黑液水煤漿燃燒試驗研究

第23卷第1期熱能動(dòng)力Vol 23. No. 12008年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan.,2008文章編號:1001-200(2003)01-0092-05黑液水煤漿燃燒試驗硏究蘭澤全1,曹欣玉2,劉建忠2,程軍2(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北燕郊065201;2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州31002摘要:為了考察黑液水煤漿工業(yè)應用的可行性及潛在問(wèn)如何,在其工業(yè)化應用前都是必須弄清并加以解決題,通過(guò)熱天平機理實(shí)驗、0.25MW試驗爐和4加h工業(yè)爐3的問(wèn)題。本文旨在這些方面開(kāi)展系統的研究工作種不同規模的燃燒試驗,對比研究了黑液漿與制漿原媒及普以考察黑液漿工業(yè)應用的可行性和潛在問(wèn)題比,由于鈉的催化和助燃作用,黑液漿具有著(zhù)火容易、燃燒穩定、燃燒時(shí)間短、燃盡率高,以及SO2、NOx和煙塵等污染物試驗方法和燃料特性排放低的特點(diǎn),是一種新型的潔凈燃料,因此采用水煤漿技術(shù)治理利用造紙黑液是完全可行的。黑液漿工業(yè)應用的潛1.1試驗方法在問(wèn)題是具有較強的積灰結渣趨勢。釆用對比實(shí)驗的方法,通過(guò)3種規模的燃燒試關(guān)鍵詞:黑液水煤漿;熱重分析;燃燒特性;工業(yè)試驗驗比較黑液漿與制漿原煤或普通漿的各項特性,包中圖分類(lèi)號:TQ534文獻標識碼:A括:熱解、著(zhù)火、穩燃、燃盡、灰沉積及污染物排放等特性。引言(1)通過(guò)熱重-紅外實(shí)驗,比較黑液漿與制漿原煤燃燒反應活化能、著(zhù)火溫度、燃盡溫度、熱解特黑液是造紙廢水中最主要的污染源,占整個(gè)造性并通過(guò)對煙氣的紅外光譜分析,定性比較二者紙工業(yè)污染的90%左右含有難降解的本質(zhì)素及其SO2的排放特性。衍生物,是一種高堿性的復雜污染體系,能引起水體(2)在實(shí)驗室025MW試驗爐上開(kāi)展中試燃燒污染和生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞,在我國其污染負荷僅實(shí)驗,了解黑液漿的流動(dòng)霧化、著(zhù)火、穩燃、積灰結次于冶金、石化而居第三位,因此,如何處理和利用渣及污染物排放特性黑液是一項困擾造紙企業(yè)的重大難題,長(cháng)期以來(lái)人3)在4th工業(yè)爐上進(jìn)行黑液漿燃燒的工業(yè)們一直在積極尋找一種經(jīng)濟高效且處理量大的治應用試驗,進(jìn)一步了解黑液漿的燃燒特性污方法。水煤漿技術(shù)的成熟和工業(yè)化應用為造紙廢1.2燃料特性液的有效處理及利用提供了一條新的途徑。黑液水表1所示為固形物濃度為21.97%的造紙黑液煤漿(以下簡(jiǎn)稱(chēng)黑液漿)一般由45%~55%的煤粉的成分分析數據,可見(jiàn)黑液的成分比較復雜,含多種和55%~45%的造紙黑液組成其中黑液本身含有有機和無(wú)機成分,有機物含量為無(wú)機物的1.97倍的Na基化合物可充當添加劑因此與普通水煤漿具有較高的熱值;同時(shí),黑液的堿性很強,pH值為(以下簡(jiǎn)稱(chēng)普通漿)相比,不僅具有節水節能的優(yōu)勢,10.,22表2為制漿原煤(新汶煤)和黑液漿的工業(yè)而且還可節省大量的藥劑費用。經(jīng)測算,每生產(chǎn)1t分析及元素分析。熱天平機理實(shí)驗及試驗爐燃燒試黑液漿可比普通漿節約成本約99元驗所用黑液漿固形物濃度為60.45%,由49.3%的國內學(xué)者和工程技術(shù)人員曾開(kāi)展過(guò)黑液漿與煤煤粉和50.7%的造紙黑液配制而成;工業(yè)爐燃燒用混燒中試試驗口-21。