油頁巖及污泥能源利用新技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題的研究.pdf

1、實現(xiàn)能源多元化、清潔化發(fā)展，大力改善和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大環(huán)境保護(hù)力度，強化從源頭防治污染，被列為國家“十一五”時期能源與環(huán)境領(lǐng)域的重點工作。圍繞這一方針、政策，作者所在課題組先后申報并成功獲得國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）目標(biāo)導(dǎo)向課題“油頁巖高效清潔綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究”（2007AA05Z333）和上海市登山計劃課題“污泥脫水、干化、焚燒一體化處理技術(shù)的研究產(chǎn)（06DZ11302），作者在博士后工作期間作為主要研究人員參加

2、了這兩個課題的研究工作.根據(jù)課題的研究內(nèi)容和進(jìn)度安排，作者進(jìn)行了“油頁巖半焦物化基礎(chǔ)特性”和“半干化污泥流化床焚燒技術(shù)”兩項研究工作:在油頁巖半焦物化基礎(chǔ)特性研究方面，研究了干餾參數(shù)對頁巖油產(chǎn)率及半焦物化基礎(chǔ)特性的影響，所得到的數(shù)據(jù)與結(jié)論為即將開展的油頁巖半焦循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計奠定了基礎(chǔ);在半干化污泥流化床焚燒技術(shù)研究方面，對污泥基本特性和污泥流化床焚燒特性進(jìn)行了研究，完成了300t/d新型污泥脫水-干化-焚燒一體化技術(shù)中污泥循環(huán)流化

3、床焚燒爐工程方案的設(shè)計。對全文總結(jié)后可得到如下主要結(jié)論:
　　 (1)參照石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“油頁巖含油率測定法”( SH/T0508-1992)，試制了油頁巖鋁甄干餾系統(tǒng)，重點研究了干餾溫度介于400～520℃時頁巖油產(chǎn)率與干餾溫度及其他干餾參數(shù)之間的關(guān)系。頁巖油產(chǎn)率隨干餾溫度的升高或停留時間的延長而顯著增大；適當(dāng)?shù)挠晚搸r顆粒粒度有益于提高頁巖油產(chǎn)率；當(dāng)油頁巖熱解反應(yīng)過程由動力學(xué)控制時，頁巖油產(chǎn)率隨著平均升溫速率的提高而略有增加

4、?；疑P(guān)聯(lián)分析計算結(jié)果表明所研究的四個干餾參數(shù)對頁巖油產(chǎn)率的影響程度都在明顯以上，其中干餾溫度對頁巖油產(chǎn)率的影響最為顯著，其次為升溫速率、停留時間和顆粒粒度。
　　 (2)采用氣質(zhì)聯(lián)用儀對不同干餾工況所得到的油頁巖半焦的有機組分提取液進(jìn)行了分析，討論了四種干餾參數(shù)對半焦有機組分及氮硫元素賦存形態(tài)的影響。提高干餾溫度能夠促進(jìn)半焦中烴類有機物的分解和析出，增加頁巖油產(chǎn)量，但干餾溫度過高可能會使得芳香烴和含氮有機物大量熱解和摻混到頁巖

5、油內(nèi)，導(dǎo)致頁巖油品質(zhì)變差;在干餾溫度較低的情況下，通過延長千餾停留時間也能夠使得半焦中非芳香烴的烴類有機物逐漸蒸發(fā)和裂解成小分子有機物，但干餾停留時間過度延長會造成有機物因在半焦顆粒內(nèi)部滯留時間過長而發(fā)生二次裂解，造成頁巖油產(chǎn)率無法進(jìn)一步得到提高;顆粒粒度小使得半焦顆粒體溫度分布均勻，發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)有益于千餾過程中顆粒內(nèi)部有機質(zhì)的熱解和向外擴(kuò)散，顆粒粒度大則會造成顆粒中心區(qū)大分子烴類有機物熱解延遲和熱解不完全、部分熱解產(chǎn)物在向外逸出過程

6、受發(fā)生裂解、凝聚等變化，造成了半焦中大分子有機物殘留量增多;當(dāng)干餾升溫速率低于10℃/min時，干餾升溫速率的改變對油頁巖半焦中有機組分的影響較小，無明顯規(guī)律性。
　　 (3)采用氮氣等溫吸附/脫附法對不同干餾工況所獲得的油頁巖半焦的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)了測量，結(jié)合油頁巖干餾機理和物質(zhì)分布特性分析了干餾參數(shù)對油頁巖半焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響。油頁巖的固體有機質(zhì)在無機礦物質(zhì)的骨架內(nèi)分布得十分細(xì)密，全部熱解、析出需要足夠的時間和能量，因此提高干餾

7、溫度或延長干餾停留時間能夠造成油頁巖半焦孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大。顆粒粒度的減小使得半焦顆粒比表面積和孔容積應(yīng)逐漸增大，而顆粒粒度減小又會導(dǎo)致干餾過程中產(chǎn)生的有機物質(zhì)發(fā)生裂解和焦化，堵塞顆粒內(nèi)部孔隙，造成半焦孔容積和比表面積減小。這兩方面因素的綜合作用造成顆粒粒度對油頁巖半焦孔隙結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性不顯著。升溫速率高使得顆粒內(nèi)部有機物分解速率加快，大量熱解產(chǎn)物急劇膨脹向外噴出，造成顆粒內(nèi)部孔隙擴(kuò)張，進(jìn)而使得顆粒內(nèi)部孔容積和比表面積增大。
　　

