黑液煤漿燃燒特性研究

文_趙忠霞 蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 試驗(yàn)爐內(nèi)燃燒試驗(yàn)及分析

對(duì)黑液煤漿、普通水煤漿兩種燃料分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)燃燒特性試驗(yàn)，該試驗(yàn)均在流化床試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行，目的是研究分析在750℃下黑液煤漿、普通水煤漿燒結(jié)特性以及NOx、SO2的排放特性。

1.1 試驗(yàn)方法

黑液煤漿、普通水煤漿燒結(jié)特性以及污染物排放特性均在流化床試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①在實(shí)驗(yàn)爐反應(yīng)器底部加入粒度均在200μm 以下的石英砂，打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體左側(cè)的空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)量為2m3/h，在溫度調(diào)節(jié)面板上將實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)溫度初步調(diào)節(jié)至750℃，開始持續(xù)加熱，大概需要2h。

②將壁厚為1.5mm 的軟管裝卡在恒流泵上，軟管一端放入500ml 的燒杯中，燒杯中裝有黑液煤漿、普通水煤漿，另外一端接有水煤漿專用噴槍，并將恒流泵流速調(diào)整到適當(dāng)速率，水煤漿通過噴槍滴入爐膛內(nèi)燃燒。

③開始滴入水煤漿之前，用熱電偶測得爐內(nèi)實(shí)際溫度，大概為800℃時(shí)開始試驗(yàn)。

④觀察黑液煤漿、普通水煤漿在實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)的燃燒狀況，以及不斷觀察床料是否出現(xiàn)燒結(jié)狀況，一旦出現(xiàn)燒結(jié)狀況或者流化狀態(tài)不佳時(shí)，立即停止加熱，同時(shí)加大流化風(fēng)量，若實(shí)驗(yàn)過程并未出現(xiàn)燒結(jié)，則繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

⑤黑夜水煤漿、普通水煤漿在試驗(yàn)溫度下穩(wěn)定燃燒1 個(gè)小時(shí)后，用煙氣分析儀測定流化床試驗(yàn)臺(tái)爐膛出口處煙氣內(nèi)的NOx、SO2的濃度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

⑥所有試驗(yàn)做完后，停止加熱，撤掉恒流泵及燃料，切斷試驗(yàn)臺(tái)一切電源，加大流化風(fēng)量，等待爐內(nèi)溫度降至200℃左右時(shí)，關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，待爐膛完全冷卻時(shí)，放出床料，觀察床料實(shí)驗(yàn)前后的顏色差異。

⑦清洗恒流泵以及水煤漿專用噴槍，收拾試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)束。

2012年山東省水利廳印發(fā)了《關(guān)于開展水資源管理規(guī)范化建設(shè)的通知》，明確了以“三條紅線”管理為基礎(chǔ)，以水資源管理的制度、管理、保障“三大體系”建設(shè)為手段，以體制機(jī)制、依法監(jiān)管、組織建設(shè)為保障，全面推進(jìn)水資源日常監(jiān)督管理規(guī)范化建設(shè)的目標(biāo)要求。山東省堅(jiān)持示范帶動(dòng)、以點(diǎn)促面，以縣（市、區(qū)）為單元開展了水資源日常監(jiān)督管理規(guī)范化建設(shè)示范創(chuàng)建活動(dòng)。在各市推薦的基礎(chǔ)上，由各縣（市、區(qū)）自愿申報(bào)，將通過省、市聯(lián)合考核驗(yàn)收的縣（市、區(qū)）命名為“全省水資源管理規(guī)范化建設(shè)示范縣（市、區(qū)）”，從省級(jí)水資源管理專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)中安排獎(jiǎng)補(bǔ)。力爭到2015年全省80%以上的縣（市、區(qū)）都達(dá)到規(guī)范化要求。

1.2 試驗(yàn)爐內(nèi)的燒結(jié)特性及分析

黑液煤漿依靠恒流泵以1.3r/min 的速度通過噴槍滴入試驗(yàn)爐內(nèi)，黑液煤漿滴受熱膨脹迅速爆炸分散成細(xì)小的顆粒，黑液煤漿隨重力作用落在床料上燃燒，與床料一起翻滾，床料流化較好。燃燒1h 左右，床料出現(xiàn)流化欠佳現(xiàn)象，開始出現(xiàn)石英砂結(jié)焦現(xiàn)象，增大流化風(fēng)量，改善不大，切斷電源，試驗(yàn)終止。

