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类型化学工程与工艺专业-毕业论文终稿-油泥微波热解特性及其产物组成分析-中石油北京.doc

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    1、 中国石油大学(北京)现代远程教育毕 业 设 计(论文)油泥微波热解特性及其产物组成分析姓 名: 学 号: 性 别: 专 业: 化学工程与工艺 年 级: 学习中心: 指导教师: 2022年2月28日中国石油大学(北京)现代远程教育毕业设计(论文)油泥微波热解特性及其产物组成分析摘 要油泥的成分复杂、危害大,但同时又蕴含大量的可利用资源,对其进行热解处理、实现资源化利用代表了油泥处置的发展方向,也是目前国内外油泥处理研究的热点。利用微波技术对油泥进行热解促进了油泥的资源化利用。本文以油泥微波热解特性及其产物组成分析为课题,通过文献资料法和实验法对油泥微波热解技术进行研究,分析油泥的性质以及处理方

    2、法,分析油泥微波处理技术并进行实验了解热解特性;分析油泥微波热解产物分布特性。最后得出结论:不同的热解时间和功率下,三相产物的产率和成分不同。热解温度控制在9分钟,功率控制在700W时,热解的效果最佳,产物的回收率最高。通过本文了解了油泥微波热解的特性和产物,有助于更加的推动油泥的资源化利用。关键词:油泥;微波热解;三相产物产率ii目 录第一章 前 言11.1 研究背景11.2 油泥性质及处理方法11.2.1 油泥性质11.2.2 油泥处理方法21.3 油泥微波处理技术及研究现状31.3.1 微波加热原理及特点31.3.2 油泥微波热解的研究现状3第二章 油泥微波热解过程特性实验研究52.1

    3、油泥热解机理52.2 油泥热解的过程特性52.2.1 三相产率和物料温度变化62.2.2 热解气产出过程变化62.2.3 热解油产出过程分析72.2.4 热解残渣产出过程变化8第三章 油泥微波热解产物分布特性103.1 三相产物产率103.2 热解气成分分析113.3 热解油成分分析123.4 热解碳成分分析13第四章 结 论16参考文献17致 谢18第一章 前 言1.1 研究背景在社会和经济的发展过程中,石油发挥着很重要的作用,是重要的能源,也是众多化学工业品的原料。全球对石油的需求都很大,对石油的开采力度不断加大,在石油开采、油气运输、炼油过程中不可避免的产生油泥。油泥的成分比较复杂,有毒

    4、性并且有恶臭,直接排放会污染环境和水质。而且油泥如果不经处理直接排放,收取的费用也非常高,会大大增加企业的支出成本1。油泥虽然会对环境有污染,但油泥中含有一定数量的原油以及可回收的资源,有很大的价值。通过对油泥进行热解,减低油泥的污染性和危险性,能够促进油泥的资源化利用,带来环境效益和经济效益。目前,利用微波技术对油泥进行热解促进油泥的资源化利用是研究和发展的趋势,具有一定的研究价值。为此,本文展开了对油泥微波热解技术的研究,分析热解特性与产物。1.2 油泥性质及处理方法1.2.1 油泥性质油泥是偏棕黑色的固体废弃物,比较粘稠,流动性差。油泥主要来自于:(1)石油管道的底部或是油罐;(2)在石

    5、油开采过程中产生的;(3)炼油厂炼制石油过程中产生的。油泥中含有大量的重金属物质、放射性物质、有机污染物等。埋入土中会破坏土壤的结构,破坏土壤;流入河流会造成水污染,影响水质;产生的刺激性气味会对人体造成伤害,油泥属于危险类废物。1.2.2 油泥处理方法在我国,对油泥的处理有很多种,以下是常用的几种处理方法。(1) 简单处置简单处理包括填埋法和焚烧法。填埋法就是将油泥进行密封后直接埋到地下,这种方法成本比较低,容易操作。各个国家在工业发展的早期会采用这种方法处理油泥,但随着石油需求的增多,产生的油泥也大幅度增加,加上这种方法并没有从根本上解决油泥的污染问题,一旦发生泄漏,就是再次造成污染,在很

