CN107488476A - 燃烧油页岩半焦的方法和燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了燃烧油页岩半焦的方法和燃料，其中，燃烧油页岩半焦的方法包括：将油页岩半焦与油茶壳进行混合，以便得到油页岩半焦混合物；将所述油页岩半焦混合物作为燃料用于燃烧。采用该方法可以显著提高油页岩半焦的燃烧性能，提高油页岩半焦燃烧的稳定性和完全性。

Description

燃烧油页岩半焦的方法和燃料
技术领域
本发明涉及能源化工领域，具体而言，本发明涉及燃烧油页岩半焦的方法和燃料。
背景技术
随着经济和社会的迅猛发展，能源供需矛盾日益突出，石油和天然气资源日渐短缺，非常规油气资源的开发备受重视。全世界的化石能源按发热量折算，油页岩储量仅次于煤而居第二位。我国的油页岩储量折算成页岩油为476亿吨，是我国石油储量的2倍以上，油页岩在我国主要分布在吉林、辽宁和广东等地。油页岩作为非常规油气资源，其热值低、灰分高。干馏精炼提取页岩油是油页岩资源化利用的另一个重要方面，目前已经有许多成熟的工业应用，但干馏炼油所产生的半焦残渣的合理化处置仍是一个困扰当前油页岩干馏工业的重大难题。
油页岩经过干馏后生成的固体物质称为油页岩半焦，半焦残渣排放量巨大，通常只作简单堆弃处理，造成土地资源的巨大浪费，同时其中包含的有毒化合物，例如酚类化合物、硫化物、多环芳烃等极有可能造成堆放场地及周边的水土二次污染。能否合理化处置油页岩半焦残渣，是油页岩资源化利用发展的关键。由于半焦中保留了部分未热解的有机物，其热值约占油页岩总热值的40～50％，通常情况下，每生产1吨页岩油，将生产出10～30吨的半焦，可见油页岩半焦仍有巨大的资源化利用空间。
然而，现有的处理油页岩半焦的手段仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出燃烧油页岩半焦的方法和燃料。采用该方法可以显著提高油页岩半焦的燃烧性能，提高油页岩半焦燃烧的稳定性和完全性。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种燃烧油页岩半焦的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将油页岩半焦与油茶壳进行混合，以便得到油页岩半焦混合物；将所述油页岩半焦混合物作为燃料用于燃烧。
由此，根据本发明实施例的燃烧油页岩半焦的方法可以显著提高油页岩半焦的燃烧性能，同时提高油页岩半焦燃烧的稳定性和完全性，实现了弃置油页岩半焦和油茶壳的资源化利用。
另外，根据本发明上述实施例的燃烧油页岩半焦的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述油页岩半焦混合物中所述油茶壳的含量为至少70wt％。由此，可以进一步提高油页岩半焦的燃烧性能。
在本发明的一些实施例中，所述油页岩半焦混合物中所述油页岩半焦与所述油茶壳的质量比为30:70。由此，可以进一步提高油页岩半焦的燃烧性能。
在本发明的一些实施例中，所述油页岩半焦的平均粒径不高于200μm。由此，可以进一步提高油页岩半焦的燃烧性能。
在本发明的一些实施例中，所述油茶壳的平均粒径不高于200μm。由此，可以进一步提高油页岩半焦的燃烧性能。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种燃料。根据本发明的实施例，该燃料为油页岩半焦和油茶壳的混合物。
由此，根据本发明实施例的燃料可以具有较高的燃烧稳定性和完全性，且采用弃置油页岩半焦和油茶壳作为原料，实现了二者的资源化利用。
另外，根据本发明上述实施例的燃料还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述燃料中所述油茶壳的含量为至少70wt％。由此，可以进一步提高所述燃料的燃烧性能。
在本发明的一些实施例中，所述燃料中所述油页岩半焦与所述油茶壳的质量比为30:70。由此，可以进一步提高所述燃料的燃烧性能。
在本发明的一些实施例中，所述燃料中所述油页岩半焦的平均粒径不高于200μm，所述油茶壳的平均粒径不高于200μm。由此，可以进一步提高所述燃料的燃烧性能。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种热力发电系统。根据本发明的实施例，该热力发电系统采用上述实施例的燃料燃烧作为热源。
