石油焦燃燒特性研究

1、第36卷第4期2005年7月鍋爐技術(shù)BOIL ER TECHNOLO GYVol.36,No.4J ul.,2005 收稿日期:20040605作者簡介:王文選(1973,男,清華大學(xué)熱能工程系博士后,主要從事潔凈燃料燃燒及固體廢物回收利用。文章編號(hào):CN311508(200504003904石油焦燃燒特性研究王文選1,趙石鐵1,趙長遂2,岳光溪1(1.清華大學(xué)熱能工程系,北京100084;2.東南大學(xué)熱能工程研究所,江蘇南京210096關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床;煤粉鍋爐;石油焦;煤;混燒摘要:石油焦是煉油工藝的副產(chǎn)品,具有低灰分和一定揮發(fā)分及高熱值的特性,還含有相當(dāng)多的硫、氮元素和釩、鎳等堿金屬元

2、素,這些成分在石油焦燃燒時(shí)會(huì)造成鍋爐內(nèi)腐蝕和污染。在石油焦的利用上,通過燃燒回收熱量仍然是主要途徑。分別在220t/h 煤粉鍋爐上和熱輸入率為0.5MW 的循環(huán)流化床熱態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了石油焦與煤的摻燒實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比,認(rèn)為利用循環(huán)流化床技術(shù)將石油焦與煤混燒是一種高效、清潔利用石油焦的有效方法。中圖分類號(hào):TQ 038.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1前言石油焦是煉油工藝的副產(chǎn)品,具有低灰分和揮發(fā)分,高熱值的特性。成分中含有相當(dāng)多的硫、氮元素和釩、鎳等堿金屬元素。隨著世界原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化和原油深度加工的進(jìn)展,石油焦產(chǎn)量不斷上升。石油焦中硫的含量決定了石油焦的最終用途。硫含量2%的石油焦通常用于生產(chǎn)

3、電極;一些硫含量在2%3%之間的石油焦可與低硫混合,亦用于生產(chǎn)電極;硫含量在2%5%之間的石油焦通常被認(rèn)為是燃料級(jí)的石油焦。由于大多數(shù)的石油焦都是高硫石油焦,所以在石油焦的利用上,通過燃燒回收熱量依然是主導(dǎo)方向1。鑒于此,本文分別在煤粉爐和循環(huán)流化床上對(duì)石油焦的燃燒特性進(jìn)行了研究。2220t /h 煤粉鍋爐實(shí)驗(yàn)結(jié)果煤粉鍋爐摻燒石油焦實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)220t/h 商用煤粉鍋爐上進(jìn)行的。2.1燃料摻焦量對(duì)燃燒效率的影響入爐煤中摻入20%以內(nèi)石油焦后著火未見明顯推遲,爐內(nèi)燃燒比較穩(wěn)定。燃燒摻焦量對(duì)鍋爐飛灰含碳量和燃燒效率的影響曲線分別如圖(12所示。從圖中看出,飛灰含碳量和燃燒效率對(duì)燃料摻焦量很敏感。隨

4、著燃燒摻焦量增多,飛灰含碳量增多,燃燒效率降低。當(dāng)摻焦量從0增大到18.6%時(shí),飛灰含碳量由3.17%增大到7.76%;燃燒效率降低了0.66%。2.2焦煤比對(duì)結(jié)焦的影響對(duì)爐膛內(nèi)溫度測量和爐內(nèi)結(jié)焦情況的觀測表圖1摻焦量對(duì)飛灰含碳量影響圖2摻焦量對(duì)燃燒效率影響鍋爐技術(shù)第36卷明,在燃用純煙煤和摻11%石油焦的混合燃料時(shí),爐膛內(nèi)溫度比較均勻,基本沒有出現(xiàn)超過1450的局部高溫區(qū),爐膛水冷壁和一次風(fēng)口上均沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)焦掛渣情況。燃料出噴口后著火比較及時(shí),燃燒比較穩(wěn)定。當(dāng)石油焦的摻混比提高到18.6%和19.3%后,發(fā)現(xiàn)在燃燒器高度達(dá)3m的區(qū)域內(nèi)水冷壁上均掛渣,比較嚴(yán)重處相鄰水冷壁管上的渣相互連接

