煤焦油乳化合成燃料油的機理與試驗研究

李 清

(大同煤礦集團有限責任公司煤氣廠山西大同 037001)

煤焦油乳化合成燃料油的機理與試驗研究

李 清

(大同煤礦集團有限責任公司煤氣廠山西大同 037001)

煤焦油經(jīng)過乳化后,性質(zhì)會發(fā)生不同的變化,使得煤焦油具有很好化學穩(wěn)定性、流動性和良好的燃燒特性,所以本文在鍋爐上進行了研究試驗,并對污染物的排放、燃燒成本和效率進行了對比分析,實踐證實:乳化煤焦油經(jīng)過改良后不但用于鍋爐油燃料,而且還節(jié)省了燃料成本。

煤焦油 ;乳化 ;合成燃料油

1前言

近年來我國各個行業(yè)對石油的需求量呈明顯增大趨勢。權威人士預測,到 2020年,我國將有 80%原油需從國外進口,這將直接制約我國經(jīng)濟的發(fā)展。所以,找到其他的液體燃料代替石油燃料或者找到新型的燃料,將是今后我國在能源方面的重要任務。

本研究所采用的主要原材料就是相對廉價的中溫煤焦油,對煤焦油進行加水、均勻攪拌等一些必要的處理,乳化后,改良出符合國家標準的燃料用油,具有污染小、效率高等特點。由于乳化燃料油在產(chǎn)品特性方面與重油很相近,我們只需對鍋爐的燃燒狀況進行簡單的調(diào)整就可以使用,而不需要對高爐進行全面的改造,從而達到節(jié)省的成本目的。本文對煤焦油乳化后進行燃燒試驗,經(jīng)分析可得該燃料可以用于鍋爐燃料用油。在試驗我們選用的溫煤焦油,為山西某焦化工廠產(chǎn)品。

2煤焦油乳化的機理研究

煤焦油的價格相對較低,近年來一些能源動力方面的工作者開始對煤焦油進行了深入的研究,并且用作鍋爐燃料進行試驗。但我們發(fā)現(xiàn)如果不對煤焦油進行任何處理就用于鍋爐燃料則會出現(xiàn)以下狀況:白火、噴嘴被燒焦、由于燃燒不透而冒出大量的黑煙。

2.1煤焦油和燃料油的性質(zhì)對比

煤焦油和燃料油以及合成燃料油的元素分析情況見表 1。通過觀察表 1發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的鍋爐燃料用油相比,煤焦油中碳所占的比例很高,而氫、硫所占的比例較小,含氮量也較高。這說明在常溫狀態(tài)下煤焦油的相對密度和黏稠度都比燃料用油大。在乳化煤焦油摻入 12%的水后則各方面的性能得到的很好的改進,而且與鍋爐燃料用油的各項指標很接近,如表 2所示。但是在這里需要說明我們必須合理的控制摻水量,太多、太少都會起到相反的作用。為了獲得最佳加水量,我們分別對乳化煤焦油加從 6%到 18%,按 3%逐漸增加的速度加入水,試驗中觀察他們真實的燃燒信息。結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)加水量在12%時燃燒最佳。當然,對于不同品種不同產(chǎn)地的煤焦油,最優(yōu)的加水量會不一樣,實際情況需要通過試驗作進一步研究。

表 1燃料油和煤焦油以及合成燃料油的元素分析 %

表 2重油和煤焦油以及合成燃料油的特性分析

2.2乳化燃燒理論

乳化的燃燒理論的研究主要從以下幾方面進行闡述:①通過高溫蒸汽達到霧化的目的。通過對乳化煤焦油在高溫爐膛中進行高溫加熱,使得其中的水分蒸發(fā)生成水蒸氣,從而體積迅速膨脹。如果溫度達到 1000℃左右,體積膨脹幾千倍。這樣油滴進一步細化變小,與空氣的接觸面積擴大很多,這就是二次霧化。二次霧化可以增加燃燒量。②提高油的蒸發(fā)速度和效率。由于油汽與空氣的混合接觸面積大,而液體油滴與空氣的混合接觸面積小,這樣相當于加大了燃燒的范圍,可以使乳化油汽與空氣充分接觸并燃燒。③燃燒反應的過程受到干擾。材料燃燒不盡可產(chǎn)生黑煤或焦炭,當溫度達到 1000℃的高溫時,由于水煤氣反應把固態(tài)物變成了氣體,與液體混合物充分燃燒,同是氣態(tài)的物質(zhì)再混合和發(fā)生化學作用,故燃燒的速度和效率都得到極大的提高,使得存留的炭黑或焦炭量變得很少,提高了燃料的使用率。④控制燃燒火焰的溫度,避免局部高溫,使其在恒溫下燃燒。

2.3煤焦油乳化的過程

對煤焦油加入適量的水進行充分攪拌,水分會進一步縮小,產(chǎn)生油和水兩相介質(zhì)的狀態(tài)。乳化劑膠束不論以哪種介質(zhì)狀態(tài)存在,由于親油基與水互相排斥,只是親水基與水分充分混合,而親油基通過互相吸引而聚合被其他水分包裹在里面。由于煤焦油中有油相存在,在油相和水相相結(jié)合的界面處,最初的油相平衡狀態(tài)被打破,使得乳化劑的分子排列順序重新組合,乳化劑分子中的親油基與油相溶而與水相斥,親油基在水的吸引力和油的排斥力的共同影響下分布在煤焦油中,乳化劑成為二者聯(lián)系的紐帶。最終三者之間達到平衡,形成油包水型的乳液。

