油页岩半焦燃烧特性试验研究

表 1 油页岩样品的工业分析 Table 1 Proximate analysis of oil shale samples
产地
桦甸 龙口 依兰
Mar
7． 06 2． 80 2． 21
工业分析 / %
Aar
Var
62． 08 68． 61 40． 94
26． 6 25． 27 31． 90
FCar
1 试验装置及方法
试验选用桦甸、依兰、龙口共 3 个产地的油页岩 为半焦的制备原料,油页岩的工业分析和发热量测定 结果见表 1。 可以看出,不同产地的油页岩受到形成 条件的影响其成分区别较大,依兰油页岩固定碳含量 和发热量均最高,另外两个产地油页岩样品更加具有 代表性,固定碳含量均小于 5% ,属于高灰分、高挥发 分、低热值的劣质燃料。
油页岩半焦在循环流化床中燃烧是利用流程中 的技术关键,近年来针对油页岩和半焦的研究多集中 在基础 理 化 特 性 方 面[9] , 尤 其 是 燃 烧 反 应 的 动 力 学[10-12] 和孔隙结构[13-15] 上,而有关燃烧特性的相关 文献则鲜有报道。 目前油页岩干馏技术有很多,主要 体现在干馏温度和干馏时间的不同,使得不同干馏技 术下半焦的燃烧情况不同。 因此,本文就针对不同干 馏程度下的半焦燃烧特性进行了试验研究,为油页岩 半焦的利用奠定基础。
油页岩半焦的制取是在通有氩气的高温管式炉 中进行,由于干馏温度和停留时间一方面影响着页岩 油的产量和性质,另一方面也影响着半焦的燃烧特
性,从而对循环流化床的设计和稳定运行提出不同的 要求。 因此,本文的干馏温度选取为 450,500,550 和 600 ℃ ,停留时间选取 20,30 和 40 min。
经济的发展依赖于能源行业的支持,而我国能源 面临诸多挑战,常规化石能源品质不高,人均拥有量 很低,石油、天然气资源更是严重短缺。 为实现可持
续发展、保证生态环境的安全,除了大力发展常规能 源清洁高效利用外,还需要推动非常规油气资源的开 采和利用。 非常规油气资源主要包括煤层气、页岩
收稿日期:2016-06-02 修回日期:2016-08-20 责任编辑:张晓宁 基金项目:国家基础研究发展计划(973) 资助项目(2014CB744305) 作 者 简 介: 李 晓 栋 ( 1992—) , 男, 山 西 翼 城 人, 硕 士 研 究 生。 E - mail: 68624424 @ qq． com。 通 讯 作 者: 杨 海 瑞。 E - mail: yhr @
2 实验结果及分析
2． 1 不同产地油页岩的燃烧特性 不同产地的油页岩样品的 TG 曲线和 DTG 曲线
如图 1 所示,不同产地的油页岩由于成分不同,燃烧 特性表现出明显差异,根据失重曲线并结合样品的工 业分析可以明显得出各个温度段所对应的反应类型。
桦甸和龙口油页岩燃烧表现出明显的 3 个阶段: 350 ~ 500 ℃ 挥发分析出、500 ~ 700 ℃ 固定碳燃烧和 700 ℃ 之后矿物质分解,而且龙口油页岩因灰分含量 最高,所以在第 3 个阶段的失重最大;而依兰油页岩 因挥发分和固定碳含量高而使得 3 个阶段连续进行, 并没有出现明显的分阶段反应的现象。 各样品燃烧
Experimental study on combustion characteristics of oil shale semi-coke
LI Xiao-dong1 ,FAN Bao-guo1 ,JIN Yan1 ,YANG Hai-rui2
(1. College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2. Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
4． 26 3． 32 24． 95
Qar,net / ( kJ·kg-1 )
9 517． 9 7 849． 9 18 164． 5
热重分析( TGA) 可以测量燃料在一定加热速率 下的失重情况,通过分析热重数据可以得到燃料的着 火温度和动力学参数等信息[16-17] 。 本文的燃烧实验 装置为 瑞 士 METTLER TOLEDO 公 司 生 产 的 TGA / DSC 1 / 1600HT 同 步 热 分 析 仪, 温 度 准 确 度 为±0． 25 ℃ ;实验采用的样品经破碎研磨后粒度小于 0． 2 mm,每次实验的样品约 10 mg;实验采用的升温 速率为 30 ℃ / min,起始温度为 25 ℃ ,终温为 950 ℃ ; 反应气体为空气,流量为 100 mL / min。
Abstract:The aim of this project is to study the combustion characteristics of oil shale semi-coke. The oil shale samples from Huadian, Longkou and Yilan were pyrolyzed in a tube furnace at the temperature between 450 ℃ and 600 ℃ ,then the semi-coke samples were analysed by thermogravimetric analyser at the heating rate of 30 ℃ / min. The influence of pyrolysis temperature and pyrolysis time on composition and calorific value were investigated. The results show that a longer pyrolysis time has no obvious effect on composition and calorific value especially at higher temperature. After pyrolysis,the