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

(黑龍江八一農墾大學工程學院，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

(黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319)

摘要[目的]提高生物質能源的可再生效率，探究混合成型燃料燃燒的影響因素。[方法]選取黑龍江省常見的廢棄玉米秸稈和大慶油田落地廢棄油泥為試驗原材料，以油泥添加比例、燃燒溫度、成型燃料質量的大小為影響因素，采用等溫法在馬弗爐中燃燒，測其燃燒性能。[結果]當混合成型燃料中玉米秸稈所占比重增大時，其失重率、燃燒速率明顯降低；當馬弗爐爐內溫度升高時，其失重率、燃燒速率明顯提高；當混合成型燃料質量增加時，其失重率、燃燒速率也顯著提高。[結論]該研究可為進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范圍提供基本的理論依據。

關鍵詞成型燃料；油污泥；玉米秸稈；燃燒特性

面對化石能源緊缺和環境污染嚴重的狀況[1]，生物質能成為第四大消費能源[2]，它以資源豐富、生態環境友好、可再生的優點，成為能源和環境領域研究的新熱點[2-3]。我國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t，玉米秸稈占其中的主要成分，為374.1萬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度浪費，還增加了環境污染問題，所以，如何合理利用秸稈資源已成為亟待解決的問題。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]。傳統制取成型燃料多采用單一原料，而對于以混合原料制取成型燃料的研究僅局限于在生物質原料中引入城市污水、污泥或在煤中引入生物質原料。石油在煉制、存儲、運輸、開采和勘探過程中會產生廢棄資源[6-9]，目前大慶油田的落地油泥產量已經達到1.43×105 m3[10-11]，并且逐年升高，但目前還沒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常見的玉米秸稈與大慶油田油污泥作為試驗原料，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量為影響因素，通過等溫法研究其燃燒特性，以期為進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范圍提供基本的理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料試驗原料為大慶市大同區種植的先玉335玉米秸稈及大慶市采油四廠勘探開發產生的油污泥。

1.2儀器與設備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型電熱恒溫鼓風干燥箱、游標卡尺等。

1.3試驗方法

1.3.1等溫燃燒試驗方法。①在所制取的混合成型燃料中隨機量取0.5、1.0、1.5 g成型樣品，并放入已經稱好質量的坩堝中等待使用。②當爐內溫度分別達到750、850和950 ℃時，將裝有樣品的坩堝依次通過馬弗爐，停留時間分別為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，再通過干燥器冷卻至常溫并稱取質量。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單因素試驗方法。①油泥添加比例對混合成型燃料燃燒特性的影響試驗。以成型燃料粒徑、馬弗爐爐溫、成型燃料質量為定量，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 ℃，混合成型燃料的質量為1.0 g。②溫度對混合成型燃料燃燒特性的影響試驗。以成型燃料粒徑、成型燃料質量、油泥添加比例為定量，馬弗爐爐溫為變量，研究溫度對混合成型燃料燃燒特性的影響。馬弗爐爐內溫度分別為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，混合成型燃料的質量為1.0 g。③質量對混合成型燃料燃燒特性的影響試驗。以成型燃料粒徑、馬弗爐溫度、油泥添加比例為定量，成型燃料質量為變量，研究質量對混合成型燃料燃燒特性的影響?；旌铣尚腿剂系馁|量分別為0.5、1.0、1.5 g，馬弗爐爐內溫度為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結果與分析

2.1油泥添加比例對混合成型燃料燃燒特性的影響

2.1.1燃燒過程分析。由圖1可知，混合成型燃料燃燒過程大致分為2個階段。混合成型燃料的快速燃燒時間為0～360 s，燃盡時間為360～1 200 s。當混合成型燃料中添加含油污泥時，其燃燒最大峰向前移動，并且當含油污泥所占比例增加時，其移動越顯著；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多，因此含油污泥所占比重越大燃燒最大峰越向前移動，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，當混合成型燃料中加入含油污泥時，其燃燒速率明顯提高，并且含油污泥所占比重增加時，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物成分較其他生物質多，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溫度對混合成型燃料燃燒特性的影響 2.2.1燃燒過程分析。由圖3可以看出，混合成型燃料燃燒過程大致分為2個階段。混合成型燃料的快速燃燒時間為0～360 s，燃盡時間為360～1 200 s。當馬沸爐爐內溫度升高時，混合成型燃料的燃燒最大峰明顯向前移動，并且，燃燒越迅速，燃盡時間縮短越明顯，主要原因是當爐內溫度越高時，混合成型燃料的揮發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，當馬弗爐爐內溫度越高時，混合成型燃料的燃燒速率增加越明顯，重要原因是爐內溫度越高，揮發分析出越迅速，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質量對混合成型燃料燃燒特性的影響

2.3.1燃燒過程分析。由圖5可以看出，混合成型燃料燃燒過程大致分為2個階段。混合成型燃料的快速燃燒時間為0～360 s，燃盡時間為360～1 200 s。當混合成型燃料質量增加時，成型燃料的燃燒最大峰逐漸向前移動，燃盡時間也明顯縮短，主要原因是在相同爐內溫度下，混合成型燃料的質量增大時，揮發分析出加快越顯著。

圖5　不同質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，當混合成型燃料質量增大時其燃燒速率也明顯增大，主要是因為質量越大，在短時間內揮發分就會迅速析出并燃燒。

3結論

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

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

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

圖6　不同質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，在成型燃料燃燒過程中會產生對環境有害的氣體，因此需對此開展進一步研究。

參考文獻

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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

基金項目2011黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12511357)；校啟(B2008-14)。

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

收稿日期2016-03-25

中圖分類號S 216

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-073-02