石油焦燃烧特性研究

1、第36卷第4期2005年7月锅炉技术BOIL ER TECHNOLO GYVol.36,No.4J ul.,2005 收稿日期:20040605作者简介:王文选(1973,男,清华大学热能工程系博士后,主要从事洁净燃料燃烧及固体废物回收利用。文章编号:CN311508(200504003904石油焦燃烧特性研究王文选1,赵石铁1,赵长遂2,岳光溪1(1.清华大学热能工程系,北京100084;2.东南大学热能工程研究所,江苏南京210096关键词:循环流化床;煤粉锅炉;石油焦;煤;混烧摘要:石油焦是炼油工艺的副产品,具有低灰分和一定挥发分及高热值的特性,还含有相当多的硫、氮元素和钒、镍等碱金属元

2、素,这些成分在石油焦燃烧时会造成锅炉内腐蚀和污染。在石油焦的利用上,通过燃烧回收热量仍然是主要途径。分别在220t/h 煤粉锅炉上和热输入率为0.5MW 的循环流化床热态实验装置上进行了石油焦与煤的掺烧实验研究。经过实验对比,认为利用循环流化床技术将石油焦与煤混烧是一种高效、清洁利用石油焦的有效方法。中图分类号:TQ 038.1文献标识码:A1前言石油焦是炼油工艺的副产品,具有低灰分和挥发分,高热值的特性。成分中含有相当多的硫、氮元素和钒、镍等碱金属元素。随着世界原油的重质化、劣质化和原油深度加工的进展,石油焦产量不断上升。石油焦中硫的含量决定了石油焦的最终用途。硫含量2%的石油焦通常用于生产

3、电极;一些硫含量在2%3%之间的石油焦可与低硫混合,亦用于生产电极;硫含量在2%5%之间的石油焦通常被认为是燃料级的石油焦。由于大多数的石油焦都是高硫石油焦,所以在石油焦的利用上,通过燃烧回收热量依然是主导方向1。鉴于此,本文分别在煤粉炉和循环流化床上对石油焦的燃烧特性进行了研究。2220t /h 煤粉锅炉实验结果煤粉锅炉掺烧石油焦实验是在一台220t/h 商用煤粉锅炉上进行的。2.1燃料掺焦量对燃烧效率的影响入炉煤中掺入20%以内石油焦后着火未见明显推迟,炉内燃烧比较稳定。燃烧掺焦量对锅炉飞灰含碳量和燃烧效率的影响曲线分别如图(12所示。从图中看出,飞灰含碳量和燃烧效率对燃料掺焦量很敏感。随

4、着燃烧掺焦量增多,飞灰含碳量增多,燃烧效率降低。当掺焦量从0增大到18.6%时,飞灰含碳量由3.17%增大到7.76%;燃烧效率降低了0.66%。2.2焦煤比对结焦的影响对炉膛内温度测量和炉内结焦情况的观测表图1掺焦量对飞灰含碳量影响图2掺焦量对燃烧效率影响锅炉技术第36卷明,在燃用纯烟煤和掺11%石油焦的混合燃料时,炉膛内温度比较均匀,基本没有出现超过1450的局部高温区,炉膛水冷壁和一次风口上均没有出现明显的结焦挂渣情况。燃料出喷口后着火比较及时,燃烧比较稳定。当石油焦的掺混比提高到18.6%和19.3%后,发现在燃烧器高度达3m的区域内水冷壁上均挂渣,比较严重处相邻水冷壁管上的渣相互连接

5、成片。从炉膛左侧下排着火孔和右侧下排着火孔均测到14651470的高温区,在1号角旁左侧墙上、4号角旁后墙上和3号角上一次风喷口均发现有焦块,其中以1号角旁左侧墙水冷壁上焦块最大。这种焦块疏松比重小,很容易打掉。调整相关二次风口风量,可使结焦区附近的烟温下降,使结焦现象有所减轻。3循环流化床锅炉掺烧石油焦实验研究3.1燃料特性本实验所选用的燃料为金陵石化热电厂所有的煤和石油焦。燃料的元素分析和工业分析数据如表1所示。从表中可看出,石油焦是富含碳的燃料,碳含量高达87.01%,低位发热量为33.85MJ/kg;灰分很少;与煤相比,硫、氮的含量较高。燃料的粒度分析结果如表2所示,煤的平均粒径约为2

