黑液水煤漿在0.25 MW爐內的燃燒和結渣特性

第33卷第6期中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報2004年11月Journal of China University of Mining & TechnologyNov.2004文章編號:1000-1964(2004)06-0726-05黑液水煤漿在0.25MW爐內的燃燒和結渣特性王鳳寅3,曹欣玉2,周志軍2,楊家存3,李偉3,陳振3,蘭澤全2(1.中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院北京100083;2.浙江大學(xué)熱能工程系,浙江杭州310027;3.新汶礦業(yè)集團,山東新泰271219)摘要:為了考察黑液水煤漿工業(yè)應用的可行性,在0.25MW試驗爐上對新汶良莊礦常規和黑液兩種水煤漿作熱態(tài)對比試驗以研究煤漿的流動(dòng)、霧化、著(zhù)火、燃燒、沾污結渣及污染物排放特性借助自制灰污熱流計分析了兩種煤漿的沾污結渣趨勢.結果表明,相對常規漿而言,黑液漿具有良好的流動(dòng)、霧化性能,著(zhù)火容易,燃燒穩定,還具有低污染排放,低灰熔點(diǎn)、強結渣的特點(diǎn).故黑液水煤漿在電站鍋爐和工業(yè)鍋爐中應用是可行的關(guān)鍵詞:黑液水煤漿;霧化性能;沾污結渣特性;工業(yè)應用中圖分類(lèi)號:TQ529文獻標識碼:ABurning and Clinkering Properties of black LiquorCoal Water Slurry in 0. 25MW FurnaceWANG Feng-ying, CAO Xin-yu, ZHOU Zhi-jun, YANG Jia-cun,LI Wei, CHEN Zhen, LAN Ze-quan2(1. School of Chemical and Environmental Engineering, CUMT, Beijing 100083, China:2. Department of Thermal Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China:3. Xinwen Mining Bureau, Xintai, Shandong 271219, China)Abstract: Thermal state comparative test between the normal coal water slurry(CwS)and blackliquor CwS from Xinwen was performed in 0. 25 MW furnace for the purpose of investigating theindustrial application feasibility of black liquor CWS. Performances of flow, atomization, kindlingburning, fouling, slagging, and pollutant emission were researched. The fouling and slaggingtendency for two CwSs were analyzed by using a self-made heat flux meter. The results show thathe black liquor CWS is a fuel with good flowability and atomization, easy firing, stable burninglow pollutant emission, low ash fusion point, and strong slagging tendency, in contrast with thenormal CWS. So it is feasible for the black liquor CwS to be used in industrial boilers.Key words: black liquor CWS; atomization; fouling and slagging characteristics; industrialapplication水煤漿作為一種潔凈煤技術(shù),先后被列入國家國,以煤為主的能源結構使其優(yōu)勢在大小工業(yè)鍋爐“六·五,七·五,八·五,和九·五”計劃,現已進(jìn)及電站鍋爐上得到了前所未有的發(fā)揮及應用,特別入工業(yè)化應用階段水煤漿以其特有的高效低污染是在油價(jià)不斷攀升的今天,許多燃油爐紛紛改燃水性能在世界范圍內得到了廣泛的應用,尤其是在我煤漿.