由此，根据本发明实施例的热力发电系统通过采用上述实施例的燃料，可以在保证燃料燃烧充分的同时，进一步降低生产成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的不同掺混比下燃烧油页岩半焦和油茶壳的热失重(TG)曲线图；
图2是根据本发明一个实施例的不同掺混比下燃烧油页岩半焦和油茶壳的微商热失重(DTG)曲线图；
图3是根据本发明一个实施例的表观活化能与燃烧油页岩半焦和油茶壳的掺混比关系图；
图4是根据本发明一个实施例的油页岩半焦在DTG曲线失重峰峰值温度下的主要燃烧产物的红外光谱图；
图5是根据本发明一个实施例的不同掺混比下燃烧油页岩半焦和油茶壳的燃烧产物中CO2的红外光谱分析图；
图6是根据本发明一个实施例的不同掺混比下燃烧油页岩半焦和油茶壳的燃烧产物中CO的红外光谱分析图；
图7是根据本发明一个实施例的不同掺混比下燃烧油页岩半焦和油茶壳的燃烧产物中CO的红外光谱分析图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种燃烧油页岩半焦的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将油页岩半焦与油茶壳进行混合，以便得到油页岩半焦混合物；将油页岩半焦混合物作为燃料用于燃烧。
具体的，发明人在对油页岩半焦燃烧性能的研究中发现，油茶壳作为一种生物质，与化石能源不同的是，油茶壳具有挥发分含量高、灰分含量低的特点，其单独燃烧时，着火点低，燃烧产物中NOX、SOX含量也很低，但由于其燃烧的能量密度低，难以直接作为燃料使用，而发明人通过大量实验发现，通过将油页岩半焦与油茶壳进行混合，并将得到的油页岩半焦混合物作为燃料进行燃烧，既可以提高油页岩半焦的燃烧性能，提高油页岩半焦燃烧的稳定性和完全性，使混样燃尽率提高，又可以使难以直接作为燃料使用的油茶壳得到充分利用，且混样燃烧析出SO2的浓度低，对环境友好，由此，本发明实施例的燃烧油页岩半焦的方法实现了弃置油页岩半焦和油茶壳的资源化利用。
根据本发明的具体实施例，油页岩半焦混合物中油茶壳的含量为至少70wt％。由此，可以进一步有利于油页岩半焦的充分燃烧，提高混样的燃尽率。
根据本发明的具体实施例，油页岩半焦混合物中油页岩半焦与油茶壳的质量比可以为30:70。由此，可以进一步有利于油页岩半焦的充分燃烧，提高混样的燃尽率。
根据本发明的实施例，油页岩半焦的粒径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，油页岩半焦的平均粒径可以不高于200μm，由此，可以进一步有利于油页岩半焦的充分燃烧，提高混样的燃尽率。
根据本发明的实施例，油茶壳的含水量和粒径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，油茶壳的平均粒径可以为不高于200μm，由此，可以进一步有利于油页岩半焦的充分燃烧，提高混样的燃尽率。
由此，根据本发明实施例的燃烧油页岩半焦的方法可以显著提高油页岩半焦的燃烧性能，同时提高油页岩半焦燃烧的稳定性和完全性，实现了弃置油页岩半焦和油茶壳的资源化利用。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种燃料。根据本发明的实施例，该燃料为油页岩半焦和油茶壳的混合物。
根据本发明的具体实施例，燃料中油茶壳的含量为至少70wt％。由此，可以进一步有利于燃料中油页岩半焦的充分燃烧，提高燃料的燃烧性能。
根据本发明的具体实施例，燃料中油页岩半焦与油茶壳的质量比可以为30:70。由此，可以进一步有利于燃料中油页岩半焦的充分燃烧，提高燃料的燃烧性能。
根据本发明的具体实施例，燃料中油页岩半焦的平均粒径可以为不高于200μm，油茶壳的平均粒径可以不高于200μm，由此，可以进一步有利于油页岩半焦的充分燃烧，提高混样的燃尽率。由此，可以进一步有利于燃料中油页岩半焦的充分燃烧，提高燃料的燃烧性能。
由此，根据本发明实施例的燃料可以具有较高的燃烧稳定性和完全性，且采用弃置油页岩半焦和油茶壳作为原料，实现了二者的资源化利用。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种热力发电系统。根据本发明的实施例，该热力发电系统采用上述实施例的燃料燃烧作为热源。
