第33卷第6期中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2004年11月Journal of China University of Mining & TechnologyNov.2004文章編號(hào):1000-1964(2004)06-0726-05黑液水煤漿在0.25MW爐內(nèi)的燃燒和結(jié)渣特性王鳳寅3,曹欣玉2,周志軍2,楊家存3,李偉,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3100273新汶礦業(yè)集團(tuán),山東新泰271219)摘要:為了考察黑液水煤漿工業(yè)應(yīng)用的可行性,在0.25MW試驗(yàn)爐上對(duì)新汶良莊礦常規(guī)和黑液兩種水煤漿作熱態(tài)對(duì)比試驗(yàn)以研究煤漿的流動(dòng)、霧化、著火、燃燒、沾污結(jié)渣及污染物排放特性.借助自制灰污熱流計(jì)分析了兩種煤漿的沾污結(jié)渣趨勢(shì).結(jié)果表明,相對(duì)常規(guī)漿而言,黑液漿具有良好的流動(dòng)、霧化性能,著火容易,燃燒穩(wěn)定,還具有低污染排放,低灰熔點(diǎn)、強(qiáng)結(jié)渣的特點(diǎn).故黑水煤漿在電站鍋爐和工業(yè)鍋爐中應(yīng)用是可行的關(guān)鍵詞:黑液水煤漿;霧化性能;沾污結(jié)渣特性;工業(yè)應(yīng)用中圖分類號(hào):TQ529文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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-quan'(1. School of Chemical and Environmental Engineering, CUMT, Beijing 100083, China;2. Department of Thermal Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China3. 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 thatthe 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)先后被列人國家國,以煤為主的能源結(jié)構(gòu)使其優(yōu)勢(shì)在大小工業(yè)鍋爐“六·五,七·五,八·五,和九·五”計(jì)劃,現(xiàn)已進(jìn)及電中國煤化工發(fā)揮及應(yīng)用,特別入工業(yè)化應(yīng)用階段.水煤漿以其特有的高效低污染是在CNMHG燃油爐紛紛改燃水性能在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)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作者簡介:王鳳寅(1962-),男,山東省聊城市人,博士研究生,從事選煤方面的研究第6期王風(fēng)寅等:黑液水煤漿在0.25MW試驗(yàn)爐內(nèi)的燃燒和結(jié)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(yàn)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口,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(guī)水煤本次對(duì)比試驗(yàn)的對(duì)象為新汶礦業(yè)集團(tuán)良莊煤漿一樣進(jìn)行燃燒.這樣既解決了黑液對(duì)環(huán)境的污礦常規(guī)和黑液水煤漿(以下分別簡稱為常規(guī)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(guī)漿濃度為用、變廢為寶”,對(duì)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(yīng)用前景工業(yè)分析、發(fā)熱量及灰成分和灰熔點(diǎn)與常規(guī)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S,N含量都較低,適合我國國情的又一項(xiàng)“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(tǒng)意義上的水煤漿(常規(guī)水煤漿),5.51%,是常規(guī)漿的8.18倍和6.97倍,這主要來其最大特點(diǎn)是堿含量很高,工業(yè)應(yīng)用時(shí)極易造成燃自煤漿制備時(shí)的造紙黑液,由此導(dǎo)致其軟化溫度燒設(shè)備的沾污結(jié)渣,嚴(yán)重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)低,僅1121℃,比常規(guī)水煤漿灰低232C,十分容行.黑液水煤漿作為一種既不同常規(guī)水煤漿又不同易帶來燃燒設(shè)備的沾污結(jié)渣.這極有可能成為妨礙于黑液的新型燃料,其流動(dòng)霧化、著火燃燒污染黑液漿工業(yè)應(yīng)用的主要因素物排放及沾污結(jié)渣情況到底如何?能否投入工業(yè)應(yīng)表1新汶良莊礦常規(guī)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 XinwenwB/%樣g常規(guī)漿34.144.6922.568.6152.183.410.980.943.6619083.93黑液漿44.926.4819.9128.682.543.5814940.49表2新汶常規(guī)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 cwswB/%SiO2 Al2O3 Fe2O3 Cao Mgo NazO K2O TiO2DTHT常規(guī)漿灰38.9144.807.233.181.162.640.791.301254135313791429黑液漿灰34.1528.735.222.680.8121.595.511.2810951121120812102試驗(yàn)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)(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(duì)比試驗(yàn)是在浙江大學(xué)0.253)每次試驗(yàn)結(jié)束后打開爐頂蓋,觀察、比較兩MW試驗(yàn)爐(圖略)上進(jìn)行的,試驗(yàn)爐呈“U”字型,種煤漿在爐內(nèi)的沾污結(jié)渣情況;高約3.5m,爐膛內(nèi)徑300mm,沿爐膛高度方向開)研究NOx,SO2,CO,CO2等污染物排放特有若干觀測(cè)孔,以便于觀測(cè)、取樣.