造紙黑液是由堿法制漿蒸煮產(chǎn)生的廢液,非收稿日期:2003-10-10第6期王風(fēng)寅等:黑液水煤漿在0.25MW試驗爐內的燃燒和結渣特性研究727常難以處理,尤以草漿處理難度最大,是危害水資用?目前還很少有研究本實(shí)驗研究正是基于此目源的一大污染源因此,如何處置、利用造紙黑液一的而進(jìn)行的.直是一個(gè)重大的課題造紙黑液中含有鈉等堿性物質(zhì)而水煤漿的添加劑正是以鈉基為主,因此,若1兩種煤漿的燃料特性能在黑液中加入煤粉制成黑液水煤漿,與常規水煤本次對比試驗的對象為新汶礦業(yè)集團良莊煤漿一樣進(jìn)行燃燒.這樣既解決了黑液對環(huán)境的污礦常規和黑液水煤漿(以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)為常規漿和黑染,又可替代水煤漿的添加劑,真正做到“物盡其液漿).黑液漿濃度為60.45%,而常規漿濃度為用變廢為寶”,對我國草漿業(yè)產(chǎn)生重大影響,具有65,86%表1,2所示分別為兩種煤漿的元素分析、廣闊的應用前景工業(yè)分析、發(fā)熱量及灰成分和灰熔點(diǎn)與常規漿相我國的煤炭、麥、稻草資源豐富,黑液水煤漿是比,黑液漿發(fā)熱量、揮發(fā)份以及SN含量都較低,適合我國國情的又一項“潔凈煤技術(shù)”然而,黑液而其灰中Na,K含量非常高,分別為21.59%和水煤漿不同于傳統意義上的水煤漿(常規水煤漿),5.51%,是常規漿的8.18倍和6.97倍,這主要來(lái)其最大特點(diǎn)是堿含量很高,工業(yè)應用時(shí)極易造成燃自煤漿制備時(shí)的造紙黑液,由此導致其軟化溫度燒設備的沾污結渣,嚴重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟運低,僅1121℃,比常規水煤漿灰低232℃,十分容行黑液水煤漿作為一種既不同常規水煤漿又不同易帶來(lái)燃燒設備的沾污結渣這極有可能成為妨礙于黑液的新型燃料,其流動(dòng)、霧化、著(zhù)火燃燒、污染黑液漿工業(yè)應用的主要因素物排放及沾污結渣情況到底如何?能否投入工業(yè)應表1新汶良莊礦常規和黑液水煤漿的工業(yè)分析元素分析及發(fā)熱量Table 1 Ultimate and proximate analyses of two water coal slurries from Xinwen樣品Q(chēng)m,a/(·g-1)常規漿52.180.980.9419083.93黑液漿44.929128.683.5814940.49表2新汶常規和黑液水煤漿的灰成份及灰熔融特征溫度Table 2 Ash composition and fusion temperature of Xinwen two cws6/CSiOz Al2O3 Fe2O3 Cao Mgo Na O K,O TiOz DT常規漿灰389144.807.233.181.162.640.791.301254135313791429黑液漿灰34.1528.735.222.680.8121.595.511.2810951121120812102試驗進(jìn)行微觀(guān)結構(XRD,SEM和電子探針)分析,從而研究初始沉積層的化學(xué)成分、物相組成等;兩種煤漿的熱態(tài)對比試驗是在浙江大學(xué)0.253)每次試驗結束后打開(kāi)爐頂蓋,觀(guān)察、比較兩MW試驗爐(圖略)上進(jìn)行的,試驗爐呈“U”字型,種煤漿在爐內的沾污結渣情況;高約3.5m,爐膛內徑300mm,沿爐膛高度方向開(kāi)4)研究NOx,SO2,CO,CO2等污染物排放特有若干觀(guān)測孔,以便于觀(guān)測、取樣.爐膛內壁襯有耐性火混凝土,整個(gè)試驗爐采用水冷系統冷卻試驗時(shí),水煤漿從爐頂噴入,然后著(zhù)火燃燒,煙氣依次經(jīng)過(guò)3結果及分析爐膛、轉向室燃燼室,最后由尾部煙道排出.3.1爐內燃燒狀況及溫度場(chǎng)分布為評價(jià)兩種煤漿在爐內的著(zhù)火、燃燒、燃燼、沾試驗結果表明,黑液漿比常規漿噴入爐膛后更污結渣及污染物排放情況,進(jìn)行了以下工作:容易迅速著(zhù)火、燃燒,且燃燒狀況良好、穩定.圖1,1)測量火焰溫度,以研究沿爐體軸向和截面2分別為用紅外高溫計和雙鉑銠熱電偶測得的爐徑向的溫度場(chǎng)分布;內火焰溫度沿軸向及徑向的分布情況,由此可知,2)利用自制的灰污熱流計來(lái)模擬水冷壁等受兩種煤漿在爐內的燃燒狀況良好、穩定,沿爐體軸熱面的灰沉積過(guò)程從宏觀(guān)上研究灰粒沉積速率和向主燃燒區溫度均在1200C以上,黑液漿和常規728中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報第33卷截面上溫度分布也比較對稱(chēng)、均勻.根據兩種煤漿煙氣中飛灰顆粒使灰層很快增厚.因此,通常含堿的灰熔融溫度(表2)可知,其溫度水平已可滿(mǎn)足結量越高的煤灰其形成沾污的機會(huì )越大,灰沉積速率渣特性試驗的要求也就越快.