石油焦燃烧特性研究

石油焦

第36卷第4期2005年7月　

锅　炉　技　术

BOILER　TECHNOLOGY

Vol.36,No.4

Jul.,2005

文章编号:　CN311508(2005)04003904

石油焦燃烧特性研究

王文选1,　赵石铁1,　赵长遂2,　岳光溪1

(1.清华大学热能工程系,北京100084;　2.东南大学热能工程研究所,江苏南京210096)

关键词:　循环流化床;煤粉锅炉;石油焦;煤;混烧

摘　要:　石油焦是炼油工艺的副产品,具有低灰分和一定挥发分及高热值的特性,还含有相当多的硫、氮元素和钒、镍等碱金属元素,这些成分在石油焦燃烧时会造成锅炉内腐蚀和污染。在石油焦的利用上,通过燃烧回收热量仍然是主要途径。分别在220t/h煤粉锅炉上和热输入率为0.5MW的循环流化床热态实验装置上进行了石油焦与煤的掺烧实验研究。经过实验对比,清洁利用石油焦的有效方法。

中图分类号:　TQ038.1　　　　　文献标识码:　A

1　前　　,具有低灰分和挥发分,高热值的特性。成分中含有相当多的硫、氮元素和钒、镍等碱金属元素。随着世界原油的重质化、劣质化和原油深度加工的进展,石油焦产量不断上升。石油焦中硫的含量决定了石油焦的最终用途。硫含量≯2%的石油焦通常用于生产电极;一些硫含量在2%～3%之间的石油焦可与低硫混合,亦用于生产电极;硫含量在2%～5%之间的石油焦通常被认为是燃料级的石油焦。由于大多数的石油焦都是高硫石油焦,所以在石油焦的利用上,通过燃烧回收热量依然是主导方向[1]。鉴于此,本文分别在煤粉炉和循环流化床上对石油焦的燃烧特性进行了研究。

2　220t/h煤粉锅炉实验结果

煤粉锅炉掺烧石油焦实验是在一台220t/h商用煤粉锅炉上进行的。

2.1燃料掺焦量对燃烧效率的影响

入炉煤中掺入20%以内石油焦后着火未见明显推迟,炉内燃烧比较稳定。燃烧掺焦量对锅炉飞灰含碳量和燃烧效率的影响曲线分别如图(1～2)所示。从图中看出,飞灰含碳量和燃烧效率对燃料掺焦量很敏感。随着燃烧掺焦量增多,飞灰含碳量增多,燃烧效率降低。当掺焦量从0增大到18.6%时,飞灰含碳量由

3.17%增大到7.

76%;燃烧效率降低了0.66%。2.2焦煤比对结焦的影响

对炉膛内温度测量和炉内结焦情况的观测表

图1　掺焦量对飞灰含碳量影响

图2　掺焦量对燃烧效率影响

收稿日期:20040605

作者简介:王文选(1973),男,清华大学热能工程系博士后,主要从事洁净燃料燃烧及固体废物回收利用。

石油焦

40锅　炉　技　术　　第36卷

明,在燃用纯烟煤和掺11%石油焦的混合燃料

时,炉膛内温度比较均匀,基本没有出现超过1450℃的局部高温区,炉膛水冷壁和一次风口上均没有出现明显的结焦挂渣情况。燃料出喷口后着火比较及时,燃烧比较稳定。当石油焦的掺混比提高到18.6%和19.3%后,发现在燃烧器高度达3m的区域内水冷壁上均挂渣,比较严重处相邻水冷壁管上的渣相互连接成片。从炉膛左侧下排着火孔和右侧下排着火孔均测到1465℃～1470℃的高温区,在1号角旁左侧墙上、4号角旁后墙上和3号角上一次风喷口均发现有焦块,其中以1号角旁左侧墙水冷壁上焦块最大。这种焦块疏松比重小,很容易打掉。调整相关二次风口风量,可使结焦区附近的烟温下降,使结焦现象有所减轻。

3　循环流化床锅炉掺烧石油焦实验研究

3.1燃料特性

本实验所选用的燃料为金陵石化热电厂所有的煤和石油焦。燃料的元素分析和工业分析数据如表1所示。从表中可看出,石油焦是富含碳的燃料,碳含量高达87.01%,低位发热量为33.85MJ/kg;灰分很少;与煤相比,硫、氮的含量较高。燃料的粒度分析结果如表2所示,煤的平均粒径约为2.508mm,石油焦的平均粒径约为1.413mm。石油焦与煤相比,,这是由(),,在,,防止机械不完燃　料煤

