CN101641166A - 污染材料的电磁处理 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于从污染了烃的基质中分离烃成分的方法。该方法包括：控制含有污染了烃的基质的供料中的水分含量；将供料连续地运到处理腔(3)内；将供料置于处理腔的处理区(8)中接受微波辐射，使至少一部分水分快速加热形成水蒸汽，其中，快速形成水蒸汽的过程使基质中的至少一部分烃发生热脱附；以及，将已处理基质连续不断地运出处理腔。

Description

污染材料的电磁处理
技术领域
[0001]本发明涉及一种使用电磁辐射处理污染材料如污染了烃的基质的方法和设备。本发明尤其但非唯一地涉及对污染了石油的钻屑的连续微波处理。
背景技术
[0002]电磁辐射包括微波和射频辐射以及其它频率的辐射如红外光和可见光。
[0003]本文中提到的“污染了烃的基质”或“污染了石油的基质”常用来指碎石、泥土、淤泥、过滤块等固体材料基质，其中含有水分并且污染了烃类物质。这些烃类物质可能是任何天然或合成的烃，如天然石油或合成石油。烃类物质可能天然存在于岩石中。污染了石油的基质例如是污染了石油的钻屑。钻屑由碎石、石油和水的混合物构成，在石油天然气的勘探开采过程中，有大量钻屑产生。根据钻孔的岩石的硬度，钻孔速度能达到30-50英尺/小时。钻孔的深度常为3-5公里，直径能达到83/4英寸，15英寸或171/4英寸。估计光北海的56个钻探地点每年就产生上百万吨的钻屑废弃物。
[0004]钻探石油和/或天然气过程中，会将“钻井泥浆”泵入钻头，用作润滑剂和冷却剂，以及作为将钻屑运到地面的手段。尤其在例如北海较为困难的钻探条件下，钻井泥浆通常是石油基泥浆。而在不太有挑战性的地质区域，可以使用水基或合成的钻井泥浆。
[0005]钻屑中的石油污染物主要来源于钻井泥浆本身，而不是天然存在的石油，含量可能占钻屑的5-30重量％。在最后清除钻屑时，使用水基泥浆涉及的处理事务较少，因为这些钻屑中所含油分很少。但是在例如岩石很硬的地质形势下或者需要很复杂的钻孔时，就必须使用石油基泥浆。
[0006]以往清除近海石油或天然气钻机上产生的污染了石油的钻屑(本文中有时称OCDC)是将它们泵入大海。但是，由于目前的环境法规常常规定不能将它们排放到大海，所以清除钻机上的钻屑变得更加困难。这些环境法规随国家的不同而有所变化。例如，目前英国法规要求排放到大海的钻屑中含油量要低于1重量％。
[0007]大多数钻探平台的存放量都不高，所以一旦不允许往海中排放，大多数材料将不得不运到陆上去丢弃。将废弃物运到陆上不仅成本高，而且在恶劣天气下既困难又危险。将大量废弃物长时间堆积在钻机上是不可能的，因为一旦达到钻机的缓冲存放容量时，就必须使钻探工程停下来直到钻屑能被运到陆上。而停止钻探的成本很高。
[0008]即便将被污染的钻屑运到岸上，也得遵守在陆地环境如废弃物填埋场中进行废弃物处理的规定。所以，常常有必要在陆地上对OCDC进行处理以降低油污染物的浓度或者使残留的石油不能流动，以免危害环境。
[0009]我们认为，理想的做法是，在石油开采/勘探平台上对污染了石油的钻屑就地进行处理以便减少污染物，最好是将污染物减少到能够允许将钻屑丢弃到海中的量。但是，这又产生了一个问题，那就是需要配置不会占用太多钻机上有限的可用空间的处理设备。
[0010]虽然本发明是为近海钻台开发的，对于近海钻台具有很特别的意义，但是应该理解，该发明也能在陆地上使用，用于除清除基质中石油外的其它目的，例如处理被污染的土壤，或处理受污染的陆地。
[0011]另外，石油基钻井泥浆本身的价值较高。我们认为，发明一种能从钻屑中回收至少一部分用过的石油基钻井泥浆的方法和设备，是最好不过的。能再循环的石油得到的越多，将其运出并存放到自身钻机上的需求则越少，这意味着钻机能运行的时间更长而不需要重新加料而且成本降低。
[0012]目前使用的最常见的处理方法都是基于热处理的原理。这类方法包括焚烧法、热脱附法或利用机械能产生热量的方法。这类方法通常是将钻屑加热到一个足以去除钻屑中所含水分的温度，然后继续升高温度直到钻屑内石油污染物被烧尽或沸腾后挥发。
发明内容
[0013]根据本发明的第一个方面，我们提供了一种从污染了烃的基质中分离烃成分的方法，其包括以下步骤：控制含有污染了烃的基质的供料中的水分含量；将供料连续地运到处理腔内；将供料置于处理腔的处理区中接受电磁辐射，最好是微波辐射，使至少一部分水分被快速加热形成水蒸汽，其中，快速形成水蒸汽的过程使被处理材料中的至少一部分烃发生热脱附；以及，将已处理材料连续不断地运出处理腔。
[0014]除了从污染了烃的基质中分离或提取烃的方法外，我们可以提供一种减少污染了烃的基质中的烃含量的方法。
[0015]该烃可以是天然的或是合成的石油。
[0016]实验室研究中已经提出用微波能减少污染了石油的钻屑中的石油含量的想法(Shang等，“Treatment of Oil-Contaminated Drillcuttings by Microwave Heating in a High-Power Single-Mode Cavity”，Ind.Eng.Chem.Res.2005，44，6837-6844)，[Shang等，“Microwave treatmentof oil-contaminated North Sea drill cuttings in a high power multimodecavity”，Separation and Purification Technology，2006，49，84-90]。
[0017]这些研究中，由于精确地知道实验室处理腔内的电磁场强度，所以能将试验样品放置在场强最大的位置。但是，钻屑的加热只局限在机器内，整个腔内形成很大的温度梯度，导致石油的处理不均匀。整个系统使用起来不能真正达到满意的效果。
[0018]对有用的连续微波处理系统的设计思想在现有技术中没有记载。我们认识到，使用这样一种系统要优于其它的加热法，原因有很多，其中包括与对整个样品加热相比，该系统是有选择性地加热，可特异性地减少石油的含量。这使污染物能在平均温度降低的情况下被去除，从而节约了能量。
[0019]本发明的一实施例涉及能用微波对OCDC进行连续有效处理的方法(与分批处理相比)，该方法中，供料系统、材料处理系统和处理腔被整合在一起，以确保被污染材料能被连续不断的处理。某些实施例中，处理工艺输出的材料中含有蒸汽和低油量固相材料，蒸汽中的石油可视情况再返回到钻井泥浆内，固相材料根据需要可以弃除或循环再用。
[0020]另外，根据本发明设计的装置经装配后能占用很小的“覆盖区”，也就是说，只在钻机上或空间有限的其他情况下占用很少的空间。该装置能装配到ISO容器内。
[0021]可以测定污染了石油的基质或整个供料(如OCDC)中的水分含量。可以通过将水分含量已知的材料和污染了石油的基质混合来控制供料材料中的水分含量。水分量已知的材料优选地包括被处理材料(与未处理供料比，被处理材料中石油量减少，水分含量可能减少)。
[0022]对供料中的水分含量加以控制，使供料作为一个复合物质整体的介电性能为：ε’＝2.5-4.5或者0.1-20，ε”＝0.1-10。优选地，该供料的整体介电性能为：ε’＝3.5，ε”＝0.5。要达到使水快速加热的效果，需要有合适的介电性能。供料必须有较高的合适的吸光度以利于在电场中被加热，但吸光度也不能太高，否则透入深度会受到限制。但是，这些数值均具有频率依赖性，所以随施加的辐射不同而发生变化。上述引用数值均是针对微波而言的。
