石油焦的点火及燃尘特性研究

石油焦的点火及燃尘特性研究

1热重分析方法石油焦是石油延迟焦化剂的产物。它可用于焦圈、电极盘和电压炉的替代燃料。文献研究了石油焦燃烧的机理,并针对不同的石油焦燃烧建立了数学模型,但数学模型只能描述燃烧过程的失重情况,对石油焦的着火及燃烬情况却无法描述。热重分析方法具有测量连续、精确度高等优点,便于对不同试验条件下石油焦燃烧的着火及燃烬进行比较,进而考察石油焦着火和燃烬特性的影响因素,给出石油焦燃烧指数,为石油焦锅炉的设计和运行提供理论依据。本课题用热重分析方法对石油焦的着火及燃烬特性进行了研究。2实验2.1工业分析和元素分析试验用石油焦分别来自武汉石化、广州石化、荆门石化和镇海石化等企业的生产装置,样品经过破碎和研磨,粒径为150～100目。几种样品的工业分析和元素分析结果见表1。从表1可知,石油焦的挥发分少,含炭量高,跟一般的无烟煤工业分析结果相近。2.2测量及控制系统试验采用国产LCT-2B型中温微量差热天平。差热天平由加热炉、天平、测量及控制系统、信号处理系统和数据采集及处理系统构成。炉温由测量及控制系统控制线性加温到一定温度,信号处理系统的电信号由计算机数据采集系统保存,然后由作者编写的数据处理程序进行处理。采用的空气流量为100mL/min。3石油焦的两步燃烧模型文献发现,石油焦的燃烧符合反应级数模型:-dw/dt=Κwn=Aexp(-E/RΤ)wn其中:w为某时刻固体的质量,t为时间,A为频率因子,E为活化能,n为反应级数,R为通用气体摩尔常数,T为绝对温度。广州石化的石油焦符合反应级数为1.5的一步反应模型,武汉石化的石油焦符合反应级数分别为7.0和2.0的两步反应模型。无烟煤和烟煤的燃烧一般认为符合反应级数为1.0的一步反应模型。但对石油焦的两步燃烧模型是有条件的,比如石油焦可能会由于燃烧条件的改变而由两步反应转变为一步反应模型。石油焦的着火和燃烧燃烬是受多方面影响的。3.1颗粒直径对燃鞣温度的影响以武汉石化的石油焦为例,称取质量相近但颗粒直径不同的石油焦样品,在相同的加热条件下,进行热重分析。图1为不同颗粒直径下石油焦的热重微分DTG图。由图1可见,武汉石化150～200目石油焦的着火温度小于300℃;100～150目时为300℃左右,1.0mm时为450℃左右,即随着颗粒直径的增加,着火温度增加;150～200目石油焦的燃烬温度为580℃,100～150目为590℃左右,1.0mm为650℃左右,即燃烬温度也是随颗粒直径的增大而增大的;但最大燃烧速率却是随颗粒直径的增大而减少。从图1还可以看出,在小颗粒直径下,燃烧的第一个阶段比第二个阶段明显,随着颗粒直径的增加,第二个阶段的DTG峰高变得更明显,随着颗粒直径的进一步增加,第一个阶段向后推移与第二个阶段重叠。这是因为武汉石油焦的内部包括易燃烧和不易燃烧的两部分,随着颗粒直径的增加,颗粒的比表面积减小,易燃烧的部分由于受扩散阻力的影响燃烧推迟,从而与不易燃烧的部分重叠,造成燃烬困难。循环流化床锅炉实际运行中石油焦的颗粒直径一般为1.0～10mm,估计其着火和燃烬比该试验条件下还要困难。为了全面评价石油焦的燃烧情况,引进文献中描述煤燃烧的特性指数S进行描述:S=(dw/dt)max(dw/dt)meanΤ2iΤh式中:S为石油焦燃烧特性指数,(dw/dt)max为最大燃烧速率(单位,mg/min),(dw/dt)mean为平均燃烧速率(mg/min),Ti为着火温度(℃),Th为燃烬温度(℃)。燃烧特性指数S是反映石油焦着火和燃烬的综合特性指标,S值越大,说明石油焦的燃烧特性越好。对两阶段的燃烧,其特性指数取质量平均值,即S=(w1S1+w2S2)/(w1+w2),其中w1、w2分别为第一、第二阶段的失重量,S1、S2分别为第一、第二阶段的燃烧特性指数。表2为武汉石化石油焦的不同颗粒直径下的S值。从表2可以看出,随着颗粒粒径的增加,石油焦的燃烧变得困难。3.2升温速率对石油焦燃烧特性的影响采用广州石化石油焦,称质量相近的样品,分别在10℃/min、20℃/min、30℃/min升温速率下进行热重试验。图2为不同升温速率下石油焦的DTG图。从图2可以看出,石油焦的着火点基本不随升温速率的改变而改变,但燃烬温度随着升温速率的增加而增加;最大燃烧速率随升温速率的增加而略有减少。所以总的燃烧特性指数是随升温速率的增加而减小的。由于升温是线性增加,升温速率的增加,使得石油焦在高温下的停留时间变短,燃烬同样质量的石油焦所经历的时间变长。在锅炉实际运行中,石油焦一旦投入炉膛,就会被快速加热,加热速度大对石油焦的燃烬有利,因为石油焦达到着火温度的时间变短。广州石化石油焦在不同升温速率下的燃烧特性指数见表3。3.3石油焦质量对燃烧特性的影响采用广州石化的石油焦,分别称取4.5mg、10.1mg、27.2mg的样品在其它条件相同的情况下进行热重分析。图3为热重微分的DTG图。从图3可以看出,随着石油焦质量的增加,着火点降低,燃烬温度增加,最大燃烧速率减小。广州石化的石油焦在不同质量下的燃烧特性指数见表4。从表4可以看出样品质量的增加不利于石油焦的燃烧。3.4燃烧特性指数的比较镇海石化的石油焦和烟煤、无烟煤的热重微分DTG图见图4,它们的燃烧特性指数比较见表5。从图4和表5及表2可以看出,石油焦的燃烧特性处于烟煤和无烟煤之间,石油焦的着火点及燃烬温度也处于烟煤和无烟煤之间。3.5热解码的分析按文献的方法,引进挥发分特性指数D来描述石油焦的热解挥发分析出情况,可以通过比较挥发分特性指数与燃烧特性指数之间的关系来发现一些规律。试验用武汉石化、广州石化和镇海石化的石油焦进行热解热重分析。热解是在氮气流量为110mL/min,升温速率为20℃/min的条件下进行的。三种石油焦热解的DTG见图5。挥发分特性指数D的定义如下:D=(dw/dt)max/(ΤmaxΔΤ1/3)其中:(dw/dt)max为挥发分最大释放速率(mg/min),Tmax为挥发分最大释放速率所对应的温度(℃),ΔT1/3为(dw/dt)/(dw/dt)max所对应的温度区间(℃)。三种石油焦的挥发分特性指数见表6。从表6可以看出,燃烧特性指数大的样品挥发分的析放性