    6、多国家都是禁止采用的。焚烧法就是将油泥放入焚烧炉中进行燃烧,在这个过程中有毒物质被降解,重金属得到固化。这种方法操作简单,成本较低,但不适合规模处理,并且排放物要达到排放标准才可以2。(2) 生物法这种方法就是利用微生物将油泥中的大分子物质进行分解,主要有三种方式。土地处理法就是利用土壤中的微生物对油泥中的有机物进行降解,最后转化为水、二氧化碳等,增加土壤的营养。这种方法需要的周期非常长,为了缩短降解的周期,需要控制好土壤的PH值、温度等。这种方法的优点在于利用微生物进行自然降解,成本低,缺点在于降解时间长,对温度要求高。堆肥处理法就是将秸秆、稻草等与油泥进行混合,在高温湿润的条件下进行发酵和

    7、分解。这种方法更加高效,分解效果好。孙正贵用不同性质的菌种相结合的方法来处理含油污泥,发现两种菌种具有协同作用,添加以后石油中烃类降解率大大提高。生物反应器就是在一定的温度、湿度等条件下对微生物进行培养,然后加入油泥进行降解,这种方法在一定程度上加快了反应速度,提高了回收效率,可与其他方法相结合实施。生物法能够处理多种类型的污泥,比较经济环保,但处理的周期比较长,而且可能会造成二次污染。(3) 萃取法选取与油泥性质相似的萃取剂,根据相似相容的原理,进行混合和震荡,让其充分融合,分离出原油,然后根据不同的沸点,进行蒸馏分离出不同的物质。这种方法比较简单,而且对油泥的处理比较彻底,回收率高,但萃取

    8、剂价格比较高,处理时间比较长,难以大范围推广。1.3 油泥微波处理技术及研究现状1.3.1 微波加热原理及特点微波加热就是在微波环境下,在微波的作用下吸波的介质吸收微波,并将其转化为自身能量,然后导致温度升高的过程。微波加热具有即时性,一旦放在微波环境下就会被加热;加热比较均匀,能够根据吸波介质的强弱有选择性的进行加热;微波加热的过程不会产生污染,而且转化效率比较高。由于微波技术有上述优点,在加热、杀菌等方面应用很广。近年来,不少专家开始将微波加热技术用于油泥处理,提高资源化3。1.3.2 油泥微波热解的研究现状油泥中有油、水、残渣等,其中油中含有大量的烃类物质,在高温的作用下会发生链断裂、增

    9、长等一系列化学变化,主要是缩合反应和裂解反应。油泥热解技术就是利用裂解反应,回收烃类物质,但当温度过高时,会发生缩合反应,因此要控制好温度,保证热解的效果。在微波热解方面,潘志娟对常规加热和微波加热进行比较,发现微波热解后生成的气体质量更好,液油品质更高,热解效率更高。在吸波剂方面,潘志娟等发现,加入吸波剂进行热解会加快升温速度,加大热解程度,生成更多的气体。在微波热解产物方面,王万福等发现经过热解后的油品质比较高,而且热解过程中产生的二氧化碳能促进一些气体的挥发,减少污染4。对于微波热解技术,作为处理油泥的重要方法,已经引起广泛的研究,它能够均匀加热,环保高效,提高回收品质,是发展的趋势。1

    10、8第二章 油泥微波热解过程特性实验研究 对于油泥热解技术,多数文献是分析热解产物及其分布上,但油泥热解的动态变化也非常重要。本章主要分析油泥的热解产物在不同时间下的变化。2.1 油泥热解机理在热解的过程中,会同时发生很多的反应和转化,大分子的烷烃会分解为小分子的烷烃。烷烃热解的主要反应为:碳碳键发生断裂,大分子的烷烃断裂生成小分子的烯烃和烷烃,反应式:R-CH2CH2-RR-CH=CH2+RH碳氢键发生断裂,生成氢气和小分子烯烃,反应式:R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH=CH2+H2分子量越大,碳氢键和碳碳键的稳定性越差,越容易发生裂解。而环烷烃中的苯环分子结构比较稳定,在高温下侧链

