黑液水煤浆在0.25 MW炉内的燃烧和结渣特性

第33卷第6期中国矿业大学学报2004年11月Journal of China University of Mining & TechnologyNov.2004文章编号:1000-1964(2004)06-0726-05黑液水煤浆在0.25MW炉内的燃烧和结渣特性王凤寅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京100083;2.浙江大学热能工程系,浙江杭州310027;3.新汶矿业集团,山东新泰271219)摘要:为了考察黑液水煤浆工业应用的可行性,在0.25MW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:TQ529文献标识码: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水煤浆作为一种洁净煤技术,先后被列入国家国,以煤为主的能源结构使其优势在大小工业锅炉“六·五,七·五,八·五,和九·五”计划,现已进及电站锅炉上得到了前所未有的发挥及应用,特别入工业化应用阶段水煤浆以其特有的高效低污染是在油价不断攀升的今天,许多燃油炉纷纷改燃水性能在世界范围内得到了广泛的应用,尤其是在我煤浆.造纸黑液是由碱法制浆蒸煮产生的废液,非收稿日期:2003-10-10第6期王风寅等:黑液水煤浆在0.25MW试验炉内的燃烧和结渣特性研究727常难以处理,尤以草浆处理难度最大,是危害水资用?目前还很少有研究本实验研究正是基于此目源的一大污染源因此,如何处置、利用造纸黑液一的而进行的.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,因此,若1两种煤浆的燃料特性能在黑液中加入煤粉制成黑液水煤浆,与常规水煤本次对比试验的对象为新汶矿业集团良庄煤浆一样进行燃烧.这样既解决了黑液对环境的污矿常规和黑液水煤浆(以下分别简称为常规浆和黑染,又可替代水煤浆的添加剂,真正做到“物尽其液浆).黑液浆浓度为60.45%,而常规浆浓度为用变废为宝”,对我国草浆业产生重大影响,具有65,86%表1,2所示分别为两种煤浆的元素分析、广阔的应用前景工业分析、发热量及灰成分和灰熔点与常规浆相我国的煤炭、麦、稻草资源丰富,黑液水煤浆是比,黑液浆发热量、挥发份以及SN含量都较低,适合我国国情的又一项“洁净煤技术”然而,黑液而其灰中Na,K含量非常高,分别为21.59%和水煤浆不同于传统意义上的水煤浆(常规水煤浆),5.51%,是常规浆的8.18倍和6.97倍,这主要来其最大特点是碱含量很高,工业应用时极易造成燃自煤浆制备时的造纸黑液,由此导致其软化温度烧设备的沾污结渣,严重影响锅炉的安全、经济运低,仅1121℃,比常规水煤浆灰低232℃,十分容行黑液水煤浆作为一种既不同常规水煤浆又不同易带来燃烧设备的沾污结渣这极有可能成为妨碍于黑液的新型燃料,其流动、雾化、着火燃烧、污染黑液浆工业应用的主要因素物排放及沾污结渣情况到底如何?能否投入工业应表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Table 1 Ultimate and proximate analyses of two water coal slurries from Xinwen样品Qm,a/(·g-1)常规浆52.180.980.9419083.93黑液浆44.929128.683.5814940.49表2新汶常规和黑液水煤浆的灰成份及灰熔融特征温度Table 2 Ash composition and fusion temperature of Xinwen two cws6/CSiOz Al2O3 Fe2O3 Cao Mgo Na O K,O TiOz DT常规浆灰389144.807.233.181.162.640.791.301254135313791429黑液浆灰34.1528.735.222.680.8121.595.511.2810951121120812102试验进行微观结构(XRD,SEM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;两种煤浆的热态对比试验是在浙江大学0.253)每次试验结束后打开炉顶盖,观察、比较两MW试验炉(图略)上进行的,试验炉呈“U”字型,种煤浆在炉内的沾污结渣情况;高约3.5m,炉膛内径300mm,沿炉膛高度方向开4)研究NOx,SO2,CO,CO2等污染物排放特有若干观测孔,以便于观测、取样.炉膛内壁衬有耐性火混凝土,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3结果及分析炉膛、转向室燃烬室,最后由尾部烟道排出.3.1炉内燃烧状况及温度场分布为评价两种煤浆在炉内的着火、燃烧、燃烬、沾试验结果表明,黑液浆比常规浆喷入炉膛后更污结渣及污染物排放情况,进行了以下工作:容易迅速着火、燃烧,且燃烧状况良好、稳定.