另一方面,兩者的灰熔融溫度相差很大常規乙軟化溫度分別為1353℃和1121C,黑液漿比常900黑液漿規漿低了232℃(表2).因此,黑液漿灰粒在到達受熱面時(shí)仍處于熔融或半熔融狀態(tài)的份額較常規05001000150020002500漿高得多,因而粘附率大.另外,通過(guò)硅碳棒上灰渣距燃燒器出口的距離/mm的取樣分析,也證實(shí)了黑液漿灰粒沉積速率高于常圖1常規和黑液漿爐膛火焰溫度沿軸向的分布規漿,兩者是一致的Fig. 1 Temperature distribution along the axes725mm截面1150mm截面300400截面徑向距離/mm圖2黑液漿爐膛火焰溫度沿截面徑向的分布Fig. 2 Temperature distribution along the radial3.2灰污熱流計試驗圖4探針頭部粘附的黑液漿灰樣(a=1208C)本次試驗采用自制的灰污熱流計與數采Fg,4 Ash deposits of BLCWS adhered to the probe head儀、計算機組成動(dòng)態(tài)監測系統(圖3),試驗中通過(guò)3.2.2灰渣導熱特性調節冷卻風(fēng)量將熱流計表面溫度控制在290~由(圖5)可知,兩種水煤漿灰粒沉積過(guò)程中吸380℃之間,以模擬真實(shí)爐膛水冷壁等鍋爐受熱面收熱流隨時(shí)間的變化幅度是不一樣的,黑液漿比常的實(shí)際狀況規漿來(lái)得陡,說(shuō)明燒黑液漿時(shí)吸收熱流的衰減速率熱電偶比常規漿來(lái)得快,表明其灰渣熱阻較大經(jīng)計算,試Air驗時(shí)間內熱流衰減平均速率常規漿為0.427熱電偶kw/(m2·s),而黑液漿為0.481kw/m2·s),(表3).這是由于黑液漿灰沉積速率較快,沉積層厚度取樣片較大,因而熱阻比常規漿大的緣故.燒兩種煤漿時(shí)圖3灰污熱流探針結構及數采系統示意圖吸收熱流最大值分別為:黑液漿335.92kw/m2,常規漿370.4kw/r3.2.1沉積物表觀(guān)物理特性及沉積速率燒常規煤漿時(shí)探針頭部只有非常薄而細的常規水煤漿層沉積物,約幾微米厚,呈灰白色,分布較均勻而304探針上黑液漿灰沉積物足有幾毫米厚,略呈淡綠30y黑液水煤漿色,表面多為球形小顆粒,顆粒較粗且彼此間粘結143046627894110126較緊,部分已發(fā)生了熔融燒結,形成堅硬的渣塊(圖4).經(jīng)計算,常規及黑液漿灰粒平均沉積速率分別圖5兩種煤漿灰污熱流計吸收熱流隨時(shí)間的變化為0.03和0.122mg/(cm2·min),后者為前者的4Fig. 5 Resultant heat flux vx test time倍多這一方面是因為兩種煤漿灰堿性成分差別極323微觀(guān)結構及物相分析大,總堿金屬量黑液漿為常規漿的7.9倍(表2)為了獲知熱流計上灰沉積物的化學(xué)成分、物相研究表明,Na,K是受熱面灰污的禍因,尤其是組成及微觀(guān)結構以進(jìn)一步了解初始沉積物的形成當硫含量也較高時(shí),所形成的Na,K的焦硫酸鹽過(guò)程和機理,對其進(jìn)行了灰成分、電子探針、X-射[(Na,K)2S2O熔點(diǎn)非常低,最低只有400℃左線(xiàn)衍射及掃描電鏡分析,并與試驗爐不同部位的爐第6期王鳳寅等:黑液水煤漿在0.25MW試驗爐內的燃燒和結渣特性研究表3兩種煤漿灰污熱流計試驗結果Table 3 Results of the thermal flux probe experiment燃料/℃灰污狀況沉積速率/熱流衰減速率/(mg·cm-2·min-11)(kW·m-2·s-1)黑液漿1208幾毫米厚,略呈淡綠色,部分形成堅硬的渣塊0.122常規漿1429薄而細,約幾微米厚呈灰白色,分布較均勻0.030.427黑液漿灰沉積物中Na,K含量很高,物相形式主要酸鹽SEM分析(圖8)發(fā)現,熱流計上黑液漿灰污為霞石[KNa3(ASO),]、無(wú)水芒硝[Na2SO]和赤微區形貌似珊瑚焦顆粒間明顯發(fā)生了較高程度的鐵礦(圖6),除赤鐵礦外熔點(diǎn)都較低;而常規漿灰燒結,無(wú)數細小灰污已粘連成一體,其表面粘附有污中Na,K含量相對較低,主要物相為高熔點(diǎn)的石熔融的球狀小灰粒.常規漿灰污SEM照片形貌似英、赤鐵礦和鈉柱石[Na4(ASi3O3)3Cl].這與不同蜂窩狀,顆粒間發(fā)生了輕度燒結,整個(gè)灰污還未連部位的爐壁渣及硅碳棒上渣是相似的電子探針?lè )殖梢黄?主要原因是其N(xiāo)a含量相對較低,而且灰析結果也表明,初始沉積物中Na,Fe含量相當高,污表面溫度低,不足以引起燒結Na,Fe含量分別為15.44%和10.27%(圖7),說(shuō)明它們在初始沉積物的形成過(guò)程中起著(zhù)非常重要的作用,這一點(diǎn)對兩種煤漿具有相同的規律,只是黑液漿更甚;此外還有一定量的S和Cl,由此推斷初始沉積物中可能出現過(guò)Na,K的氯化物和焦硫A.