孫文楊，王黎明，馬艷茹，呂 洋，李文濤

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶 163319)

玉米秸稈與油污泥混合成型燃料燃燒特性研究

孫文楊，王黎明*，馬艷茹，呂 洋，李文濤

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶 163319)

摘要[目的]提高生物質(zhì)能源的可再生效率，探究混合成型燃料燃燒的影響因素。[方法]選取黑龍江省常見(jiàn)的廢棄玉米秸稈和大慶油田落地廢棄油泥為試驗(yàn)原材料，以油泥添加比例、燃燒溫度、成型燃料質(zhì)量的大小為影響因素，采用等溫法在馬弗爐中燃燒，測(cè)其燃燒性能。[結(jié)果]當(dāng)混合成型燃料中玉米秸稈所占比重增大時(shí)，其失重率、燃燒速率明顯降低；當(dāng)馬弗爐爐內(nèi)溫度升高時(shí)，其失重率、燃燒速率明顯提高；當(dāng)混合成型燃料質(zhì)量增加時(shí)，其失重率、燃燒速率也顯著提高。[結(jié)論]該研究可為進(jìn)一步研究秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒性能良好的工藝參數(shù)范圍提供基本的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞成型燃料；油污泥；玉米秸稈；燃燒特性

面對(duì)化石能源緊缺和環(huán)境污染嚴(yán)重的狀況[1]，生物質(zhì)能成為第四大消費(fèi)能源[2]，它以資源豐富、生態(tài)環(huán)境友好、可再生的優(yōu)點(diǎn)，成為能源和環(huán)境領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)[2-3]。我國(guó)秸稈可回收再利用資源量為7.97億t，廢棄秸稈及焚燒占31.41%[4]。黑龍江省可回收再利用的秸稈為5 428萬(wàn)t，廢棄及焚燒部分占19%，黑龍江省大慶市可回收再利用的秸稈為580萬(wàn)t，玉米秸稈占其中的主要成分，為374.1萬(wàn)t，廢棄及焚燒部分占36.09%。秸稈的廢棄和焚燒不但造成資源過(guò)度浪費(fèi)，還增加了環(huán)境污染問(wèn)題，所以，如何合理利用秸稈資源已成為亟待解決的問(wèn)題。目前，成型燃料是高效、潔凈化利用秸稈資源的有效途徑之一[5]。傳統(tǒng)制取成型燃料多采用單一原料，而對(duì)于以混合原料制取成型燃料的研究?jī)H局限于在生物質(zhì)原料中引入城市污水、污泥或在煤中引入生物質(zhì)原料。石油在煉制、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、開(kāi)采和勘探過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢棄資源[6-9]，目前大慶油田的落地油泥產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到1.43×105 m3[10-11]，并且逐年升高，但目前還沒(méi)有較好的方法高效解決含油污泥這一重大難題[7]。鑒于此，筆者選取黑龍江地區(qū)常見(jiàn)的玉米秸稈與大慶油田油污泥作為試驗(yàn)原料，將玉米秸稈與含油污泥混合制取成型燃料，以秸稈與油污泥摻混比例、馬弗爐爐溫以及成型燃料質(zhì)量為影響因素，通過(guò)等溫法研究其燃燒特性，以期為進(jìn)一步研究秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒性能良好的工藝參數(shù)范圍提供基本的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)原料為大慶市大同區(qū)種植的先玉335玉米秸稈及大慶市采油四廠勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的油污泥。

1.2儀器與設(shè)備SX2-4-10型馬弗爐、KSW-5-12型電爐溫度控制器、AR1140型電子天平、DGG-9030B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、游標(biāo)卡尺等。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1等溫燃燒試驗(yàn)方法。①在所制取的混合成型燃料中隨機(jī)量取0.5、1.0、1.5 g成型樣品，并放入已經(jīng)稱(chēng)好質(zhì)量的坩堝中等待使用。②當(dāng)爐內(nèi)溫度分別達(dá)到750、850和950 ℃時(shí)，將裝有樣品的坩堝依次通過(guò)馬弗爐，停留時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、1l0、130、150、180、240、300、360、600、900、1 200 s。③每次從馬弗爐中拿出裝有樣品的坩堝后，先在常溫下隔氧冷卻10 min，再通過(guò)干燥器冷卻至常溫并稱(chēng)取質(zhì)量。④繪制玉米秸稈與含油污泥混合制取成型燃料的燃燒失重曲線和燃燒速率曲線。