爐膛內(nèi)壁襯有耐性火混凝土,整個(gè)試驗(yàn)爐采用水冷系統(tǒng)冷卻試驗(yàn)時(shí)水煤漿從爐頂噴入,然后著火燃燒,煙氣依次經(jīng)過3結(jié)果及分析爐膛、轉(zhuǎn)向室、燃燼室,最后由尾部煙道排出3.1爐內(nèi)燃燒狀況及溫度場(chǎng)分布為評(píng)價(jià)兩種煤漿在爐內(nèi)的著火、燃燒、燃燼、沾試驗(yàn)結(jié)果表明,黑液漿比常規(guī)漿噴入爐膛后更污結(jié)渣及污染物排放情況,進(jìn)行了以下工作:容易中國煤化工良好穩(wěn)定圖11)測(cè)量火焰溫度,以研究沿爐體軸向和截面2分別CNMH(老熱電偶測(cè)得的爐徑向的溫度場(chǎng)分布;內(nèi)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(jì)來模擬水冷壁等受兩種煤漿在爐內(nèi)的燃燒狀況良好、穩(wěn)定,沿爐體軸熱面的灰沉積過程.從宏觀上研究灰粒沉積速率和向主燃燒區(qū)溫度均在1200C以上,黑液漿和常規(guī)導(dǎo)熱特性艙其沾污結(jié)渣程度;對(duì)收集到的灰粒漿的最高溫度分別為1260c和1430C,在同728中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第33卷截面上溫度分布也比較對(duì)稱、均勻根據(jù)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,其溫度水平已可滿足結(jié)量越高的煤灰其形成沾污的機(jī)會(huì)越大,灰沉積速率渣特性試驗(yàn)的要求也就越快.另一方面,兩者的灰熔融溫度相差很大,1500常規(guī)漿z如軟化溫度分別為1353℃和1121℃,黑液漿比常900展液漿規(guī)漿低了232℃(表2).因此,黑液漿灰粒在到達(dá)受熱面時(shí)仍處于熔融或半熔融狀態(tài)的份額較常規(guī)5001000150020002500漿高得多,因而粘附率大.另外,通過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(guī)和黑液漿爐膛火焰溫度沿軸向的分布規(guī)漿,兩者是一致的Fig 1 Temperature distn along the axes725mm截面1150mm截面l500100200300400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(jì)試驗(yàn)圖4探針頭部粘附的黑液漿灰樣(tg=1208C本次試驗(yàn)采用自制的灰污熱流計(jì)與數(shù)采Fg4 Ash deposits of BLCWS adhered to the probe head儀、計(jì)算機(jī)組成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖3),試驗(yàn)中通過3.2.2灰渣導(dǎo)熱特性調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量將熱流計(jì)表面溫度控制在290由(圖5)可知,兩種水煤漿灰粒沉積過程中吸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(guī)漿來得陡,說明燒黑液漿時(shí)吸收熱流的衰減速率比常規(guī)漿來得快,表明其灰渣熱阻較大經(jīng)計(jì)算,試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)熱流衰減平均速率常規(guī)漿為0.427熱電偶tkw/(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,沉積層厚度熱電偶僅取樣片較大,因而熱阻比常規(guī)漿大的緣故.燒兩種煤漿時(shí)圖3灰污熱流探針結(jié)構(gòu)及數(shù)采系統(tǒng)示意圖吸收熱流最大值分別為:黑液漿33592kw/m2,常Fig 3 Construction of the probe and規(guī)漿370.4kw/m2data acquisition systems3.21沉積物表觀物理特性及沉積速率燒常規(guī)煤漿時(shí)探針頭部只有非常薄而細(xì)的一常規(guī)水煤漿層沉積物,約幾微米厚,呈灰白色,分布較均勻.而探針上黑液漿灰沉積物足有幾毫米厚,略呈淡綠30液水地√MaNv色,表面多為球形小顆粒,顆粒較粗且彼此間粘結(jié)43046627894110126較緊,部分已發(fā)生了熔融燒結(jié),形成堅(jiān)硬的渣塊(圖4).經(jīng)計(jì)算,常規(guī)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(jì)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?yàn)閮煞N煤漿灰堿性成分差別極3.23中國煤化工大,總堿金屬量黑液漿為常規(guī)漿的7.9倍(表2)CNMHG的化學(xué)成分物相研究表明,Na,K是受熱面灰污的禍因2),尤其是組成以少始沉積物的形成當(dāng)硫含量也較高時(shí),所形成的Na,K的焦硫酸鹽過程和機(jī)理,對(duì)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℃左線衍射及掃描電鏡分析,并與試驗(yàn)爐不同部位的爐右,精,艨粘附于受熱面上(,并能大量網(wǎng)羅壁渣及硅碳棒上渣進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),探針上第6期王鳳寅等:黑液水煤漿在0.25MW試驗(yàn)爐內(nèi)的燃燒和結(jié)渣特性研究729表3兩種媒漿灰污熱流計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the thermal flux probe experiment燃料6/℃灰污狀況沉積速率/熱流衰減速率mg·cm-2min-1)(kW·m-2·s-1)黑液漿1208幾毫米厚,略呈淡綠色部分形成堅(jiān)硬的渣塊0.122常規(guī)漿1429薄而細(xì),約幾微米厚,呈灰白色,分布較均勻黑液漿灰沉積物中Na,K含量很高,物相形式主要酸鹽.SEM分析(圖8)發(fā)現(xiàn),熱流計(jì)上黑液漿灰污為霞石[KNa3(AlSO4)4]、無水芒硝[Na2SO]和赤微區(qū)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(guī)漿灰燒結(jié),無數(shù)細(xì)小灰污已粘連成一體,其表面粘附有污中Na,K含量相對(duì)較低,主要物相為高熔點(diǎn)的石熔融的球狀小灰粒常規(guī)漿灰污SEM照片形貌似英赤鐵礦和鈉柱石[Na4( AlSi,O3)3C1].