摘要: 中国西南地区页岩气的开采产生了大量含油钻屑，这些含油钻屑被归为危险废物，需要得到安全处置。本研究使用火旋风发生装置和马弗炉装置对含油钻屑进行高温无害化处理。讨论了燃料种类和含油钻屑状态对火旋风焚烧处理含油钻屑效果的影响，并评估了钻... 展开 中国西南地区页岩气的开采产生了大量含油钻屑，这些含油钻屑被归为危险废物，需要得到安全处置。本研究使用火旋风发生装置和马弗炉装置对含油钻屑进行高温无害化处理。讨论了燃料种类和含油钻屑状态对火旋风焚烧处理含油钻屑效果的影响，并评估了钻屑（含油钻屑处理后残留的固相组分）的火山灰活性。在此基础上，利用钻屑和粉煤灰制备了钻屑-粉煤灰基烧结陶粒，同时探究了重晶石在陶粒烧结中的反应行为和作用。最后以钻屑-粉煤灰基烧结陶粒为骨料制备了结构用陶粒混凝土。考察了陶粒粒径对陶粒混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响，并分析了陶粒混凝土在力学性能测试中的破坏形式。本研究为含油钻屑的安全处理与处置提供了理论基础和指导。 预处理显示，酒精和汽油燃烧引发火旋风的火焰温度呈现中间高（约 950℃），上下端低（800-850℃）的规律，且温度满足处理含油钻屑的要求。在焚烧处理过程中，含油钻屑先受热脱除水分，随后通过自燃脱除约 66 wt.%的有机组分。故燃料种类对处理效果影响小。与含油钻屑干样（3.62 wt.%）相比，粘稠的湿样会在焚烧过程中发生粘接，导致更多有机组分（约 5 wt.%）残留。残余有机组分在马弗炉热处理中彻底脱除。此外，火旋风焚烧处理所得钻屑的火山灰活性指数在0.65-0.70之间；再经马弗炉热处理后，钻屑的火山灰活性指数提升至0.82。 为进一步实现钻屑的资源化利用，以钻屑和粉煤灰为原料，在高温下成功制备了强度优异的烧结陶粒。其最优组（S3）的筒压强度高达20.23 MPa，破碎率（8.98%）满足标准《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》（SY/T5108-2014）中2K级陶粒支撑剂的要求。重晶石在陶粒烧结过程中主要与二氧化硅、氧化铝发生反应，这不仅降低了组分的共晶点，形成含钡铝硅酸盐，而且还会释放气体（SO2和 O2）产生孔隙，进一步削弱陶粒强度。陶粒的最佳烧结温度范围为 1170-1200℃。在此温度范围内，样品失重缓慢，产气少，同时存在适量且粘度适宜的液相，这有利于陶粒的致密化和形成致密釉质层，并获得高强度。在 950-1200℃范围内，S3 中重晶石复合反应遵循化学反应机制（n=3/2），复合反应的平均活化能为583.30 kJ·mol-1，指前因子为 5.81×1020 min-1。复合反应的动力学方程和反应速率方程分别为：(1-α)-1/2-1=(5.81×1020×e-5.83×10^5/RT)×t和dα/dt=g(α)×(5.81×10)20×e(5.83×10^5)/RT。 用钻屑-粉煤灰基烧结陶粒（5-15 mm）作粗骨料制备陶粒混凝土，以期进一步实现陶粒的应用。结果表明，以粒径为5-10和5-15 mm的陶粒为粗骨料制备的陶粒混凝土，其28 d抗压强度满足LC30的配置强度（＞38.23 MPa）要求，可作为结构用混凝土使用。在5-15 mm的粒径范围内，降低陶粒粒径不会对混凝土密度产生显著影响。但降低粒径会提升陶粒的强度，也会使陶粒在试块中分布更均匀，并避免试块中形成面积大的界面过渡区。故降低陶粒粒径会提升混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。此外，陶粒混凝土的断面形貌显示，在外加荷载作用下，陶粒混凝土中的陶粒是破坏的主要部位。 收起