新型燃料_石油焦渣油浆的燃烧试验研究_赵翔

第18卷　第3期　・60・1998年6月动　力　工　程POWER ENGINEERING　Vol.18No.3　June 1998　・燃料研究・新型燃料-石油焦渣油浆的燃烧试验研究赵　翔　寿伟义　曹欣玉　徐小琼韩　旭　姚　强　黄镇宇　岑可法(杭州　浙江大学)摘 要 为了合理地利用产量逐年增加的石油焦,同时为燃料油供应量减少的电站燃油锅炉提供代用燃料,开发了一种新型浆状燃料——石油焦渣油浆。

该文研究了油焦浆在试验炉内的燃烧特性,结果表明:浓度高至55%的油焦浆可以成功地进行制备、加热、输送和燃烧,具有较高的燃烧效率,为以后进一步进行工业性试验提供了依据。

图12表1参5主题词:燃油锅炉　石油焦　渣油　油焦浆　燃烧特性　排放特性　试验0　前言石油焦是石油烃在热破坏下深度转化的最终产物,通常用于制造电极或用作燃料。

作为燃料,石油焦虽然具有单位热值价格低、灰分少、易磨等人们所期望的优点,但由于挥发份低,直接燃用会导致火焰稳定性差和燃烧效率低等不良后果。

目前应用石油焦的方法,一是将其掺在煤粉中作为煤粉锅炉燃料,但掺烧比例最高只能达到20%,未能得到广泛应用[1];另一种方法是将石油焦作为循环流化床锅炉的燃料直接燃用,有很高的燃烧效率和良好的环保效益,这项技术在国内外已引起人们越来越多的注意并正在逐步推广之中[2,3,4]。

但应用循环流化床技术处理石油焦须新建循环流化床锅炉,不适合于老厂改造,且技术和设备投资比较大,尚难以大面积推广。

新型燃料石油焦渣油浆(简称油焦浆或POS)是将石油焦粉碎成微粉后分散在渣油和水煤浆相比,不仅同样可作为流体来操作,便于运输、贮存,而且发热量高于水煤浆和油煤浆。

另外,油焦浆中石油焦含灰量很低,故在用作燃油锅炉代用燃料时不必进行锅炉冷灰斗的改造,因而具有改造工作量少、改造周期短、可利用原有设备、投资省等优点。

在研究了油焦浆的制备特性、流变特性、流阻特性和传热特性基础上,设计并建立了0.4M W 油焦浆燃烧试验专用台架,并在该台架上进行了油焦浆燃烧特性的试验研究。

1　试验装置进行燃烧试验的整个台架由炉前系统、油系统、风烟系统、冷却系统、测量系统和炉体等6部分组成。

炉前系统包括制备装置、加热装置和输送装置3个部分。

制备装置用一螺旋桨搅拌器将石油焦粉和渣油充分搅拌混合而制成要求浓度的油焦浆。

加热装置为一个带搅拌的盘管加热器,将油焦浆在炉前加热到某一较高温度,以满足雾化和输送的需要。

输送装置主要是1台螺杆泵,该泵提供的压力用于克服输送管道的沿程压力损失、加热器中的压力损失以及雾化所需压力。

图1为炉前系统的示意图。

测量仪器包括双色高温计、铂铑-铂热电偶、CYT 测氧仪、气相色谱仪、MSI 多组分烟气分析仪和等速飞灰取样系统等,在试验中对炉内轴向温度分布、径向温度分布、炉内烟气成份、尾部烟气成份和尾部飞灰含碳量进行了测量。

还对油焦浆的制备、加热、输送过程中的各热力参数进行了监测,保证测试期间系统的稳定运行。

图1　油焦浆制备燃烧试验系统2　试验工况试验燃料包括石油焦浓度分别为50%和55%的油焦浆以及渣油,渣油、石油焦的元素分析和发热量见表1。

石油焦粉的SM D 平均粒径d Q =45L m ,R 70>89%,可燃基挥发份V r =10.7%。

表1　燃料特性试样元素分析水份W (%)灰份A(%)碳C(%)氢H (%)氮N(%)硫S(%)氧O(%)发热量Q ne t,ar (J/g)渣油(干燥基)/0.1686.010.710.53 1.900.743253高位石油焦(分析基)1.440.1688.873.692.270.872.7033865低位 除进行浓度为50%和55%油焦浆与渣油燃烧的对比试验外,还进行了55%油焦浆的变工况燃烧试验(包括油焦浆温度、送风量、一次风比例、负荷等的变化)。

