乌拉圭低热值油页岩的自持闷烧过程：操作参数与生物质添加的影响

《Fuel》：Self-sustained smouldering of low-calorific Uruguayan oil shales: influence of operational parameters and biomass addition

本研究评估了慢燃烧技术对乌拉圭低热值油页岩的适用性，通过固定床反应器测试发现空气流速需≥3 cm/s，颗粒尺寸1.2-1.6 mm，并验证添加50%桉木生物质可使气体热值提升至4.4 MJ/Nm3，实现净能源增益25%，残渣含铁、石英等资源化成分

　　在当今全球能源需求不断增长的背景下，寻找可持续、经济可行且环境友好的替代能源资源成为各国关注的重点。油页岩作为一种富含有机质的沉积岩，其在多个国家的能源体系中扮演着重要角色。然而，由于其热值较低，传统燃烧技术难以有效利用。在这一前提下，本研究探讨了烟熏燃烧（Smouldering Combustion）作为一种替代能源转换方法，用于将乌拉圭的油页岩资源转化为具有高热值的气体燃料，同时评估其在能源回收中的可行性。

乌拉圭的油页岩资源主要集中在Mangrullo地层，其储量估计为约277百万桶的油当量。根据行业标准的换算系数，这一储量相当于约37,700千吨的可回收油量。尽管这一储量在世界范围内并不突出，但在南美洲地区具有重要意义，可以支持国内规模的生产多年。相比之下，中国和爱沙尼亚的年油页岩产量分别为约355千吨和197千吨，而巴西则以约197千吨的年产量位居其次。基于这些数据，乌拉圭的油页岩资源若能实现有效利用，理论上可以维持与巴西相当的生产水平超过一个世纪。然而，目前乌拉圭尚未启动商业化的油页岩开发，因此需要进一步评估其技术、经济和环境可行性，并探索适合本国国情的适宜技术。

在之前的实验研究中，本研究团队发现油页岩样品中有机质含量较高的样本，其高位热值（HHV）仍然较低，低于3.2 MJ/kg。这主要是由于其有机质含量不足（低于24 wt%），导致传统燃烧技术难以实现高效利用。然而，油页岩在烟熏燃烧方面展现出巨大的潜力。烟熏燃烧是一种缓慢且无火焰的燃烧过程，其温度低于传统火焰燃烧。这一特性使得烟熏燃烧在处理含有机质的固态材料时具有独特的优势，既能实现污染物的去除，又能生成有价值的产物。此外，烟熏燃烧对低热值燃料同样有效，甚至在无需外部能源输入的情况下也能维持自持燃烧。

因此，本研究团队对烟熏燃烧技术在油页岩转化中的应用产生了浓厚兴趣。为了进一步验证这一技术的可行性，本研究在实验室规模的烟熏燃烧反应器中进行了一系列实验，旨在评估烟熏燃烧在油页岩转化为高热值气体燃料方面的潜力。实验的主要目标包括：（1）分析烟熏过程中产生的气体的组成及其高位热值；（2）确定维持自持燃烧所需的最小空气流量和颗粒尺寸；（3）评估添加生物质废弃物（如桉树木材）对烟熏过程中气体组成的影响力；（4）分析烟熏后残留的油页岩灰烬（OSA）的组成，并探索其潜在应用。

实验设计考虑了空气流量、颗粒尺寸以及生物质添加等因素对烟熏燃烧过程的影响。在初始实验中，研究团队使用了不同范围的空气流量（12、6、3和1.5 cm/s），并结合颗粒尺寸为0.8–1.2 mm的油页岩样品，以确定烟熏燃烧的最小空气流量阈值。实验结果表明，当使用颗粒尺寸为1.2–1.6 mm的油页岩样品时，最低空气流量需达到3 cm/s才能实现自持燃烧。这一发现为后续实验提供了重要的指导，同时也揭示了空气流量对烟熏燃烧过程的关键作用。

在实验过程中，研究团队还评估了不同颗粒尺寸对烟熏燃烧的影响。结果表明，颗粒尺寸的下限为0.8–1.2 mm，这表明在这一尺寸范围内，烟熏燃烧过程最为稳定。同时，添加50 wt%的生物质废弃物（如桉树木材）显著提高了烟熏过程中生成的气体的热值，从3.0 MJ/Nm3提升至4.4 MJ/Nm3。这一变化不仅增强了烟熏燃烧的能源效率，还表明生物质废弃物可以作为有效的补充燃料，以提高油页岩的利用价值。

研究团队还对烟熏后产生的残留灰烬进行了X射线衍射和荧光分析，以识别其中的结晶相和金属成分。分析结果表明，残留灰烬中含有铁、石英、云母和沸石等物质，这些成分表明油页岩在烟熏过程中不仅能够生成高热值气体，还能产生具有潜在应用价值的矿物资源。因此，烟熏燃烧不仅是一种能源转换方法，还可能为资源回收和材料利用提供新的途径。

此外，研究团队还对烟熏燃烧的净能量平衡进行了分析。结果显示，随着生物质废弃物的增加，烟熏燃烧的净能量收益从负值转变为正值，且在实验规模下，净能量收益可达到25%的相对比例。这一发现表明，生物质废弃物的添加不仅能够提高烟熏燃烧的效率，还能显著改善整个过程的能源平衡。因此，烟熏燃烧在油页岩资源利用方面具有显著的经济和环境优势。

为了确保实验的准确性和可重复性，研究团队采用了严格的实验方法和数据记录流程。实验过程中，所有样品均经过充分的预处理，以确保其均匀性和代表性。空气流量和颗粒尺寸的控制则通过精确的实验设备和操作规程实现，以确保实验条件的一致性。生物质废弃物的添加比例也经过多次实验验证，以确定其对烟熏燃烧过程的最优影响。

在实验结果的分析过程中，研究团队采用了多种方法，包括近似分析、元素分析和高位热值分析，以全面评估油页岩的物理和化学特性。这些分析结果为烟熏燃烧过程的优化提供了重要依据。同时，残留灰烬的分析进一步揭示了油页岩在烟熏过程中的转化路径和产物组成，为资源回收和材料利用提供了新的视角。

综上所述，本研究通过实验验证了烟熏燃烧技术在油页岩资源利用中的可行性。实验结果表明，烟熏燃烧不仅能够有效处理低热值油页岩，还能通过添加生物质废弃物显著提高气体的热值和能源效率。此外，烟熏燃烧过程中产生的残留灰烬具有潜在的资源利用价值，表明该技术在能源回收和材料利用方面具有广阔的应用前景。因此，烟熏燃烧作为一种替代能源转换方法，为乌拉圭油页岩资源的可持续利用提供了新的思路和解决方案。