含油污泥基型煤成型条件及燃烧速率研究(3)
表8焚烧前后重金属的含量Table8Thebeforeandafterheavymetalcontent重金属名称焚烧后重金属含量/(mg·kg-1)浸出液重金属含量/(μg·L-1)
3 结论
(1)杏壳比核桃壳热值高,可代替核桃壳作引燃剂制型煤,具有改善型煤热值的作用。
(2)含油污泥基型煤中煤∶污泥∶黏土∶杏壳的质量比为4∶4∶1∶1,成型压力20 MPa,添加水量50 mL/kg时,型煤的机械强度效果最好,跌落强度为97%,抗压强度454 N/个,浸湿强度234 N/个,满足我国“工业型煤开发”的主要考核指标。780 ℃时,焚烧过程二氧化硫、氮氧化合物的分别浓度低于60,55 mg/m3。
(3)焚烧残渣及残渣浸出液Cu等重金属浓度均在含油污泥综合利用污染物指标以下,满足GB —2001的指标。
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含油污泥主要来自原油开采、集输、污水处理等过程,包含清罐油泥、隔油池底泥、含油污水处理产生的污泥等[1-2]。含油污泥成分复杂,属于多相体系,是一种由水包油(O/W)、油包水(W/O)以及悬浮固体组成的稳定的悬浮乳状液体系,含油率及含水率分别为10%~50%、40%~90%。我国石油行业每年产生的含油污泥量多达千万吨,处理排放费用高[3-5]。主要处理方法有固化处理法、溶剂萃取法、调制-机械分离法、超声法、热解法以及生物法等[6-8]。焚烧法可充分利用含油污泥中的热值,且污染物减量化彻底[9-10]。研究者将煤炭与烤烟残渣混合压块,其脱硫率、燃烧率分别为90%,98%[11-14]。生物质型煤因原料丰富、应用市场巨大,在我国应用前景广阔[15]。含油污泥的焚烧过程因污泥组分变化较大、纯粹焚烧的气体污染物排放量较大,燃烧速率难以控制[16]。本文将生物质、含油污泥和煤按一定比例混合制成型煤进行焚烧,探讨混合比例及添加水量、成型条件等对机械强度、燃烧速率的影响,为含油污泥基燃料的稳定燃烧提供支持。1 实验部分1.1 材料与仪器含油污泥,取自延安市吴起县长官庙联合站,其理化性质见表1;煤,来自榆林大柳塔;杏壳、核桃壳,取自克拉玛依三达新技术股份有限公司,以上材料的元素分析结果见表2。表1含油污泥的常规性质分析Table1AnalysisofconventionalpropertiesofoilysludgepH含油率/%含水率/%固含量/%表2实验材料的元素分析结果Table2Experimentalmaterialofelementalanalysis样品C/%H/%O/%S/%N/%Pb/%Ba/%煤73.684..污泥38.553..杏壳52.360..核桃壳44.070.. 900XRY-A 氧弹式量热计;型箱式电阻炉控制箱;LX-8503型抗压强度测定仪;型煤成型机(实验室研发,实用新型专利号:ZL2.4) 型煤制备将煤和杏壳、核桃壳破碎至1 mm 以下,与含油污泥和粘土组分按照一定比例混合、搅拌均匀,用型煤成型机压制成Φ 40 mm×40 mm的圆柱煤块,自然通风24 测试方法1.3.1 热值的测定 采用XRY-A 氧弹式量热计,按照操作规程进行 型煤机械性能的测试 依据《工业型煤落下强度测定方法》(MT/T 925—2004)测定型煤的跌落强度[17];依据《工业型煤冷压强度测定方法》(MT/T 748—2007)测定型煤的抗压强度;依据《工业型煤浸水强度和浸水复干强度的测定方法》(MT/T 749—2007)测定型煤的浸湿强度[18] 型煤燃烧速率的测试 将含油污泥基型煤在马弗炉内700 ℃下直接燃烧,通过燃烧失重与时间的比值,测定不同燃烧阶段的平均燃烧速率。2 结果与讨论2.1 含油污泥、煤、生物质的热值测定采用氧弹式量热计分别测定含油污泥、煤、杏壳、核桃壳的热值,结果见表3。由表3可知,污泥的热值较杏壳和核桃壳高,为17 655 kJ/kg,极具再利用的价值。表3煤等物质的热值分析Table3Thecoalandothermaterialcalorificvalueanalysis项目热值/(kJ·kg-1)煤 18 990污泥 17 655杏壳 14 603核桃壳12 0952.2 生物质混合比例对型煤热值的影响生物质加入型煤,可改善其燃烧热值及性能。在型煤能够稳定燃烧的前提下,将生物质以不同质量比加入其中,测定热值,结果见表4。表4不同混合比例型煤的燃烧热值Table4Burningcalorificvaluesofcoalwithdifferentmixtureproportions煤∶污泥∶黏土∶X/质量比燃烧热值/(kJ·kg-1)X=核桃壳X=杏壳6∶2∶1∶118 7415∶3∶1∶114 4925∶2∶2∶115 07615 7515∶2∶1∶216 1844∶4∶1∶115 5054∶3∶2∶114 1934∶3∶1∶213 4364∶4∶0.75∶1.2515 05315 4294∶4∶0.5∶1.515 893由表4可知,在污泥加量较大而生物质加量较低的比例下,杏壳较核桃壳的热值高,且在煤∶污泥∶黏土∶杏壳为4∶4∶1∶1、煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶0.75∶1.25以及煤∶污泥∶黏土∶杏壳为4∶4∶0.5∶1.5时,混合体系的热值分别为16 505,15 429,15 893 kJ/kg,达到稳定燃烧的热值所需范围。