3　试验结果3.1　油焦浆在炉内的燃烧特性图2示出了50%油焦浆,燃料量为・61・　第3期动　力　工　程 47kg /h 时沿炉膛轴向的温度和烟气成份的分布。

图3为炉膛不同截面的径向温度分布。

由图2所示的轴向温度及氧量分布曲线可以看出:在距燃烧器出口375m m 处,氧量已降至2.1%,CO 为4.4%。

这表明油焦浆早已着火燃烧,在距燃烧器出口525mm 至1525mm 处,炉内持续高温(在1400℃以上),氧量均小于1%,CO 含量都非常高,说明燃烧一直处于激烈状态。

图3中不同截面的径向温度分布表明每个截面燃烧均匀,混合良好。

图2　轴向温度、烟气成份分布图图3　不同截面的径向温度分布 当浓度、负荷、送风量和油焦浆炉前温度等发生变化时,炉内燃烧特性发生如下变化:图4　浓度对轴向温度分布的影响(1)图4是只改变油焦浆浓度的试验结果。

图中为50%和55%的油焦浆燃烧时炉膛轴向温度的分布,结果表明:55%浓度的油焦浆其轴向温度水平比50%油焦浆低。

说明随着油焦浆浓度的增加,燃烧性能变差。

(2)图5是只改变燃料流量的试验结果。

图中给出了55%油焦浆燃烧燃料流量分别为34.1kg /h 和41.5kg /h 时炉膛轴向温度分布。

从图中可以看出,在燃烧过程的前半段,负荷大则炉温较高,且最高温度出现较早;在后半段,两者温度较为接近,没有明显差别。

另外,当负荷大时,炉内最高温度较高。

上述负荷对炉温的影响表明:油焦浆与其它燃料一样,较高的负荷对着火、稳燃有利。

图5　负荷对轴向温度分布的影响(3)图6是改变送风量的试验结果。

图中为55%油焦浆燃烧时排烟氧量不同工况的炉膛轴向温度分布。

从图中可以看出:燃料量小氧量高的工况温度较高,而燃料流量大氧量低的工况温度较低,可见氧量对炉内温度有着非常显著的影响。

图6　氧量对炉温的影响(4)图7是改变一次风率的试验结果。

图中是燃用55%油焦浆改变一次风率时炉膛轴向温度分布。

结果表明一次风率对油焦浆的燃烧有明显影响,一次风率高的工况其炉膛温度高于一次风率低的工况。

这是因为一次风率偏低使油焦浆不能充分地着火燃烧,试验中采用的43.5%一次风率也是通常油配风的比例,说明油焦浆的着火燃烧与油・62・ 动　力　工　程第18卷　是相近的。