)/%Aar

Var

　　元素分析(收到基)/%　　　　

Car

58.98Har2.9Oar9.39Nar0.86Sar0.76发热量(收到基)/MJ kg-1

Qnet,ar

6.1

21.0223.61FC49.2722.42表2　燃料的粒度分析

燃

　料煤

　　　　　　　　　　　　　各粒径重量份额/%　　　　　　　　　　　　　　　

<0.160.16～0.3150.315～0.6319.93.613.7[2]

mm

2.5～5

20.95～63.8>615.90.63～1.25

14.91.25～2.5

7.3平均粒径

2.5083.2实验装置

实验装置为一循环流化床热态实验台,流程图如图3所示。整个实验台由启动燃烧室、风室、布风板、炉膛、后燃室、高温旋风分离器、料腿、循环物料测量仪、返料器、烟气冷却装置、旋风式除尘器、引风机等组成;配备有完整的压力、温度和流量测量装置;预留有固体和烟气取样口,在实验过程中,能实时地进行固体和烟气取样[3]。此实验台热输入功率为0.5MW,炉膛密相区内径为300mm,内敷有50mm厚的耐磨材料,稀相区内径为400mm,炉膛总高12m。

4　实验结果及分析

4.1掺焦量对温度场的影响

12罗兹风机;22油泵;32空气压缩机;42启动燃烧室;52排渣管;62风

室;72布风板;82螺旋给料器;92料斗;102下料管;112炉膛;122进水联箱;132出水联箱;142后燃系统;152水夹套受热面;162旋风分离器;172循环物料测量仪;182返料器;192水冷却系统;202风冷却系统;212旋风除尘器;222引风机;232烟囱;242水池;252水泵;T1～

T20:温度测点,p1～p18:压力测点,M1～M7:固体和气体取样点

图4为燃料掺焦量对温度场的影响曲线图。由图可知,当纯焦燃烧时,密、稀相区的温差最大。燃料煤焦比由1∶1变为3∶1时,炉内温度场趋于均匀,炉内上、下温差变小。这与石油焦灰分低、热值高的燃料特性有关,另外石油焦的

图3　CFBC热态实验装置系统图

石油焦

粒径比煤要小。

以纯焦为燃料,物料循环量比较少,密相区热量无法通过高浓度循环物料带入稀相区。当石油焦与煤混合燃烧时,在保证一定的循环量下,随着燃料中石油焦的含量增多,密相区的燃烧份额减少,稀相区的燃烧份额增多,从而缩小了彼此的温度差异。

[4]

4.2掺焦量对燃烧效率的影响

燃料掺焦量对锅炉飞灰含碳量和燃烧效率的影响曲线分别如图(5～6)所示。从图中可看

图4　焦煤比对温度场的影响

出,循环流化床燃烧石油焦时,

飞灰含碳量和燃

图5　掺焦量对飞灰含碳量影响图6　掺焦量对燃烧效率影响

烧效率并不是单纯随掺焦量增大而降低,而与燃

料特性、运行参数等有密切关系。这与煤粉炉有很大不同,煤粉炉的燃烧效率对掺焦量很敏感,当焦煤比>2∶8时,燃烧效率降低很多。

从图中还可看出,燃烧纯焦的飞灰含碳量很高,但计算的燃烧效率并不是很低,这与石油焦是低灰分燃料,在相同Ca/S摩尔比下,加上添加的石灰石反应产物的量,其灰分也很少有关。

4.3掺焦量对污染物排放的影响

纯焦的SO2排放浓度高于混合燃料。这与燃料特性和其燃烧时的温度场有关。由于石油焦的硫含量大于煤,所以纯焦的硫含量大于混合燃料,燃烧生成的SO2量也会相应增多。另外纯焦燃烧时,温度场分布不均匀,密相区温度平均在1000℃左右,而稀相区温度在750℃左右,这些温度都不是最佳的脱硫温度。因此,石油焦与煤混烧对控制SO2排放是有利的。4.3.2掺焦量对NO排放浓度的影响[5～6]

本部分所有的污染物排放浓度均对旋风分离器出口处烟气而言。

4.3.1掺焦量对SO2排放浓度的影响

掺焦量对SO2排放浓度的影响如图7所示

。

掺焦量对NO排放浓度的影响曲线如图8所示。可以看出,对纯焦燃烧,其NO排放浓度要远高于混合燃料;对于混合燃料而言,掺焦量为75%的NO排放浓度要低于掺焦量为50%的

。

图7　掺焦量对SO2排放浓度的影响图8　掺焦量对NO排放浓度的影响

石油焦

这是由于当焦煤比增大时,燃料中碳含量增多,

有更多细碳粒进入稀相空间,通过下列反应过程,可对NO进行分解:

(1)C+2NO CO2+N2

(2)C+NO CO+1/2N2当运行温度在850℃～950℃时,这种分解

反应极为迅速,有利于降低NO的排放量。从前面温度场分布可看出,纯焦燃烧时,密、稀相区的温度差很大,密相区温度平均在1000℃左右,而稀相区温度在750℃左右。对于循环流化床锅炉,NO主要产生于密相区域,随后虽然挥发分和焦炭燃烧也产生了一定的NO,但焦炭等物质对NO的还原分解起主要作用。因此,纯焦在密相区由于高温产生了大量的NO,而稀相区的较低而,较其它混合燃得多。

4.3.32O[6]