图1,1)测量火焰温度,以研究沿炉体轴向和截面2分别为用红外高温计和双铂铑热电偶测得的炉径向的温度场分布;内火焰温度沿轴向及径向的分布情况,由此可知,2)利用自制的灰污热流计来模拟水冷壁等受两种煤浆在炉内的燃烧状况良好、稳定,沿炉体轴热面的灰沉积过程从宏观上研究灰粒沉积速率和向主燃烧区温度均在1200C以上,黑液浆和常规728中国矿业大学学报第33卷截面上温度分布也比较对称、均匀.根据两种煤浆烟气中飞灰颗粒使灰层很快增厚.因此,通常含碱的灰熔融温度(表2)可知,其温度水平已可满足结量越高的煤灰其形成沾污的机会越大,灰沉积速率渣特性试验的要求也就越快.另一方面,两者的灰熔融温度相差很大常规乙软化温度分别为1353℃和1121C,黑液浆比常900黑液浆规浆低了232℃(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05001000150020002500浆高得多,因而粘附率大.另外,通过硅碳棒上灰渣距燃烧器出口的距离/mm的取样分析,也证实了黑液浆灰粒沉积速率高于常图1常规和黑液浆炉膛火焰温度沿轴向的分布规浆,两者是一致的Fig. 1 Temperature distribution along the axes725mm截面1150mm截面300400截面径向距离/mm图2黑液浆炉膛火焰温度沿截面径向的分布Fig. 2 Temperature distribution along the radial3.2灰污热流计试验图4探针头部粘附的黑液浆灰样(a=1208C)本次试验采用自制的灰污热流计与数采Fg,4 Ash deposits of BLCWS adhered to the probe head仪、计算机组成动态监测系统(图3),试验中通过3.2.2灰渣导热特性调节冷却风量将热流计表面温度控制在290~由(图5)可知,两种水煤浆灰粒沉积过程中吸380℃之间,以模拟真实炉膛水冷壁等锅炉受热面收热流随时间的变化幅度是不一样的,黑液浆比常的实际状况规浆来得陡,说明烧黑液浆时吸收热流的衰减速率热电偶比常规浆来得快,表明其灰渣热阻较大经计算,试Air验时间内热流衰减平均速率常规浆为0.427热电偶kw/(m2·s),而黑液浆为0.481kw/m2·s),(表3).这是由于黑液浆灰沉积速率较快,沉积层厚度取样片较大,因而热阻比常规浆大的缘故.烧两种煤浆时图3灰污热流探针结构及数采系统示意图吸收热流最大值分别为:黑液浆335.92kw/m2,常规浆370.4kw/r3.2.1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常规水煤浆层沉积物,约几微米厚,呈灰白色,分布较均匀而304探针上黑液浆灰沉积物足有几毫米厚,略呈淡绿30y黑液水煤浆色,表面多为球形小颗粒,颗粒较粗且彼此间粘结143046627894110126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图5两种煤浆灰污热流计吸收热流随时间的变化为0.03和0.122mg/(cm2·min),后者为前者的4Fig. 5 Resultant heat flux vx test time倍多这一方面是因为两种煤浆灰碱性成分差别极323微观结构及物相分析大,总碱金属量黑液浆为常规浆的7.9倍(表2)为了获知热流计上灰沉积物的化学成分、物相研究表明,Na,K是受热面灰污的祸因,尤其是组成及微观结构以进一步了解初始沉积物的形成当硫含量也较高时,所形成的Na,K的焦硫酸盐过程和机理,对其进行了灰成分、电子探针、X-射[(Na,K)2S2O熔点非常低,最低只有400℃左线衍射及扫描电镜分析,并与试验炉不同部位的炉第6期王凤寅等:黑液水煤浆在0.25MW试验炉内的燃烧和结渣特性研究表3两种煤浆灰污热流计试验结果Table 3 Results of the thermal flux probe experiment燃料/℃灰污状况沉积速率/热流衰减速率/(mg·cm-2·min-11)(kW·m-2·s-1)黑液浆1208几毫米厚,略呈淡绿色,部分形成坚硬的渣块0.122常规浆1429薄而细,约几微米厚呈灰白色,分布较均匀0.030.427黑液浆灰沉积物中Na,K含量很高,物相形式主要酸盐SEM分析(图8)发现,热流计上黑液浆灰污为霞石[KNa3(ASO),]、无水芒硝[Na2SO]和赤微区形貌似珊瑚焦颗粒间明显发生了较高程度的铁矿(图6),除赤铁矿外熔点都较低;而常规浆灰烧结,无数细小灰污已粘连成一体,其表面粘附有污中Na,K含量相对较低,主要物相为高熔点的石熔融的球状小灰粒.常规浆灰污SEM照片形貌似英、赤铁矿和钠柱石[Na4(ASi3O3)3Cl].