[0023]微波辐射的功率至少可以是1kW，根据情况可以至少是5kW，而且可以在5kW-1MK之间。在工业应用中，合适的功率可能最小是50kW或者优选为100kW-500kW，因为低功率需要的停留时间较长。也可能使用500kW到高达约1MW之间的功率。当提到功率时，是指一个系统的总功率，包括了所使用的大量低功率的并联单元。
[0024]微波辐射的频率可以是896MHz或其左右。所要选用的精确频率在一定程度上取决于操作本方法所在的地理区域。可使用的选择范围可为1MHz-2.45GHz。法律法规对要使用的频率有一定的管制，但为特定目的/特定法律实体而限定某些频率的法律法规在偏远地域(如大海中的石油钻机上)可以不适用。最终，频率的选用与要求的穿透深度和待处理材料的介电性能有关。
[0025]可以将供料置于微波辐射中持续0.1-2秒(这一般是针对OCDC)或者在更广义的被污染材料的处理中辐射0.1-10秒，从而将基质中的水分(如OCDC中岩石或其周围的水分)快速加热。
[0026]本发明的方法可以进一步包括将惰性气体大量地通过或扫过处理腔以除去处理区的蒸汽，这些蒸汽是供料暴露在微波辐射中所产生的。“惰性气体”是指在处理区所在的条件下不会与供料发生反应的气体。合适的惰性气体例如有氮气、水蒸汽，以及稀有气体。
[0027]根据本发明的第一个方面，我们提供一种用于减少污染了烃(或其它污染物)的基质中的烃等污染物的设备。该设备包括具有材料处理区的微波或其它电磁波处理腔，使用时将供料连续地运入和运出处理区的加料装置，和微波(或其它电磁波)发射装置，该装置在使用时将处理区内的供料暴露在微波或其它电磁辐射中以使污染了烃或其它污染物的基质中的至少一部分水分被快速加热后形成水蒸汽，从而去除基质中的至少一部分烃或其它污染物。
[0028]我们可以提供一种减少污染了烃的基质中的烃含量的方法，而不是一种从污染了烃的基质中分离或提取烃的方法。
[0029]所述烃可以包括天然石油或合成石油。
[0030]所述处理腔优选包括具有入口和出口的施加装置，所述处理工序在该入口和出口之间进行。该施加装置可以是隧道式施加装置。
[0031]所述施加装置的形状最好是能改善用所述设备处理材料时处理区内所形成的电场的均匀性。最好是使用其水分含量已知或甚至水分含量被控制的供料。可以利用对整个供料中水分含量的掌握情况对施加装置的形状加以优化。
[0032]所述施加装置可以含有波导部件，用于将微波发射装置发射的微波辐射引到处理区内。该施加装置可以包括自抵消壁阶(step)。它可以进一步包括用于阻挡微波辐射从入口和出口泄漏的阻塞部件。
[0033]所述加料装置可以包括槽型传送部件，用于运送供料通过处理腔。该传送部件可以与处理腔的底壁之间有一定间隔。
[0034]所述加料装置可以包括材料搅拌器，用于将其他材料如干或更干的材料与被污染材料混合以控制所制备的供料中的水分含量。该其他材料可以包括已处理材料(指已被本发明的设备处理过的材料)。
[0035]本发明的设备可以进一步包括气流机构或气体循环机构，其用于将惰性气体通过处理区。该气流机构可以使惰性气体循环通过处理区，然后回收并使惰性气体再循环。可将气流机构或气体循环机构的结构设计用来从施加装置的入口和波导向部位将惰性气体导入(如隧道式施加装置)。该气流机构或气体循环机构可用来将施加装置中的气体通过该施加装置壁上的孔排出。
[0036]该设备可进一步包括适于分离处理区中至少一些由惰性气体产生的蒸汽的分离器。
[0037]在本发明的另一方面，我们意识到最好提供一种去除微波(或其它电磁辐射)腔内产生的蒸汽的方法和设备。如果这些蒸汽不被去除的话，有可能形成等离子体而损坏微波腔。
[0038]根据本发明的第三个方面，我们提供了一种用微波加热基底的方法，其包括去除微波处理腔内处理区产生的蒸汽。
[0039]该方法可以包括以下步骤：将样品暴露在处理区内接受微波辐射以产生气体和/或蒸汽；将净化气体，最好是惰性气体，通过处理腔，以除去处理区的蒸汽。
[0040]或者/另外，也可以往处理腔施加一低压然后吸出蒸汽。
[0041]所述样品可以是污染了石油的基质。
[0042]所述净化气体优选为水蒸汽或氮气。“惰性气体”是指不会与所述样品发生显著反应的气体。所述气体也可以不与抽提出来的蒸汽发生显著反应。
[0043]可以将所述气体扫过处理腔和同时或几乎同时暴露在微波辐射中的样品。可以在样品接受微波(或其它)辐射后将该气体扫过处理腔。这包括：当样品暴露在辐射中时开始让气体扫过处理腔，至样品接受完辐射后让气体继续扫过处理腔。
[0044]根据本发明的第四个方面，我们提供了微波(或其它电磁波)施加装置，其包括微波处理腔和气体净化系统，其用于将净化气体通过处理腔以除去微波施于基底期间产生的处理区蒸汽。
[0045]根据本发明的第五方面，我们提供了在微波腔内对供料进行微波加热的方法，其包括控制该供料中的水分含量。
[0046]所述方法可以包括测定或确定污染了石油的材料中的水分含量；和
将水分含量已知的材料加到该污染了石油的材料中，以控制所制备的供料中的水分含量。
[0047]根据本发明的第六个方面，我们提供了一种减少污染了石油的基质中的石油含量的方法，其包括以下步骤：
控制含有污染了石油的基质的供料的介电性能；
将所述供料连续不断地运入处理腔；
将所述供料暴露在所述处理腔的处理区中接受微波辐射以使该供料中至少一部分水分快速加热形成水蒸汽，其中，快速形成蒸汽的过程使基质中的至少一部分石油含量发生热脱附而离开基质；以及
将已处理基质连续不断地运出处理腔。
[0048]所述介电性能中可以包括水分含量。
[0049]现参照附图，仅以举例方式对本发明的具体实施例进行描述，其中：
[0050]图1是一种连续微波处理设备的示意图；
[0051]图2a示出大量钻屑样品中的水分和石油含量。
[0052]图2b示出所选的钻屑样品在2.45GHz和20℃时的介电性能。
[0053]图3示出1kW时多模腔内微波处理期间的钻屑温度。用来确定温度的光纤热电偶的最大操作温度是300℃；
[0054]图4是供料运送系统的示意图；
[0055]图5举例示出供料中不同干/湿成分的粒径分布；
[0056]图6是用于连续处理钻屑的隧道式施加器的示意图；
[0057]图7是隧道式施加器的代表示意图，其中标示出了电场中的热点；
[0058]图8示出微波处理腔的立体图；
[0059]图8a和8b分别示出实验室规模大小的微波处理腔的顶部和底部的正视图；
[0060]图9表示隧道高度和负载高度对微波腔内电场分布的影响；
[0061]图10表示(a)电场分布(M/δ)和(b)耗散功率作为传送带半径的函数关系图；
[0062]图11所示为优选的隧道式施加器的实施例；
[0063]图12示出气体处理系统的布局；
[0064]图13示出水蒸汽汽提和微波增强的水蒸汽汽提操作对去除钻屑中石油的效果；
[0065]图14表示微波处理后用气体进行汽提所得到的石油残留量；
[0066]图15和16示出微波腔的实施例；
[0067]图17和18示出气体处理系统的实施例；
[0068]图19示出在一例举的系统中处理率保持160kg/hr恒定的条件下石油残留量与施加功率的关系；