    11、会先发生断裂,生成小分子的烷烃和烯烃。烃类进行热解的机理:对油泥进行热解,主要是处理油泥中高分子物质,也就是烃类发生链反应。如上面提到的,碳碳键以及碳氢键进行断裂和延长,自由基进行移动和组合,当结合成稳定的分子后,链反应就停止了。随着反应的继续进行,反应温度不断升高,裂解和缩合同时进行,小分子的产物会进一步发生缩合反应,生成芳香烃等,这就会降低油的产出,影响反应进程。为此,控制好反应的温度,保证气体流速,减少缩合反应的发生5。2.2 油泥热解的过程特性2.2.1 三相产率和物料温度变化根据热解的过程,对不同阶段的三相产物产率和温度进行分析,具体见图2-1,2-2。图2-1 不同阶段下三相产物产

    12、率 图2-2 不同功率下温度变化当微波照射时间从5分钟延长到15分钟时,固相产物的产率开始降低。当时间延长到20min时,碳的产率开始降低。主要是因为随着热解时间的延长,吸收的微波增多,热解比较充分,产物也随之增加。当热解时间从10分钟到15分钟的时候,液体产量下降,气体产量增加,这是因为这个阶段发生了二次反应。根据图2-2能够看出,在前3分钟主要是水分进行蒸发的过程,在3-6分钟是一些轻质组分开始进行蒸发,在6-9分钟开始产物开始进行热解,9-15分钟后,其他剩余的有机物开始热解以及发生热解反应。随着时间的延长,升温速度减慢,残渣中的含油量不断减少,这说明油分子发生了挥发。2.2.2 热解气

    13、产出过程变化热解气随着时间的变化,成分也会发生变化,每隔三分钟对产生的气体进行收集和分析。具体见图2-3,2-4。图2-3 热解气组分比例 图2-4 各组分随时间的变化热解主要有物质蒸发、微波热解和微波锻造三个阶段。从图2-3可以看出,从物质蒸发到微波热解这个阶段,碳和氢的含量不断增多,这是由于大分子物质吸收越来越多的微波能,发生了断裂,生成了很多小分子物质。在12分钟后,热解气的产量开始下降,说明进入了微波锻造阶段,一氧化碳和二氧化碳的含量增加。根据以上分析,热解在不同阶段的产物是不同的,在热解过程中产生的气体能够作为可燃气使用,如果直接排放,不仅污染环境,也会造成资源浪费,因此进行回收非常

    14、有必要6。2.2.3 热解油产出过程分析对液体产物进行静置后,发生了分层。上层呈现棕黑色,下层呈现浅黄色,并且有刺激性气味。见图2-5。图2-5 液体产物实物对液体的成分进行分析发现,含有很多的物质,主要是烃类物质。根据加热时间的不同,产生的烃类物质也不同,因此可以通过调整时间得到想要的产物。在热解的前半段,主要是生成轻质油,随着温度的不断升高,轻质油发生缩合反应,柴油的产量开始上升。具体变化见图2-6。图2-6 不同时间下热解油成分的含量2.2.4 热解残渣产出过程变化油泥在经过微波热解后,发生了炭化,生成了颗粒状的焦炭,这种焦炭挥发性低、灰分高。对不同热解时间下的焦炭进行分析,发现碳元素的

    15、含量最高,氢元素的含量随着时间的增加而降低。具体见表2-1。表2-1 不同时间收集到的固体残渣的分析热解碳工业分析元素分析时间段灰分挥发分固定碳水分碳氢氮04.6510.7616.5871.3145.3110.32.20-512.243.4584.310.4548.314.330.625-1012.971.1385.890.1053.351.470.4210-1513.270.8285.880.0656.350.420.39根据表2-1,随着热解时间的增长,固体残渣中的水分和挥发分比例大幅度下降,灰分和固定碳的比例不断上升。在热解5分钟内,水分大幅度降低这主要是因为水是强吸波介质,能在短时间内吸收微波产生大量热量,然后进行蒸发。挥发分大幅度下降是因为挥发性物质的沸点低,在微波下温度升高,挥发性物质析出。碳元素的比例上升,氢元素的比例下降主要是由于大分子链发生断裂,分解成小分子物质和气体,油气被载气

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