黑液水煤浆在0.25+MW炉内的燃烧和结渣特性.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．6 N O V ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 7 2 6 0 5 黑液水煤浆在0 ．2 5M W 炉内的 燃烧和结渣特性 王凤寅1 ’3 ，曹欣玉2 ，周志军2 ，杨家存3 ，李伟3 ，陈振3 ，兰泽全2 1 ．中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．浙江大学热能工程系，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ； 3 ．新汶矿业集团，山东新泰2 7 1 2 1 9 摘要为了考察黑液水煤浆工业应用的可行性，在0 ．2 5M w 试验炉上对新汶良庄矿常规和黑液 两种水煤浆作热态对比试验以研究煤浆的流动、雾化、着火、燃烧、沾污结渣及污染物排放特性． 借助自制灰污热流计分析了两种煤浆的沾污结渣趋势．结果表明，相对常规浆而言，黑液浆具有 良好的流动、雾化性能，着火容易，燃烧稳定，还具有低污染排放，低灰熔点、强结渣的特点．故黑 液水煤浆在电站锅炉和工业锅炉中应用是可行的． 关键词黑液水煤浆；雾化性能；沾污结渣特性；工业应用 中图分类号T Q5 2 9文献标识码A B u r n i n ga n dC l i n k e r i n gP r o p e r t i e so fB l a c kL i q u o r C o a lW a t e rS l u r r yi n0 ．2 5 M WF u r n a c e W A N GF e n g y i n 9 1 ⋯，C A 0X i n y u 2 ，Z H O UZ h i j u n 2 ，Y A N GJ i a c u n 3 ， L IW e i 3 ，C H E NZ h e n 3 ，L A NZ e q u a n 2 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fT h e r m a lE n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ，H a n g z h o u ，Z h e j i a n g310 0 2 7 ，C h i n a ； 3 X i n w e nM i n i n gB u r e a u ，X i n t a i ，S h a n d o n g2 7 1 2 1 9 ，C 。h i n a 誓 A b s t r a c t T h e r m a ls t a t ec o m p a r a t i v et e s tb e t w e e nt h en o r m a lc o a lw a t e rs l u r r r y C W S a n db l a c k l i q u o rC W Sf r o mX i n w e nw a sp e r f o r m e di n0 ．2 5M W f u r n a c ef o rt h ep u r p o s eo fi n v e s t i g a t i n gt h e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fb l a c kl i q u o rC W S ．P e r f o r m a n c e so ff l o w ，a t o m i z a t i o n ，k i n d l i n g ， b u r n i n g ，f o u l i n g ，s l a g g i n g ，a n dp o l l u t a n te m i s s i o nw e r er e s e a r c h e d ．