[0069]图20示出在上述例举的系统中施加功率保持15kw恒定的条件下石油残留量与处理率的关系；
[0070]图21示出(a)未处理钻屑中的原油和(b)微波处理后的回收油的气相色谱图；
[0071]图22示出从已处理的钻屑中提取的残留石油的气相色谱图；
[0072]图23示出能量需求与施加功率为15kw所得的修复程度的函数关系图；
[0073]图24示出在微波功率为15kw、三种处理模式(单模分批模式、多模分批模式和连续模式)下石油残留量随能量输入而变化的图。
具体实施方式
[0074]图1所示为系统1的概略图，该系统用于连续分离堆在近海石油/天然气勘探钻机上污染了石油的钻屑中的石油。该系统包括将含有未处理钻屑6(其包括水、石油和岩石的混合物)的供料5运到微波处理腔3内的加料装置7(或加料器7)。在靠近处理腔3的出口设有冷凝装置9，用来分离被回收的石油、水的混合物13中的惰性净化气体11。分离器15用于从混合物13中分离出石油14和水16。提取或再循环系统17用来过滤和净化气体11，然后将其送回到微波腔3的供料入口12。提取系统17包括使气体11通过处理腔3的泵18和将新鲜气体引入再循环气体内的清洁气体入口20。回输系统21用来将已处理的钻屑19运回到处理系统7作为干燥的已处理材料22。
[0075]使用时，供料5置于传送部件10(如传送带)上，被输送到的腔3内。供料5在处理区8(虚线标示)内接受微波辐射，供料内的水分被快速优先加热(后面会详述)。接着供料中的石油成分发生热脱附，剩下基本上不含石油的处理后固体钻屑19。通过处理腔3的扫除气11(sweep gas)帮助去除蒸汽，将其带至冷凝装置9。冷凝装置回收到的石油能被再加到钻井泥浆内(钻井泥浆内可以加入一些添加剂)而处理后的固体材料19可被丢弃(或用作回输“干”材料22，重新送回供料5中与之混合以控制供料中的水分含量——见后面叙述)。已处理的材料中含有不到传送带上材料重量1％的石油，能够被直接丢弃到大海中。
[0076]处理率可以达到5-10吨/小时，但处理率在250kg/小时-1吨/小时之间对大多数近海钻机来说是比较理想的。使用功率约为100kW、功率密度大于1W/mm3(109W/m3)的微波产生装置可以实现这类处理率。所述系统体积小而紧凑，能很容易地安装在空间有限的钻机上。工业用机型有可能被简便地装在ISO货箱内。具体的操作覆盖区依据不同情况而有所不同，因为整个系统由于其模块性质而能按大量不同的方式进行装配，例如，尽量少用水平的传送装置而有可能将系统装配成竖直形式。还可能将加料系统与处理腔之间隔得稍远一些。这种装配上的灵活性使本系统尤其适于在近海钻机上使用。
[0077]供料的组成成分和电磁辐射的强度与均匀性(至少部分取决于微波腔自身的形状)均影响石油的去除效果。供料制备与加料系统7和电磁处理腔3均按确保被污染材料能被可靠而均匀处理的要求加以设计和制造。去除产生的气体和蒸汽并根据情况回收并使其再循环的装置被独立地认为是有创造性的。
处理原理
[0078]本发明的处理方法是基于以下研究结果发明的：如果待处理材料内的水分被快速加热形成水蒸汽后，热量传递机制使石油污染物被加热从而导致石油发生热脱附。岩石内的水分被驱赶出来，出来时将石油携带到岩石表面。石油脱附产生的产物随着水蒸汽离开被处理材料。注意，石油发生热脱附是由于钻屑中的水分被微波加热的缘故。石油本身并没有被微波辐射直接加热。
[0079]一种材料吸收电磁辐射的方式取决于该种材料的介电性能。钻屑中的固体矿石相通常不具有对微波加热有传导性的介电性能。而烃污染相基本上是对电磁能透明的，所以烃污染相不能被直接加热到很高的温度。但是，水是一种良好的电磁能吸收剂，尤其吸收微波能。对钻屑介电性能的主要影响与钻屑中的水分含量有关。OCDC以外的材料中，其他特性可能影响介电性能以及水分含量。这些特性包括岩石类型、土壤类型、有机物含量、有机物种类、温度、密度、金属含量等。另外，粒径也影响材料的整体特性，并且有可能影响任一种处理方案能否成功。
[0080]待处理材料内的液体水平部分地取决于钻屑的矿物学。水能以很多种形式存在于待处理材料内，可广义的称为“结合水”和“自由水”。“结合水”含在岩屑本身内部，而“自由水”可视为岩屑外部的水。因为被钻探的岩石完全处于水表以下，所以钻屑中总是含有至少一部分水。这些水通常不是海水。
[0081]水相的快速加热直接导致烃污染相通过以下多种机制脱离固体材料：
[0082](a)蒸汽蒸馏：如果能搅动充分使水油混合物暴露在大气中的话，二者会在比其中单纯一种物质的沸点低的温度下沸腾，这种情况下，该温度大约为85℃。如果不使用扫除气(后面详述)，或者使用惰性的扫除气，水会快速形成水蒸汽被蒸发出去，所以这种机制本身不能持续到处理的初始阶段之后。但是，使用水蒸汽而不使用惰性气体(例如氮气或稀有气体)能够使水分不断更新，从而使整个处理期间的石油去除过程能在低于其沸点以下的温度下连续进行。
[0083](b)汽提：钻屑内水分产生的水蒸汽能起到将石油从被污染的钻屑中汽提出去的作用。脱离钻屑的水蒸汽将钻屑表面的污染油吹走。已经清楚这种效果能使岩石碎裂，虽然这不是本发明方法的目的。使用热的惰性扫除气能改善这一效果，结果如图13所示。
[0084](c)煮沸：甚至在低功率下，微波腔内仍能得到超过250℃的温度，这个温度足以让除最重的石油组分外的所有石油发生热脱附。在更高功率下也可能出现一些过热效应，例如在含有大量结合水的白垩基钻屑中会有这种情况发生。已知自由水和结合水的微波吸收特性是不同的，结合水在较高温度下会吸收更多的能量。
[0085]推广(a)和(b)两种方法是有利的，因为它们本身需要的微波能量比(c)少。在驾驭石油去除机制的过程中水分含量是很关键的因素。
[0086]供料在矿物学、石油和水含量方面的可变性意味着在开发有效的处理系统时必须克服许多技术难题。钻屑中典型的水和石油含量的变化如图2a所示。可以看到，本例中样品的水分含量可以在13wt％-5wt％之间变动，石油含量甚至可以在约18wt％-6wt％的更宽范围内变动。这些重量百分数是在钻屑经处理而除去多余石油之后采用标准的溶剂提取(DCM)程序测定的。如果目的是要将石油含量降低到足够低的水平，使得岩石碎屑不用进一步处理即可弃除，例如将清洁后的岩石倒入大海，或丢弃到垃圾填埋场，或在建筑业中使用(如铺路)，石油含量显然是很重要的参数，因为它决定着整个处理过程中需要去除的石油量。
[0087]另外，钻屑也可以在从土壤样到粘稠液体的不同物理外观间变化，具体取决于液体含量和粒径。水分含量还影响聚集的粒子大小，从而影响钻屑床内的热量和物质传递。
[0088]如前面所解释的，材料的介电性能(本例中为OCDC)与该材料吸收微波能的能力相关。OCDC中水是主要的微波吸收成分，所以水分含量(与电场分布一起)决定样品内微波能耗散的位置和能量穿透的深度。图2b中测定了来自多种不同样品的钻屑的介电性能。可以看到，介电性能随样品不同而有显著差异。
