影响水煤浆燃烧固硫的主要因素

2004年8月COAL PREPARATION TECHNOLOGY文章编号:1001-3571(2004)04-0060-03影响水煤浆燃烧固硫的主要因素黄波,朱书全,章丽萍,段静(中国矿业大学(北京校区)化学与环境工程学院,北京100083)摘要:水煤浆作为一种洁净的浆体燃料,其燃烧固硫效率比粉煤的要高,将中高硫煤制备成符合so2排放标准的脱硫型水煤浆,其燃烧固硫率可达60%以上,此举不失为解决燃煤SO2污染的一种经济有效的方法。文章主要介绍了影响水煤浆燃烧固硫率的诸多因素。关键词:水煤浆;燃烧;固硫率;固硫剂;钙基中图分类号:TQ534.4;X701.3文献标识码:A水煤浆中含30%~40%左右水分,燃烧温度比煤粉低200℃左右,燃烧方式与煤粉显著不同我国是世界最大的煤炭生产国和消费国,煤炭同时水分的存在具有一定的增湿活化脱硫作用,因占我国一次能源消费量的70%左右,煤炭产量的此,脱硫型水煤浆比相同条件下煤粉的燃烧固硫率80%左右直接用于燃烧,造成严重的煤烟型大气污高10~20个百分点,即使没有烟气脱硫设施,染。2000年我国SO2排放量已经达到2370万t,其SO2排放浓度也可控制在400-500mg/Nm3,符其中80%左右来自于燃煤。酸雨的覆盖面积己超合国家的排放标准。国内外研究表明,影响水煤浆过国土面积的30%,酸雨严重地区,已发现明显燃烧固硫的主要因素是煤中硫分、钙硫比、燃烧温的经济生态损失,燃煤造成的SO2污染已成为制约度、固硫剂及配方等。我国国民经济可持续发展的重要因素我国原煤的质量特征是灰分高、硫分高。含硫2影响水煤浆燃烧固硫的主要因素量高于2.5%的高硫煤占27%,约2.7亿t。随着2.1碱硫分煤炭向深部地区开采,高硫煤的比例还会增大。煤煤种不同,煤中的矿物质含量和硫分不同。煤中硫分的脱除主要有燃前洗选脱硫、燃中固硫和燃中的矿物质在燃烧过程中会产生某些碱性氧化物如后烟气脱硫。有机硫存在于煤的有机大分子结构CaO、Mg0、Al2QO3、Fe2O3、K2O和Na20等,因中,不可能通过洗选的方法脱除,对于煤中嵌布粒此,在水煤浆燃烧过程中或多或少都有部分自身固度较细的黄铁矿硫也不能采用煤炭洗选的方法脱硫作用。盛昌栋2对我国186种典型动力用煤的统除。尽管烟气脱硫效率高,但脱硫设施的费用髙,计分析结果表明:通常煤的含硫量越髙,Ca/S、工艺复杂,运行费用高,其中湿法脱硫装置的投资Mg/S、2Na/S和2K/S比越低。97.4%的中、高硫是整个电厂投资的1/2~1/5,而且还存在着烟气煤的Ca/S比<1;51.8%的低硫煤Ca/S比>1,而脱硫副产品的二次污染问题。鉴于我国目前的经济Ca/S比>1的煤中94.9%属于低硫煤。因此,高水平,烟气脱硫还不能大规模推广,尤其是对大量硫煤的自身固硫率低。分散的中小型燃煤锅炉更不可能。煤的燃中固硫可实验室用肥城高硫煤(全硫3.36%)和新疆达到中等脱硫效果,且成本低廉,工艺简单,具有中硫煤(全硫含量1.03%)制备成水煤浆,进行广泛的市场前景。煤的燃中固硫技术主要包括型煤燃烧自身固硫试验,结果见表1。由表1可见,水脱硫、散煤掺混添加固硫剂、炉膛喷钙脱硫和流化煤浆含硫越高,自身固硫效率越好。床燃烧脱硫等工艺,但它们的燃烧固硫率仅在表1不同煤种制备的水煤浆的40%~60%,且在高温下固硫率还会降低。自身燃烧固硫试验结果固硫率/%收稿日期:2004-06-161100℃1200℃作者简介:黄波(1969-),男,重庆合川人,硕士,讲国煤化工362309师。195年毕业于中国矿业大学(北京校区)矿物加工工程专业,现从事水煤浆制备及脫硫研究工作。联系电话「YHNMHGO67010-62399158。煤的含硫量不同,在燃烧过程中硫分转化率也第4胡业林等:小型高速柴油机然用精细水煤浆特性试验检测系统2004年8月25日不同。