石油焦燃燒特性研究

1、第36卷第4期2005年7月鍋爐技術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: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.清華大學熱能工程系,北京100084;2.東南大學熱能工程研究所,江蘇南京210096關鍵詞: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會造成鍋爐內(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)實驗裝置上進行了石油焦與煤的摻燒實驗研究。經(jīng)過實驗對比,認為利用循環(huán)流化床技術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:TQ 038.1文獻標識碼: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為是燃料級的石油焦。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方向1。鑒于此,本文分別在煤粉爐和循環(huán)流化床上對石油焦的燃燒特性進行了研究。2220t /h 煤粉鍋爐實驗結果煤粉鍋爐摻燒石油焦實驗是在一臺220t/h 商用煤粉鍋爐上進行的。2.1燃料摻焦量對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。當摻焦量從0增大到18.6%時,飛灰含碳量由3.17%增大到7.76%;燃燒效率降低了0.66%。2.2焦煤比對結焦的影響對爐膛內(nèi)溫度測量和爐內(nèi)結焦情況的觀測表圖1摻焦量對飛灰含碳量影響圖2摻焦量對燃燒效率影響鍋爐技術第36卷明,在燃用純煙煤和摻11%石油焦的混合燃料時,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口上均沒有出現(xiàn)明顯的結焦掛渣情況。燃料出噴口后著火比較及時,燃燒比較穩(wěn)定。當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3m的區(qū)域內(nèi)水冷壁上均掛渣,比較嚴重處相鄰水冷壁管上的渣相互連接

5、成片。從爐膛左側下排著火孔和右側下排著火孔均測到14651470的高溫區(qū),在1號角旁左側墻上、4號角旁后墻上和3號角上一次風噴口均發(fā)現(xiàn)有焦塊,其中以1號角旁左側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)整相關二次風口風量,可使結焦區(qū)附近的煙溫下降,使結焦現(xiàn)象有所減輕。3循環(huán)流化床鍋爐摻燒石油焦實驗研究3.1燃料特性本實驗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,這是由于石油焦常溫可磨系數(shù)(哈德格羅夫硬度指標約為73.6,屬易破碎和磨細燃料。燃料越細,在燃燒過程中,更應控制運行參數(shù),防止機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/%平均粒徑煤石油焦19.9203.64.713.71914.921.67.310.420.915.92.5081.4133.2實驗裝置2實驗裝置為一循環(huán)流化床熱態(tài)實驗臺,流程圖如圖3所示。整個實驗臺由啟動燃燒室、風室、布風板、爐膛、后燃室、高溫旋風分離器、料腿、循環(huán)物料測量儀、返料器、煙氣冷卻裝置、旋風式除塵器、引風機等組成;配備有完整的壓力、溫度和流量測量裝置;預留有固體和煙氣取樣口,在實驗過程中,能實時地進行固體和煙氣取樣3。此實驗臺熱輸入功率為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

8、400mm,爐膛總高12m。4實驗結果及分析4.1摻焦量對溫度場的影響圖4為燃料摻焦量對溫度場的影響曲線圖。由圖可知,當純焦燃燒時,密、稀相區(qū)的溫差最大。燃料煤焦比由11變?yōu)?1時,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,另外石油焦的12羅茲風機;22油泵;32空氣壓縮機;42啟動燃燒室;52排渣管;62風室;72布風板;82螺旋給料器;92料斗;102下料管;112爐膛;122進水聯(lián)箱;132出水聯(lián)箱;142后燃系統(tǒng);152水夾套受熱面;162旋風分離器;172循環(huán)物料測量儀;182返料器;192水冷卻系統(tǒng);202風冷卻系統(tǒng);212旋風除塵器;222引

9、風機;232煙囪;242水池;252水泵;T1 T20:溫度測點,p1p18:壓力測點,M1M7:固體和氣體取樣點圖3CFBC熱態(tài)實驗裝置系統(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)。當石油焦與煤混合燃燒時,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摻焦量對燃燒效率的影響4燃料摻焦量對鍋爐飛灰含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, 飛灰含碳量和燃圖5摻