N2O排放浓度的影响曲线如图9所示。由图可看出,对纯焦燃烧,其N2O排放浓度要低于混合燃料;对于混合燃料而言,掺焦量为75%的N2O排放浓度要高于掺焦量为50%

的。

N2O排放浓度增高。对于纯焦而言,其N2O排

放浓度很低,也与炉内温度场分布有关。纯焦燃烧时,炉内温度场分布极其不均匀,密相区温度平均在1000℃左右,而稀相区温度则在750℃左右,Klipine等人研究表明这两段温度都对N2O的生成起抑制作用。

5　结　论

(1)当石油焦的掺混量增大到接近20%时,在水冷壁附近发现挂焦现象,燃烧器喷口上结有疏松焦块。

(2),,燃烧份额分布。其SO2和NO排放浓度,而N2O排放浓度最低。

(4)循环流化床掺烧石油焦,随着焦煤比增大,NO排放浓度和N2O排放浓度不是单调的增大或减小。

(5)通过以上结果,认为循环流化床中石油焦与煤混烧是处理石油焦的有效方法。参考文献:

[1]刘耕戊.高硫石油焦的利用[J].石油炼制与化工,1998,29

(14):36-41.

[2]沈伯雄.石油焦燃烧特性的综合实验研究和模拟[D].武汉:

华中科技大学,2000.

[3]王文选.循环流化床中石油焦与煤混烧特性研究[D].南京:

东南大学,2002.

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图9　掺焦量对N2O排放浓度的影响ductionofSO2andNOxemissionfromfluidizedbedcombus2torsduringpetroleumcokecombustion[A].InProceedingof14thInternationalConferenceonFluidizedBedCombustion[C].1997;415-422.

[6]FranzWinter,GerhardLoffler,etal.,TheNoandN2Oforma2

tionmechanismunderCirculatingFluidizedBedcombustorcondi2tions.fromthesingleparticletothepiloScale[J].CanadianJournalofChemicalEngineering,1999,77:275-283.

对于掺焦量为75%的混合燃料其N2O排放

浓度高于掺焦量为50%的燃料,这与燃料中的N含量、C含量和N在焦炭中的分配份额有关。

在相同燃烧工况及炉内温度场分布情况下,随燃料中C、N含量增高、挥发分减少、热值增高,其

AResearchonPetroleumCokeCombustionCharacteristics

WANGWen2xuan1,ZHAOShi2tie1,ZHAOChang2sui2,YUEGuang2xi1

(1.DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;

2.ThermalEnergyEngingeeringResearchInstitute,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

(下转第53页)

石油焦

第4期徐茂蓉:黑液燃烧研究进展53

9　粘度

黑液的粘度高,即便是在较低的浓度(60%)下,也会造成液滴粘结,以至喷射困难,因此,一般要在100℃的温度下输送,以保证单颗液滴的形成。参考文献:

[1]MaˇcekA.Researchoncombustionofblack2liquordrops[J].Pro2

gressinEnergyandCombustionScience,1999,25(3):275-304.[2]AsplundD.TheStatusanddevelopmentpossibilitiesof

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nationalChemicalrecoveryconference.Whistler,BC,Cana2da,2001:11-14.

[8]bustionofapulverizedwoodparticle

-amodelingstudy,Nordic-con2ofEnergyandHy2Technology,ktionResearchProgress

XUMao2rong

(TheCollegeofMechanicalandEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Keywords:blackliquorcombustion;　KraftProcess;　modeling;　fuelcharacteristicsAbstract:Blackliquor,themajorby2productofthekraftprocessforproductionofpulp,is

oneofthemostimportantindustrialfuelsinAmericaandNorthEurope.Eventhoughblackliquorcombustioninrecoveryboilershasbeenpracticedforoverhalfacentury,researchef2fortstowardimprovementofcombustionefficiencyandabatementofenvironmentalemis2sionsaremuchmorerecent.Atfirst,thispapergivesabriefdescriptionofthekraftprocessandblackliquorcombustionprocess,andreviewsrecentresearchadvancesonblackliquorcombustionmodelingabroad,thenanalysesitsfuelcharacteristicsonthebasisofcompari2sonbetweenblackliquorandotherfuels.

(上接第42页)

pulverizedcoal2firedboiler;　petroleumcoke;　coal;　blendedcom2Keywords:CFB;　bustion

Abstract:Petroleumcokesarebyproductsofsolidresidualsfromthecruderefining

process.Thepetroleumcokeiswithlittleashcontentandvolatilecontent.Substantialcon2tentsofvanadium,nickel,nitrogenandsulfurinitarethemaincauseforpollutantsemissionandfiresidefoulingorcorrosionproblem.Becausemostofpetroleumcokehashighsulfurcontent,itisquitepopulartoburnpetroleumcokeandmakeheatrecovery.Inthispaper,petroleumcokeblendingcombustionexperimentswithcoalareconductedona220t/hcom2mercialpulverizedcoalboilerandaCFBtestrigrespectively.Bycomparison,itisaclearerandmoreeffectivewaytoburnpetroleumcokeblendedwithcoalinthecirculatingfluidizedbedcombustor.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8d1m.html