这与不同蜂窝状,颗粒间发生了轻度烧结,整个灰污还未连部位的炉壁渣及硅碳棒上渣是相似的电子探针分成一片.主要原因是其Na含量相对较低,而且灰析结果也表明,初始沉积物中Na,Fe含量相当高,污表面温度低,不足以引起烧结Na,Fe含量分别为15.44%和10.27%(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Cl,由此推断初始沉积物中可能出现过Na,K的氯化物和焦硫A.霞石B.无水芒硝;C.赤铁矿(a常规浆(b)黑液浆图8探针上灰污的SEMFig 8 SEM of ash deposits on the probe head3.3炉内实际沾污结渣状况3000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102030405060液水煤浆试验时炉内则出现了明显的积灰结渣,在图6黑液浆探针上灰污的XFD谱图温度较低的燃烧器区域为较松散的积灰,沿火焰行Fig 6 XRD spectrum of ash deposits adhered程随着烟气温度的升高,渣的粘附强度由弱变强,on the probe head到距燃烧器出口600mm附近成为熔渣,先是呈现834熔融的小球状渣粒,后来逐渐变成大块的熔渣,粘Si.1593%A.9.21%附强度极大在火焰温度较高的炉膛中部熔渣的表e.1027%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K.1.S6%;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12345678910浆本身S,N含量低(表1),另一方面是由于黑液浆含Na量高,具有自身脱硫脱氮功能,加上炉内温图7探针上黑液浆灰污的电子探针图谱Fig 7 Electron probe spectrum of black度水平较低,NOx生成量少,因此黑液水煤浆的污quor coal slurry ash deposits染物排放量是很低的中国矿业大学学报第33卷表4燃烧黑液浆时污染物排放情况Table 4 Emission of contamination fired black liquor water coal slurryt/106145.7899.459300004结论参考文献1)黑液水煤浆与常规水煤浆一样是一种非牛[1]岑可法姚强,曹欣玉,等煤浆的燃烧、流动、传热顿宾汉流体,浓度对其粘度、剪切率影响较大,存在和气化的理论与应用技术[M]浙江大学出版社,一个突变点.试验用黑液水煤浆具有良好的流动、1997雾化性能,着火容易,燃烧稳定、良好.[2]岑可法,樊建人,池作和等锅炉和热交换器的积灰、2)经对烟气的抽样分析,两种煤浆烟气中结渣磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京:科学NOx,SOx等有毒有害气体浓度都较低,黑液浆较出版社,1994[3]张荣曾.水煤浆制备技术[M].科学出版社,1996常规浆更低一方面是因为燃料本身N,S含量不[4] Bryers r w. Fireside slagging, fouling and high高,另一方面,高含量的Na对抑制氮氧化物和硫temperature corrosion of heat-transfer surface due to氧化物的生成起到了积极的作用impurities in steam-raising fuels [J]. Prog Energy3)灰污热流计试验表明,新汶常规浆结渣特Combust sci,1996,22:29-120性较弱,而黑液浆是一种低灰熔点强沾污结渣的[5] Paist A, Poobus a, Tiikma T. Probes for measuring燃料,主要原因是黑液中的Na含量高微观分析 heat transfer parameters and fouling intensity in显示,灰沉积物中Na,K,S,Al和Si含量很高,主boilers].Fuel,2002,81:1811-1818要物相形式为低熔点的铝硅酸钠盐硫酸盐等.灰[6] Vuthaluru H B. Remediation of ash problems inpulverized coal-fired boilers[J]. Fuel,1999,8:1789.渣中大量钠的富集加剧了烧结行为,极大地促进了1803灰渣强度的发展,降低了系统的吸收热流和热效[7 Vuthaluru H B, Wall T F. Ash formation and率.这是工业应用时所必须重点考虑的deposition from a Victorian brown coal-modelling andUJ]. Fu215-233.(责任编辑李成俊)