程军用硫分不同的煤制备成水煤浆,研而姚强“在0.25MW水煤浆燃烧台架的燃烧脱硫究水煤浆燃烧过程中硫分析出规律,结果显示,含型水煤浆的试验表明:合适的固硫温度为1200℃硫量越高的煤,硫转化率越高。这就意味着水煤浆左右。所以,对于不同的燃烧器和煤种应经过相应硫分越髙,燃烧时产生的SO3浓度越髙,气固反应的试验来确定最佳的燃烧温度,以求最好的固硫效向着有利于固硫反应方向进行,燃烧固硫效果越果。好。实验室用肥城煤和新疆煤制备成脱硫型水煤2.3钙硫比浆,进行燃烧固硫试验,试验结果见表2。从表2钙基固硫剂固硫的基本原理就是通过Ca0固可以看出,煤中硫分越髙,制备的脱硫型水煤浆的体与SO2气体反应生成钙盐而实现固硫的。单纯从燃烧固硫率越高。化学反应本身来看,增加钙硫比有利于反应向着固表2不同硫分煤制备的脱硫型硫反应方向进行,钙硫比越大,SO2与Ca0接触机水煤浆燃烧固硫实验室试验结果会越多,固硫效果就越好。但是CaCO3分解是固硫率(1000℃煤样全硫/%钙巯比固硫剂个吸热反应,过量的钙会增加热量损失和恶化煤浆燃烧。对于高硫煤(硫分>3%)而言,钙硫比太新疆2煤1.031.5Ca(OH)2新疆2煤1.031.5CaCO335.21高时,所需加入的固硫剂量也多,从而影响浆体的肥城煤3.361.5Ca(OH)2雾化燃烧,而且飞灰量增加,加重除尘器负担和导Caco39.20致受热面磨损增加。此外,由于煤浆燃烧析出的2.2燃烧温度SO2总量有限,致使钙的利用率也大大降低,在经国内外对煤粉的燃烧固硫研究表明,随着燃烧济上不合适。因此,钙硫比应有一个较佳的比值。温度的增高,煤的燃烧固硫率将提高。当温度提高新疆煤制备的脫硫型水煤浆的燃烧试验结果显示到l0℃以上时,CaO容易发生烧结现象,活性钙硫比从1增加到1.5时,固硫率增加很快;从下降,固硫率降低。当温度高于1200℃时,生成15增加到2.5时,固硫率增加相对较缓,可能还的硫酸钙开始大量分解,固硫率降低。因此,煤粉会略有下降。因此,应对不同煤种、不同的燃烧燃烧固硫有一个最佳的燃烧温度。脱硫型水煤浆中器,通过试验方法确定最佳的钙硫比。含有30%~40%左右的水分,燃烧温度比煤粉低2.4固硫剂种类及复配200℃左右“,减少了固硫剂的烧结,有利于提高钙基固硫剂高温煅烧时产生多孔的CaO,依靠水煤浆的燃烧固硫率。Ca0与SO2反应生成CaSO4将SO2固定在灰渣中。钙基固硫剂受热分解产生Ca0,温度过低不利般认为,固硫过程分为表面化学反应和气体扩散钙基固硫剂的分解,温度过高又会导致固硫剂因控制两个阶段,其中表面化学反应阶段进行得很烧结而失去活性和脱硫产物的分解。因此,采用钙快,因此扩散控制过程就成为决定固硫效果的关基固硫剂进行水煤浆燃中固硫应有一个最佳的燃烧键。随着反应的进行,不仅生成的CaSO,覆盖在温度。表3所列为新疆煤制成的脱硫型水煤浆在不CaO表面,阻断SO2气体向CaO扩散的通道,而同燃烧温度下的固硫效果。且由于生成的CaSO4体积膨胀,填满CaO内的孔表3不同燃烧温度下不同固硫剂的固硫效果隙,阻碍扩散反应。因此,CaO微孔数量越多,比固硫率/%表面积越大,CaO反应面积越大,利用率越高,固煤样钙硫比固硫剂900℃1000℃1100℃1200℃硫效果也越好。°煤1.5Ca(OH)234.2438.5235.86理论上,如果水煤浆燃烧时SO2析出规律与钙2‘煤2.0ca(oH)234.6137.78339213.61基固硫剂分解规律基本一致即可获得最佳的固硫效2煤1.5CaCO,32.5735.21果。我国煤炭中的硫主要是以有机硫和黄铁矿两种2“煤2.0CaO33110.82形式存在,硫酸盐硫含量很少,SO2的释放温度通3煤1.5Ca(OH)230.3231.0428.627.793煤2.0Ca(OH)230.1230.9327.657.03常较低。