[0089]图3显示了白垩基和砂砾基的钻屑样品在1kW、多模腔内经微波处理期间随时间变化的温度。该温度/时间关系是非线性的，是潜在的非常有趣的现象。虽然还没有对更个区域作详尽的分析，但从该数据中能得到许多一般性结论：第一，甚至在功率很低的水平下，如1kW，这么低的功率下钻屑的热传导性有可能非常低，钻屑中的水分有可能过热而形成水蒸汽。第二，可以看到，白垩基钻屑中能更快地达到更高的温度，这可能是由于白垩基钻屑中含有结合水的缘故。最后，图中显示在单模腔内可能获得远远高于300℃的温度，从而使石油发生热脱附。图3中显示，使用所述低功率时，达到足以使水分变成水蒸汽的温度所用的时间相对来说较长。
[0090]材料的加热速度取决于很多因素，包括介电性能、尤其是材料本身的水分含量，以及所施加的辐射功率。装载物内单位体积的功率吸收密度用方程式(1)表示如下。
Pd＝2π.f.εo.ε″.Eo 2         (1)
其中：
Pd是功率密度(W/m3)
f是所施加能量的频率(Hz)
εo是自由空间的介电常数(8.854×10-12F/m)
ε″是材料的介质损耗因数
Eo是材料内部的电场强度(V/m)
[0091]可以看到，功率密度受ε″(材料介质损耗因数)和辐射频率以及施加在材料上的电场强度的影响。OCDC中的水分显著影响介质损耗因数，继而影响功率密度/材料的加热速度。为了设计有效而可靠的方法，我们发现有必要控制供料的组分，使微波腔具有能产生合适的均匀电场(为确保施加在供料各个部分的电场强度近似)以给定辐射频率对那些特性已知的材料施加辐射的合适形状。也就是说，我们是要确保处理腔内的电场是适当均匀的，从而提供适当均匀的功率密度。
[0092]本文所述的连续的微波操作方法中，应控制场强以促使发生热脱附而非热分解，从而能使石油回收和再利用。
加料系统的特征
[0093]我们意识到，有效的微波处理要求供料的性质确定和稳定。这是因为被处理材料的特性影响处理腔内产生的电场：处理腔被调节以适应要处理的材料。
[0094]如上所述，钻屑的特性随样品不同而有很大变化。为了制备稳定一致的供料，我们认为必须以一定方式控制未处理钻屑的组分。为此，我们采用改变钻屑中水分含量的方式，使样品根据需要或者更湿或者更干。许多具体实施例中，只需要控制水分含量，因为水分含量是与供料的介电性能最相关的因素。但我们并不排除还控制其它因素。
[0095]为使液体状钻屑更能经受微波处理，将干材料23与湿钻屑6混合以制备碎屑状供料，如图4所示。事实上干材料是处理后的钻屑19，加料系统7包括回输装置(图1中附图标记21所示)用于将干的已处理材料重新用作干的供料23，作为一种控制系统供料特性的机构。
[0096]可以测定未处理钻屑中的水分含量以帮助控制供料中的水分含量。如要需要的话，还可以测定已处理钻屑中的水分含量，不过这没有必要因为已处理钻屑中所含的水分通常很少而且水分含量相当一致。可根据所测定的钻屑水分含量，利用回输系统调节搅拌到湿钻屑内的干材料的量。
[0097]被搅拌的材料的可塑性意味着不能将其静态放置，否则使粒子不会变形、流动性丧失以及渗透性降低。由于这个原因，使用连续型混合器25使整个方法工作可靠。可使用双轴桨叶搅拌器将两种供料组分搅拌混合。将混合物直接从搅拌器25中引到传送装置(见图1)上，送到微波腔3内。将较干的回输材料与较湿的未经微波处理的材料混合以制备其整个组合物基本上均匀一致的供料。
[0098]使用两个螺旋加料器23a和6a来控制干、湿供料组分的流率。供料中的干/湿材料的比例不仅影响供料的介电性能，而且影响粒径，继而影响供料的渗透性。这里渗透性或多孔性是指材料的非固体体积(孔和液体的体积)与总体积(包括固体部分和非固体部分)的比例。钻屑具有例如0.3-0.6的高渗透性，有利于将油雾从材料中赶出来并通过空隙中的空气流动而被除去。
[0099]高渗透性还有助于使物质传递最佳化。将未加工的钻屑和干钻屑混合，其中聚集成团的未加工材料(湿材料)被干材料(已处理材料)包在里面，最后形成“碎屑”型混合物，所得的这类材料不仅易于流动、气体渗透性高而且粒径符合常规。
[00100]我们发现许多情况下(但不是所有情况)存在“干组成部分”阈值，超过该阈值，混合材料的粒径比较一致。为了制备易于进行固体操控和微波处理的混合供料，图5显示，最少应该有30％的干材料与湿料混合以确保供料中绝大部分粒子的大小近似。基于一特定单一样品的水分和石油含量来说，30％这个值多少有点武断。如果供料较干，则不需要返混这一工序。但如果非常湿的话，则需要更多的混料。湿干钻屑的精确比例将部分取决于钻屑本身的特性。供料中最佳的水分含量为3-8wt％，例如5％。但是某些情况下水分含量在1-15％也是可以接受的。
[00101]当用微波处理时，混合材料的行为与未经混合的钻屑的行为相当，也就是说，干湿材料混合后液体的分布不会影响微波法去除石油的能力。
[00102]处理腔的电磁设计对材料介电性能的敏感性证明用本方法制备稳定一致的供料是有效的，因为通过系统的质量流率和混合材料的水分含量均影响磁场腔的设计。
微波处理腔的特征
[00103]微波处理腔在设计时要考虑供料和已处理材料的介电性能以及材料处理所需的电场强度。
[00104]待处理材料的能量输入率应达到最大，因为需要尽可能快地将水转化成水蒸汽。而将相对较小的材料流通过电场强度高且均匀的区域使水分被快速加热的方法即可达到上述要求。本文中“均匀”是指场的特征，当材料流通过具有该特征的场时，材料流内的各个粒子基本上都受到相同的电磁处理。也就是说，通过处理腔的材料基本上被均匀的处理。可以看到，电磁场本身在处理区内不一定是均匀分布的，电场的强度应该尽可能高，但不要超过空气击穿电压。我们使用的辐射中，电场部分的强度约为107V/m。
[00105]当微波部分的频率在18GHz级时，水吸收微波辐射的效率最高。但由于对电磁辐射在商业应用中的大小有一定的限制，在英国仅可以使用的频率是2.45GHz、896MHz和433MHz。我们使用的是895MHz，不过本系统使用2.45GHz和433MHz也能取得不错的结果。电磁辐射的频率影响处理腔的设计，因为它影响需要产生相对均匀场的处理腔的尺寸。从方程式(1)中可以看到频率与功率密度成正比，Po和频率与1/穿透深度成正比。这暗示电磁场穿透厚材料床时需要较低的频率。精确频率的选用一定程度上取决于操作本方法所在的地理区域。总的可使用范围为1MHz-2.45GHz，允许使用某些频率并禁止使用其他频率的是法律法规而非技术需要。如前所述，也可以使用RF或其他电磁辐射而不使用微波。
[00106]可以想到材料在处理腔内(高场强区)的停留时间将在秒分数(如1/10秒)至1秒或10秒之间。在处理区8的停留时间取决于传送带的速度。本方法的处理率一定程度上取决于本方法所采用的去除主要烃的机制(如前所述)。停留时间甚至可能小于0.1s，例如0.05秒。
[00107]要达到这样的停留时间，施加的电磁功率(微波)应在5kW到约2MW之间。功率越高，供料中水分的加热速度越快。
[00108]“隧道式施加器”的示意图如图6所示。该装置包括微波处理腔3，该处理腔具有微波导向管(29)和自抵消壁阶31。正如所熟知的，壁阶31用来促使处理区8内形成更均匀的电场，
[00109]“隧道式”设计能使操作过程连续进行，因为装载物能从隧道的一端进入，穿过处理区8，然后从隧道另一端出来。槽型带27携带混合后的供料进入处理腔3，然后从处理腔3中出来。槽型带27一直不停，又返回到微波腔下方(如附图标记28所示)。槽型带的材料能经受高温并且对微波是适当透明的。槽型带装在托辊上(见图11)，托辊对微波也是适当透明的。所以，处理腔内只有所处理材料内的水分是辐射吸收剂。
