黑液水煤浆燃烧试验研究

第23卷第1期热能动力Vol. 23, No. 12008年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan.,2008文章编号:1001-200(2008)01-0092-05黑液水煤浆燃烧试研究兰泽全1,曹欣玉2,刘建忠2,程军2(1.华北科技学院安全工程学院,河北燕郊065201;2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027摘要:为了考察黑液水煤浆工业应用的可行性及潜在问如何,在其工业化应用前都是必须弄清并加以解决题,通过热天平机理实验、0.25MW试验炉和4h工业炉3的问题。本文旨在这些方面开展系统的研究工作种不同规模的燃烧试验,对比研究了黑液浆与制浆原煤及普以考察黑液浆工业应用的可行性和潜在问题。通浆的着火、燃烧、排放及灰沉积特性。结果表明,与原煤相比,由于钠的催化和助燃作用,黑液浆具有着火容易、燃烧稳定、燃烧时间短、燃尽率高,以及SO2、NOx和烟尘等污染物1试验方法和燃料特性排放低的特点,是一种新型的洁净燃料,因此采用水煤浆技术治理利用造纸黑液是完全可行的。黑液浆工业应用的潜1.1试验方法在问題是具有较强的积灰结渣趋势。采用对比实验的方法,通过3种规模的燃烧试关键词:黑液水煤浆;热重分析;燃烧特性;工业试验验比较黑液浆与制浆原煤或普通浆的各项特性,包括:热解、着火、稳燃、燃尽、灰沉积及污染物排放等中图分类号:TQ534文献标识码:A特性1)通过热重-红外实验,比较黑液浆与制浆原煤燃烧反应活化能、着火温度、燃尽温度、热解特黑液是造纸废水中最主要的污染源,占整个造性,并通过对烟气的红外光谱分析,定性比较二者纸工业污染的90%左右,含有难降解的本质素及其SO2的排放特性衍生物,是一种高碱性的复杂污染体系,能引起水体2)在实验室0.25MW试验炉上开展中试燃烧污染和生态环境的严重破坏,在我国其污染负荷仅实验,了解黑液浆的流动雾化、着火、稳燃、积灰结次于冶金、石化而居第三位,因此,如何处理和利用渣及污染物排放特性。黑液是一项困扰造纸企业的重大难题,长期以来人(3)在4υh工业炉上进行黑液浆燃烧的工业们一直在积极寻找一种经济高效且处理量大的治应用试验,进一步了解黑液浆的燃烧特性污方法。水煤浆技术的成熟和工业化应用为造纸废1.2燃料特性液的有效处理及利用提供了一条新的途径。黑液水表1所示为固形物浓度为21.97%的造纸黑液煤浆(以下简称黑液浆)一般由45%~55%的煤粉的成分分析数据,可见黑液的成分比较复杂,含多种和55%-45%的造纸黑液组成,其中黑液本身含有有机和无机成分,有机物含量为无机物的1.97倍,的Na基化合物可充当添加剂,因此,与普通水煤浆具有较高的热值;同时,黑液的碱性很强,pH值为(以下简称普通浆)相比,不仅具有节水节能的优势,10.22表2为制浆原煤(新汶煤)和黑液浆的工业而且还可节省大量的药剂费用。经测算,每生产1t分析及元素分析。热天平机理实验及试验炉燃烧试黑液浆可比普通浆节约成本约99元。验所用黑液浆固形物浓度为60.45%,由49.3%的国内学者和工程技术人员曾开展过黑液浆与煤煤粉和50.7%的造纸黑液配制而成;工业炉燃烧用混烧中试试验!-2。然而,单纯黑液浆的流动性雾黑液浆固形物浓度为63.96%,是由53,8%的煤粉化性、着火性、稳燃性燃尽特性及污染物排放特性和46.2%的造纸黑液配制而成。收稿日期:2007-03修订日期:2007-04-05基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(204cB217701,2004CB217701-1);河北省教育厅科研基金资助项目(2005-1)作者简介:兰泽全(1972-),男,四川广安人,华北科技学院副教授博士第1兰泽全,等:黑液水煤浆燃烧试验研究93表1山东圣龙集团造纸厂黑液分析数据CHpH值38.564,0340,821,050,470.450.210.22总碱(以Na2O计)有效碱(以Na2O计)有机物无机物有机物发热量/MJ·k/无机物19.4423.400.9614.1表2黑液浆与新汶煤的元素分析和工业分析工业分析/%发热量/kkg元素分析/%样品Ca Qn, ar Cur He Na S.