5、成片。從爐膛左側(cè)下排著火孔和右側(cè)下排著火孔均測到14651470的高溫區(qū),在1號(hào)角旁左側(cè)墻上、4號(hào)角旁后墻上和3號(hào)角上一次風(fēng)噴口均發(fā)現(xiàn)有焦塊,其中以1號(hào)角旁左側(cè)墻水冷壁上焦塊最大。這種焦塊疏松比重小,很容易打掉。調(diào)整相關(guān)二次風(fēng)口風(fēng)量,可使結(jié)焦區(qū)附近的煙溫下降,使結(jié)焦現(xiàn)象有所減輕。3循環(huán)流化床鍋爐摻燒石油焦實(shí)驗(yàn)研究3.1燃料特性本實(shí)驗(yàn)所選用的燃料為金陵石化熱電廠所有的煤和石油焦。燃料的元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可看出,石油焦是富含碳的燃料,碳含量高達(dá)87.01%,低位發(fā)熱量為33.85MJ/kg;灰分很少;與煤相比,硫、氮的含量較高。燃料的粒度分析結(jié)果如表2所示,煤的平均粒徑約為2

6、.508mm,石油焦的平均粒徑約為1.413mm。石油焦與煤相比,粒徑偏細(xì),這是由于石油焦常溫可磨系數(shù)(哈德格羅夫硬度指標(biāo)約為73.6,屬易破碎和磨細(xì)燃料。燃料越細(xì),在燃燒過程中,更應(yīng)控制運(yùn)行參數(shù),防止機(jī)械不完全燃燒熱損失。表1燃料的元素分析和工業(yè)分析燃料工業(yè)分析(收到基/%元素分析(收到基/%發(fā)熱量(收到基/MJkg-1 M A ar V ar FC C ar H ar O ar N ar S ar Q net,ar煤石油焦6.12.421.020.6323.6113.5349.2783.4458. 9887.012.93.689.392.220.862.180.761.8822.4233.

7、85表2燃料的粒度分析mm燃料各粒徑重量份額/%<150.3150.630.631.25 1.252.5 2.5556>6平均粒徑煤石油焦19.9203.64.713.71914.921.67.310.420.915.92.5081.4133.2實(shí)驗(yàn)裝置2實(shí)驗(yàn)裝置為一循環(huán)流化床熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái),流程圖如圖3所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由啟動(dòng)燃燒室、風(fēng)室、布風(fēng)板、爐膛、后燃室、高溫旋風(fēng)分離器、料腿、循環(huán)物料測量儀、返料器、煙氣冷卻裝置、旋風(fēng)式除塵器、引風(fēng)機(jī)等組成;配備有完整的壓力、溫度和流量測量裝置;預(yù)留有固體和煙氣取樣口,在實(shí)驗(yàn)過程中,能實(shí)時(shí)地進(jìn)行固體和煙氣取樣

8、3。此實(shí)驗(yàn)臺(tái)熱輸入功率為0.5MW,爐膛密相區(qū)內(nèi)徑為300mm,內(nèi)敷有50mm厚的耐磨材料,稀相區(qū)內(nèi)徑為400mm,爐膛總高12m。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析4.1摻焦量對(duì)溫度場的影響圖4為燃料摻焦量對(duì)溫度場的影響曲線圖。由圖可知,當(dāng)純焦燃燒時(shí),密、稀相區(qū)的溫差最大。燃料煤焦比由11變?yōu)?1時(shí),爐內(nèi)溫度場趨于均勻,爐內(nèi)上、下溫差變小。這與石油焦灰分低、熱值高的燃料特性有關(guān),另外石油焦的12羅茲風(fēng)機(jī);22油泵;32空氣壓縮機(jī);42啟動(dòng)燃燒室;52排渣管;62風(fēng)室;72布風(fēng)板;82螺旋給料器;92料斗;102下料管;112爐膛;122進(jìn)水聯(lián)箱;132出水聯(lián)箱;142后燃系統(tǒng);152水夾套受熱面;162旋風(fēng)分