6、.508mm,石油焦的平均粒径约为1.413mm。石油焦与煤相比,粒径偏细,这是由于石油焦常温可磨系数(哈德格罗夫硬度指标约为73.6,属易破碎和磨细燃料。燃料越细,在燃烧过程中,更应控制运行参数,防止机械不完全燃烧热损失。表1燃料的元素分析和工业分析燃料工业分析(收到基/%元素分析(收到基/%发热量(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燃料各粒径重量份额/%<150.3150.630.631.25 1.252.5 2.5556>6平均粒径煤石油焦19.9203.64.713.71914.921.67.310.420.915.92.5081.4133.2实验装置2实验装置为一循环流化床热态实验台,流程图如图3所示。整个实验台由启动燃烧室、风室、布风板、炉膛、后燃室、高温旋风分离器、料腿、循环物料测量仪、返料器、烟气冷却装置、旋风式除尘器、引风机等组成;配备有完整的压力、温度和流量测量装置;预留有固体和烟气取样口,在实验过程中,能实时地进行固体和烟气取样

8、3。此实验台热输入功率为0.5MW,炉膛密相区内径为300mm,内敷有50mm厚的耐磨材料,稀相区内径为400mm,炉膛总高12m。4实验结果及分析4.1掺焦量对温度场的影响图4为燃料掺焦量对温度场的影响曲线图。由图可知,当纯焦燃烧时,密、稀相区的温差最大。燃料煤焦比由11变为31时,炉内温度场趋于均匀,炉内上、下温差变小。这与石油焦灰分低、热值高的燃料特性有关,另外石油焦的12罗兹风机;22油泵;32空气压缩机;42启动燃烧室;52排渣管;62风室;72布风板;82螺旋给料器;92料斗;102下料管;112炉膛;122进水联箱;132出水联箱;142后燃系统;152水夹套受热面;162旋风分

9、离器;172循环物料测量仪;182返料器;192水冷却系统;202风冷却系统;212旋风除尘器;222引风机;232烟囱;242水池;252水泵;T1 T20:温度测点,p1p18:压力测点,M1M7:固体和气体取样点图3CFBC热态实验装置系统图04第4期王文选,等: 石油焦燃烧特性研究图4焦煤比对温度场的影响粒径比煤要小。以纯焦为燃料,物料循环量比较少,密相区热量无法通过高浓度循环物料带入稀相区。当石油焦与煤混合燃烧时,在保证一定的循环量下,随着燃料中石油焦的含量增多,密相区的燃烧份额减少,稀相区的燃烧份额增多,从而缩小了彼此的温度差异。4.2掺焦量对燃烧效率的影响4燃料掺焦量对锅炉飞灰含

10、碳量和燃烧效率的影响曲线分别如图(56所示。从图中可看出,循环流化床燃烧石油焦时, 飞灰含碳量和燃图5掺焦量对飞灰含碳量影响图6掺焦量对燃烧效率影响烧效率并不是单纯随掺焦量增大而降低,而与燃料特性、运行参数等有密切关系。这与煤粉炉有很大不同,煤粉炉的燃烧效率对掺焦量很敏感,当焦煤比>28时,燃烧效率降低很多。从图中还可看出,燃烧纯焦的飞灰含碳量很高,但计算的燃烧效率并不是很低,这与石油焦是低灰分燃料,在相同Ca/S摩尔比下,加上添加的石灰石反应产物的量,其灰分也很少有关。4.3掺焦量对污染物排放的影响本部分所有的污染物排放浓度均对旋风分离器出口处烟气而言。4.3.1掺焦量对SO2排放浓度

11、的影响掺焦量对SO2排放浓度的影响如图7所示 。图7掺焦量对SO2排放浓度的影响纯焦的SO2排放浓度高于混合燃料。这与燃料特性和其燃烧时的温度场有关。由于石油焦的硫含量大于煤,所以纯焦的硫含量大于混合燃料,燃烧生成的SO2量也会相应增多。另外纯焦燃烧时,温度场分布不均匀,密相区温度平均在1000左右,而稀相区温度在750左右,这些温度都不是最佳的脱硫温度。因此,石油焦与煤混烧对控制SO2排放是有利的。4.3.2掺焦量对NO排放浓度的影响56掺焦量对NO排放浓度的影响曲线如图8所示。可以看出,对纯焦燃烧,其NO排放浓度要远高于混合燃料;对于混合燃料而言,掺焦量为75%的NO排放浓度要低于掺焦量为