然而單純黑液漿的流動(dòng)性霧黑液漿固形物濃度為63.96%,是由53.8%的煤粉化性火性穩燃性燃盡特性及污染物排特性和4V凵中國煤化工CNMHG收稿日期:2007-03-02;修訂日期:2007-04-05基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃(973)基金資助項目(2004CB217701,204cB217701-1);河北省教育廳科研基金資助項目(2005-1)作者簡(jiǎn)介:蘭澤全(1972-),男,四川廣安人,華北科技學(xué)院刷教授博土蘭澤全,等:黑液水煤漿燃燒試驗研究93表1山東圣龍集團造紙廠(chǎng)黑液分析數據CH惰性氧化物固形物濃度pH值38.564.0340.821.050,470.450,2120,410.22總堿(以Na2O計)有效堿(以N嗎O計)有機物無(wú)機物有機物發(fā)熱量/Mkg/無(wú)機物低位高位4.17表2黑液漿與新汶煤的元素分析和工業(yè)分析工業(yè)分析/%發(fā)熱量/kJk元素分析/%樣品FCar QH新汶煤1.747.153.957.143233779.04.171.501.754.62黑液漿(試驗爐)44.926.4819.8128.681494041.02.540860.623.58黑液漿(工業(yè)爐)3771687209134.5118114473.11漿430℃左右,新汶煤620℃左右,黑液漿比制漿原2實(shí)驗部分煤低約190℃;并且黑液漿在430℃前后的DTG曲線(xiàn)峰很尖細、很陡,表明其燃燒過(guò)程進(jìn)行得很劇烈2.1熱重-紅外實(shí)驗而制漿原煤相對要緩和一些。采用 TGA/SDTA851E型熱天平,利用微量樣品在程序控制的升溫速率下,高靈敏度地進(jìn)行熱重和--yTG00100.005差熱分析,并通過(guò)與熱重分析儀相聯(lián)的紅外儀對燃燒氣體產(chǎn)物的分析,定性比較SO2等污染物的排放0000特性0010熱天平主要技術(shù)指標為:測溫范圍≤160℃最大試樣量5g;重量測量靈敏度0.1。本次研究分別進(jìn)行了燃燒和熱解兩種試驗,測定氣氛相應為0010001200空氣和N2;升溫速率:25-1000℃,80℃/min;1001100℃,12℃/min圖2新汶原煤燃燒時(shí)TG&DTG曲線(xiàn)0.005表3黑液漿與新汶煤熱解和燃燒特性分析數據揮發(fā)分初析揮發(fā)分釋放速率達到活化能著(zhù)火溫燃盡溫度T/K最大時(shí)的溫度T/K小k0.010黑液漿4110.015新汶煤0.025(2)根據兩種燃料的燃燒和熱解實(shí)驗的熱重曲20040060080010001200線(xiàn)TG和熱重微分曲線(xiàn)DTG,通過(guò)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析,圖1黑液漿燃燒TG&DTG曲線(xiàn)可以得出著(zhù)火溫度、燃盡時(shí)間及其它動(dòng)力學(xué)參數,如表3所示。由此可見(jiàn),黑液漿的揮發(fā)分初析溫度、揮(1)圖1和圖2所示分別為黑液漿和新汶煤進(jìn)發(fā)分釋放率達到量大時(shí)的溫度活化能著(zhù)火溫度以中國煤化工黑液漿更易著(zhù)火,微分(DT)曲線(xiàn)?？梢?jiàn),兩種燃料具有不同的燃燒具有CNMHG特性,從TG和DTG曲線(xiàn)可以看出,黑液漿的著(zhù)火比(3)通過(guò)與熱重分析儀聯(lián)用的紅外儀,可定性新汶煤提前,達到DG最小值的溫度分別為:黑液比較黑液漿和新汶煤在燃燒過(guò)程中SO2等污染物的排放量相對大小。