由此，根据本发明实施例的热力发电系统通过采用上述实施例的燃料，可以在保证燃料燃烧充分的同时，进一步降低生产成本。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
将粉碎后的油页岩半焦(Semi coke)和油茶壳(Camellia shell)分别以1:9、3:7、5:5、7:3、9:1的质量比混合，保存于干燥器中备用。热重实验在瑞士梅特勒-托利多热重同步分析仪(METTLER TOLEDO TGA/DSC1)中进行，分别采用10℃/min、20℃/min、30℃/min的升温速率在空气气氛下(气体流量为80mL/min)进行燃烧。为尽量降低燃烧过程传热传质阻力，混合物料量控制在10±2mg。实验采用程序控温方式，从100℃升至900℃。将傅里叶变换红外光谱仪(NicoletTM iSTM 10Ft-IR)与热重分析仪的气体产生端相连接，用以分析燃烧过程中气体产物的特性。
以下各图表中OSC表示油页岩半焦，CS表示油茶壳，OSC与CS之前的系数表示二者的质量百分比。
图1、图2为不同掺混比下燃烧热失重(TG)和微商热失重(DTG)曲线(升温速率为20℃/min)。
由图1、图2可见，随着油茶壳的掺混比的增加，混样的燃烧强度增强，整体燃烧向低温收缩偏移，着火温度提前，两个燃烧阶段失重峰值均增强，表明燃烧强度增加，可以实现稳定燃烧。10wt％油页岩半焦掺混比的混样与油茶壳单样燃烧DTG曲线基本接近，少量油页岩半焦的掺混并没有使混样的燃烧特性得到较大的削弱；而30wt％油页岩半焦掺混比以上的混样燃烧特性才得到较大削弱，表明油茶壳与油页岩半焦掺混燃烧，少量油页岩半焦的添加并不会给油茶壳的燃烧特性带来明显的负面效果，因此可以考虑低比例掺烧油茶壳来实现废弃油页岩半焦的处理。
实施例2
为判定添加油茶壳掺混比例对混样燃烧性能的影响规律，对实施例1中得到的混样燃烧特性参数进行了归纳，见表1所示(升温速率20℃/min下单样及各混合物的燃烧特性参数)。
表1不同掺混比下油茶壳与油页岩半焦的燃烧特性参数
注：(dW/dt)max和(dW/dt)mean分别表示燃烧过程中的最大失重速率和平均失重速率，％/min；Ti表示样品的着火温度，℃；Tf表示样品的燃尽温度，℃；Mf表示样品燃烧的质量残留百分比，％；DTG1、DTG2分别表示样品燃烧的第一、第二失重峰对应的失重速率，％/min；T1、T2分别表示样品燃烧的第一、第二失重峰对应的温度，℃；DTGm表示表示样品燃烧的平均失重速率，％/min；S表示综合燃烧指数，10-06min-2℃-3。
由表1中可以看出，油页岩半焦单样的着火温度和燃尽温度都最高，由于其挥发份含量低，灰分含量高，其着火温度高、失重峰低、燃烧质量残留百分比高，具有最低的综合燃烧指数。
各样品的质量残留百分比随油页岩半焦掺混比的增大而增大，平均失重率随油页岩半焦掺混比的增大而减小。有研究认为当燃料的综合燃烧指数值大于0.2×10-06min-2℃-3时，表明燃料的燃烧特性较好。由表1中可看出当油茶壳的掺混比为50wt％时，混样的综合燃烧指数达到0.3022×10-06min-2℃-3，体现出较好的综合燃烧特性。
综合而言，掺混油茶壳在一定程度上会增强油页岩半焦的燃烧性能，为了获得较好的油页岩半焦处理效果，保证燃烧的稳定性和完全性，建议在油页岩半焦中掺混的油茶壳含量应该为至少70wt％。
实施例3
为研究不同掺混比对混样燃烧特性的影响，采用FWO方法计算混样在不同转化率(0.1～0.8)下的表观活化能，采用了10℃/min、20℃/min、30℃/min三种升温速率。
图3为混样平均表观活化能(Average E)与油页岩半焦掺混比的关系图。由图3可以看出，随着油页岩半焦含量的增加，表观活化能整体上不断上升，表明高比例的油页岩半焦不利于燃烧过程，油页岩半焦比例为30wt％时，混样表观活化能达到局部峰值158.80kJ·mol-1。
综上，低比例的油页岩半焦对混样的综合燃烧性能影响不大，并在一定程度上有利于提高油页岩半焦的充分燃烧和处理，能混合物燃尽率提高。综合燃烧特性、综合燃烧指数、活化能等各参数，而且为了获得较大的油页岩半焦处理量，油茶壳含量应为70wt％。
实施例4