[00110]如果需要的话，槽型带从处理腔下游端的位置再往外伸长一段足以使蒸汽回收的距离。
[00111]使用槽型带系统是因为与平型传送带系统相比它有许多优点，这是因为平型传送带系统在操控材料方面存在负载物会从传送带两侧滑落的问题。而且从电场均匀角度考虑，槽型传送带也是最佳选择。
[00112]考虑到供料的特性，所设计的处理腔3应能产生足够的电场强度和有效的处理区8。如果场强太低，则能量不足以使水分快速变成水蒸汽。如果水分不能被快速加热成水蒸汽(例如在不到5秒的时间内)则前面谈到的石油去除机制就行不通了。微波发射器可以连续发射微波，或者可以脉冲发射；两者中任一词语均落在本文所述“连续”一词所界定的范围内。
电磁设计的特征
[00113]处理腔设计过程中，使用是否能避免局部区域高场强和电场均匀的参数来评估每个模拟腔的可行性。电场只需要充分均匀以使处理过程基本上均匀。另外，如果传送带不延伸到处理腔的边缘位置，传送带边缘上方的电场则不需要均匀。精确的处理腔尺寸通过反复的模拟操作来确定，在反复模拟操作过程中对不同处理腔尺寸的可能的效果进行评估。
[00114]在TE10n单模腔内进行实验时遇到了以下问题，其中使用了不同的腔，各个腔的尺寸都不同。
■腔内形成热点，导致处理不均匀。
■装载物的直径越小，处理得越均匀，但是处理率减少。相同功率密度下直径大的装载物获得的处理率更高，但需要的功率更大。
[00115]消除一维方向上的电场变化能解决上述问题(见图7)，本例中，该一维方向指的是与材料运动方向垂直的Y方向。使用矩形隧道式施加器可以做到这一点。
[00116]使用了一台现有的处理矿石用的隧道式施加器来考察一隧道式施加器在处理污染了石油的钻屑过程中的运行情况。该隧道具有以下特征：
■沿与TE10波导管垂直的方向往隧道内提供物料(即TE10波导管与供料行进方向垂直)。
■使隧道具有恰好能得到单模分布的宽度，从而消除了穿过隧道的x方向上的电场变化；
■材料运动方向(z方向)的变化不是主要问题，因为每个粒子在同一点碰到的场强应该相同。
■需要考虑与行进方向(y方向)垂直的方向上发生的变化情况(这经常是唯一要考虑的变化情况)。这个方向上的变化会导致因样品经过热点而引起的处理不均匀。
[00117]另外对上述设计做了改进，即加入自抵消反射壁阶，使垂直平面上的电场分布更均匀。
[00118]该壁阶有波长的四分之一深，这使整个一半的波长在壁阶内抵消。由于微波反射，整个y方向产生多个热点(图7(b))。结果产生了如图7(c)所示的网效应(net effect)，它比没有壁阶所得到的电场(更接近图7(b)中B标示的区域内的分布)更均匀。假设A区和B区中每个区域内的功率都足够高，这样电场强度将足够强，从而使沿z方向按给定停留时间通过任一区域的样品受到均匀的处理。所以，高功率密度下每个区域的停留时间应相对较短。y方向的电场不必特别地均匀，只要所有热点之间存在足够的重叠就行，而x方向上的变化最好小于10％。该电场的均匀性与这种设计类型有关，注意到这一点是很重要的。不同的处理腔设计可能需要不同程度的均匀性。
[00119]如上所述，在确定壁阶的最佳结构后，还必须考虑下面的其他因素：
■在保证电场均匀分布的同时，将处理腔的宽度增加到最大。为了增大处理率，增加宽度是比较好的办法。但要使整个宽度(水平方向)的场强均匀，实际尺寸必须根据微波能量的频率确定。如果宽度太宽的话，最远端的场强会减至零。太窄的话，处理区又不能容纳合适量的材料通过。
■根据处理腔的高度确定传送带的最佳位置；
■评估处理腔设计对供料特性(如介电性能、粒径)改变的敏感度。
[00120]在设计处理腔时还应使被处理材料顶部的空间达到最大以帮助去除蒸汽。在不影响功率密度情况下，顶部空间需要尽可能的宽敞。系统内逐渐产生的蒸汽会使石油和水沉积到处理腔的内表面，并可能损坏处理腔。
[00121]另外，还需要考虑槽型传送带的传送带半径(即传送带弯曲度)和传送带承载的钻屑的横截面的影响。
[00122]处理腔的整个设计中还加了一套阻塞部件，防止施加器产生的微波从隧道的进出口泄漏。
[00123]处理腔是针对材料的具体介电性能设计的。基于每次模拟操作的可能效能，使用M/δ(即：功率密度中值除以标准偏差)作为区分各模拟操作的主要参数。在模拟操作中根据未处理钻屑的测量值而选用的特性是指混合钻屑的平均值。模拟操作中使用的是介电常数ε′＝3.5和介质损耗因数ε″＝0.5的供料。
[00124]这种最佳的设计使得不仅整个处理腔宽度范围的电场分布均匀，而且多个热点使竖直方向也分布均匀。如图9所示，处理腔的尺寸或供料特性甚至发生细微变化都会使这种理想的电场布局丧失。图中表示出处理腔内电场强度的区域。场强高的区域显示的颜色更黑一些(热点)。可以看到，甚至改变处理腔的构造和装载物的位置都仅仅使电场分布发生轻微变化。
[00125]对两个潜在的实施例在是否能使其电场强度达到最佳的方面进行了考察：
1.传送带沿着处理腔底部传动；
2.传送带在处理腔底部上方传动，由对微波透明的托辊支承。
[00126]图10表示(a)电场分布(M/δ)和(b)耗散功率与传送带半径在两种情况下对应两种设计的函数关系图。
[00127]如果传送带能允许材料在处理强内部形成矩形横截面，则设计1(标记为改善的理想态设计)产生的效果最好。但是，当考虑了传送带的半径时，则电场的均匀性受到了负面影响(由M/δ显著减小可见，M/δ是指功率密度中值除以标准偏差)，设计2是应该采用的设计，因为设计2能容忍传送带拐角处的弯曲，而备选设计在这方面不是非常强。注意假定模拟操作中的施加功率为0.5W，这说明95％+的正向功率(forward power)在材料内被耗散而不需要使用任何外部调谐装置。
[00128]图8表示的是实验室规模的隧道式施加器的立体图。壁阶31通过以公知方式反射波导管29输入的辐射得到许多界线清晰、非常平均和非常高的场强区。传送带(图中未示)运送材料匀速通过电场，这样就处理的尽可能均匀，既不会偏向带上材料的中央位置也不会偏向材料的边缘位置。
[00129]阻塞部件33确保处理腔中的电磁能不外泄。这些阻塞部件是隧道内材料的函数，所以考虑到处理前和处理后传送带上的不同材料特性，处理腔可以设计成不对称结构。
[00130]实验室规模的处理腔大约长2.2m，宽和高均100mm(阻塞部件和波导管不算在内)，每小时能处理200kg钻屑。图15和16是该处理腔的图片。图8a(顶部3a)和8b(底部3b)中给出了该处理腔的尺寸。
[00131]图11是适用于工业规模系统的处理钻屑的最佳隧道式施加器。如果托辊之间的下垂度对场分布有不利的影响，可以用滑板(skidplate)替代托辊。
[00132]如上所述，处理腔是针对材料具体的介电性能加以设计的，如果供料中的那些性能出现偏差，无论该设计如何仔细周到，这些偏差仍会对电场造成干扰。由于这个缘故，所以供料特性由加料单元7严密监控。另外，假定有足够的横截面可用于提取蒸汽，则可以调节传送带上承载的材料高度以修复这些变动造成的影响。
[00133]虽然不用扫除气的帮助，功率密度(109W/m3)也足以除去石油和水分，但使用扫除气有助于将蒸汽运到腔外，这在下面会详述。
对气体/蒸汽的操控