T h ef o u l i n ga n ds l a g g i n g t e n d e n c yf o rt w oC W S sw e r ea n a l y z e db yu s i n gas e l f m a d eh e a tf l u xm e t e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eb l a c kl i q u o rC W Si saf u e lw i t hg o o df l o w a b i l i t ya n da t o m i z a t i o n ，e a s yf i r i n g ，s t a b l eb u r n i n g ， l o wp o l l u t a n te m i s s i o n ，l o wa s hf u s i o np o i n t ，a n ds t r o n gs l a g g i n gt e n d e n c y ，i nc o n t r a s tw i t ht h e n o r m a lC W S ．S oi ti sf e a s i b l ef o rt h eb l a c kl i q u o rC W St ob eu s e di ni n d u s t r i a lb o i l e r s ． K e yw o r d s b l a c kl i q u o rC W S ；a t o m i z a t i o n ；f o u l i n ga n ds l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n 水煤浆作为一种洁净煤技术，先后被列入国家 “六五，七五，八五，和九五”计划，现已进 人工业化应用阶段．水煤浆以其特有的高效低污染 性能在世界范围内得到了广泛的应用，尤其是在我 国，以煤为主的能源结构使其优势在大小工业锅炉 及电站锅炉上得到了前所未有的发挥及应用，特别 是在油价不断攀升的今天，许多燃油炉纷纷改燃水 煤浆．造纸黑液是由碱法制浆蒸煮产生的废液，非 收稿日期2 0 0 3 一l o 一1 0 作者简介王凤寅 1 9 6 2 一 ，男，山东省聊城市人，博士研究生，从事选煤方面的研究． 万方数据 第6 期王凤寅等黑液水煤浆在0 ．2 5 M W 试验炉内的燃烧和结渣特性研究 7 2 7 常难以处理，尤以革浆处理难度最大，是危害水资 源的一大污染源．因此，如何处置、利用造纸黑液一 直是一个重大的课题．造纸黑液中含有钠等碱性物 质，而水煤浆的添加剂正是以钠基为主[ I ] ，因此，若 能在黑液中加入煤粉制成黑液水煤浆，与常规水煤 浆一样进行燃烧．这样既解决了黑液对环境的污 染，又可替代水煤浆的添加剂，真正做到“物尽其 用、变废为宝”，对我国草浆业产生重大影响，具有 广阔的应用前景． 我国的煤炭、麦、稻草资源丰富，黑液水煤浆是 适合我国国情的又一项“洁净煤技术”．然而，黑液 水煤浆不同于传统意义上的水煤浆 常规水煤浆 ， 其最大特点是碱含量很高，工业应用时极易造成燃 烧设备的沾污结渣，严重影响锅炉的安全、经济运 行．黑液水煤浆作为一种既不同常规水煤浆又不同 于黑液的新型燃料，其流动、雾化、着火、燃烧、污染 物排放及沾污结渣情况到底如何 能否投人工业应 用 目前还很少有研究．本实验研究正是基于此目 的而进行的． 1两种煤浆的燃料特性 本次对比试验的对象为新汶矿业集团良庄煤 矿常规和黑液水煤浆 以下分别简称为常规浆和黑 液浆 ．黑液浆浓度为6 0 ．4 5 ％，而常规浆浓度为 6 5 ．8 6 ％．表1 ，2 所示分别为两种煤浆的元素分析、 工业分析、发热量及灰成分和灰熔点．与常规浆相 比，黑液浆发热量、挥发份以及s ，N 含量都较低， 而其灰中N a ，K 含量非常高，分别为2 1 ．5 9 ％和 5 ．5 1 ％，是常规浆的8 ．1 8 倍和6 ．9 7 倍，这主要来 自煤浆制备时的造纸黑液，由此导致其软化温度 低，仅11 2 1 ℃，比常规水煤浆灰低2 3 2 ‘C ，十分容 易带来燃烧设备的沾污结渣．这极有可能成为妨碍 黑液浆工业应用的主要因素． 表1新汶良庄矿常规和黑液水煤浆的工业分析、元素分析及发热量 T a b l e1U It i m a t ea n dp r o x i m a t ea n a l y s e so ft w ow a t e rc o a ls lu r r i e sf r o mX i n w e n wB／％0／‘C样品 S i 0 2A 1 2 0 3F e z 0 3 C a O M g oN a 2 0K 2 0T i O z D TS TH TF T 常规浆灰3 8 ．9 14 4 ．8 07 ．2 33 ．1 81 ．1 62 ．6 40 ．7 91 ．