8、 (4)采用熱重分析儀對不同干餾工況所獲得的油頁巖半焦熱解特性進(jìn)行了研究。半焦揮發(fā)分含量隨干餾溫度的升高或停留時間的延長顯著減少，而升溫速率和顆粒粒度對半焦揮發(fā)分含量影響不大。三種油頁巖在干餾溫度520℃、停留時間20min條件下千餾所制取的的半焦在40～660℃溫度區(qū)間熱解過程非常相近，而在660～900℃溫度區(qū)間，由于含酰胺基團(tuán)的有機物、低溫段熱解中間產(chǎn)物和碳酸鹽等物質(zhì)的分解，造成三種半焦熱解過程存在差別。干餾參數(shù)的變化直接影響殘

9、留在油頁巖半焦中有機組分和含量，進(jìn)而影響油頁巖半焦的熱解、燃燒和孔隙結(jié)構(gòu)等物化基礎(chǔ)特性。在所研究的四種干餾參數(shù)中，干餾溫度的升高或停留時間的延長能夠顯著降低油頁巖半焦低溫段熱解損失，而升溫速率和顆粒粒度的影響作用較小。在干餾溫度520℃條件下，改變?nèi)魏胃绅s參數(shù)對所得到的油頁巖半焦高溫段熱解特性影響很小。根據(jù)半焦熱解實驗和油頁巖鋁甄干餾實驗結(jié)果得到大城子油頁巖綜合利用系統(tǒng)最佳干餾條件為:干餾溫度460～490℃，停留時間20～40min。

10、采用Coast指數(shù)積分法分段計算了油頁巖及其在不同干餾工況下所獲得的油頁巖半焦的熱解動力學(xué)參數(shù)值可供數(shù)值仿真和工程設(shè)計參考。
　　 (5)采用熱重分析儀研究了不同干餾工況所獲得的油頁巖半焦燃燒特性、通過LEITZ-ⅡA型熱顯微鏡觀測了半焦著火現(xiàn)象、采用Coast指數(shù)積分法分段計算了油頁巖及其在不同干餾工況下所獲得的油頁巖半焦的燃燒動力學(xué)參數(shù)。隨著干餾溫度的升高或停留時間的延長，半焦著火溫度升高、燃燒失重速率變慢、著火方式則由均相

11、轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞?燃燒進(jìn)入高溫階段后，各半焦樣品內(nèi)的揮發(fā)分基本分解析出，內(nèi)部可分解和能夠參與燃燒的物質(zhì)相近，導(dǎo)致各樣品在此階段失重過程近似相同。在一定干餾溫度和停留時間條件下，顆粒粒度和干餾升溫速率的改變對所獲得的油頁巖半焦燃燒過程和動力學(xué)參數(shù)影響很小。為獲得高的頁巖油產(chǎn)率，同時保證半焦具有良好的燃燒活性和盡可能減少干餾系統(tǒng)能耗，在一定千餾溫度下適當(dāng)延長停留時間是合理、可行的。
　　 (6)污泥中重金屬元素含量的多少是決定采用何種污泥

12、處理技術(shù)的一個重要因素。本文研究的石洞口污泥和天山污泥都存在一種或幾種重金屬元素含量超標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，直接農(nóng)用或填埋將給周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。而本文研究結(jié)果表明通過流化床焚燒污泥可使污泥中的重金屬元素主要富集在爐膛底灰和分離器灰中，有益于進(jìn)一步處理。因此，采用流化床焚燒技術(shù)處理污泥是比較環(huán)保的。
　　 (7)污泥揮發(fā)分含量高、固定碳含量低，表明污泥可燃物質(zhì)以揮發(fā)分為主，著火溫度低;進(jìn)一步通過熱顯微鏡法和熱重分析法對污泥著火、熱解和

13、燃燒過程成進(jìn)行了分析，判斷出污泥著火方式為均相著火，其熱解和燃燒失重過程均可分成水分蒸發(fā)階段、低溫段和高溫段三個階段。采用Coasts指數(shù)積分法求解了污泥熱解和燃燒動力學(xué)參數(shù)，計算得到的低溫段活化能較低，也表明污泥容易熱解和燃燒。
　　 (8)在小型和半工業(yè)型流化床焚燒裝置上實現(xiàn)了含水量≤40％的石洞口污泥、天山污泥以及南橋污泥在無輔助燃料情況下的穩(wěn)定燃燒，運行參數(shù)對各種污泥流化床焚燒特性的影響表現(xiàn)出了相近的規(guī)律，所得出的數(shù)據(jù)和

14、結(jié)論為工業(yè)污泥循環(huán)流化床焚燒裝置的設(shè)計積累了實驗數(shù)據(jù)。
　　 (9)采用自行開發(fā)的鍋爐熱力計算通用程序完成了日處理300t含水量80％的污泥一體化系統(tǒng)中半干化污泥循環(huán)流化床焚燒爐的方案設(shè)計，給出了系統(tǒng)質(zhì)量平衡圖和能量平衡圖以及該焚燒爐的總體結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行了不同方案的比較。焚燒爐設(shè)計原則為:總體結(jié)構(gòu)為采用“異密度循環(huán)流化床、床下煙氣發(fā)生器點火”技術(shù);焚燒爐底部密相區(qū)布置了濕污泥直接投入點;爐內(nèi)不布置受熱面，產(chǎn)生的煙氣引入干燥系統(tǒng)將