[00134]我们发现，施加微波时联合使用扫除气会显著改善石油的去除率。例如，在微波施加过程中或之后不久，将氮气或水蒸汽等惰性气体或不与OCDC发生反应的其它气体通过处理腔以帮助去除蒸汽。图13比较了使用扫除水蒸汽通过钻屑以去除石油(水蒸汽汽提法)和同时进行水蒸汽汽提和微波处理的效果。可以看到，在给定处理时间内，与单独使用水蒸气汽提法相比，微波处理时同时使用扫除水蒸汽使被去除的石油百分数至少提高20％。
[00135]可以使用任何惰性气体如氮气作为扫除气来代替水蒸汽。用氮气也得到如图13所示的类似结果。结果发现，单独使用汽提法仅使石油含量减少了20％，而施加微波时，石油的去除效率超过90％。
[00136]微波法使用时可以不用扫除气，这将减少工业用系统的设计复杂程度。曾进行了一项研究，其中往钻屑床上施加微波持续所设定的时间。微波施加完后，往钻屑床通入氮气扫除气，即让扫除气通过热的钻屑。图14显示了该实验的结果，图中表示了在微波处理停止后使用扫除气的时间所对应的石油残留量。
[00137]图14中的时间点仅与施加的微波对应。可以看到，增加处理结束后使用扫除气持续的时间会降低被处理钻屑中的石油残留量。所以显然扫除气有益于整个分离过程，但并不一定需要在施加微波能的同时使用。钻屑床的导热性能相对较差，所以施加微波后，在床内耗散的绝大部分能量会维持几分钟。显然微波处理后仍有显著的挥发持续进行，所以在设计连续型系统时不应该忽视这一点，但是在分批的实验室实验中可实现的气固接触在连续的方法中却难以实现。
[00138]该连续的方法可以包括两个不同步骤：在微波施加步骤后跟一个气体扫除步骤。
[00139]在进行中试规模的方法中，将扫除气从材料入口和沿着电磁波导管(经由处理腔一侧的入口(图17中附图标记44所示))分别通入处理腔。图18显示了中试规模的气体操控系统46。波导管处的输入点保证这个点是正气压，从而降低烃和水相压在石英窗上的势能，该石英窗用作屏障，防止材料可能对微波产生器造成的损害。如果水压在石英窗上，当施加微波时，水会被加热，有可能使石英窗熔化。气体在波导管下方流动还有助于克服放电产生的相关问题。顺流流动使蒸汽快速离开高场强区。
[00140]适于在工业版的方法中使用的气体操控系统示意图如图12所示。该系统能除去处理腔中的石油和水蒸汽，促进微波处理后蒸汽的连续形成和收集石油和水用于分离。气体可通过隧道壁如顶上的孔和出口排出去，如图12中的附图标记40所示。
[00141]该气体操控系统应设计的尽可能灵活，以允许各个实际情况中需要根据各种不同操作条件通过实验确定的确切压力和流动。如果需要的话，可以将新的气体20从阀42加到回收气体11中。还提供了废气出口44。
[00142]将低压降冷凝器设置在微波处理单元和离心式通风机之间收集石油和水蒸汽。由于热脱附机制，被排放出的惟一气体将是氮气，该氮气可以循环再用或净化。
[00143]如果在处理过程中出现大量的高温分解现象，可以加入气体净化系统。
实施例
[00144]现举例介绍一种与图1所示系统类似的实验室规模的系统。实验与材料
[00145]一种连续型中试规模的系统包括5-30kW可变功率微波产生器，它经由WR430波导管的几个部分和自动E-H调谐器向腔内发送2.45GHz的微波。调谐器的作用是使用一种用来改变几何特征以最大程度地降低反射功率的算法来改变E和H平面的几何特征以使微波的阻抗与处理腔的阻抗相符。任何反射功率都在装载冷水的循环器中被吸收，这会保护磁控管和电源免受返回的过量微波能辐射。将一股冷的氮气流以2升/分钟的流速从波导管入口下方引入处理腔，这样做是为了提供正压，防止石油和水的蒸汽通过波导管进入微波产生器。
[00146]将钻屑通过加料漏斗送到双轴搅拌器内，其中可以将干材料加入搅拌器以控制要进入微波腔内的供料的水分含量。搅拌器将钻屑置于传送带上，该传送带由NomexTM织造纤维(也可以使用其他阻燃材料)制成槽型以装载要处理的材料。将加热的氮气流以10升/分钟的流速从材料输入口导入作为扫除气，并在腔内提供一个惰性气体环境以防止石油蒸汽燃烧。
[00147]处理腔的顶部和扼流器上都有允许形成的蒸汽往外排放的孔，同时含有微波场。带孔部分和扼流区端部上盖着分离盖，蒸汽通过冷凝器被吸走以回收石油和水。在传送带末端将干的钻屑卸下并收集后进行分析和废弃。
[00148]测定已处理钻屑和未处理钻屑中的石油和水分含量并用于确定处理的程度。使用Dean和Stark法(国际标准ASTM D-95)测定水分含量，该方法涉及用甲苯进行回流蒸馏和分离水相的步骤。采用溶剂抽提法测定石油含量，该方法是用液体溶剂抽提固体样品中的有机物的技术。在升高温度和压力的条件下用二氯甲烷(DCM)抽提有机物以增加该抽提法的效能。温度升高会加速抽提动力学，而增加压力使溶剂保持在其沸点以下，从而使抽提过程安全高效。使用气相色谱技术确定有机相中的烃含量。
[00149]钻屑是从北海钻探作业中得到的，含有10％的石油和10％的水分。加入干泥土，将钻屑中的石油和水分含量降低到7％，改变了钻屑的稠度，使其从浆状变成更容易穿透的聚集成团的粒状材料。
[00150]连续处理试验持续进行几个小时，取三份已处理材料的样品在各个实验条件下进行分析。在整个试验流程结束时收集回收的石油。
结果与讨论
微波功率的影响
[00151]在5、10和15kW功率下进行实验，材料处理率固定为160kg/hr。所有试验中，反射功率得到的是0.5-0.7kW之间的一个稳定值。测定被处理的钻屑中的整个石油残留量，结果如图19所示，图19显示的是处理率恒定为160kg/hr条件下与功率对应的石油残留量。
[00152]可以看到，增加施加功率会改善石油去除效果，当施加功率增加时，残留的石油含量平稳地减少。假设反射功率相对保持不变，几乎所有的施加功率在微波腔中的钻屑内被耗散。已知污染物石油对微波是透明的，因为它的介质损耗因数在室温和2.45GHz频率下小于0.1。施加功率增加，将增加材料内吸收相中的功率密度，这里吸收相是指岩石碎屑的孔结构内所含的水分。前面的研究显示了修复途径是在第一种情况下将间隙水快速转化成水蒸汽，然后水蒸汽携带钻屑表面的污染石油进入扫除气。这似乎是热力学上最吸引人的途径因为微波能能只靶定到水相内，而不是加热整个包括岩石碎块、石油和水的基质。
[00153]计算出除去污染物石油所需的最小能量值是有可能的，即，假定所有施加的微波能将水的温度升高到100℃，随后克服了汽化产生的潜热。根据水的潜能2000kJ/kg和平均热容4.2kJ/kg.K，可以确定处理率为160kg/hr时将所有水分转化成水蒸汽所需的能量最小值，这个数值是每吨钻屑45kWh。施加功率7.3kW是这个处理率下的理论最小值。图19中可以看到，功率在7.3kW或在7.3kW以下没有达到显著的修复程度，而在更高功率下石油残留量要低得多。
[00154]达到1％的环境排放阈值所需的功率值约为热力学最小值的2倍，这可能是由于：其中一些功率被反射，其中一些在形成水蒸汽前将水过度加热到100℃以上，还有一些会不可避免地在周围的岩石碎块和石油内耗散。但是，通过传统加热方法使石油脱附要使用更多的能量，因为温度需要超过250℃，而且必须将包含岩石、石油和水的整个基质加热到这个温度。使用相同的供料，对传统加热法所需的最小能量估测如表1所示，假定所有的石油在250℃被汽化。
表1传统加热法所需的最小能量
Figure A20078004799700321
[00155]根据理论基础，传统的热脱附法所需的能量是微波处理法的四倍。