圖3和圖4分別為新汶煤和黑液熱能動(dòng)力工程2008年漿進(jìn)行熱天平燃燒實(shí)驗過(guò)程中,在燃燒反應最劇烈為了解黑液漿的流變特性,測量了幾種不同剪的某時(shí)刻析出的SO2氣體的紅外光譜,可見(jiàn)黑液漿切率下的表觀(guān)粘度,其結果如圖5所示。由此可知燃燒過(guò)程中釋放出來(lái)的SO2大大低于制漿原煤。黑液漿的粘度低,流動(dòng)特性很好,具有良好的霧化性能,冷態(tài)試驗時(shí)能見(jiàn)到極細的霧滴,特別有利于著(zhù)火和燃燒。此外,由圖還可看出,與其它賓漢流體一8%92∞8樣,隨著(zhù)濃度的增加,黑液漿的粘度逐漸增大。SO的標準圖譜2.2.2燃燒及排放特性2.2.2.1試驗爐簡(jiǎn)況82樣品實(shí)測圖譜0.25MW試驗爐主體呈“U”形,高約3.5m,內徑300mm,爐內壁涂有耐火混凝土,爐膛及煙道均釆用水冷系統冷卻。煤漿燃燒試驗時(shí)黑液漿由噴槍350030002500200015001000500送人爐膛,經(jīng)噴嘴霧化后實(shí)現著(zhù)火燃燒,產(chǎn)生的煙氣波數/cm由尾部煙道排出;煤粉燃燒試驗時(shí)撤出噴槍,增加一圖3原煤在燃燒最劇烈的煤粉輸送給料裝置。某時(shí)刻析出物SO2的紅外光譜2.2.2燃燒特性1150mm截面725mm截面樣品實(shí)測光譜圖截面徑向距離/mm400035003002500200015001000500波數/cm4圖6黑液漿燃燒試驗時(shí)徑向溫度場(chǎng)分布圖4黑液漿在燃燒最劇烈的某時(shí)刻析出物SO2的紅外光譜x11502.2實(shí)驗室燃燒試驗通過(guò)熱重一紅外聯(lián)用儀從機理上對黑液漿和制漿原煤的燃燒特性和污染物排放特性進(jìn)行了初步研究,這對于工業(yè)應用是遠遠不夠的,為此在實(shí)驗室0.25MW試驗爐上進(jìn)行了半工業(yè)性燃燒試驗。2006001001401822.2.1流變特性圖7黑液漿燃燒時(shí)沿煙氣行程溫度分布一6045%5963%通過(guò)在0.25Mw試驗爐上的燃燒試驗,結果發(fā)現黑液漿噴入爐膛后即能著(zhù)火燃燒,火焰明亮、透明5叫V凵中國煤化工k在爐內燃燒穩定。圖CNMHG,通過(guò)雙鉑銠熱剪切率/s電偶所測得的兩個(gè)代表性截面的徑向溫度分布,可圖5黑液漿在不同剪切率下的表觀(guān)粘度見(jiàn)在同一截面上溫度分布比較對稱(chēng)。此外,在試驗過(guò)程中采用紅外高溫計沿煙氣行程測量了爐內溫度第1期蘭澤全,等:黑液水煤漿燃燒試驗研究分布,結果如圖7所示,可見(jiàn)軸向溫度場(chǎng)呈中間高兩趨勢較普通漿強,定期吹灰的頻率比普通漿稍短。端低的分布特點(diǎn)。截面溫度場(chǎng)和軸向溫度場(chǎng)分布情況都表明黑液漿具有良好的流動(dòng)性、霧化性及著(zhù)火3結果分析性能,自穩燃能力強,燃燒狀況良好2.2.2.3排放特性3種類(lèi)型的燃燒試驗表明,與制漿原煤及普通表4為黑液漿和新汶煤燃燒時(shí)煙氣成分的分析漿相比,黑液漿具有以下特點(diǎn):活化能小,揮發(fā)分初數據,可見(jiàn)煙氣中NO、NO2及SO2含量黑液漿遠低析溫度和著(zhù)火溫度低,燃盡時(shí)間短,著(zhù)火容易,燃燒于制漿原煤,試驗爐黑液漿煙氣中NOx含量為穩定,自穩燃能力強,煙氣中SO2、NOx及煙塵含量567.78mg/m3,不到制漿原煤的1/3,SO2含量為低,但積灰結渣傾向較強。433.76mg/m3,約制漿原煤的1/5。3.1著(zhù)火及燃燒特性分析表4黑液漿和新汶煤燃燒時(shí)的污染物排放情況(mg/m3)由表1可知,造紙黑液中Na元素含量較高,其質(zhì)量百分比為14.42%,而Na的存在和富集對煤的新這煤1X85716186m72106燃燒起著(zhù)重要作用。Dime等人的研究結果表黑液漿(試驗爐)564.