ash content increases while the volatile content deceases,and the calorific value changes differently according to the origin. Higher temperature makes the ignite point Ti increase and the combustion characteristics of semi-coke become worse. The mass loss starts at 350 ℃ ,and decreases at 500 ℃ ,and there is an increase at 700 ℃ . Key words:oil shale;semi-coke;combustion characteristic indexes;thermos-gravimetric analysis
为了综合高效清洁利用油页岩资源,就必须解决 半焦的利用问题。 为此,相关学者提出首先使用油页 岩炼油产生页岩油和燃气,然后利用循环流化床锅炉 热容大、床内混合和传热传质过程强烈并特别适合于 低热值劣质燃料燃烧、燃烧效率高、炉内脱硫效果好、 氮氧化物排放低等优点燃烧油页岩半焦进行发电、供 热[6-7] ,最后将循环 流 化 床 的 排 渣 作 为 建 筑 材 料 使 用[8] ,从而将半焦变废为宝,高效综合利用。
mail． tsinghua． edu． cn
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煤 炭 学 报
2016 年第 41 卷
气、油页岩等,其中油页岩最具开发潜力,我国油页岩 其等价原油量超过 100 亿 t,并且热解过程中会生产 超过 10 万亿 m3 的页岩气[1] 。
油页岩是一种有致密纹理的黑色或棕色片状,挥 发分和灰分含量高、固定碳含量低的固体可燃沉积 岩,富含有机质[2] ,通过低温干馏可获得类似天然石 油的页岩油[3] 。 目前全球有 70% 左右的油页岩用于 发电和供暖,25% 用于热解油气,为了更高效利用油 页岩资源并缓解石油资源的短缺问题,应加大油页岩 热解的比例。 炼制页岩油作为现在油页岩主要的利 用形式[4] ,在页岩油制取过程中会产生大量的高灰 分、低热值的油页岩半焦废弃物。 由于半焦发热量很 低,难以利用,所以目前对于油页岩半焦的处理是直 接填埋。 但是,半焦所含有的多环芳香烃、重金属和 苯酚类物质会对地下水产生污染,构成了潜在的环境 危险[5] 。
第 41 卷第 10 期 2016 年 10 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 41 No. 10 Oct. 2016
李晓栋,樊保国,金燕,等. 油页岩半焦燃烧特性试验研究[ J] . 煤炭学报,2016,41 (10) :2473 - 2478. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 8002 Li Xiaodong,Fan Baoguo,Jin Yan,et al. Experimental study on combustion characteristics of oil shale semi-coke[ J] . Journal of China Coal Society,2016,41(10) :2471-2476. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 8002
为了更好地评价各样品的燃烧情况,本文引入相 关燃烧特性指数:着火温度 Ti、最大质量变化速率 Kmax 及 其 对 应 温 度 Tmax 、 燃 尽 温 度 Th 、 可 燃 性 指 数 Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、着火稳燃特性指数 Rw、初始燃尽率 f1 和后期 燃尽率 f2 。 着火温度 Ti 根据 TG-DTG 法[18] 来确定; 燃尽温度 Th 为转化率达到 98% 时对应的温度;可燃 性指数 Sw 表示反应前期燃料达到着火温度后燃烧反 应的能力,值越大越好,其表达式为 Sw = Kmax / T2i ;着 火稳燃特性指数 Rw 反映燃料燃烧的难易程度和着 火后的燃烧状况,其值越大,着火的稳定性越好,具体 的表达式为 Rw = 560 / Ti +650 / Tmax +0． 27;初始燃尽率 f1 为达到着火温度时对应的转化率。
油页岩半焦燃烧特性试验研究
李晓栋1 ,樊保国1 ,金 燕1 ,杨海瑞2
(1. 太原理工大学 电气与动力工程学院,山西 太原 030024;2. 清华大学 热能工程系,北京 100084)
摘 要:利用管式炉对来自桦甸、龙口和依兰的油页岩进行 450 ~ 600 ℃ 干馏处理,并运用热重分析 仪( TGA) 在 30 ℃ / min 的升温速率条件下对油页岩半焦进行测试,考察了干馏温度、干馏时间和油 页岩产地对油页岩半焦的组成、发热量和燃烧性能的影响,并计算了各样品的燃烧特性指数。 结果 表明:干馏前后发热量不一定会产生明显降低,依兰半焦的发热量与油页岩相比基本不变。 干馏温 度越高,半焦挥发分明显降低,停留时间对半焦成分和燃烧特性的影响也越小。 随着干馏程度的升 高,着火温度 Ti 增大,燃烧性能变差,燃尽温度基本不变。 样品重量一般在 350 ℃ 左右开始明显减 小,在 500 ℃ 左右质量变化速率逐渐减小,在 700 ℃ 再次产生明显失重。 从页岩油的产率和半焦的 燃烧特性角度综合考虑,过长的干馏时间经济性变差。 关键词:油页岩;半焦;燃烧特性指数;热重实验 中图分类号:TE621 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2016)10-2473-06