9、離器;172循環(huán)物料測量儀;182返料器;192水冷卻系統(tǒng);202風(fēng)冷卻系統(tǒng);212旋風(fēng)除塵器;222引風(fēng)機(jī);232煙囪;242水池;252水泵;T1 T20:溫度測點(diǎn),p1p18:壓力測點(diǎn),M1M7:固體和氣體取樣點(diǎn)圖3CFBC熱態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖04第4期王文選,等: 石油焦燃燒特性研究圖4焦煤比對(duì)溫度場的影響粒徑比煤要小。以純焦為燃料,物料循環(huán)量比較少,密相區(qū)熱量無法通過高濃度循環(huán)物料帶入稀相區(qū)。當(dāng)石油焦與煤混合燃燒時(shí),在保證一定的循環(huán)量下,隨著燃料中石油焦的含量增多,密相區(qū)的燃燒份額減少,稀相區(qū)的燃燒份額增多,從而縮小了彼此的溫度差異。4.2摻焦量對(duì)燃燒效率的影響4燃料摻焦量對(duì)鍋爐飛灰含

10、碳量和燃燒效率的影響曲線分別如圖(56所示。從圖中可看出,循環(huán)流化床燃燒石油焦時(shí), 飛灰含碳量和燃圖5摻焦量對(duì)飛灰含碳量影響圖6摻焦量對(duì)燃燒效率影響燒效率并不是單純隨摻焦量增大而降低,而與燃料特性、運(yùn)行參數(shù)等有密切關(guān)系。這與煤粉爐有很大不同,煤粉爐的燃燒效率對(duì)摻焦量很敏感,當(dāng)焦煤比>28時(shí),燃燒效率降低很多。從圖中還可看出,燃燒純焦的飛灰含碳量很高,但計(jì)算的燃燒效率并不是很低,這與石油焦是低灰分燃料,在相同Ca/S摩爾比下,加上添加的石灰石反應(yīng)產(chǎn)物的量,其灰分也很少有關(guān)。4.3摻焦量對(duì)污染物排放的影響本部分所有的污染物排放濃度均對(duì)旋風(fēng)分離器出口處煙氣而言。4.3.1摻焦量對(duì)SO2排放濃度

11、的影響摻焦量對(duì)SO2排放濃度的影響如圖7所示 。圖7摻焦量對(duì)SO2排放濃度的影響純焦的SO2排放濃度高于混合燃料。這與燃料特性和其燃燒時(shí)的溫度場有關(guān)。由于石油焦的硫含量大于煤,所以純焦的硫含量大于混合燃料,燃燒生成的SO2量也會(huì)相應(yīng)增多。另外純焦燃燒時(shí),溫度場分布不均勻,密相區(qū)溫度平均在1000左右,而稀相區(qū)溫度在750左右,這些溫度都不是最佳的脫硫溫度。因此,石油焦與煤混燒對(duì)控制SO2排放是有利的。4.3.2摻焦量對(duì)NO排放濃度的影響56摻焦量對(duì)NO排放濃度的影響曲線如圖8所示?？梢钥闯?對(duì)純焦燃燒,其NO排放濃度要遠(yuǎn)高于混合燃料;對(duì)于混合燃料而言,摻焦量為75%的NO排放濃度要低于摻焦量為

12、50%的 。圖8摻焦量對(duì)NO排放濃度的影響14鍋爐技術(shù)第36卷這是由于當(dāng)焦煤比增大時(shí),燃料中碳含量增多,有更多細(xì)碳粒進(jìn)入稀相空間,通過下列反應(yīng)過程,可對(duì)NO 進(jìn)行分解:C +2NO CO 2+N 2(1C +NO CO +1/2N 2(2當(dāng)運(yùn)行溫度在850950時(shí),這種分解反應(yīng)極為迅速,有利于降低NO 的排放量。從前面溫度場分布可看出,純焦燃燒時(shí),密、稀相區(qū)的溫度差很大,密相區(qū)溫度平均在1000左右,而稀相區(qū)溫度在750左右。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐,NO 主要產(chǎn)生于密相區(qū)域,隨后雖然揮發(fā)分和焦炭燃燒也產(chǎn)生了一定的NO ,但焦炭等物質(zhì)對(duì)NO 的還原分解起主要作用。因此,純焦在密相區(qū)由于高溫產(chǎn)生了大量