新汶煤1.747.1533.957.4323377904.171.501.754.62黑液浆(试验炉).44.964819.8128.68149404100.8603.58黑液浆(工业炉)37.716.8720.9134.511811447663,100.880.673.11浆430℃左右,新汶煤620℃左右,黑液浆比制浆原2实验部分煤低约190℃;并且黑液浆在430℃前后的DG曲线峰很尖细、很陡,表明其燃烧过程进行得很剧烈,2.1热重-红外实验而制浆原煤相对要缓和一些。采用 TGA/SDTA851E型热天平,利用微量样品在程序控制的升温速率下,高灵敏度地进行热重和DGG差热分析,并通过与热重分析仪相联的红外仪对燃烧气体产物的分析,定性比较SO2等污染物的排放特性。g0010热天平主要技术指标为测温范围≤1600℃0.015最大试样量5g;重量测量灵敏度0.1。本次研究0.020分别进行了燃烧和热解两种试验测定气氛相应为60080010001200空气和N2;升温速率:25-1000℃,80℃/min;10001100℃,12℃/min。图2新汶原煤燃烧时TG&DTG曲线B0010表3黑液浆与新汶煤热解和燃烧特性分析数据挥发分初析挥发分释放速率达到活化能着火温燃尽温度TK最大时的温度 TK /J·m-1度4/K时间/s0.005黑液浆新汶煤43520040060080010001200(2)根据两种燃料的燃烧和热解实验的热重曲线TG和热重微分曲线DTG,通过化学动力学分析,图1黑液浆燃烧TG&DTG曲线可以得出着火温度燃尽时间及其它动力学参数,如表3所示。由此可见,黑液浆的挥发分初析温度、挥(1)图1和图2所示分别为黑液浆和新汶煤进发分释放率达到最大时的温度活化能、着火温度以行热天平燃烧试验所获得的热重(T)曲线和热重及燃尽时间都低于制浆原煤,表明黑液浆更易着火,微分(DmG)曲线。可见,两种燃料具有不同的燃烧具有更好的燃烧特性特性,从TG和DTG曲线可以看出,黑液浆的着火比(3)通过与热重分析仪联用的红外仪,可定性新汶煤提前,达到D最小值的温度分别为:黑液比较黑液浆和新汶媒在燃烧过程中SO2等污染物的排放量相对大小。图3和图4分别为新汶煤和黑液94热能动力工程2008年浆进行热天平燃烧实验过程中,在燃烧反应最剧烈为了解黑液浆的流变特性,测量了几种不同剪的某时刻析出的SO2气体的红外光谱,可见黑液浆切率下的表观粘度,其结果如图5所示。由此可知燃烧过程中释放出来的SO2大大低于制浆原煤。黑液浆的粘度低,流动特性很好,具有良好的雾化性能,冷态试验时能见到极细的雾滴,特别有利于着火和燃烧。此外,由图还可看出,与其它宾汉流体一样,随着浓度的增加,黑液浆的粘度逐渐增大。SO的标准图谱2.2.2燃烧及排放特性2.2.2.1试验炉简况样品实测图谱0.25MW试验炉主体呈“U”形,高约3.5m,内径300mm,炉内壁涂有耐火混凝土,炉膛及烟道均采用水冷系统冷却。煤浆燃烧试验时黑液浆由喷枪350030002500200015001000500送入炉膛,经喷嘴雾化后实现着火燃烧,产生的烟气波数/cm由尾部烟道排出;煤粉燃烧试验时撤出喷枪,增加一煤粉输送给料装置。图3原煤在燃烧最剧烈的某时刻析出物SO2的红外光谱2.2.2.2燃烧特性1150mm截725mm截面样品实测光谱图115000截面径向距离/mm400035003000250020001500100500波数/cm图6黑液浆燃烧试验时径向温度场分布图4黑液浆在燃烧最剧烈的某时刻析出物SO2的红外光谱5311502.2实验室燃烧试验1100通过热重-红外联用仪从机理上对黑液浆和制浆原煤的燃烧特性和污染物排放特性进行了初步研究,这对于工业应用是远远不够的,为此在实验室0.25MW试验炉上进行了半工业性燃烧试验。600100118m炉膛轴向距离/2.2.1流变特性图7黑液浆燃烧时沿烟气行程温度分布6045%通过在0.25MW试验炉上的燃烧试验,结果发现黑液浆喷人炉膛后即能着火燃烧,火焰明亮、透明,5min后便可撤走助燃油,黑液浆在炉内燃烧稳定。