沥青浆体燃料及其燃烧试验.doc

沥青浆体燃料及其燃烧试验赵立合王恒华奇平李宝善李裕襄王俊华(北京科技大学)摘要介绍了两种最新研究开发的沥青浆体燃料：硬沥青水浆和沥青乳化燃料；并报道了这两种新型燃料的实验室规模燃烧试验和性能试验结果。试验表明，它们的燃烧特性十分接近于重油，完全可以在冶金工业炉窑上代油应用。关键词硬沥青水浆沥青乳化燃料燃烧EXPERIMENTAL STUDY ON PITCH SLURRY FUEL AND ITS COMBUSTION TESTZHAO LiheWANG HengHUA QipingLI BaoshanLI YuxiangWANG Junhua(University of Science and Technology Beijing)ABSTRACTIn this paper,a new metallurgical energy resource has been introduced which includes two fuels:pitch-water slurry (PWS)and bitumen emulsion fuel (BEF).A laboratory test of the PWS and BEF containing 65 %70 % solid particles(pitch or bitumen) has been carried out and the results show that they had merits of good flowability and superior combustion quality.Therefore,PWS and BEF can replace heavy oil for industrial furnaces and kilns.KEY WORDSpitch-water slurry (PWS),bitumen emulsion fuel(BEF),combustion1沥青浆体燃料的开发研究背景我国的冶金企业每年都要消耗大量燃料油，而我国工业燃料油的供应形势一直十分紧张，这种情况今后不仅还要继续下去，而且将日渐加剧，这是因为：(1) 我国的石油资源比较缺乏，自70年代以来，石油开采量的增长一直呈下降趋势1，难以满足国民经济高速发展的需要。尤其是在“八五”期间，国民经济总产值平均每年增长9 %，要求石油相应增长6 %以上，而实际的增长率却只有1 %；(2) 我国石油深加工工业发展迅速2，1996年中国石化总公司所属炼油厂的深加工能力比1991年提高了3倍，从而使可供分配的重油和渣油资源急剧减少，预计到2000年石油深加工程度还要提高10 %以上。总之，冶金燃料油的油源形势将变得更为严峻，以煤代油是解决问题的一条途径，同时也是根据我国的能源结构特点而制定的长期政策。但是由于煤的灰含量比油大得多，即便是洁净煤也很难简单地用作某些现代化冶金工业炉窑的直烧燃料，而煤的气化和液化又存在着投资大等一些近期不能解决的困难，因此必须加紧开发研究新的燃料形式以满足冶金企业的紧急需要。北京科技大学与北京石油化工科学研究院开展的沥青浆体燃料的试验研究，主要就是为这一目的而进行的。此外，这项研究的目的还在于解决石油深加工后剩余物的出路，因为这一问题关系着石油深加工的现实可行性。2沥青浆体燃料及其特性2.1何谓沥青浆体燃料重油或渣油在经深加工后，除了可以再提取一部分轻质油外，仍还有一些剩余产物。这些剩余物的软化温度比通常的建筑沥青和道路沥青还要高，建筑沥青和道路沥青的软化温度一般在40 左右，而上述剩余物随着加工深度的提高，其软化点甚至可在200 以上。因此，这些剩余物在常温下便只能以固态形式存在。沥青浆体燃料就是以这样一些重油或渣油深加工后的副产物为原料并采用物理方法制备而成的。目前，沥青浆体燃料可分为两种：沥青乳化燃料(bitumen emulsion fuel,简记为BEF)和硬沥青水浆(pitch-water slurry，简记为PWS)，前者以软化温度为60120 的副产物为原料，采用乳化方法制备而成；后者以软化温度大于120 的副产物为原料，经粉碎等物理过程制备而成。2.2沥青浆体燃料的基本特性试验用浆的原料分别由天津炼油厂和南京石化公司Euleka装置提供，其原料及试验用浆本身的基本特性如表1所示。此外，为了比较的方便起见，表1中还列出了重油的特性。由表1可以看出，在常温下沥青浆体燃料有着良好的流动性，不需要象重油那样依靠蒸汽加热或伴热进行储存和管道输送，这是这种新型燃料的一个突出优点，因为这对于节能(节省蒸汽)和简化炉前储存与输送设备(不设加热或伴热设备)十分有利。