明3,NaCl和鈉羧酸鹽對焦炭燃燒反應有明顯的催黑液漿(工業(yè)爐)995.33化作用,這是由于在焦炭分子矩陣和焦炭?jì)炔靠紫侗砻嫔螻a的富集,能形成活化中心,提高焦炭的反.4灰沉積特性應活性,極大地加快了燃燒反應速率,強化了焦炭在通過(guò)灰污熱流探針和SC結渣棒灰沉積試驗,爐內的著(zhù)火和燃燒。因此,黑液漿著(zhù)火容易,著(zhù)火溫結果表明黑液漿燃燒時(shí)爐內出現了較嚴重的積灰結度比原煤低108℃,如表3所示。呂曉泉等人的研渣,其灰沉積速率大于新汶煤,灰渣強度也比新汶煤究結果也表明(,鈉鹽能縮短碳粒的著(zhù)火時(shí)間和燃的大。盡時(shí)間,強化燃燒過(guò)程。根據表1,黑液中大部分是有機物,其質(zhì)量百分含量是56.32%,為無(wú)機物的2.3工業(yè)爐燃燒試驗1.97倍,因而黑液具有較高熱值,低位發(fā)熱量為工業(yè)試驗是在新汶良莊礦中心醫院一臺改造過(guò)14.17M/ml,故與普通漿相比,一且黑液漿著(zhù)火,的4hKz4-10型蒸汽鍋爐上進(jìn)行的,該工業(yè)爐黑液中有機物燃燒釋放出的熱量可提高火焰和煙氣設有預燃室,其長(cháng)為2.60m,寬2.55m,高2.10m,溫度,因此自穩燃能力強,燃燒穩定。同時(shí),由于№主爐膛長(cháng)4.10m。的存在和其對燃燒反應的催化作用,燃燒反應得以熱工試驗結果表明:加強,所以其燃盡時(shí)間比原煤要短,由表3可知,原(1)黑液漿在不同負荷(即使在50%甚至更低煤和黑液漿燃盡時(shí)間分別為507s和853負荷)下均能著(zhù)火燃燒,燃燒十分穩定,投油時(shí)間很短,一般點(diǎn)火5min左右即可停油,且徑向溫度分布3.2排放特性分析均勻,說(shuō)明其自穩燃能力強,具有良好的燃燒性能。由圖3、圖4和表4可知,黑液漿燃燒時(shí)其煙氣(2)燃盡率高,飛灰含碳量為56%,鍋爐燃燒中SO2含量低于普通漿和制漿原煤。這是因為造紙效率達到97.31%,鍋爐效率為73.71%,超過(guò)了該黑液中的鈉基化合物特別是其中的NOH、Na2OO3鍋爐燃煤方式的燃燒效率。等堿性物質(zhì),在燃燒界面上和煙氣充分接觸時(shí),與煙(3)煙氣中NOx和SO2的含量分別為1011氣中的SO2發(fā)生了復雜的化學(xué)反應,生成耐高溫的g/m3和893.68mg/m3,如表4所示,總固硫率為硫酸鹽類(lèi)化合物(Na2SO4)或其它復合物留在灰渣%;煙塵含量黑液漿為3376.3mgm2,而燃燒中,從而凈化了煙氣,減少了SO2對大氣的污染。普通漿時(shí)為4635.9mg/m3,說(shuō)明黑液漿作為鍋爐燃另有研究表明,堿金屬化合物(如NaCl)能改善Ca料具有比較明顯的環(huán)保優(yōu)勢。CO中國煤化工劑的吸收能力,從(4)工業(yè)爐長(cháng)期運行結果表明,與普通漿相比,而提CNMH加入石灰石粉末后黑液漿污染物排放情況得到了更wm1w2<所以較低,主要是好的控制,煙氣中SO2含量進(jìn)一步降低。由兩方面因素決定的。一方面是因為黑液中的(5)灰沉積方面,黑液漿燃燒過(guò)程中積灰結渣NaOH、Na2CO3等堿性物質(zhì)易與煙氣中的酸性氧化物熱能動(dòng)力工程2008年NO2反應,生成穩定的化合物固定在飛灰或灰渣中;另一方面黑液漿因含有大量水分燃燒過(guò)程中水分4結論蒸發(fā)要吸收大量熱量,導致其燃燒火焰溫度比原煤低200~300℃,因此生成的熱力型NOx遠低于原通過(guò)熱天平機理實(shí)驗和0.25MW試驗爐及煤4Uh工業(yè)爐這3種不同規模和類(lèi)型的燃燒試驗,結黑液漿燃燒過(guò)程中煙塵濃度較低,其主要原因果表明:是黑液漿中的高含量№a基化合物,對焦炭燃燒反應(1)利用水煤漿技術(shù)治理造紙黑液是完全可行有催化和助燃作用,加上黑液中的木質(zhì)素等有機物的。