3 0 12 5 4 13 5 3 13 7 914 2 9 黑液浆灰 3 4 ．1 52 8 ．7 35 ．2 22 ．6 80 ．8 12 1 ．5 95 ．5 11 ．2 810 9 511 2 112 0 812 1 0 2 试验 两种煤浆的热态对比试验是在浙江大学0 ．2 5 M W 试验炉 图略 上进行的，试验炉呈“U ”字型， 高约3 ．5m ，炉膛内径3 0 0m m ，沿炉膛高度方向开 有若干观测孔，以便于观测、取样．炉膛内壁衬有耐 火混凝土，整个试验炉采用水冷系统冷却．试验时， 水煤浆从炉顶喷入，然后着火、燃烧，烟气依次经过 炉膛、转向室、燃烬室，最后由尾部烟道排出． 为评价两种煤浆在炉内的着火、燃烧、燃烬、沾 污结渣及污染物排放情况，进行了以下工作 1 测量火焰温度，以研究沿炉体轴向和截面 径向的温度场分布； 2 利用自制的灰污热流计来模拟水冷壁等受 热面的灰沉积过程．从宏观上研究灰粒沉积速率和 导热特性，评价其沾污结渣程度；对收集到的灰粒 进行微观结构 X R D ，S E M 和电子探针 分析，从而 研究初始沉积层的化学成分、物相组成等； 3 每次试验结束后打开炉顶盖，观察、比较两 种煤浆在炉内的沾污结渣情况； 4 研究N O x ，S o ，c 0 ，C O 。等污染物排放特 性． 3 结果及分析 3 ．1 炉内燃烧状况及温度场分布 试验结果表明，黑液浆比常规浆喷入炉膛后更 容易迅速着火、燃烧，且燃烧状况良好、稳定．图1 ， 2 分别为用红外高温计和双铂铑热电偶测得的炉 内火焰温度沿轴向及径向的分布情况，由此可知， 两种煤浆在炉内的燃烧状况良好、稳定，沿炉体轴 向主燃烧区温度均在12 0 0 ‘C 以上，黑液浆和常规 浆的最高温度分别为12 6 0 ℃和14 3 0 ‘C ，在同一 万方数据 7 2 8中国矿业大学学报第3 3 卷 截面上温度分布也比较对称、均匀．根据两种煤浆 的灰熔融温度 表2 可知，其温度水平已可满足结 渣特性试验的要求． 图1常规和黑液浆炉膛火焰温度沿轴向的分布 F i g ．1T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h ea x e s 图2 黑液浆炉膛火焰温度沿截面径向的分布 F i g ．2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h er a d i a l 3 ．2 灰污热流计试验 本次试验采用自制的灰污热流计[ 3 。5 3 与数采 仪、计算机组成动态监测系统 图3 ，试验中通过 调节冷却风量将热流计表面温度控制在2 9 0 ～ 3 8 0 ℃之间，以模拟真实炉膛水冷壁等锅炉受热面 的实际状况． 热电偶t ． 图3 灰污热流探针结构及数采系统示意图 F i g ．3 C o n s t r u c t i o no ft h ep r o b ea n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s 3 ．2 ．1沉积物表观物理特性及沉积速率 烧常规煤浆时探针头部只有非常薄而细的一 层沉积物，约几微米厚，呈灰白色，分布较均匀．而 探针上黑液浆灰沉积物足有几毫米厚，略呈淡绿 色，表面多为球形小颗粒，颗粒较粗且彼此间粘结 较紧，部分已发生了熔融烧结，形成坚硬的渣块 图 4 ．经计算，常规及黑液浆灰粒平均沉积速率分别 为0 ．0 3 和0 ．1 2 2r a g ／ c m 2 r a i n ，后者为前者的4 倍多．这一方面是因为两种煤浆灰碱性成分差别极 大，总碱金属量黑液浆为常规浆的7 ．9 倍 表2 ． 研究表明，N a ，K 是受热面灰污的祸因[ 2 ] ，尤其是 当硫含量也较高时，所形成的N a ，K 的焦硫酸盐 [ N a ，K z S O ，] 熔点非常低，最低只有4 0 0 ℃左 右，粘性强，极易粘附于受热面上[ 6 ] ，并能大量网罗 烟气中飞灰颗粒使灰层很快增厚．因此，通常含碱 量越高的煤灰其形成沾污的机会越大，灰沉积速率 也就越快．另一方面，两者的灰熔融温度相差很大， 软化温度分别为13 5 3 ℃和11 2 1 ℃，黑液浆比常 规浆低了2 3 2 ℃ 表2 ．因此，黑液浆灰粒在到达 受热面时仍处于熔融或半熔融状态的份额较常规 浆高得多，因而粘附率大．另外，通过硅碳棒上灰渣 的取样分析，也证实了黑液浆灰粒沉积速率高于常 规浆，两者是一致的． 图4 探针头部粘附的黑液浆灰样 ￡。