按照試驗(yàn)方法嚴(yán)格操作，普通水煤漿依靠恒流泵以1.3r/min 的速度通過噴槍滴入流化床鍋爐內(nèi)，流化風(fēng)量為2m3/h，水煤漿滴受熱膨脹迅速爆炸分散成細(xì)小的顆粒，數(shù)秒后開始著火，普通水煤漿隨重力作用落在床料上燃燒，與床料一起翻滾，床料流化較好，燃燒2h 左右，床料未出現(xiàn)流化欠佳現(xiàn)象，也未出現(xiàn)石英砂結(jié)焦現(xiàn)象。

由圖1 可以看出，普通水煤漿在流化床鍋爐中燃燒后床料石英砂未出現(xiàn)任何燒結(jié)現(xiàn)象，顏色較實(shí)驗(yàn)之前偏淡黃色。

對(duì)比圖1 可以看出黑液煤漿燃燒后的床料明顯出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，而且其燃燒后的床料呈現(xiàn)暗黃色，普通水煤漿燃燒后的床料并未出現(xiàn)結(jié)焦而且顏色僅現(xiàn)淡黃色。試驗(yàn)爐燃燒試驗(yàn)說明造紙黑液對(duì)黑液煤漿的燒結(jié)現(xiàn)象具有影響，其主要原因是造紙黑液中含有大量的堿，在高溫下極易與石英砂中的SiO2反應(yīng)生成玻璃，玻璃在高溫下極易呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，所以我們會(huì)看到燃燒后的石英砂呈現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。

圖1 普通水煤漿、黑液煤漿燃燒后的石英砂對(duì)比

2 污染物排放特性分析

將黑液煤漿、普通水煤漿兩種燃料分別滴入試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，在試驗(yàn)溫度750℃下穩(wěn)定燃燒2h，在爐膛煙氣出口處連接煙氣分析儀，用來測得NOx、SO2、CO 等排放物的20 組數(shù)據(jù)，并將NOx、SO2、CO 折算到6%標(biāo)準(zhǔn)含氧量下的數(shù)值，然后對(duì)每個(gè)參數(shù)求平均值，得到NOx、SO2、CO在標(biāo)準(zhǔn)含氧量下的數(shù)值，如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)含氧量下的污染物排放特性

表1 為黑液煤漿、普通水煤漿試驗(yàn)爐燃燒時(shí)煙氣成分排放數(shù)據(jù)，從表1 中可以看出黑液煤漿煙氣中NOx、SO2以及CO 含量遠(yuǎn)低于普通水煤漿。

原因分析：黑液煤漿燃燒過程中煙氣中的SO2含量比普通水煤漿要低得多，這主要是因?yàn)楹谝褐泻蠳a-基化合物，尤其是NaOH、Na2CO3等堿性物質(zhì)存在于造紙黑液中。在高溫狀態(tài)下，堿金屬化合物會(huì)和高速運(yùn)行的煙氣充分混合，其與煙氣中的SO2發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極耐高溫的Na2SO4或者是其他硫酸鹽化合物，從而將S 固定在灰渣中，這樣就會(huì)大大減少SO2的排放，達(dá)到凈化空氣的目的。此外，堿金屬化合物如NaCl 可以改善CaCO3吸收煙氣中的SO2的能力，作為催化劑提高氧化鈣的固硫能力，加強(qiáng)對(duì)SO2的吸收。

黑液煤漿煙氣中NOx含量較低的原因主要是由兩方面的因素決定的。一方面因?yàn)樵旒埡谝汉写罅康腘aOH、Na2CO3等堿性化合物，這些堿性化合物易與煙氣中的酸性氧化物NO2以及NO 反應(yīng)，生成不易分解的化合物固定在灰渣中；另一方面，造紙黑液中存在大量的水，黑液煤漿中的水會(huì)在燃燒過程當(dāng)中攝取熱量，致使其燃燒過程中爐膛內(nèi)的火焰溫度要比燃煤時(shí)低200 ～300℃，因此所生成的NOx要遠(yuǎn)低于原煤的燃燒產(chǎn)物。

3 結(jié)語

試驗(yàn)爐燃燒試驗(yàn)表明，黑液煤漿比普通水煤漿更容易出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，黑液煤漿燃燒后的石英砂呈現(xiàn)暗黃色。

煙氣排放特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黑液煤漿燃燒過程中排放到大氣中的NOx不到普通水煤漿排放濃度的1/3，黑液煤漿燃燒中SO2排放濃度不足普通水煤漿的1/9。

黑液煤漿雖具有燃燒過程中污染物排放濃度小、熱值更高、燃燒過程更加劇烈、燃盡時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但其在燃燒過程中容易出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，這卻能為后面繼續(xù)研究水煤漿的研究人員提供新的研究思路。