黑液漿粘度低,具有良好的流動(dòng)和霧化性能,著(zhù)燃燒放熱,使燃燒反應得到強化而變得更加劇烈,燃火容易,能夠連續、穩定燃燒,燃燒時(shí)間短,燃盡率盡時(shí)間短,燃盡率高,因此飛灰含碳量很低。高,并且煙氣中SO2、NOx及煙塵濃度遠低于普通漿3.3灰沉積特性分析和制漿原煤,因此具有顯著(zhù)的節能和環(huán)保效應,是一新型的潔凈燃料。(2)鍋爐受熱面積灰結渣是影響黑液漿燃燒利N-霞石用的主要潛在因素。無(wú)論是試驗爐還是工業(yè)爐,黑M-赤鐵礦液漿燃燒過(guò)程中都出現了較制漿原煤嚴重的灰沉積T無(wú)水芒硝現象,主要是由其較高鈉含量特點(diǎn)引起的。因此,實(shí)現黑液漿工業(yè)化應用的工作重點(diǎn)應放在如何防止積W灰結渣上,只要在鍋爐設計或改造中采取適當的防治措施,適用于這種新型燃料的燃燒設備及受熱面行射角2/(°)布局在技術(shù)上完全可以實(shí)現。圖8黑液漿灰沉積物的XRD圖譜參考文獻[]原鯤陳麗芳,吳承康水煤漿燃燒技術(shù)用于造紙黑液處理的試驗爐和工業(yè)爐燃燒結果表明,黑液漿在爐內研究[J燃燒科學(xué)與技術(shù),002,8(1):13-16.燃燒過(guò)程中灰沉積特性強于制漿原煤和普通漿,具2】殷惠民海穎周北海黑液水煤漿技術(shù)在造紙黑液處理中的有較強的積灰結渣傾向。主要是因為黑液漿中堿金應用[J環(huán)境科學(xué)研究,200,13(3):55-57屬化合物(Na、K)含量高,灰中Na2O、K2O質(zhì)量百分[3] QUYN DIMPLE MODY, WU HONGWEI, HAYASHI JUNICHIRO, etal. volatiliation and catalytic effects of alkali and alkaline earth metallic含量分別為21.5%和5.51%8),這兩種堿性氧化物在灰熔體中為助熔成分,能破壞網(wǎng)絡(luò )結構,從而降part N. catalytic effects of Nacl and ion-exchangeable Na in coal on低飛灰和灰渣熔融溫度。X射線(xiàn)衍射分析結果表char reactivity[J].Fuel,2003, 82: 587-593明在黑液漿中的灰沉積物中,絕大部分Na與Si、[4目曉泉,張佳心大氣環(huán)境中添加劑碳酸鈉對碳粒燃燒規律的A、SCl等成分相結合,生成了無(wú)水芒硝Na2SO4霞影響[J哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,190,11(1):252-258[5]楊新興,金元仲,朱風(fēng)元,利用造紙黑液制備潔凈水煤漿技術(shù)石KNa2(ASiO)4和巖鹽NaC等低熔點(diǎn)晶體9,它[J河北煤炭,2004(4):6-8們的熔融溫度分別為:無(wú)水芒硝884℃,霞石110[6]車(chē)得福劉艷華徐通模等城市垃圾與高硫煤混燒排放特性℃,巖鹽800℃。因此,富含這些低熔融溫度晶體的的模擬[J燃燒科學(xué)與技術(shù),2002,8(3):207-210灰粒在火焰中易呈熔融態(tài)或半熔融狀態(tài),到達受熱)范杰,姚,強,曹欣玉,等堿金屬化臺物添加劑對氧化鈣固硫影響的試驗研究[]燃燒科學(xué)與技術(shù),1997(1):105-111面時(shí)極有可能粘附并沉積在受熱面。此外,由于8蘭澤全媒和黑液水煤漿沾污結渣機理及灰沉積動(dòng)態(tài)特性研究NaCl、NaOH、Na2SO4等在高溫煙氣中易揮發(fā)、升華,然后凝結并粘附于受熱面,從而形成灰污層?；页羀9]蘭澤全曹欣玉趙顯橋等一種灰污熱流探針的研究及應用積是影響黑液漿工業(yè)應用的主要因素。由機T程學(xué)報.204.4(5),216-220中國煤化工編輯柴舒CNMHG