这主要是杏壳的热值高,为型煤充分燃烧提供了热能。另外,生物质的加入,可改善型煤燃烧过程的孔隙分布,利于燃烧过程的有效控制水添加量对生物质含油污泥型煤机械强度的影响在煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1、煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶0.75∶1.25、煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶0.5∶1.5,成型压力20 MPa时,探讨不同水加入量对型煤跌落强度、抗压强度及浸湿强度的影响,结果见图1。由图1可知,煤∶污泥∶黏土∶杏壳为4∶4∶1∶1时,加水量75 mL/kg时,跌落强度、抗压强度及浸湿强度分别达到98%、513 N/个、305 N/个。这主要是添加一定量水有助于物料之间粘结性的增大。但当添加水量大于50 mL/kg时,物料之间有被稀释的趋势,成型难度增大。根据我国“工业型煤开发”的主要考核指标,选择煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1,添加水量50 mL/kg的比例进行下一步研究。图1 添加水量对型煤机械强度的影响Fig.1 Effect of added water on mechanical strength of briquette a.跌落强度图;b.抗压强度图;c.浸湿强度图2.4成型压力对生物质含油污泥型煤机械强度的影响煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1、添加水量50 mL/kg,考察压制压力对型煤机械强度的影响,结果见图2。由图2可知,随着成型压力的增大,型煤的跌落强度、抗压强度和浸湿强度均增大,成型压力20 MPa时,跌落强度、抗压强度及浸湿强度分别达到最高值97%、464 N/个及233 N/个。图2 成型压力对型煤机械强度的影响Fig.2 Effect of molding pressure on briquette mechanical strength a.跌落强度图;b.抗压强度图;c.浸湿强度图根据我国“工业型煤开发”的主要考核指标,综合考虑型煤的成型压力对机械强度的影响,成型压力为20 MPa时,生物质含油污泥型煤的机械强度最好 添加水量、成型压力对型煤燃烧速率的影响2.5.1 含油污泥基型煤的燃烧机理 含油污泥含有大量的轻质油,燃点低,含油污泥基型煤的热重分析见图3。图3 含油污泥基型煤材料的TG曲线图Fig.3 TG graph of oily sludge-based coal material由图3可知,含油污泥基型煤的焚烧是一个复杂的过程,含油污泥里面的轻质组分燃烧引燃杏壳,温度升高,点燃煤粉。为方便研究添加水量、成型压力对型煤燃烧速率的影响,实验将在700 ℃的马弗炉内进行 成型压力对型煤燃烧速率的影响 成型压力会影响型煤的孔隙分布,继而影响其燃烧过程。在煤∶污泥∶黏土∶杏壳为4∶4∶1∶1,混合料的添加水量为50 mL/kg时,考察型煤成型压力对燃烧速率的影响,结果见表5。表5成型压力对型煤平均燃烧速率的影响(700℃)Table5Themoldingpressureontheaverageburningrateofbriquette(700℃)压力/MPa可燃质量/g平均燃烧速率/(g·min-1)时间间隔/min7.45(11.3)(11.26)(11.48)(11.54)(11.21)由表5可知,在相同的成型压力下,随着时间的延伸,燃烧速率逐渐降低,且当时间为30 min时,燃烧速率基本恒定在0.13~0.17 g/min;成型压力增大时,燃烧速率增大,超过20 MPa时,燃烧速率开始减小。这是由于成型压力过小,制成的型煤颗粒之间连接松散,热量传递效果差,造成燃烧速率小;成型压力过大,型煤颗粒之间连接紧密,孔隙度小,型煤内部空气系数小,燃烧不充分,因而燃烧速率小。因此,为了保持燃烧过程相对稳定,成型压力控制在20 添加水量对型煤燃烧速率的影响 煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1,成型压力20 MPa,考察添加水量时,型煤燃烧速率的影响见表6。表6添加水量对型煤平均燃烧速率的影响(700℃)Table6Addedwaterontheaverageburningrateofbriquette(700℃)加水量/(mL·kg-1)可燃质量/g平均燃烧速率/(g·min-1)时间间隔/min9.2(13.75)(11.17)(11.54)(11.31)(8.59)由表6可知,在相同的添加水量下,随着时间的延伸,燃烧速率逐渐降低,30 min时,燃烧速率基本恒定在0.18~0.21 g/min;添加水量增大时,燃烧速率增大,超过50 mL/kg时,燃烧速率开始减小。