石油焦與煤摻燒實驗研究

石油焦與煤摻燒實驗研究

1石油焦的應(yīng)用石油焦是烹飪技術(shù)的副產(chǎn)品。它具有低養(yǎng)分、低蒸發(fā)、高熱值的特點。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)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(dǎo)方向。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濕式煤粉爐的實驗結(jié)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飛灰含碳量和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(1～2)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,飛灰含碳量由3.17%增大到7.76%;燃燒效率降低了0.66%。2.2焦塊掛渣情況對爐膛內(nèi)溫度測量和爐內(nèi)結(jié)焦情況的觀測表明,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(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,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1465℃～1470℃的高溫區(qū),在1號角旁左側(cè)墻上、4號角旁后墻上和3號角上一次風(fēng)噴口均發(fā)現(xiàn)有焦塊,其中以1號角旁左側(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在循環(huán)浴中，石油焦實驗的研究3.1煤與石油焦的組分碳、硫和氮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(jié)果如表2所示,煤的平均粒徑約為2.508mm,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(yīng)控制運行參數(shù),防止機械不完全燃燒熱損失。3.2測量儀器和測量設(shè)備實驗裝置為一循環(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(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,在實驗過程中,能實時地進行固體和煙氣取樣。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400mm,爐膛總高12m。4結(jié)果與分析4.1石油焦的燃料特性圖4為燃料摻焦量對溫度場的影響曲線圖。由圖可知,當(dāng)純焦燃燒時,密、稀相區(qū)的溫差最大。燃料煤焦比由1∶1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(guān),另外石油焦的粒徑比煤要小。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,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煤粉爐灰含碳量和燃燒效率與燃料特性及運行參數(shù)的關(guān)系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(5～6)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(guān)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(dāng)焦煤比>2∶8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(yīng)產(chǎn)物的量,其灰分也很少有關(guān)。4.3混合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(fēng)分離器出口處煙氣而言。4.3.1燃燒時溫度對燃燒焦so2量的影響摻焦量對SO2排放濃度的影響如圖7所示。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量也會相應(yīng)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。4.3.2溫度對密、稀相區(qū)no的分解摻焦量對NO排放濃度的影響曲線如圖8所示?？梢钥闯?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。這是由于當(dāng)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(yīng)過程,可對NO進行分解:C+2NO→CO2+N2(1)C+NO→CO+1/2N2(2)當(dāng)運行溫度在850℃～950℃時,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,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。4.3.3不同摻焦量的燃料n摻焦量對N2O排放濃度的影響曲線如圖9所示。由圖可看出,對純焦燃燒,其N2O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N2O排放濃度要高于摻焦量為50%的。對于摻焦量為75%的混合燃料其N2O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,其N2O排放濃度增高。對于純焦而言,其N2O排放濃度很低,也與爐內(nèi)溫度場分布有關(guān)。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對N2O的生成起抑制作用。5燃燒效率不高(1)當(dāng)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(jié)有疏松焦塊。(2)循環(huán)流化床摻燒石油焦,燃燒效