霞石B.無(wú)水芒硝;C.赤鐵礦(a常規漿(b)黑液漿圖8探針上灰污的SEMFig 8 SEM of ash deposits on the probe head3.3爐內實(shí)際沾污結渣狀況3000試驗結束后打開(kāi)爐頂,對爐內沾污結渣情況進(jìn)行了仔細觀(guān)察燃燒常規水煤漿時(shí)爐壁基本上未發(fā)現大的結渣,只在爐底灰中出現了少量渣粒,而黑102030405060液水煤漿試驗時(shí)爐內則出現了明顯的積灰結渣,在圖6黑液漿探針上灰污的XFD譜圖溫度較低的燃燒器區域為較松散的積灰,沿火焰行Fig 6 XRD spectrum of ash deposits adhered程隨著(zhù)煙氣溫度的升高,渣的粘附強度由弱變強,on the probe head到距燃燒器出口600mm附近成為熔渣,先是呈現834熔融的小球狀渣粒,后來(lái)逐漸變成大塊的熔渣,粘Si.1593%A.9.21%附強度極大在火焰溫度較高的爐膛中部熔渣的表e.1027%面變得極為光滑,非常牢固地粘附于爐壁,難以取下,所有這些都表明,常規漿結渣輕微,而黑液漿的K.1.S6%;結渣性能是很強的3.4污染物排放特性(表3)為在尾部煙道用煙氣分析儀測得的煙氣中各種氣體的排放情況.由(表4)可知,煙氣中氮氧化物、硫化物含量較低,這一方面是因為黑液12345678910漿本身S,N含量低(表1),另一方面是由于黑液漿含Na量高,具有自身脫硫脫氮功能,加上爐內溫圖7探針上黑液漿灰污的電子探針圖譜Fig 7 Electron probe spectrum of black度水平較低,NOx生成量少,因此黑液水煤漿的污quor coal slurry ash deposits染物排放量是很低的中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報第33卷表4燃燒黑液漿時(shí)污染物排放情況Table 4 Emission of contamination fired black liquor water coal slurryt/106145.7899.459300004結論參考文獻1)黑液水煤漿與常規水煤漿一樣是一種非牛[1]岑可法姚強,曹欣玉,等煤漿的燃燒、流動(dòng)、傳熱頓賓漢流體,濃度對其粘度、剪切率影響較大,存在和氣化的理論與應用技術(shù)[M]浙江大學(xué)出版社,一個(gè)突變點(diǎn).試驗用黑液水煤漿具有良好的流動(dòng)、1997霧化性能,著(zhù)火容易,燃燒穩定、良好.[2]岑可法,樊建人,池作和等鍋爐和熱交換器的積灰、2)經(jīng)對煙氣的抽樣分析,兩種煤漿煙氣中結渣磨損和腐蝕的防止原理與計算[M].北京:科學(xué)NOx,SOx等有毒有害氣體濃度都較低,黑液漿較出版社,1994[3]張榮曾.水煤漿制備技術(shù)[M].科學(xué)出版社,1996常規漿更低一方面是因為燃料本身N,S含量不[4] Bryers r w. Fireside slagging, fouling and high高,另一方面,高含量的Na對抑制氮氧化物和硫temperature corrosion of heat-transfer surface due to氧化物的生成起到了積極的作用impurities in steam-raising fuels [J]. Prog Energy3)灰污熱流計試驗表明,新汶常規漿結渣特Combust sci,1996,22:29-120性較弱,而黑液漿是一種低灰熔點(diǎn)強沾污結渣的[5] Paist A, Poobus a, Tiikma T. Probes for measuring燃料,主要原因是黑液中的Na含量高微觀(guān)分析 heat transfer parameters and fouling intensity in顯示,灰沉積物中Na,K,S,Al和Si含量很高,主boilers].Fuel,2002,81:1811-1818要物相形式為低熔點(diǎn)的鋁硅酸鈉鹽硫酸鹽等.灰[6] Vuthaluru H B. Remediation of ash problems inpulverized coal-fired boilers[J]. Fuel,1999,8:1789.渣中大量鈉的富集加劇了燒結行為,極大地促進(jìn)了1803灰渣強度的發(fā)展,降低了系統的吸收熱流和熱效[7 Vuthaluru H B, Wall T F. Ash formation and率.這是工業(yè)應用時(shí)所必須重點(diǎn)考慮的deposition from a Victorian brown coal-modelling andUJ]. Fu215-233.(責任編輯李成俊)