处理量的影响
[00156]改变运送带的传送速度会使钻屑处理率发生变化。将施加功率恒定为15kW，处理率在110-220kg/hr之间变化。这与传送带速度10-20mm/s和电场内停留时间5-10秒相对应。确定每套条件下的整个残留的石油含量，所得结果如图20所示，图中标出在施加功率恒定为15kW时与处理率对应的石油残留量。虚线表示钻屑上所含的1％石油的环境排放阈值。
[00157]图20中的趋势显示功率恒定时处理率降低导致石油残留量直线下降，从而改进了整个钻屑处理方法。降低处理率，使腔内支持高强度电场的区域中的停留时间增加，这使更多的可利用电磁能在水相内耗散。使用15kW和低于150kg/hr的处理率，能达到环境排放阈值。处理率再高则意味着在电场中的用于产生足够量蒸汽的停留时间太短而不能除去要求的污染物石油量。当处理率持续降到150kg/hr以下，石油残留量进一步减少，能降到0.1％以下，这是目前英国对危险物质分类所用的阈值。再次发现整个所研究的处理率范围之间反射功率比较恒定，记录值为0.4-0.7kW。假定在15kW时将处理率降到100kg/hr以下，将导致反射功率增加，因为微波腔内停留时间可能延长超过去除水分所需的时间，这意味着剩余的钻屑能变成对微波透明的材料。电场分布是处理材料的介电常数和介质损耗因数的强函数。当去除水时，介质损耗因数减小到0.1以下，说明15kW的可利用微波功率中有许多穿过材料，只有很少被吸收。
回收石油的质量
[00158]使用气相色谱法鉴定钻井泥浆中的基油特征。收集冷凝器中回收的石油和水，让两个相在重力下分离。取三份石油相样品进行分析，典型的结果如图21所示，图中显示了(a)未处理钻屑中的初始石油和(b)微波处理后的回收石油的气相色谱结果。
[00159]图21a中的色谱图显示的峰说明富含C8-C16烃，再往后洗脱出现少量的C17-C20。图21b中，回收石油的气相色谱图说明，和初始石油相比，回收石油中轻烃多一些，而重烃相对少一些。整个组成成分类似，不太可能对用于钻井泥浆系统内再循环的石油特性造成显著影响。但是轻烃的存在说明石油发生了一些热改质，这可能是由于腔内局部区域的峰值场强引起的热解或水蒸汽裂解所致。另外，还对已处理钻屑中残余的石油进行了分析，结果显示其中富含更多的重烃类物质，其色谱结果如图22所示。
能量需求
[00160]根据向系统施加的总微波能对所达到的修复程度进行评价，结果如图23所示，图中显示了使用15kW的施加功率时能量需求与所获得的修复程度间的函数关系。
[00161]施加更大的微波能使修复方法有所改善，因为石油残留量随输入能量的增加而减少。这种情况下，使用约100kWh/吨钻屑可以得到1％的环境排放限制。在140kWh/吨级的更高能量输入时可产生极为清洁的钻屑。
[00162]图19和20所示结果说明提高施加功率和延长微波场内的停留时间均对本发明的修复方法有利。这些结果不考虑所要确立的加热率的影响，因为在能量输入相当时需要使用不同功率密度进行试验评估。例如，不可能确定功率高、停留时间短是否优于功率低、停留时间长的条件组合。可通过比较连续的试验作业与单模和多模腔内分批的微波实验所得结果，对功率密度的影响进行评估。
与分批处理法进行比较
[00163]之前已经使用单模和多模参数进行了分批试验。将这些分批处理法与本文所述的连续处理法进行比较。所有情况下施加功率均为15kW，停留时间或处理时间不同。结果如图24所示，其中，根据在各个情况下使用的微波能对三种腔加以比较。
[00164]图24显示在三种使用15kW微波功率的处理情况下石油残留量随能量输入变化而变化。
[00165]所有三种微波腔均能使被污染钻屑得到显著的修复。支持最低功率密度的腔是多模腔，从图24中可以看到需要450kWh/吨级的能量来降低石油含量至2％。多模腔内进行的试验显示很难得到1％的排放阈值，而且我们以前的工作也支持这一观察结果。使用的实验条件以及三个不同腔各自支持的功率密度概括在表2中。
表2多模、单模和连续微波施加器内的功率密度
  处理策略   多模   单模   连续
  施加功率(kW)   15   15   15
  处理率(kg/hr)   -   -   160
  样品体积(cm3)   100   100   -
  平均功率密度(W/m3)   4×106   7.5×107   1.4×108
[00166]单模腔所得结果显示能够得到1％排放阈值，修复法中使用的能量输入比多模腔低。这是因为单模腔支持比多模腔内高一级的功率密度(见表2)，从而使加热率增加。微波功率在水相内耗散，使水过热并快速转化成水蒸汽。功率密度降低，加热率会成比例降低，这说明在水蒸汽能作为携带气(entraining gas)之前，由于热传递损失和一些水蒸汽的再冷凝，快速形成水蒸汽所产生的有益效果被削弱。
[00167]连续系统所支持的平均功率密度为1.4×108W/m3，它大约是单模腔所支持的功率密度的2倍。从图24中可以看到，对这两个腔来说，能量输入对去除石油的效果大致相当，都能达到1％阈值，但是连续腔能达到比单模腔低得多的石油残留量。单模处理是一种分批处理过程，由于水分丧失，钻屑的介电常数和介质损耗因数随时间而降低。低油量情况下样品内的水分量也相应较少，并且它的介质损耗因数也较低。这说明很难在样品内富集足够量的微波能，从而在分批试验结束时得到较高的反射功率。该结果是在实际应用中观察到的，在单模试验结束时80％以上的施加功率被反射，这与吸收的功率小于3kW的结果相对应。所以认为，试验过程中反射功率增加说明单模处理法不能将钻屑修复到显著低于1％石油的程度。
[00168]虽然本发明关于OCDC的实施例进行了描述，但应清楚本发明同样可应用于去除其他污染基质如土壤中的石油。，可利用本发明来修复棕地(brownfield)/防爆地域，或石油泄漏后用来减少污染，或者去除含有烃的加工材料中的石油。
[00169]可使用本文所述的处理方法来广泛去除苯、柴油和煤油衍生物以及烃等有机类物质。本处理系统会非常有效地处理烃乃至柴油和煤油或类似分子，而对于重烃类则作用效果稍差一些。
[00170]虽然这里探讨了有关去除通常固体材料表面如石块的石油等污染物的内容，但是本发明并不一定限于去除污染物。要被驱赶出的材料本可能一直存在——使用本发明可以分离对本方法的分离手段敏感的材料。可以使用本发明来获得被驱赶出的材料或者经去除后剩下的材料。例如，可以使用本发明将水转化成扩散的水蒸汽，而得到从基质中被驱赶出的材料，例如可以采用这种方法从页岩中获取石油。

Claims (43)

1.一种用于从污染了烃的基质中分离烃成分的方法，其包括以下步骤：
控制含有污染了烃的基质的供料中的水分含量；
将供料连续地运到处理腔内；
将供料置于处理腔的处理区中接受微波辐射，使至少一部分水分快速加热形成水蒸汽，其中，快速形成水蒸汽的过程使基质中的至少一部分烃发生热脱附；以及，