10、焦量對飛灰含碳量影響圖6摻焦量對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、運行參數(shù)等有密切關系。這與煤粉爐有很大不同,煤粉爐的燃燒效率對摻焦量很敏感,當焦煤比>28時,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產(chǎn)物的量,其灰分也很少有關。4.3摻焦量對污染物排放的影響本部分所有的污染物排放濃度均對旋風分離器出口處煙氣而言。摻焦量對SO2排放濃度的影響如圖7所示 。圖7摻焦量對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的溫度

11、場有關。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量也會相應增多。另外純焦燃燒時,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,石油焦與煤混燒對控制SO2排放是有利的。摻焦量對NO排放濃度的影響曲線如圖8所示。可以看出,對純焦燃燒,其NO排放濃度要遠高于混合燃料;對于混合燃料而言,摻焦量為75%的NO排放濃度要低于摻焦量為50%的 。圖8摻焦量對NO排放濃度的影響14鍋爐技術第36卷這是由于當焦煤比增大時,燃料中碳含量增多,有更多細碳粒進入稀相空間,通過下列反應過程,可對NO 進行分解:C +2NO

12、CO 2+N 2(1C +NO CO +1/2N 2(2當運行溫度在850950時,這種分解反應極為迅速,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,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)生了大量的NO ,而稀相區(qū)的較低溫度又對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。摻焦量對N 2O 排放濃度的影響曲線如圖9所示。由圖可看出,對純焦燃燒

13、,其N 2O 排放濃度要低于混合燃料;對于混合燃料而言,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N 2O 排放濃度的影響對于摻焦量為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。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,其N 2O 排放濃度增高。對于純焦而言,其N 2O 排放濃度很低,也與爐內(nèi)溫度場分布有關。純焦燃燒時,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

14、對N 2O 的生成起抑制作用。5結論(1當石油焦的摻混量增大到接近20%時,在水冷壁附近發(fā)現(xiàn)掛焦現(xiàn)象,燃燒器噴口上結有疏松焦塊。(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 排放濃度不是單調(diào)的增大或減小。(5通過以上結果,認為循環(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: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

15、驗研究和模擬D .武漢:華中科技大學,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,2002.4B 2M.Steenari ,O.Lindqvist ,Fly ash characteristics in co 2combustion of wood wit h coal ,oil or peat J .Fuel ,1999,78:4792488.5Tadaaki Shimizu ,Hiroshi Hasegawa ,et al.,Simultaneous re 2duction of SO 2and NO x emission from fluidized be

16、d combus 2tors during petroleum coke combustionA .In Proceeding of 14th International Conference on Fluidized Bed Combustion C.1997;415-422.6Franz Winter ,G erhard Loffler ,et al.,The No and N 2O forma 2tion mechanism under Circulating Fluidized Bed combustor condi 2tions.from the single particle to

17、 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,ZHAO Chang 2sui 2,YU E Guang 2xi 1(1.Department of Thermal Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;

18、2.Thermal Energy Engingeering Research Institute ,Southeast University ,Nanjing 210096,China (下轉第53頁24第4期徐茂蓉:黑液燃燒研究進展9粘度黑液的粘度高,即便是在較低的濃度(60%下,也會造成液滴粘結,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。參考文獻:1Mac ek A.Research on combustion of black2liquor dropsJ.Pro2gress in Energy and C ombustion Science,1999,25(3

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22、mochemical con2 version of biofuelsC.Institute of Thermal Energy and Hy2 dropower.Norwegian University of Science and Technology, Trondheim.2000.Bla c k Li quor Combus t i on Re s e arc h Progre s sXU Mao2rong(The College of Mechanical and Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,ChinaK

23、e y w ords:black liquor combustio n;Kraft Process;modeling;f uel characteristicsAbs t rac t:Black liquor,t he major by2product of 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 recover

24、y boilers has been p racticed for over half a cent ury,research ef2 fort s toward imp rovement of combustion efficiency and abatement 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;p ulverized coal