图6所示为在燃烧试验过程中,通过双铂铑热剪切率电偶所测得的两个代表性截面的径向温度分布,可图5黑液浆在不同剪切率下的表观粘度见在同一截面上温度分布比较对称。此外,在试验过程中采用红外高温计沿烟气行程测量了炉内温度第1期兰泽全,等:黑液水煤浆燃烧试验研究分布,结果如图7所示,可见轴向温度场呈中间高两趋势较普通浆强,定期吹灰的频率比普通浆稍短。端低的分布特点。截面温度场和轴向温度场分布情况都表明黑液浆具有良好的流动性雾化性及着火3结果分析性能,自稳燃能力强,燃烧状况良好。2.2.2.3排放特性3种类型的燃烧试验表明,与制浆原煤及普通表4为黑液浆和新汶煤燃烧时烟气成分的分析浆相比,黑液浆具有以下特点:活化能小,挥发分初数据,可见烟气中NO、NO2及SO2含量黑液浆远低析温度和着火温度低,燃尽时间短,着火容易,燃烧于制浆原煤,试验炉黑液浆烟气中№Ox含量为稳定,自稳燃能力强,烟气中SO2、NOx及烟尘含量567.78mg/m3,不到制浆原煤的1/3,SO2含量为低,但积灰结渣倾向较强433.76mg/m3,约制浆原煤的1/5。3.1着火及燃烧特性分析表4黑液浆和新汶煤燃烧时的污染物排放情况(mg/m3)由表1可知,造纸黑液中Na元素含量较高,其SO质量百分比为14.42%,而Na的存在和富集对煤的新煤1^8521.6186172108燃烧起着重要作用。 Dimple等人的研究结果表黑液浆(试验炉)564.73明3,NaCl和钠羧酸盐对焦炭燃烧反应有明显的催黑液浆(工业炉)995.3315.671011.00化作用,这是由于在焦炭分子矩阵和焦炭内部孔隙表面上Na的富集,能形成活化中心,提高焦炭的反2.2.24灰沉积特性应活性,极大地加快了燃烧反应速率,强化了焦炭在通过灰污热流探针和SC结渣棒灰沉积试验,炉内的着火和燃烧。因此,黑液浆着火容易,着火温结果表明黑液浆燃烧时炉内出现了较严重的积灰结度比原煤低108℃,如表3所示。吕晓泉等人的研渣其灰沉积速率大于新汶煤灰渣强度也比新汶煤究结果也表明4,钠盐能缩短碳粒的着火时间和燃的大。尽时间,强化燃烧过程。根据表1,黑液中大部分是有机物,其质量百分含量是56.32%,为无机物的2.3工业炉燃烧试验1.卯7倍,因而黑液具有较高热值,低位发热量为工业试验是在新汶良庄矿中心医院一台改造过14.17M/mol,故与普通浆相比,一旦黑液浆着火,的4 t/h KZL4-10型蒸汽锅炉上进行的该工业炉黑液中有机物燃烧释放出的热量可提高火焰和烟气设有预燃室,其长为2.60m,宽2.55m,高2.10m,温度,因此自稳燃能力强,燃烧稳定。同时,由于Na主炉膛长4.10的存在和其对燃烧反应的催化作用,燃烧反应得以热工试验结果表明:加强,所以其燃尽时间比原煤要短,由表3可知,原(1)黑液浆在不同负荷(即使在50%甚至更低煤和黑液浆燃尽时间分别为507s和8535负荷)下均能着火燃烧,燃烧十分稳定,投油时间很短,一般点火5min左右即可停油,且径向温度分布3.2排放特性分析均匀,说明其自稳燃能力强,具有良好的燃烧性能。由图3、图4和表4可知,黑液浆燃烧时其烟气⊙)燃尽率高,飞灰含碳量为56%锅炉燃烧中含量低于普通浆和制浆原媒这是因为造纸锅炉燃煤方式的燃烧效率。等碱性物质在燃烧界面上和烟气充分接触时,与烟(3)烟气中NOx和SO2的含量分别为101气中的SO2发生了复杂的化学反应,生成耐高温的g/m3和893.68mg/m3,如表4所示,总固硫率为硫酸盐类化合物(NaSO4)或其它复合物留在灰渣6%;烟尘含量黑液浆为336,3m/m2,而燃烧中,从而净化了烟气减少了SO2对大气的污染。普通浆时为4635,9m/m2,说明黑液浆作为锅炉燃另有研究表明,碱金属化合物(如NaC)能改善Ca料具有比较明显的环保优势。CO3对SO2的吸收性能,增强吸收剂的吸收能力,从(4)工业炉长期运行结果表明,与普通浆相比,而提高氧化钙的固硫率6。加入石灰石粉末后黑液浆污染物排放情况得到了更黑液浆烟气中NO和NO2之所以较低,主要是好的控制,烟气中SO2含量进一步降低由两方面因素决定的。