一12 0 8 ℃ F i g ．4A s hd e p o s i t so fB L C W Sa d h e r e dt ot h ep r o b eh e a d 3 ．2 ．2 灰渣导热特性 由 图5 可知，两种水煤浆灰粒沉积过程中吸 收热流随时问的变化幅度是不一样的，黑液浆比常 规浆来得陡，说明烧黑液浆时吸收热流的衰减速率 比常规浆来得快，表明其灰渣热阻较大．经计算，试 验时间内热流衰减平均速率常规浆为0 ．4 2 7 k w ／ m 2 s ，而黑液浆为0 ．4 8 1k w ／ m 2 s ， 表 3 ．这是由于黑液浆灰沉积速率较快，沉积层厚度 较大，因而热阻比常规浆大的缘故．烧两种煤浆时 吸收热流最大值分别为黑液浆3 3 5 ．9 2k w ／m 2 ，常 规浆3 7 0 ．4k w ／m 2 ． 3 8 0 ，、3 6 0 亨3 4 0 主3 2 0 毒3 0 0 2 8 0 1 43 04 66 27 89 41 1 01 2 6 t ／m i n 图5两种煤浆灰污热流计吸收热流随时间的变化 F i g ．5R e s u l t a n th e a tf l u xV X ．t e s tt i m e 3 ．2 ．3 微观结构及物相分析 为了获知热流计上灰沉积物的化学成分、物相 组成及微观结构，以进一步了解初始沉积物的形成 过程和机理，对其进行了灰成分、电子探针、x 一射 线衍射及扫描电镜分析，并与试验炉不同部位的炉 壁渣及硅碳棒上渣进行了比较．结果发现，探针上 万方数据 第6 期王凤寅等黑液水煤浆在0 ．2 5 M W 试验炉内的燃烧和结渣特性研究7 2 9 黑液浆灰沉积物中N a ，K 含量很高，物相形式主要 为霞石[ K N a 。 A I S i O 。 。] 、无水芒硝[ N a 。S O 。] 和赤 铁矿 图6 ，除赤铁矿外熔点都较低；而常规浆灰 污中N a ，K 含量相对较低，主要物相为高熔点的石 英、赤铁矿和钠柱石[ N a 。 A I S i 。O 。 3 C 1 3 ．这与不同 部位的炉壁渣及硅碳棒上渣是相似的．电子探针分 析结果也表明，初始沉积物中N a ，F e 含量相当高， N a ，F e 含量分别为1 5 ．4 4 ％和l o ．2 7 ％ 图7 ，说 明它们在初始沉积物的形成过程中起着非常重要 的作用，这一点对两种煤浆具有相同的规律，只是 黑液浆更甚；此外还有一定量的S 和c l ，由此推断 初始沉积物中可能出现过N a ，K 的氯化物和焦硫 A 1 02 03 04 05 06 07 0 2 0 ／ 。 图6 黑液浆探针上灰污的X F D 谱图 F i g ．6 X R Ds p e c t r u mo fa s hd e p o s i t sa d h e r e d O nt h ep r o b eh e a d 8 3 4 6 6 7 。 5 0 0 U ■ 3 3 3 1 6 6 01234567891 0 k e V 图7 探针上黑液浆灰污的电子探针图谱 F i g ．7 E l e c t r o np r o b es p e c t r u mo fb l a c k l i q u o rc o a ls l u r r ya s hd e p o s i t s 酸盐．S E M 分析 图8 发现，热流计上黑液浆灰污 微区形貌似珊瑚焦，颗粒间明显发生了较高程度的 烧结，无数细小灰污已粘连成一体，其表面粘附有 熔融的球状小灰粒．常规浆灰污S E M 照片形貌似 蜂窝状，颗粒间发生了轻度烧结，整个灰污还未连 成一片．主要原因是其N a 含量相对较低，而且灰 污表面温度低，不足以引起烧结． a 常规浆 b 黑蔽浆 图8 探针上灰污的S E M F i g ．8 S E Mo fa s hd e p o s i t sO P - t h ep r o b eh e a d 3 ．3 炉内实际沾污结渣状况 试验结束后打开炉顶，对炉内沾污结渣情况进 行了仔细观察．燃烧常规水煤浆时炉壁基本上未发 现大的结渣，只在炉底灰中出现了少量渣粒，而黑 液水煤浆试验时炉内则出现了明显的积灰结渣，在 温度较低的燃烧器区域为较松散的积灰，沿火焰行 程随着烟气温度的升高，渣的粘附强度由弱变强， 到距燃烧器出口6 0 0m m 附近成为熔渣，先是呈现 熔融的小球状渣粒，后来逐渐变成大块的熔渣，粘 附强度极大．