有机硫在200℃开始分解,大于300℃3煤某1.5caC0428.662,1224.553.36时生成SO2。当燃烧温度为300℃左右时铁矿3·煤2CaCO328.4229.7426.397.33分解从表3可知,对于用新疆煤制成的脱硫型水煤艳华中国煤化工分解完毕。刘,硫分析出温浆,实验室燃烧温度为1000℃c时,固硫效果最好。度相对CNMHG少量硫分,在第4期选煤技术2004年8月25日40℃~520℃之间SO2释放量相对较多,从500℃水煤浆,其燃烧固硫试验结果见表5。开始逐渐减少,到540℃左右几乎没有硫分析出。豪5添加固硫助剂后水煤浆燃烧的固硫试验结果碳酸钙在650℃时开始分解,800℃0左右分解最剧煤样助剂硫率/%烈,840℃时基本全部转化为CaO,碳酸钙分解时Fe20,+Sio析出的CO2使CaO形成许多微孔,有利于提高固2“煤ALO,硫效率。氢氧化钙在390℃开始分解,可以使水煤2·煤AL.0.+Sio浆燃烧时低温析出的SO2及时参与固硫反应。3煤AL, 000℃时分解最剧烈,540℃已基本分解完毕。刘国AL2O,+ Sio光等∽对煤粉燃烧固硫的试验表明,Ca(OH)从表5可以看出,Al2O3+SiO2助剂对固硫效caCO3、CaO固硫能力依次减弱。从表3可以看果的影响比较明显,固硫率明显提高。2”煤水煤浆出,脱硫型水煤浆燃烧固硫也有一致的结果。其主燃烧固硫率提高到6%,3"煤提高到55%。主要要原因就是Ca(OH)2是边分解边反应,不断有新原因是Al2O3+SiO2助剂有利于提高Ca(OH)2和的气孔产生,有利于SO2向Ca(oH)2内部扩散,cacO3的分解速率,在相同时间里产生的Cao数另一方面Ca(OH)2可直接与SO2反应生成量较多。CaSO4。Ca(OH)2和CaCO3受热分解温度和速率不3结论同,针对煤中硫分析出规律,采用钙基复合固硫剂(1)煤中含硫量越高,制备出的脱硫型水煤较为适合,脱硫效率将提髙。用新疆煤制备的脱硫浆燃烧固硫效果越好。这是因为硫分越髙,水煤浆型水煤浆采用钙基复合固硫剂的燃烧固硫试验结果燃烧时产生的SO2浓度越高,使得反应向着有利于见表4。固硫反应方向进行表4钙基复合固硫剂的燃烧固硫试验结果(2)脱硫型水煤浆燃烧固硫效率与水煤浆燃Cn(Om_固硫率%烧温度有关,对于不同的燃烧器和煤种应经过相应CaCO3900100010℃1200℃的试验来确定最佳的燃烧温度2“煤1.51.544.2046.6042.8015.67(3)钙硫比是影响水煤浆燃烧固硫率的重要2煤1.544.3547.1342.0212.373·煤1.51.540.2343.7138.013.36因素,钙硫比越高,固硫效果越好,但钙硫比太髙3°煤38.965.63时会严重影响浆体的雾化燃烧,经济上不合适。钙对比表3和表4可以看出,使用复合钙基固碗硫比应有一个较佳的比值,不同煤制备的脱硫型水剂可较大幅度地提高水煤浆燃烧的固硫率。在钙硫煤浆,其最佳钙硫比不同,需通过试验方法确定。比为1.5、Ca(OH)2/CaCO3为1.5、燃烧温度在1(4)使用钙基复合固硫剂可较大幅度地提高00℃c时,2"煤制成的脱硫型水煤浆的固硫率从水煤浆燃烧固硫率。(5)制备脱硫型水煤浆时,添加少量硅系和38%提髙到46%左右;3煤制成的脱硫型水煤浆铝系固硫助剂,可以提高水煤浆的燃烧固硫率。的固硫率从31%提高到43%左右。提高参考文献Ca(OH)2CaCO比值,水煤浆燃烧固硫率没有明[1]姚强,范浩杰,等,脱硫型水煤浆燃烧脱硫的试验显的变化研究[J],煤炭学报,1996,21(4)2.5固硫助剂[2]盛昌栋,我国动力用煤煤灰自身因硫特性的统计分要进一步提高水煤浆燃烧固硫率,需在添加适析[J]环境科学学报,199,19(1)宜剂量的固硫剂的前提下,适量添加合适的固硫助3]程军,炉内高温燃烧两段脱硫的机理研究[D剂以提髙固硫率。可以作为水煤浆燃烧固硫助剂的杭州:淅江大学,2002.