這與不同蜂窩狀,顆粒間發(fā)生了輕度燒結(jié),整個(gè)灰污還未連部位的爐壁渣及硅碳棒上渣是相似的,電子探針分成一片.主要原因是其Na含量相對(duì)較低,而且灰析結(jié)果也表明,初始沉積物中Na,Fe含量相當(dāng)高,污表面溫度低,不足以引起燒結(jié)Na,Fe含量分別為15.44%和10.27%圖7),說明它們?cè)诔跏汲练e物的形成過程中起著非常重要的作用,這一點(diǎn)對(duì)兩種煤漿具有相同的規(guī)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(xiàn)過Na,K的氯化物和焦硫A.霞石;B.無水芒硝C.赤鐵礦(a常規(guī)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(nèi)實(shí)際沾污結(jié)渣狀況3000試驗(yàn)結(jié)束后打開爐頂,對(duì)爐內(nèi)沾污結(jié)渣情況進(jìn)行了仔細(xì)觀察.燃燒常規(guī)水煤漿時(shí)爐壁基本上未發(fā)Wj現(xiàn)大的結(jié)渣,只在爐底灰中出現(xiàn)了少量渣粒,而黑10203040506液水煤漿試驗(yàn)時(shí)爐內(nèi)則出現(xiàn)了明顯的積灰結(jié)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(qū)域?yàn)檩^松散的積灰,沿火焰行Fig 6 XRD spectrum of ash deposits adhered程隨著煙氣溫度的升高,渣的粘附強(qiáng)度由弱變強(qiáng),on the probe head到距燃燒器出口600mm附近成為熔渣,先是呈現(xiàn)熔融的小球狀渣粒,后來逐漸變成大塊的熔渣,粘AL.9.21%附強(qiáng)度極大.在火焰溫度較高的爐膛中部熔渣的表Fe.10.27%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(guī)漿結(jié)渣輕微,而黑液漿的結(jié)渣性能是很強(qiáng)的333Cl.0%%3.4污染物排放特性表3)為在尾部煙道用煙氣分析儀測(cè)得的煙166Cl氣中各種氣體的排放情況由(表4)可知,煙氣中氮氧V山中國煤化工方面是因?yàn)楹谝簼{本CNMHG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(nèi)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liquor coal slurry ash deposits染物排放量是很低的中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)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/10-6一度145.7899.459300004結(jié)論參考文獻(xiàn):1)黑液水煤漿與常規(guī)水煤漿一樣是一種非牛[1]岑可法姚強(qiáng),曹欣玉,等煤漿的燃燒流動(dòng)、傳熱頓賓漢流體,濃度對(duì)其粘度、剪切率影響較大,存在和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M]浙江大學(xué)出版社一個(gè)突變點(diǎn).試驗(yàn)用黑液水煤漿具有良好的流動(dòng)1997霧化性能,著火容易,燃燒穩(wěn)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(duì)煙氣的抽樣分析,兩種煤漿煙氣中結(jié)渣磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)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(guī)漿更低.一方面是因?yàn)槿剂媳旧鞱,S含量不4] Bryers R W. Fi. aging, fouling and high高,另一方面,高含量的Na對(duì)抑制氮氧化物和硫emperature 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(jì)試驗(yàn)表明,新汶常規(guī)漿結(jié)渣特Combust Sci, 1996, 22: 29-1性較弱,而黑液漿是一種低灰熔點(diǎn)強(qiáng)沾污結(jié)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.微觀分析heat transfer parameters and fouling intensity in顯示,灰沉積物中Na,K,S,A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 in渣中大量鈉的富集加劇了燒結(jié)行為,極大地促進(jìn)了pulverized coal-fired boilers[]. Fuel,1999.:1789-1803.灰渣強(qiáng)度的發(fā)展,降低了系統(tǒng)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(yīng)用時(shí)所必須重點(diǎn)考慮的deposition from a Victorian brown coal-modelling andprevention [J]. Fuel Processing Technology 1998,53:215-233(責(zé)任編輯李成俊)中國煤化工CNMHG