油田废水制备浆体燃料的成浆、燃烧与气化特性研究

摘要

油田废水是一种成分复杂、难处理、含热值的有机工业废水，除油类物质外，还含有大量的金属阳离子、悬浮物及有机质，如不经处理而随意排放容易造成水污染，破坏生态环境。以往对油田废水的处理手段大多成本较高，效果不显著，因此需要开发一种工艺简单、成本低廉的油田废水资源化利用新技术。水煤浆是一种较为成熟的代油浆体燃料和气化原料，具有燃烧效率高、污染排放小的特点，而且对制浆用水的适应性也较好，因此本文采用油田废水直接制备水煤浆，即油田废水煤浆，不仅减少了废水排放，也节约了制浆用的清洁水，达到了难处理有机工业废水资源化利用的目的。本文在实验室中对油田废水煤浆成浆特性、燃烧特性和气化特性进行研究，并在中试规模的卧式炉上对油田废水煤浆进行燃烧实验，由此说明这种新型浆体燃料的工业利用价值。
　　为了研究油田废水制备水煤浆的成浆特性，分别采用锡盟褐煤、徐矿煤、黄陵煤三种不同煤阶的煤样，对油田废水制得的油田废水煤浆和去离子水制得的普通水煤浆的表观粘度、浓度、剪切速率等参数进行了测量，对比分析了两种浆体的定粘浓度、“粘度-浓度”特性曲线，发现油田废水的掺入可以提高水煤浆的定粘浓度；但仅利用油田废水中的某些具有分散效果的化学成分还不足以维持较好的成浆性能，仍需加入添加剂，且选择“亚甲基萘磺酸钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠（NDF）”分散剂时成浆性能最好。研究了煤中空干基水分含量、氧含量以及煤阶对成浆特性的影响，发现水分含量越大，氧含量越大，煤阶越低，水煤浆的成浆性能越差。三种煤样中锡盟褐煤与油田废水、去离子水的接触角最小，且油田废水会减小煤水的接触角，提高润湿性。对比研究了油田废水煤浆和普通水煤浆的流变特性，发现油田废水的掺入不会改变水煤浆流变特性，还能提高浆体的假塑性特征，更有利于水煤浆的储存、运输和雾化。利用析水法研究了油田废水煤浆和普通水煤浆的稳定性，结果显示油田废水煤浆的析水率更低，以及煤粉在油田废水中的Zeta电位值更大，说明油田废水的掺入能提高浆体稳定性。
　　采用热重法分别研究了油田废水煤浆、普通水煤浆的着火燃烧特性，并根据实验结果确定了一系列燃烧特性指数，反应动力学参数则用反应级数模型（n=3）求得。结果显示：油田废水煤浆、普通水煤浆的燃烧热重曲线（TG曲线）都会经历快速失水阶段、质量稳定阶段、着火燃烧阶段和燃尽阶段；燃烧微商热重曲线（DTG曲线）有三个失重峰，分别代表快速失水过程、挥发分析出燃烧和固定碳的着火燃烧阶段，其中第二、三两个失重峰有部分重叠；油田废水煤浆的着火温度、燃尽温度及燃烧表观活化能均低于普通水煤浆，燃烧速率等其它各项燃烧特性指数也都优于后者，由此说明油田废水通过降低着火温度及表观活化能，提高燃烧速率促进水煤浆的燃烧性能。采用热重法研究了油田废水煤浆和普通水煤浆的气化特性，并利用TG-DTG法确定了一系列气化特性指数。结果显示：油田废水煤浆和普通水煤浆都会经历快速失水阶段、质量稳定阶段、挥发分析出阶段、固定碳与CO2反应阶段和气化反应结束阶段；DTG曲线有三个区别明显的失重峰，分别代表快速失水过程、挥发分析出和固定碳与CO2反应阶段；油田废水煤浆的气化反应开始温度、结束温度均低于普通水煤浆，其它各项气化特性指数也都优于后者，说明油田废水对水煤浆的气化性能也有促进作用。使用扫描电镜从微观层面上探究了油田废水对燃烧气化的促进作用，发现油田废水煤浆固含物中含有大量的Na、K等碱金属离子，普通水煤浆中没有这两种离子成分，说明油田废水对燃烧气化的促进作用来自碱金属离子；其中，Na离子均匀分布在煤颗粒的表面，K离子则分布在煤颗粒边缘和颗粒之间的孔隙中，这些Na、K离子都形成了燃烧气化的活化中心，促进了燃烧气化反应的进行。
　　以徐矿3号和徐矿6号两种煤分别掺混油田废水和普通水，利用中试规模的制浆设备进行干法制浆，得到的油田废水煤浆和普通水煤浆浓度均在57％～61%之间，表观粘度约为750～1300mPa·s，符合工业应用的要求。在中试规模的卧式炉上进行了油田废水煤浆、普通水煤浆的燃烧实验，研究了水煤浆的燃烧、燃尽和结渣特性，发现满负荷下所有浆样在炉膛内不同工况下着火燃烧稳定，炉内主燃烧区温度均在1300℃以上，降负荷下炉内主燃烧区温度也在1100℃以上。所有浆样燃烧充分，燃尽率高，飞灰含碳量在0.5%以下，燃烧效率在99.6%以上。炉内结渣均为中等偏重结渣，特别是在高温区容易在局部形成粘结性较强的熔融渣，而低温区的结渣则明显好转；对同一种煤，炉内温度是影响结渣的重要因素；通过对结渣速率的计算发现油田废水的加入会略微增加水煤浆的结渣现象。实验结果表明油田废水煤浆在锅炉上的应用是可行的，也为油田废水制备浆体燃料的工业化应用提供了参考价值。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2有机废水废弃物制备水煤浆的研究进展

1.3 本文研究内容

2 实验内容及方法

2.1 实验材料

2.2 煤表面特性的测量方法

2.3 水煤浆成浆特性的研究方法及测量仪器

2.4 水煤浆燃烧及气化特性的研究方法及测量仪器

2.5 本章小结

3 油田废水制备水煤浆的成浆特性研究

3.1 前言

3.2 油田废水的成分特征分析

3.3 油田废水煤浆的成浆特性及影响因素

3.4 油田废水煤浆的流变特性

3.5油田废水煤浆的稳定性

3.6 本章小结

4 油田废水煤浆的燃烧、气化特性研究

4.1 前言

4.2 油田废水制备水煤浆的燃烧特性研究

4.3 油田废水制备水煤浆的气化特性研究

4.4 碱金属的微观形貌结构分析

4.5 本章小结

5 油田废水煤浆的卧式炉燃烧实验

5.1前言

5.2实验系统和测试方法

5.3燃料特性及结渣倾向预测

5.4 油田废水煤浆在卧式炉中的燃烧特性

5.5 卧式炉内受热面结渣特性

5.6本章小结

6 全文总结和展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

作者简历