油页岩及半焦混合燃烧特性理论与试验研究

摘要

油页岩是一种重要的能源资源,在世界范围内油页岩储量折算成发热量仅次于煤,在化石燃料中位列第二。作为油页岩干馏炼油后的半焦,挥发分含量低、热值低、灰分大,因此难着火、难燃尽,且污染环境。为了有效处理油页岩干馏后产生的半焦,最大限度利用油页岩资源,本文通过模拟巴西佩特洛瑟克斯(Petrosix)干馏工艺,搭建了油页岩干馏实验装置。在对油页岩和半焦的理化特性及微观结构特性进行分析的基础上,从理论和试验两个方面开展油页岩半焦、油页岩及半焦混合物的燃烧特性研究。
　　进行了油页岩及半焦混合燃烧热分析实验,详细研究了油页岩干馏终温、升温速率、粒径以及掺混比对燃烧特性的影响。理论上，采用分布活化能模型(DAEM)获得了混合燃烧动力学参数，并分析了活化能的变化趋势。基于补偿效应分析，结合热重曲线、反应性和预测能力对混烧过程中组分间的相互影响，进行了混烧过程动力学参数的预测研究。结果表明，混烧过程中各组分之间产生的协同作用有效改善了混烧特性和反应性。通过采用Logistic函数模拟的分段动力学和总体动力学研究表明，由于存在不同的燃烧段，各段相对应的活化能和频率因子的预测能力不同。
　　在小型流化床燃烧试验台上进行了油页岩及半焦的流化燃烧试验研究，并就原油页岩及灰渣样品的孔隙结构进行了系统分析，获得了相应的吸附和脱附等温线。基于BET法、BJH法和FHH模型，获得了样品的比表面积、孔分布及分形维数。结果表明，燃烧过程中油页岩的比表面积和孔体积的变化趋势为先迅速增加再逐渐降低，而半焦的孔体积整体呈逐渐递减趋势，且较低的流化床温有利于孔结构的形成和发展。燃烧前期，油页岩灰渣表面分形维数迅速增加，而后略有减小，燃烧后期几乎不再变化。燃烧过程中灰渣的分形维数明显大于原油页岩分形维数。
　　从理论和试验两个方面，对固定床及流化床两种不同燃烧方式下混合燃料的着火和燃尽特性进行了研究。结果表明，不同燃烧方式下油页岩着火机理存在明显差异，采用固定床燃烧方式或流化床间断给料的条件下，油页岩燃烧为均相着火;而流化床一次给料时则处在向非均相着火过渡的状态。同样，燃烧方式对油页岩和半焦的着火温度影响显著，固定床下着火温度最低，而流化床一次给料条件下着火温度较高。床温和粒径是影响油页岩及半焦混合燃尽的重要因素，燃尽时间随床温升高而减小，燃料粒径越大，床温影响越明显;燃烧过程比较扩散控制而言更接近于动力控制。
　　在大型循环流化床燃烧试验台上进行油页岩及半焦混烧试验，系统研究了混合比、床层温度、一二次风配比等参数对循环流化床燃烧特性影响，获得炉内温度、物料粒度及炉内烟气成分分布特点。结果表明，采用循环流化床燃烧方式处理油页岩半焦是非常适宜的，所产生的灰渣含碳量总体在3％以内，但一次风率不低于66.7%。如在半焦中掺入10~20%的油页岩可以更好地改善燃烧状况，提高燃烧效率。
　　通过本文研究，不但掌握了油页岩半焦的燃烧特性，而且能为油页岩及半焦循环流化床锅炉的设计开发提供参考依据。

目录

中文摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章 绪论

1.1 油页岩及其资源

1.2 油页岩能源利用现状

1.2.1 油页岩干馏炼油技术现状

1.2.2 油页岩燃烧技术现状

1.2.3 油页岩能源利用中存在的问题

1.3 课题的意义

1.4 油页岩及半焦燃烧特性研究现状

1.4.1 油页岩及半焦着火特性研究

1.4.2 油页岩及半焦燃烧过程动力学特性研究

1.4.3 油页岩及半焦燃烧污染物排放特性研究

1.4.4 油页岩及半焦混烧特性研究

1.5 混煤燃烧特性研究现状

1.6 本文主要研究内容和方法

第二章 油页岩半焦理化特性及微观结构研究

2.1 油页岩半焦制备

2.2 油页岩及半焦的基础物化特性

2.3 油页岩及半焦中痕量元素

2.4 油页岩及半焦孔隙结构研究

2.4.1 实验研究方法

2.4.2 实验结果分析

2.5 本章小结

第三章 油页岩及半焦燃烧特性热分析实验研究

3.1 实验说明

3.2 热重实验结果分析

3.2.1 油页岩及半焦燃烧特性影响因素

3.2.2 半焦燃烧特性参数

3.3 本章小结

第四章 油页岩及半焦混烧动力学与相互影响程度研究

4.1 油页岩及半焦混烧DAEM动力学模型

4.1.1 DAEM模型的基本理论

4.1.2 DAEM模型的最新阐述

4.1.3 混烧动力学研究结果分析

4.2 混烧过程相互影响程度研究

4.2.1 TG曲线的模拟

4.2.2 理论热重曲线的计算

4.2.3 无量纲表观影响程度系数

4.2.4 动力学模型

4.3 相互影响程度分析

4.3.1 热重曲线评价

4.3.2 反应性评价

4.3.3 预测能力评价

4.4 本章小结

第五章 油页岩及半焦燃烧过程中孔隙结构变化规律

5.1 试验说明

5.2 孔隙结构参数计算方法

5.2.1 比表面积测定方法

5.2.2 孔分布计算方法

5.2.3 分形维数计算方法

5.3 油页岩及半焦燃烧过程中表面特性变化

5.3.1 油页岩及半焦燃烧过程中SEM图像分析

5.3.2 吸附等温线

5.3.3 孔隙特性变化

5.4 半焦燃烧孔隙结构变化影响因素

5.4.1 床层温度对孔结构的影响

5.4.2 粒径对孔隙结构的影响

5.4.3 流化风速对孔隙结构的影响

5.4.4 给料质量对孔隙结构的影响

5.5 油页岩及半焦燃烧过程中分形特性

5.6 本章小结

第六章 油页岩及半焦流化燃烧试验研究

6.1 油页岩及半焦着火特性

6.1.1 试验研究方法

6.1.2 着火特性分析

6.2 油页岩及半焦燃尽特性研究

6.2.1 油页岩半焦燃尽理论

6.2.2 油页岩半焦燃尽试验

6.2.3 燃尽试验结果分析

6.3 油页岩及半焦CFB燃烧试验

6.3.1 试验说明

6.3.2 试验台各部热力参数分布

6.3.3 灰渣和飞灰特性

6.3.4 烟气成分分析

6.3.5 分离效率及循环倍率

6.3.6 燃烧效率

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作