13、的NO ,而稀相區(qū)的較低溫度又對(duì)還原分解速率起到了減緩的作用。因而,較其它混合燃料而言,其NO 排放濃度高得多。4.3.3摻焦量對(duì)N 2O 排放濃度的影響6摻焦量對(duì)N 2O 排放濃度的影響曲線如圖9所示。由圖可看出,對(duì)純焦燃燒,其N 2O 排放濃度要低于混合燃料;對(duì)于混合燃料而言,摻焦量為75%的N 2O 排放濃度要高于摻焦量為50%的。 圖9摻焦量對(duì)N 2O 排放濃度的影響對(duì)于摻焦量為75%的混合燃料其N 2O 排放濃度高于摻焦量為50%的燃料,這與燃料中的N 含量、C 含量和N 在焦炭中的分配份額有關(guān)。在相同燃燒工況及爐內(nèi)溫度場分布情況下,隨燃料中C 、N 含量增高、揮發(fā)分減少、熱值增高,

14、其N 2O 排放濃度增高。對(duì)于純焦而言,其N 2O 排放濃度很低,也與爐內(nèi)溫度場分布有關(guān)。純焦燃燒時(shí),爐內(nèi)溫度場分布極其不均勻,密相區(qū)溫度平均在1000左右,而稀相區(qū)溫度則在750左右,Klipine 等人研究表明這兩段溫度都對(duì)N 2O 的生成起抑制作用。5結(jié)論(1當(dāng)石油焦的摻混量增大到接近20%時(shí),在水冷壁附近發(fā)現(xiàn)掛焦現(xiàn)象,燃燒器噴口上結(jié)有疏松焦塊。(2循環(huán)流化床摻燒石油焦,燃燒效率并不單純隨焦煤比增大而降低。(3循環(huán)流化床中純焦燃燒,燃燒份額分布和燃燒組織都不理想。其SO 2和NO 排放濃度最高,而N 2O 排放濃度最低。(4循環(huán)流化床摻燒石油焦,隨著焦煤比增大,NO 排放濃度和N 2O

15、排放濃度不是單調(diào)的增大或減小。(5通過以上結(jié)果,認(rèn)為循環(huán)流化床中石油焦與煤混燒是處理石油焦的有效方法。參考文獻(xiàn):1劉耕戊.高硫石油焦的利用J .石油煉制與化工,1998,29(14:36-41.2沈伯雄.石油焦燃燒特性的綜合實(shí)驗(yàn)研究和模擬D .武漢:華中科技大學(xué),2000.3王文選.循環(huán)流化床中石油焦與煤混燒特性研究D .南京:東南大學(xué),2002.4B 2M.Steenari ,O.Lindqvist ,Fly ash characteristics in co 2combustion of wood wit h coal ,oil or peat J .Fuel ,1999,78:47924

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17、and N 2O forma 2tion mechanism under Circulating Fluidized Bed combustor condi 2tions.from the single particle to the pilo Scale J .Canadian Journal of Chemical Engineering ,1999,77:275-283.A Re s e arc h on Pe t rol e um Coke Combus t i on Chara c t e ris t i c sWAN G Wen 2xuan 1,ZHAO Shi 2tie 1,ZH

18、AO Chang 2sui 2,YU E Guang 2xi 1(1.Department of Thermal Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;2.Thermal Energy Engingeering Research Institute ,Southeast University ,Nanjing 210096,China (下轉(zhuǎn)第53頁24第4期徐茂蓉:黑液燃燒研究進(jìn)展9粘度黑液的粘度高,即便是在較低的濃度(60%下,也會(huì)造成液滴粘結(jié),以至噴射困難,因此,一般要在100的溫度下輸送,以保證單顆液滴的形成。參

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24、 t he kraft process for p roduction of p ulp,is one of t he mo st important indust rial f uels in America and Nort h Europe.Even t hough black liquor combustion in recovery boilers has been p racticed for over half a cent ury,research ef2 fort s toward imp rovement of combustion efficiency and abate

25、ment of environmental emis2 sions are much more recent.At first,t his paper gives a brief description of t he kraft process and black liquor combustion process,and reviews recent research advances on black liquor combustion modeling abroad,t hen analyses it s f uel characteristics on t he basis of compari2 son between black liquor and ot her f uels.(上接第42頁Ke y w ords:CFB