主要有碱金属化合物、铁硅系和铝系等。但碱金属41姚猱,水妹菜燃烧技木和水果在燃烧室燃烧过程的研究[D].杭州:淅江大学,1992会引起燃烧状况的恶化,降低灰熔点,且在高氧化硫污染控制技术温情况下还具有很强的腐蚀性,不适合作为固硫助中国煤化工出版社,2001剂。用新疆煤为原料,采用钙基复合固硫剂,添加[6CNMHG[D1.北家:中国少量的铁硅系和铝系固硫助剂的方法来制备脱硫型矿业大学北京校区,2000第4期2004年8月COAL PREPARATION TECHNOLOGYAug 2004文章编号:1001-3571(2004)04-0063-03水煤浆生产过程中的物料平衡及控制崔广文,朱书全,邹立壮,梁钧台(中国矿业大学(北京校区)化学与环境学院,北京市100083)摘要:介绍了水煤浆生产过程中煤、水、添加剂的比值关系及其控制方法,为水煤浆厂生产实现自动控制奠定了理论基础。关键词:水煤浆;添加剂;自动控制中图分类号:TQ536文献标识码:A水煤浆作为一种新型的煤基洁净液体燃料,因具有易于管道输送、低污染燃烧、实现代油等一系水煤浆产品技术指标及制浆工艺流程列优点,受到世界各国广泛重视。随着我国经济建1.1水煤浆产品技术指标设的发展,对能源的需求量不断提高,发展水煤浆目前用于锅炉燃烧的水煤浆产品一般根据制浆代油不仅仅是市场的需要,而且还是国民经济发展用煤的性质确定水煤浆技术指标,具体要求是水煤和能源安全的需要。改善水煤浆生产控制水平,提浆必须达到一定浓度,具有良好的流动性及稳定高水煤浆产品质量,是水煤浆技术发展的必然趋性。吉化水煤浆厂水煤浆的技术指标见表1。势。然而,水煤浆技术是一项新技术,因多方面原表1吉化水煤浆厂水煤浆质量技术指标因,目前水煤浆技术发展不够平衡,特别是在自动技术指标数值控制水平方面:小型浆厂一般采用设备就地控制,重量浓度/%66±I新建大中型浆厂有的采用PLC集中监控系统,有00s时的表观粘度/mPa·s1000±100的采用较先进的DcS控制系统3。无论那种控平均粒度/μm制方式都仅仅限于保障生产设备安全运行,而没有最大粒度灰分/%考虑如何控制产品质量这一关键问题。造成这一问硫分/%题的主要原因在于做自动控制的人员不了解水煤浆挥发分/%产品的主要技术指标。为保证水煤浆浆体的输送浆基低位发热量/MJ·k储存、雾化燃烧,水煤浆产品必须具有较高浓度灰熔点/℃1270定的粘度和稳定性。我们知道在制浆工艺确定的静置稳定性/d条件下,生产过程中的水煤浆浓度、粘度、稳定性表1各项指标中灰分、硫分(不添加脱硫剂等指标是由煤量、水量、添加剂用量决定的,因此条件下)、挥发分、发热量(浓度一定条件下)通过控制调节煤量、水量、添加剂用量就可以实现灰熔点等项指标完全由原料煤决定。在工艺设备固对水煤浆浓度、粘度、稳定性等指标的控制。定、完好及处理量稳定的条件下,平均粒度、最大文章通过介绍吉化水煤浆厂水煤浆产品技术指粒度相对稳定,在生产过程中无须专门控制。这标及制浆工艺流程,给出水煤浆制浆工艺过程中煤样,水煤浆生产过程中只需控制水煤浆浓度、粘量、水量、添加剂量比值关系及控制方法。度、稳定性,只要找出影响这些指标的因素,实现控制并不难。收稿日期:2004-06-161.2制浆工艺流程作者简介;崔广文(1963-),男,黑龙江省宾县入,高级水煤浆制浆工艺可分为低浓度制浆和高浓度制师,中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院在读博士,主要从事洁净煤技术方面的研究。联系电话浆,高浓度制浆相对低浓度制浆工艺简单、实用。13520437898。随着高浓度制浆技术逐渐成熟,目前新建水煤浆厂中++·十““十“““““““[7]刘国光,郑立庆,吕文英,氧化铜对钙基化合物固8中国煤化工D].北京:中国硫作用彩响的初步研究[冂],河南师范大学学报CNMHG(自然科学版),2000,28(2)