选取油页岩半焦燃烧DTG曲线(图2)上失重峰峰值温度对应的燃烧产物的红外光谱图，该阶段样品燃烧剧烈，燃烧产物的吸光度相对较大，便于对比分析。实验选取了升温速率为20℃/min下的上述燃烧产物红外吸收谱图，图4为油页岩半焦唯一一个失重峰的峰值温度(488℃)所对应的燃烧产物红外光谱图。
由图4所示，油页岩半焦燃烧产物中检测到波数4000～3600cm-1与1875～1275cm-1的吸收峰，表示有少量H2O(水蒸气)以及-OH析出。波数2400～2240cm-1与780～560cm-1对应于CO2的特征峰，且其吸光度强度最大，这与油页岩半焦燃烧的DTG曲线的最大失重峰保持一致。此外，还可以检测到波数为2240～2060cm-1的吸收峰对应CO的特征峰，波数为1342cm-1的吸收峰对应SO2的特征峰，油页岩半焦中含有的有机硫随挥发分析出后氧化形成SO2。
实施例5
为分析两种样品掺混燃烧对燃烧特性以及燃烧气相产物排放特性的影响，分别对不同半焦掺混比率下的掺烧产物红外光谱图进行比较分析。选定CO2、SO2、CO三种官能团或产物，研究其随温度变化的影响。图5～7分别为不同油页岩半焦比例混合物燃烧产物的CO2分析、CO分析和SO2分析。
由图5可见，对于各混样，随着油页岩半焦含量增大，燃烧产物中CO2浓度随之减小；随着油页岩半焦比例增加，各混样燃烧产物中CO2开始析出时的温度延后，表明了油页岩半焦的掺混会提高混样的着火温度。
由图6可见，随着油页岩半焦含量的增加，CO吸收峰浓度快速减少，而且开始析出CO时间和峰值温度都延后，这也可从表1看出，油页岩半焦占比越大，着火点升高，各混样DTG曲线第一个峰峰值所对应的温度增大。
对比油茶壳单样与10wt％半油页岩焦掺混的混样，CO总释放浓度变化并不显著，峰的温度跨度变化不大，但油茶壳的第二峰显著增大，CO的形成在于固定碳燃烧产生的不完全燃烧产物，可见10wt％油页岩半焦的掺混下已经对固定碳及残碳的燃烧起到了一定的催化和促进效果，此时，油页岩半焦在强化固定碳及残碳燃烧的同时也将混合物燃尽率提高。
油页岩半焦掺混比例大于等于50wt％后，不仅燃烧延迟，CO浓度急剧降低，而且CO结束析出时间也延迟，这就说明对于油茶壳与油页岩半焦燃烧，仅适合较小比例的半焦，可对较高温度的固定碳等起到一定的催化作用。
由图7可见，200～350℃之间的吸收峰为油茶壳中挥发性有机硫(含硫氧官能团的化合物)的释放以及氧化产生；350～550℃之间出现第二个峰，为焦炭上吸附的有机硫氧化以及油页岩半焦中无机硫化物煅烧演化形成，油页岩半焦中的无机硫化物及难于分解的物质燃烧反应速度不及含硫氧官能团的化合物。
从整体来看，从SO2吸收峰面积上比较，油茶壳的排放小于油页岩半焦，而且随着混合物中油页岩半焦含量的提高，混样析出SO2的开始时间和释放完毕的时间都延迟，而且总的来看，较高比例的油页岩半焦会导致较高浓度的SO2的析出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种燃烧油页岩半焦的方法，其特征在于，包括：
将油页岩半焦与油茶壳进行混合，以便得到油页岩半焦混合物；
将所述油页岩半焦混合物作为燃料用于燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油页岩半焦混合物中所述油茶壳的含量为至少70wt％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述油页岩半焦混合物中所述油页岩半焦与所述油茶壳的质量比为30:70。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油页岩半焦的平均粒径不高于200μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油茶壳的平均粒径不高于200μm。
6.一种燃料，其特征在于，所述燃料为油页岩半焦和油茶壳的混合物。
7.根据权利要求6所述的燃料，其特征在于，所述燃料中所述油茶壳的含量为至少70wt％。
8.根据权利要求6所述的燃料，其特征在于，所述燃料中所述油页岩半焦与所述油茶壳的质量比为30:70。
9.根据权利要求6所述的燃料，其特征在于，所述油页岩半焦的平均粒径不高于200μm，所述油茶壳的平均粒径不高于200μm。
10.一种热力发电系统，其特征在于，所述热力发电系统采用权利要求6～9任一项所述燃料燃烧作为热源。
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