1.3.2單因素試驗(yàn)方法。①油泥添加比例對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響試驗(yàn)。以成型燃料粒徑、馬弗爐爐溫、成型燃料質(zhì)量為定量，混合成型燃料中油泥添加比例為變量，研究油泥添加比例對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響。含油污泥所占混合成型燃料中的比重依次為0、5%、10%、15%、20%，混合成型燃料的粒徑為3～5 mm，馬弗爐爐溫為850 ℃，混合成型燃料的質(zhì)量為1.0 g。②溫度對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響試驗(yàn)。以成型燃料粒徑、成型燃料質(zhì)量、油泥添加比例為定量，馬弗爐爐溫為變量，研究溫度對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響。馬弗爐爐內(nèi)溫度分別為750、850、950 ℃，混合成型燃料中玉米秸稈與含油污泥的比例為10∶1，混合成型燃料的粒徑為3～5 mm，混合成型燃料的質(zhì)量為1.0 g。③質(zhì)量對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響試驗(yàn)。以成型燃料粒徑、馬弗爐溫度、油泥添加比例為定量，成型燃料質(zhì)量為變量，研究質(zhì)量對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響。混合成型燃料的質(zhì)量分別為0.5、1.0、1.5 g，馬弗爐爐內(nèi)溫度為850 ℃，混合成型燃料中玉米秸稈與含油污泥的比重為10∶l，混合成型燃料的粒徑為3～5 mm。

2結(jié)果與分析

2.1油泥添加比例對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響

2.1.1燃燒過(guò)程分析。由圖1可知，混合成型燃料燃燒過(guò)程大致分為2個(gè)階段?；旌铣尚腿剂系目焖偃紵龝r(shí)間為0～360 s，燃盡時(shí)間為360～1 200 s。當(dāng)混合成型燃料中添加含油污泥時(shí)，其燃燒最大峰向前移動(dòng)，并且當(dāng)含油污泥所占比例增加時(shí)，其移動(dòng)越顯著；失重率也因含污泥的增加而提高，含油污泥所占比重越大，其失重率提高也越顯著；并且其燃盡時(shí)間也明顯縮短。主要原因是含油污泥所含的可燃物成分較其他生物質(zhì)多，因此含油污泥所占比重越大燃燒最大峰越向前移動(dòng)，所以，失重率也越高。

圖1　不同添加比例下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒失重曲線Fig.1　Adding different proportion of corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning weight loss curve

2.1.2燃燒速率。由圖2可以看出，當(dāng)混合成型燃料中加入含油污泥時(shí)，其燃燒速率明顯提高，并且含油污泥所占比重增加時(shí)，其燃燒速率提高越明顯。主要原因是含油污泥中所含有的揮發(fā)物成分較其他生物質(zhì)多，所以，可燃物成分所占的比重也較大。

圖2　不同添加比例下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒速率曲線Fig.2　Adding different proportion of corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning rate curve

圖3　不同溫度下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒失重曲線Fig.3　Corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning weight loss curve under different temperature

2.2溫度對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響 2.2.1燃燒過(guò)程分析。由圖3可以看出，混合成型燃料燃燒過(guò)程大致分為2個(gè)階段?；旌铣尚腿剂系目焖偃紵龝r(shí)間為0～360 s，燃盡時(shí)間為360～1 200 s。當(dāng)馬沸爐爐內(nèi)溫度升高時(shí)，混合成型燃料的燃燒最大峰明顯向前移動(dòng)，并且，燃燒越迅速，燃盡時(shí)間縮短越明顯，主要原因是當(dāng)爐內(nèi)溫度越高時(shí)，混合成型燃料的揮發(fā)分析出和燃燒速率均明顯加快。2.2.2燃燒速率。由圖4可以看出，當(dāng)馬弗爐爐內(nèi)溫度越高時(shí)，混合成型燃料的燃燒速率增加越明顯，重要原因是爐內(nèi)溫度越高，揮發(fā)分析出越迅速，所以可燃物的燃燒就越快完成。