這里要說明的是乳化劑分子的排列和重新組合是非常復雜的。乳化劑分子中同時含有親水基和親油基。這樣乳化劑就成了聯(lián)系油基和水基的紐帶,一部分與親水基相結(jié)合,另一部分與親油基相結(jié)合,而乳化劑就處于油水的兩相介質(zhì)中。由于乳化劑分子在油水界面上的作用,從而減小了油水兩相介質(zhì)的張拉力,從而使水滴在煤焦油中的存在狀態(tài)變得異常穩(wěn)定,也降低了水油攪拌時所消耗的功。另外,由于乳化劑在兩相介質(zhì)中會形成一層連接膜,圍繞在水滴的周圍,防止水滴與外界水滴的聯(lián)系與結(jié)合,保證了乳化油的狀態(tài)穩(wěn)定性。

2.4乳化油的黏度

試驗表明,經(jīng)過乳化后的煤焦油性質(zhì)不可避免的會發(fā)生變化:凝固點會有小幅度的提高,而相對密度會降低,比熱容、導熱系數(shù)都有不同程度的增大。一般來講,煤焦油的黏稠度比水大很多,但經(jīng)過乳化后的煤焦油混合物,由于油和水兩種介質(zhì)狀態(tài)的存在,兩種介質(zhì)之間會產(chǎn)生相互的摩擦力,于是煤焦油乳化后黏稠度變得比較復雜,它與多種因素有關,如煤焦油的成分、摻水量的多少、乳化劑的選擇。對此我們在煤焦油的品質(zhì)相同、乳化劑的選用一致的情況下對不同產(chǎn)水量下的黏度進行了試驗,具體成果見下頁圖 1。

圖 1不同摻水量的黏溫曲線

由圖 1可以看出,黏度隨摻水量的增加首先呈現(xiàn)增大的趨勢,隨后開始減小,而在溫度較低時卻有很大變化,但在溫度升高時,不同的摻水量對黏度的影響相對較小,對燃燒物的物化程度的影響可以忽略不計。經(jīng)過反復試驗,我們確定 12%的摻水量為最優(yōu)摻水量。

3乳化劑的選擇

乳化液的穩(wěn)定性指的是粒子的聚集能力,是與粒子的相分離能力相對立的。在乳化液中,粒子可以自由移動,具有不穩(wěn)定性。因此我們一般把體系達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間定義為乳化液的穩(wěn)定性。為了縮短平衡所需的時間,一般的措施是加入適當?shù)娜榛瘎?來達到降低界面的張拉力而實現(xiàn)的。

乳化劑需要達到的標準有以下幾個方面:①能有效降低界面張力;②乳化劑需要帶有電荷,通過電荷產(chǎn)生靜電排斥作用,從而形成黏度較高的保護膜。在試驗中,我們選擇了復配乳化劑,取得了較好的效果。

4現(xiàn)場試驗

為了進一步研究經(jīng)過乳化后的煤焦油的燃燒狀況,我們做了工業(yè)試驗。

試驗中我們選用 250#重油,其生產(chǎn)廠家為上海高橋石化總廠,乳化煤焦油為 2#燃料油,其生產(chǎn)廠家為杭州長潤石化燃料油公司。試驗鍋爐為燃油鍋爐,規(guī)格為 1.5t/h,煙氣測試儀器為 testo 350m/x1煙氣分析儀。乳化煤焦油和重油的鍋爐效率及排放情況如表 3所示。

表 3乳化煤焦油和重油的鍋爐效率及排放情況對比

由于蒸汽量的不斷變化,測量得到的蒸發(fā)量也就不一致,但二者的效率差值小于 5%。經(jīng)過乳化后的煤焦油與重油相比,成本減少了 30%～40%,取得了很大的經(jīng)濟效益。在兩種不同工況下,鍋爐的燃燒效率分別為 79.1%和 81.4%,基本一致,所以燃燒的效率很高。而且由于燃燒狀況良好,污染物與重油相比差別不是很大。綜合本次的分析與試驗結(jié)果,乳化后的煤焦油在不用對鍋爐進行改造的情況下不但可以代替重油,而且節(jié)省了燃料成本,產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟效益。

5結(jié)論

通過對煤焦油乳化的機理介紹與研究以及現(xiàn)場試驗我們可以得出以下結(jié)論:①不用對鍋爐進行改進就可以使用燃燒乳化煤焦油,從而減低了燃料成本。②經(jīng)過乳化的合理配置,改善了煤焦油的性能,并且經(jīng)過試驗驗證得出此種方法適用于作為鍋爐用的燃料。

TQ522.63

A

1003-3467(2010)24-0028-03

2010-12-21

李 清 (1967-),男,工程師,主要從事煤氣技術管理工作,電話:13097598755。