一方面是因为黑液中的(5)灰沉积方面,黑液浆燃烧过程中积灰结渣 NaOH Na2CO3等碱性物质易与烟气中的酸性氧化物2008年NO2反应,生成稳定的化合物固定在飞灰或灰渣中;另一方面黑液浆因含有大量水分,燃烧过程中水分4结论蒸发要吸收大量热量,导致其燃烧火焰温度比原煤低200~300℃,因此生成的热力型NOx远低于原通过热天平机理实验和0.25MW试验炉及煤。4υh工业炉这3种不同规模和类型的燃烧试验,结黑液浆燃烧过程中烟尘浓度较低,其主要原因果表明:是黑液浆中的高含量Na基化合物,对焦炭燃烧反应(1)利用水煤浆技术治理造纸黑液是完全可行有催化和助燃作用,加上黑液中的木质素等有机物的。黑液浆粘度低,具有良好的流动和雾化性能,着燃烧放热,使燃烧反应得到强化而变得更加剧烈,燃火容易,能够连续、稳定燃烧,燃烧时间短,燃尽率尽时间短,燃尽率高,因此飞灰含碳量很低。高,并且烟气中SO2、NOx及烟尘浓度远低于普通浆3.3灰沉积特性分析和制浆原煤,因此具有显著的节能和环保效应,是新型的洁净燃料。(2)锅炉受热面积灰结渣是影响黑液浆燃烧利N霞石用的主要潜在因素。无论是试验炉还是工业炉,黑M→赤铁矿液浆燃烧过程中都出现了较制浆原煤严重的灰沉积T无水芒硝现象,主要是由其较高钠含量特点引起的。因此,实现黑液浆工业化应用的工作重点应放在如何防止积灰结渣上,只要在锅炉设计或改造中采取适当的防治措施,适用于这种新型燃料的燃烧设备及受热面衍射角2/(°)布局在技术上完全可以实现。图8黑液浆灰沉积物的XRD图谱参考文献[]原鲲陈丽芳,吴承康水煤浆燃烧技术用于造纸黑液处理的试验炉和工业炉燃烧结果表明,黑液浆在炉内研究[J].燃烧科学与技术,2002,8(1):13-16燃烧过程中灰沉积特性强于制浆原煤和普通浆,具[2】]股惠民,海颖周北海黑液水煤浆技术在造纸黑液处理中的有较强的积灰结渣倾向。主要是因为黑液浆中碱金应用[J环境科学研究,200,13(3):55-57属化合物(NaK)含量高,灰中Na2O、K2O质量百分3] QUYN DIMPLE MODY, WU HONGWE, HAYASHI JUNICHIRO,sal. Volatiliation and catalytic effects of alkali and alkaline earth metallic含量分别为21.59%和5.51%8),这两种碱性氧化species during the pyrolysis and gasification of Victorian brown coal-物在灰熔体中为助熔成分,能破坏网络结构,从而降part I. catalytic effects of NaCl and ion-exchangeable Na in coal on低飞灰和灰渣熔融温度。X射线衍射分析结果表char reactivity[J].Fuel,2003,82:587-593明在黑液浆中的灰沉积物中,绝大部分Na与Si、[4]吕晓泉,张佳心大气环境中添加剂碳酸钠对碳粒燃烧规律的AS、C等成分相结合,生成了无水芒硝Na9O045杨新兴,金元仲,朱风元利用造纸黑液制备沾净水媒紫技术石KNa3(ASO)4和岩盐NaCl等低熔点晶体9,它[J河北煤炭2004(4):6-8们的熔融温度分别为:无水芒硝884℃,霞石1100[6]车得福刘艳华徐通模等城市垃圾与高硫煤混烧排放特性℃,岩盐800℃。因此,富含这些低熔融温度晶体的的模拟[J]燃烧科学与技术,2002,8(3):207-210灰粒在火焰中易呈熔融态或半熔融状态,到达受热[7]范浩杰,姚强曹欣玉,等碱金属化合物添加剂对氧化钙固硫影响的试验研究[]燃烧科学与技术,199(1):105-111面时极有可能粘附并沉积在受热面。此外,由于[8]兰泽全煤和黑液水煤浆沾污结渣机理及灰沉积动态特性研究NaCl、 Naoh Na2SO4等在高温烟气中易挥发、升华,]杭州:浙江大学,2004然后凝结并粘附于受热面,从而形成灰污层。灰沉[9]兰泽全曹欣玉赵显桥,等一种灰污热流探针的研究及应用积是影响黑液浆工业应用的主要因素。[J]中国电机工程学报,2004,24(5):216-20(编辑柴舒)