在火焰温度较高的炉膛中部熔渣的表 面变得极为光滑，非常牢固地粘附于炉壁，难以取 下，所有这些都表明，常规浆结渣轻微，而黑液浆的 结渣性能是很强的． 3 ．4 污染物排放特性 表3 为在尾部烟道用烟气分析仪测得的烟 气中各种气体的排放情况．由 表4 可知，烟气中 氮氧化物、硫化物含量较低，这一方面是因为黑液 浆本身s ，N 含量低 表1 ，另一方面是由于黑液浆 含N a 量高，具有自身脱硫脱氮功能，加上炉内温 度水平较低，N O x 生成量少，因此黑液水煤浆的污 染物排放量是很低的． 咖 咖 咖 蛳 栅 咖 咖 咖 8 7 6 5 4 3 2 l 万方数据 7 3 0中国矿业大学学报第3 3 卷 4 结论 1 黑液水煤浆与常规水煤浆一样是一种非牛 顿宾汉流体，浓度对其粘度、剪切率影响较大，存在 一个突变点．试验用黑液水煤浆具有良好的流动、 雾化性能，着火容易，燃烧稳定、良好． 2 经对烟气的抽样分析，两种煤浆烟气中 N O 。，S O x 等有毒有害气体浓度都较低，黑液浆较 常规浆更低．一方面是因为燃料本身N ，S 含量不 高，另一方面，高含量的N a 对抑制氮氧化物和硫 氧化物的生成起到了积极的作用． 3 灰污热流计试验表明，新汶常规浆结渣特 性较弱，而黑液浆是一种低灰熔点、强沾污结渣的 燃料，主要原因是黑液中的N a 含量高．微观分析 显示，灰沉积物中N a ，K ，S ，A I 和s i 含量很高，主 要物相形式为低熔点的铝硅酸钠盐、硫酸盐等．灰 渣中大量钠的富集加剧了烧结行为，极大地促进了 灰渣强度的发展，降低了系统的吸收热流和热效 率．这是工业应用时所必须重点考虑的． 参考文献 1 - 1 3 岑可法，姚强，曹欣玉，等．煤浆的燃烧、流动、传热 和气化的理论与应用技术[ M ] ．浙江大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 岑可法，樊建人，池作和，等．锅炉和热交换器的积灰、 结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[ M ] ．北京科学 出版社，1 9 9 4 ． [ 3 ] 张荣曾．水煤浆制备技术[ M ] ．科学出版社，1 9 9 6 ． [ 4 ] B r y e r sRW ．F i r e s i d es l a g g i n g ，f o u l i n ga n dh i g h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o no fh e a t t r a n s f e rs u r f a c ed u et O i m p u r i t i e si ns t e a m r a i s i n gf u e l s [ J ] ．P r o gE n e r g y C o m b u s tS c i ，1 9 9 6 ，2 2 2 9 一1 2 0 ． [ 5 ] P a i s tA ，P o o b u sA ，T i i k m aT ．P r o b e sf o rm e a s u r i n g h e a tt r a n s f e rp a r a m e t e r sa n df o u l i n gi n t e n s i t yi n b o i l e r s l , J ] ．F u e l ，2 0 0 2 ，8 1 1 8 1 1 1 8 1 8 ． [ 6 ] V u t h a l u r uHB ．R e m e d i a t i o no f a s hp r o b l e m si n p u l v e r i z e dc o a l f i r e db o i l e r s [ J ] ．F u e l ，1 9 9 9 ，8 1 7 8 9 1 8 0 3 ． [ 7 ] V u t h a l u r uHB ，W a l lTF ．A s hf o r m a t i o na n d d e p o s i t i o nf r o maV i c t o r i a nb r o w nc o a l m o d e l l i n ga n d p r e v e n t i o n [ J ] ．F u e lP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y19 9 8 ，5 3 2 】5 2 3 3 ． 责任编辑李成俊 万方数据