升12.7%。特别值得注意的是，回收矿物油的GC-MS谱图与柴油高度相似，展现出替代燃料潜质。

重金属迁移规律
Cr、Cu、Zn在焦渣中的残存率随温度升高至90%以上，尤其是Cr在550°C时残存率达92.34%，证实了热解对重金属的固定化作用。但Pb和Ni表现出温度敏感性，其残存率波动幅度达15%，提示后续需关注其浸出风险。通过XRD分析发现，金属氧化物微晶包覆是重金属稳定的主要机制。

这项研究构建了OBDC热解转化"动力学-产物-风险"的全链条认知体系。其创新价值体现在三方面：首次建立页岩气OBDC四方法交叉验证的动力学模型，为工业反应器设计提供精准参数；揭示温度梯度下烃类重组与重金属迁移的耦合规律，指导产物定向调控；提出"以废治废"新思路，证实回收矿物油可替代柴油。该成果对推动页岩气开发废弃物处理的"碳减排-资源化-风险控"三位一体技术革新具有重要实践意义，相关参数已被应用于重庆涪陵页岩气田的工程设计。未来研究可进一步聚焦Pb/Ni低温脱除工艺开发，以及热解焦渣在建材领域的增值利用途径。