圖4　不同溫度下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒速率曲線Fig.4　Corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning rate curve under different temperature

2.3質(zhì)量對(duì)混合成型燃料燃燒特性的影響

2.3.1燃燒過(guò)程分析。由圖5可以看出，混合成型燃料燃燒過(guò)程大致分為2個(gè)階段?；旌铣尚腿剂系目焖偃紵龝r(shí)間為0～360 s，燃盡時(shí)間為360～1 200 s。當(dāng)混合成型燃料質(zhì)量增加時(shí)，成型燃料的燃燒最大峰逐漸向前移動(dòng)，燃盡時(shí)間也明顯縮短，主要原因是在相同爐內(nèi)溫度下，混合成型燃料的質(zhì)量增大時(shí)，揮發(fā)分析出加快越顯著。

圖5　不同質(zhì)量下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒失重曲線Fig.5　Corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning weight loss curve under different quality

2.3.2燃燒速率。由圖6可以看出，當(dāng)混合成型燃料質(zhì)量增大時(shí)其燃燒速率也明顯增大，主要是因?yàn)橘|(zhì)量越大，在短時(shí)間內(nèi)揮發(fā)分就會(huì)迅速析出并燃燒。

3結(jié)論

(1)當(dāng)混合成型燃料中廢棄油泥所占比例增加時(shí)，混合成型燃料的燃燒最大峰明顯向前移動(dòng)，燃燒速率逐漸提高，燃盡時(shí)間也縮短。

(2)當(dāng)馬弗爐內(nèi)爐溫升高時(shí)，混合成型燃料的燃燒最大峰明顯向前移動(dòng)，且燃燒速率逐漸提高，燃盡時(shí)間也縮短。

(3)當(dāng)混合成型燃料質(zhì)量增加時(shí)，混合成型燃料的燃燒最大峰明顯向前移動(dòng)，且燃燒速率逐漸提高，燃盡時(shí)間也縮短。

圖6　不同質(zhì)量下玉米秸稈與含油污泥混合成型燃料燃燒速率曲線Fig.6　Corn straw and oily sludge mixed briquette fuel burning rate curve under different quality

由于該成型燃料引入了廢棄油泥，在成型燃料燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的氣體，因此需對(duì)此開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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Study on Combustion Characteristics of Mixed Molding Fuel with Sludge and Corn Stalk

SUN Wen-yang, WANG Li-ming*, MA Yan-ru et al

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing, Heilongjiang 163319)

Abstract[Objective] The aim was to improve the utilization efficiency of biomass energy and explore influencing factors of molding fuel. [Method] With waste corn stalk and sludge from Daqing Oil Field as test materials, sludge addition ratio, combustion temperature, molding fuel quality size as influencing factors, burning in the muffle furnace by isothermal method, the combustion performance was measured. [Result] The results were as follow: with the increase of the proportion of corn stalk in biomass molding fuel, weight loss rate and the maximum combustion rate was significantly reduced. With the temperature of the muffle furnace increases, the burning rate and weight loss rate were significantly improved. With the quality of molding fuel increases, the burning rate and the maximum weight loss rate increased significantly. [Conclusion] The study provides basic theoretical reference for further research on the process parameter range of the combustion performance of the mixture of straw and oily sludge.

Key wordsMolding fuel; Sludge; Corn stalk; Combustion characteristics

基金項(xiàng)目2011黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511357)；校啟(B2008-14)。

作者簡(jiǎn)介孫文楊 (1991-)，男，黑龍江肇州人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能源可再生利用。*通訊作者，教授，從事生物質(zhì)技術(shù)與裝備教學(xué)與研究工作。

收稿日期2016-03-25

中圖分類(lèi)號(hào)S 216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)11-073-02