这是由于添加水量可增加物料之间的粘结性,水量超过50 mL/kg时,物料粘结性大,降低了物料之间的孔隙分布,因而燃烧速率下降。因此,为了保持燃烧过程相对稳定,添加水量控制在50 mL/ 焚烧过程污染物含量分析2.6.1 焚烧过程烟气的分析 对煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1,成型压力20 MPa,添加水量50 mL/kg的型煤进行焚烧,每隔15 min测一次烟气,结果见表7。由表7可知,随着时间的延长、炉温的升高,烟气中SO2的浓度减小,O2浓度增大,NO、NO2、NOx的浓度减小,CO2的浓度与大气中的浓度一致。含油污泥基型煤在焚烧过程中,烟气主要污染物浓度满足GB —2001。表7炉温对型煤烟气的影响Table7Thefurnacetemperatureontheimpactofbriquettegas温度/℃O2/(mg·m-3)SO2/(mg·m-3)NO/(mg·m-3)NO2/(mg·m-3)CO/(mg·m-3)CO2/(mg·m-3)NOX/(mg·m-3)...0...0..0.0.0..0..0..0..0302.6.2 焚烧残渣重金属的分析 含油污泥中含有重金属,将煤∶污泥∶黏土∶杏壳=4∶4∶1∶1,成型压力20 MPa,添加水量50 mL/kg的型煤进行焚烧,焚烧后残渣及浸出液中重金属含量分析结果见表8。由表8可知,在含油污泥型煤焚烧后,重金属Pb的含量为37.2 mg/kg,残渣浸出液的浓度为0.33 μg/L;金属Cd的含量为0.11 mg/kg,残渣浸出液的浓度为0.051 μg/L;金属Hg的含量为0.021 mg/kg,残渣浸出液的浓度为0.33 μg/L;含油污泥基型煤焚烧后的残渣及残渣浸出液的浓度均满足含油污泥综合利用污染物指标,满足GB —2001。这主要是因为,随着焚烧温度的增加,Pb的挥发性能增加,温度越高,Pb越容易挥发[19]。表8焚烧前后重金属的含量Table8Thebeforeandafterheavymetalcontent重金属名称焚烧后重金属含量/(mg·kg-1)浸出液重金属含量/(μg·L-1)3 结论(1)杏壳比核桃壳热值高,可代替核桃壳作引燃剂制型煤,具有改善型煤热值的作用。(2)含油污泥基型煤中煤∶污泥∶黏土∶杏壳的质量比为4∶4∶1∶1,成型压力20 MPa,添加水量50 mL/kg时,型煤的机械强度效果最好,跌落强度为97%,抗压强度454 N/个,浸湿强度234 N/个,满足我国“工业型煤开发”的主要考核指标。780 ℃时,焚烧过程二氧化硫、氮氧化合物的分别浓度低于60,55 mg/m3。(3)焚烧残渣及残渣浸出液Cu等重金属浓度均在含油污泥综合利用污染物指标以下,满足GB —2001的指标。参考文献:[1] 任志荣,陈晨,贺娟,等.含油污泥为粘结剂制备型煤的研究[J].西安科技大学学报,2013(5):589-593.[2] 谢水祥,陈勉,蒋官澄,等.含油污泥燃料化处理剂研制及其作用机理研究[J].环境工程学报,2011(6):1351-1357.[3] 宋绍富,魏强.含油污泥处理技术进展[J].石油化工应用,2015(11):3-7.[4] 宋薇,刘建国,聂永丰.含油污泥组成及其对热解特性的影响[J].环境科学,2008(7):2063-2067.[5] 余兰兰,钟秦.污水厂污泥制备吸附剂及其在水处理中的应用[J].应用化学,2006(4):419-423.[6] Guo Linjing,Ming Li,Shao use of surfactant in the treatment of oily sludge[J].Advanced Materials Research,2010,956(113):780-783.[7] 王立璇.含油污泥处理技术进展[J].当代化工研究,2016(8):104-105.[8] Liu Fan,Qu Chengtun,Yang Bo,et and prospects of oily sludge treatment technology at China and abroad[J].Advanced Materials Research,2013,2695(807):1422-1426.[9] 李军,王忠民,张宁,等.污泥焚烧工艺技术研究[J].环境工程,2005(6):48-52,4.[10] 傅剑敏,徐江锋,戴海润,等.污泥焚烧工艺研究与进展[J].能源与环境,2009(6):74-75,96.[11] Jean de Dieu K Hakizimana,Hyung-Taek Kim.Peat briquette as an alternative to cooking fuel:A techno-economic viability assessment 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文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2020/1109/362.html