图7　一次风率对炉温的影响(5)图8是改变油焦浆在喷嘴前温度试验结果。

图中是55%油焦浆燃烧时油温不同2个工况炉膛轴向温度分布。

从图中可见,油温155℃时,炉温在整个炉膛内部高于油温125℃工况,而且低油温工况的最高温度出现位置要滞后一些。

可见,油焦浆在炉前的温度将在很大程度上影响其燃烧过程。

这主要是由于低油温引起的雾化粒度较粗,会推迟着火和降低燃尽度。

图8　油温对炉温的影响3.2　油焦浆的燃烧效率在试验中,通过测试化学未完全燃烧热损失q 3和机械未完全燃烧热损失q 4来确定燃烧效率。

试验表明:影响燃烧效率的主要因素有石油焦浓度、燃烧过程送风量和油焦浆温度等。

不同浓度油焦浆的燃烧效率及相应的q 3和q 4由图9所示。

图中几个工况除浓度不同外,氧量、油温、负荷等基本相同。

由图可见,随着油焦浆浓度的变化,特别是浓度升高到50%后,燃烧效率急剧下降。

而且q 4是影响燃烧效率高低的主要因素。

(1)油焦浆浓度对q 4的影响图10示出了油焦浆浓度对q 4的影响。

随油焦浆浓度的增加,尤其是在浓度达到图9　燃烧效率随浓度的变化50%以后,q 4增加很快。

其原因由基础试验可知[5],油焦浆的燃烧过程中油的蒸发燃烧的过程是很快完成的,其燃尽过程主要决定于所含石油焦,随浓度而增加。

石油焦的含量增加,燃尽时间相应延长;另一方面,随着浓度的增加,油焦浆的粘度增加。

在150℃时,55%油焦浆的表观粘度是50%油焦浆表观粘度的4倍,为1600厘泊,使喷嘴的雾化性能变差,雾化颗粒变粗,更延长了燃尽时间,使q 4增加许多。

因此,在工程应用时选用50%的浓度是合适的,过高的浓度使q 4损失大大增加,影响了运行的经济性。

图10　浆浓度对q 4的影响(2)氧量对q 3和q 4的影响送风量大小以排烟处氧量表示。

氧量对q 3、q 4的影响示于图11。

较高的氧量对燃烧及燃尽有利,过低的氧量,如排烟氧量低于3%时,q 4会急剧增加。

当氧量超过4%后,q 4会明显地下降,但当继续增大氧量时,对q 4的影响不大,反而会明显地增加排烟热损失,所以合适的排烟氧量应稍大于4%,这与其他煤或油燃烧时控制的排烟氧量相近。

证明油焦浆的燃烧具有与油和煤粉燃烧相似的性能。

・63・　第3期动　力　工　程 图11　氧量对q 3、q 4的影响油焦浆燃烧时氧量对q 3的影响示于图11。

氧量对q 3的影响与对q 4的影响一样。

在氧量低时,由于燃烧不完全,产生大量的未完全燃烧气体,包括CO 和H 2等,使q 3损失明显增加,当排烟氧量超过3%后,排烟中可燃气体明显减少,q 3很小。

因此,合理的燃烧过程组织排烟氧量应控制在4%～6%。

(3)油焦浆温度对q 4的影响油焦浆不同加热温度的试验结果示于图12。

油焦浆加热温度125℃时的q 4比加热温度为150～160℃时增加1%以上。

这当然是由于浆温的降低,使粘度增加,喷嘴的雾化性能变差所造成的。

图12　油焦浆温度对q 4的影响4　结论(1)55%和50%浓度的油焦浆可以成功地进行制备、输送、加热和燃烧,设计的油焦浆制备、燃烧试验系统是适合油焦浆燃烧的。

(2)油焦浆是良好的代油燃料,容易着火燃烧。

影响油焦浆燃烧过程和燃烧效率的因素有:浓度、送风量(氧量)、负荷、油焦浆的加热温度等,其中浓度的影响最大。

当浓度从50%增加到55%时,燃烧效率将要降低4%～5%,工业应用时采用50%的浓度是合适的。

氧量的影响很大,与其他燃料燃烧时一样,应控制合理的氧量,油焦浆的油温应控制在160℃左右为宜。

(3)油焦浆燃烧特性和燃烧效率(当50%浓度时,燃烧效率达98.7%)与油相近。

(4)油焦浆制备、输送、加热、雾化和燃烧的试验数据为工业放大设计提供了设计依据,为油焦浆工业性试验的提供了运行参数。

参考文献[1]Edw ard J ,S w ain.M ajor g rowth in coke p roductiontakes place.Oil &Gas J ou rnal,M ay 1991[2]万邦燕.调整产品结构,提高产品质量.炼油设计,1997,3[3]An oth on y .Fluidized bed com bustion of altern ative s ol-id fuels:s tatus ,success an d problems of the technolo-gy.Progress in Energy and Comb ustion S cience,M ar 1995[4]Chang Yu -min g .In dustrial w aste to ener gy by cir cu-lating fluidized bed combus tion .Resource ,C on serva-tion and Recycling,Nov 1993[5]S hou Wei-yi.S tu dy on comb ustion char acters ofpetroleu m cok e r esid ual oil s lurry.Proc.of 22rd Int.T ech .C on f .on Coal U tilization &Fuel Sys tem ,1997第一作者简介　赵　翔,55岁,副教授。