将已处理基质连续不断地运出处理腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括测定所述污染了烃的基质或整个供料中的水分含量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过将水分含量已知的材料与所述污染了烃的基质混合来控制所述供料中的水分含量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述水分含量已知的材料中含有已处理基质。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，控制所述供料中的水分含量，以使所述供料作为一个复合物质整体的介电性能为ε’＝0.1-20和ε”＝0.25-0.75，优选为ε’＝2.5-4.5和ε”＝0.25-0.75。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述供料的整体介电性能为ε’＝3.5，ε”＝0.5。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述微波辐射的功率为5kW-20MW，任选地为1MW级的功率。
8.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述供料接受微波辐射的时间达到约10秒，任选地在0.1-10秒之间，和任选地在0.1-2秒之间。
9.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述微波辐射的频率为10MHz-10GHz。
10.根据上述任一权利要求所述的方法，其进一步包括将惰性气体大量地通过或扫过处理腔以除去处理区的蒸汽，这些蒸汽是供料暴露在微波辐射中所产生的。
11.一种用于减少污染了烃(或其它污染物)的基质中的烃成分的设备，该设备包括具有材料处理区的微波处理腔、在使用时将供料连续地运入和运出处理区的加料装置和微波发射装置，该发射装置在使用时将处理区内的供料暴露在微波辐射中以使污染了烃的基质中的至少一部分水分被快速加热后形成水蒸汽，从而去除基质中的至少一部分烃。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述处理腔包括具有入口和出口的隧道式施加装置，所述处理工序在该入口和出口之间进行。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述隧道式施加装置具有能改善用所述设备处理其整体介电性能为ε’＝0.1-20和ε”＝0.25-0.75，任选为ε’＝2.5-4.5的材料时处理区内所形成电场的均匀性的形状。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其中，所述隧道式施加装置包括波导部件，其用于将所述微波发射装置发射的微波辐射引入所述处理区。
15.根据权利要求12-14之任一所述的设备，其中，所述隧道式施加装置包括自抵消壁阶。
16.根据权利要求12-15之任一所述的设备，其中，所述隧道式施加装置进一步包括用于阻挡微波辐射从入口和出口泄漏的阻塞部件。
17.根据权利要求11-16之任一所述的设备，其中，所述加料装置包括槽型传送部件，用于运送供料通过处理腔。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述传送部件与处理腔的底壁之间有一定间隔。
19.根据权利要求11-18之任一所述的设备，其中，所述加料装置可以包括材料搅拌器，用于将其他材料与污染了烃的材料混合以控制所制备的供料中的水分含量。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述其他材料包括已处理材料。
21.根据权利要求11-20之任一所述的设备，其进一步包括用于在使用时使惰性气体通过处理区的的气体循环机构。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述气体循环机构使惰性气体循环通过处理区，并回收惰性气体然后使其再循环。
23.根据作为权利要求14的从属权利要求21或22所述的设备，其中，所述气体循环机构用于将惰性气体从隧道式施加器的入口和波导部件引入该隧道式施加器。
24.根据权利要求21-23之任一所述的设备，其中，所述气体循环机构用于将隧道式施加器中的气体通过该隧道式施加器壁上的孔排出。
25.根据权利要求21-24之任一所述的设备，其进一步包括适用于将处理区内产生的至少一些蒸汽与所述惰性气体分离的分离装置。
26.一种用微波加热基质的方法，其包括将微波处理腔的处理区中的蒸汽去除的步骤。
27.根据权利要求26所述的方法，其包括以下步骤：
将所述处理区内的样品暴露在微波辐射中以产生气体和/或蒸汽；和
将净化气通过所述处理腔以去除处理区中的蒸汽。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述样品是污染了烃的基质。
29.根据权利要求26-28之任一所述的方法，其中，所述气体是水蒸汽或氮气。
30.根据权利要求26-29之任一所述的方法，其中，在将样品暴露在微波辐射中的同时或基本上同时，使气体扫过处理腔。
31.根据权利要求26-30之任一所述的方法，其中，在将样品暴露在微波辐射中之后，使气体扫过处理腔。
32.微波施加设备，其包括微波处理腔和气体净化系统，该系统用于在使用时将净化气通过该处理腔以从去除往基质上施加微波时在处理区内产生的蒸汽。
33.一种在微波处理腔内用微波加热供料的方法，其包括控制该供料中的水分含量的方法。
34.根据权利要求33所述的方法，其包括以下步骤：
测定污染了烃的材料中的水分含量；和
将水分含量已知的材料加到所述污染了烃的材料中从而控制所制得的供料中的水分含量。
35.微波施加设备，其包括微波处理腔和适用于控制供料中水分含量的加料装置。
36.一种用于生产石油或天然气的方法，其包括使用钻井平台采集钻屑进行检测，找到油气田或油气矿，随后从油气田或油气矿中提取石油或天然气，其中，所述采集钻屑进行检测的步骤包括用石油基钻井泥浆钻孔，然后使用权利要求1-10之任一所述的方法在钻井平台上就地处理污染了石油的钻屑。
37.一种用于减少污染了烃的基质中的烃含量的方法，其包括以下步骤：
控制含有污染了烃的基质的供料的介电性能；
将供料连续地运到处理腔内；
将供料置于处理腔的处理区中接受微波辐射，使至少一部分水分快速加热形成水蒸汽，其中，快速形成水蒸汽的过程使基质中的至少一部分烃发生热脱附；以及，
将已处理基质连续不断地运出处理腔。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述控制介电性能的步骤包括控制水分含量。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其包括测定所述供料的水分含量和平均粒径中的至少一个特征的步骤。
40.根据权利要求39所述的方法，其包括改变所测定的水分含量和/或粒径。
41.微波处理设备，其具有将供料连续地运入和运出处理区的加料系统和适用于回收处理区内材料处理过程中产生的蒸汽的蒸汽回收系统。
42.微波处理设备，其材料处理区中材料受热阶段的供料流速至少为50kg/hr，功率密度至少为109W/m3。
43.微波处理设备，其具有高度至少为100mm和宽度至少为100mm的连续加料隧道式微波施加器。
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