12、50%的 。图8掺焦量对NO排放浓度的影响14锅炉技术第36卷这是由于当焦煤比增大时,燃料中碳含量增多,有更多细碳粒进入稀相空间,通过下列反应过程,可对NO 进行分解:C +2NO CO 2+N 2(1C +NO CO +1/2N 2(2当运行温度在850950时,这种分解反应极为迅速,有利于降低NO 的排放量。从前面温度场分布可看出,纯焦燃烧时,密、稀相区的温度差很大,密相区温度平均在1000左右,而稀相区温度在750左右。对于循环流化床锅炉,NO 主要产生于密相区域,随后虽然挥发分和焦炭燃烧也产生了一定的NO ,但焦炭等物质对NO 的还原分解起主要作用。因此,纯焦在密相区由于高温产生了大量

13、的NO ,而稀相区的较低温度又对还原分解速率起到了减缓的作用。因而,较其它混合燃料而言,其NO 排放浓度高得多。4.3.3掺焦量对N 2O 排放浓度的影响6掺焦量对N 2O 排放浓度的影响曲线如图9所示。由图可看出,对纯焦燃烧,其N 2O 排放浓度要低于混合燃料;对于混合燃料而言,掺焦量为75%的N 2O 排放浓度要高于掺焦量为50%的。 图9掺焦量对N 2O 排放浓度的影响对于掺焦量为75%的混合燃料其N 2O 排放浓度高于掺焦量为50%的燃料,这与燃料中的N 含量、C 含量和N 在焦炭中的分配份额有关。在相同燃烧工况及炉内温度场分布情况下,随燃料中C 、N 含量增高、挥发分减少、热值增高,

14、其N 2O 排放浓度增高。对于纯焦而言,其N 2O 排放浓度很低,也与炉内温度场分布有关。纯焦燃烧时,炉内温度场分布极其不均匀,密相区温度平均在1000左右,而稀相区温度则在750左右,Klipine 等人研究表明这两段温度都对N 2O 的生成起抑制作用。5结论(1当石油焦的掺混量增大到接近20%时,在水冷壁附近发现挂焦现象,燃烧器喷口上结有疏松焦块。(2循环流化床掺烧石油焦,燃烧效率并不单纯随焦煤比增大而降低。(3循环流化床中纯焦燃烧,燃烧份额分布和燃烧组织都不理想。其SO 2和NO 排放浓度最高,而N 2O 排放浓度最低。(4循环流化床掺烧石油焦,随着焦煤比增大,NO 排放浓度和N 2O

15、排放浓度不是单调的增大或减小。(5通过以上结果,认为循环流化床中石油焦与煤混烧是处理石油焦的有效方法。参考文献:1刘耕戊.高硫石油焦的利用J .石油炼制与化工,1998,29(14:36-41.2沈伯雄.石油焦燃烧特性的综合实验研究和模拟D .武汉:华中科技大学,2000.3王文选.循环流化床中石油焦与煤混烧特性研究D .南京:东南大学,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

16、88.5Tadaaki Shimizu ,Hiroshi Hasegawa ,et al.,Simultaneous re 2duction of SO 2and NO x emission from fluidized bed 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

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 (下转第53页24第4期徐茂蓉:黑液燃烧研究进展9粘度黑液的粘度高,即便是在较低的浓度(60%下,也会造成液滴粘结,以至喷射困难,因此,一般要在100的温度下输送,以保证单颗液滴的形成。参

19、考文献:1Mac ek A.Research on combustion of black2liquor dropsJ.Pro2gress in Energy and C ombustion Science,1999,25(3:275-304.2Asplund D.The Status and development possibilities ofbioenergy in energy industryR.Ministry of Trade and In2 dustry,Energy Depart ment,Finland,1997.3Adams T.N.,Frederick J.M.,Gr

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21、American Congress for Pulp and PaperC.1996.6Zenenhoven R,Hupa M.Characterization of solid fuels foradvanced pressurized combustion and gasificationA.Pro2 ceedings of t he14t h International Conference on Fluidized Bed CombustionC.ASME,New Y ork,USA,1997. 7Kankkunen A.,Miikkulainen P.,J rvinen M.2001

22、Inter2national Chemical recovery conference.Whistler,BC,Cana2 da,2001:11-14.8Saastamoinen J.J.Combustion of a pulverized wood particle-a modeling study,Nordic Seminar-Thermochemical con2 version of biofuelsC.Institute of Thermal Energy and Hy2 dropower.Norwegian University of Science and Technology,

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

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页Ke y w ords:CFB