表 1试验燃料与重油的特性Table 1Comparison of properties between experimental fuels and heavy oilBEFPWS重油成分分析(干基)C/%87.4887.318588H/%10.676.491013N/%0.671.000.30.5S/%0.281.000.21.0O/%0.422.630.20.5A/%0.481.570.3软化温度/812321530燃料热值/MJ*kg-129254143重量浓度/%68.565粒度筛分/%10.5 m203574 m9485300 m98100400 m100100粘度(30 ，10 s-1)/Pa*s-10.1700.505凝固3沥青浆体燃料的实验室试验研究3.1流变性试验采用NXS11型旋转粘度计分别对两种沥青浆体燃料进行流变性测试，试验表明两者均属于非牛顿流体，其表观粘度主要与剪切速率、浆体浓度以及添加剂的性质和用量有关。在添加剂使用条件相同的前提下，剪切速率越大，燃料的表观粘度越小；浆体浓度越大，燃料的表观粘度也越大。但在相同剪切速率和相同的浓度情况下，BEF的粘度明显低于PWS(参看表1)，这是因为BEF采用加热乳化的方法制备而成，其颗粒呈规则的圆球形；而PWS采用机械方法粉碎，其颗粒为极不规则的各种形状，甚至为片状，这自然使之流动性较差。3.2单滴燃烧试验为了了解两种浆体燃料的燃烧特性，特别是其中30 %以上的水分对燃烧的影响，利用热天平及悬于筒式电炉内的热电偶进行了燃料的单滴燃烧试验。试验表明，两种燃料的着火温度和热力感应时间主要与炉膛温度、浆滴直径及炉膛黑度有关，BEF比PWS稍易于着火燃烧。另外，两种浆体燃料的燃烧特性与重油或渣油很接近，只是在初始阶段存在有明显的水分蒸发过程，这一过程约占整个燃烧过程的15 %左右。3.3火炬炉燃烧试验沥青浆体燃料的火炬燃烧试验在实验室进行，试验炉及炉前试验系统如图1所示。试验炉为一箱形卧式绝热炉，炉内有效尺寸3 000 mm800 mm800 mm，燃烧器装在前墙中央，炉顶配有4只铂-铑热电偶，右侧墙上开有6个窥视孔以供观察火焰和测量火焰温度之用。试验炉采取炉尾侧排烟方式，烟道上留有取气孔以便抽取烟气进行离线分析。炉前试验系统包括五个部分：燃料供送系统、一次空气供送系统、二次空气及其预热系统、点火系统和测量控制系统。其中空气预热器为电加热器，空气预热温度可在常温至300 范围内任意调节；燃料供送系统包括泵送和压力输送两种方式，均可实现压力和流量的调节；点火系统既可使用辅助燃烧器，亦可采用切换方式直接使用主燃烧器，此外尚可预先在炉内堆放一定数量的木柴而以木柴明火完成启动点火。沥青浆体燃料燃烧试验内容主要包括：启动点火试验、稳定燃烧条件试验、工况调节试验、燃烧效率及其影响因素试验、升温速率试验、燃烧热负荷及其可调性试验、烟气中有害物质的排放试验等。实验室火炬燃烧试验表明，沥青浆体燃料启动点火容易，实现稳定燃烧亦不困难，而且在正常情况下可以达到和重油或渣油相当的燃烧效率，试验中图 1火炬燃烧试验系统图Fig.1Scheme of the experimental equipment1滤浆器；2储浆桶；3搅拌罐；4螺杆泵；5调速器；6电机；7电磁流量计；9试验燃烧器；9转子流量计；10雾化空气；11助燃空气；12空气预热器；13温度控制器；14柴油罐；15齿轮泵；16辅助油燃烧器；17火炬试验炉；18烟囱；19压力罐；20压缩空气平均燃烧效率为99 %，最高达99.9 %。另外，在试验中还观察到，火焰清晰透明、光亮耀眼，而且成形性很好。3.3.1燃烧热负荷及其可调性试验表明，两种沥青浆体燃料的最高炉膛热负荷分别为360 kW/m3(BEF)和335 kW/m3(PWS)，比相同条件下的重油燃烧最高炉膛热负荷约低10 %15 %，而比粉煤燃烧约高10 %16 %。另外，两种燃料的燃烧热负荷可调性都很好，调节范围均在40 %100 %之间。3.3.2炉内温度分布(图2)图 2炉内温度分布Fig.2Temperature distribution in laboratory furnace3.3.3烟气有害物质的排放矿物燃料在燃烧时，会产生一系列有害物质，诸如烟尘、CO、SO2、NOx等。这些有害物质最终要排放到大气中去，严重污染环境，因此引起人们的极大关注。但是，目前世界上的能量主要还是依靠燃烧矿物燃料获得，因此有害物质的排放量便成为评价一种燃料的一项重要指标。沥青浆体燃料燃烧后烟气中有害物质的含量经试验测定如表2所列。为了比较起见，表中同时列出了在相同条件下重油燃烧后的有害物质排放情况。由表2可以看出，两种沥青浆体燃料与重油相比，它们的烟气对于环境的污染程度大体相当。表 2烟气中有害物质含量的比较Table 2Comparison of pollutants content in fume between experimental fuels and oilBEFPWS重油烟尘/mg*m-3146247200SO2/10-6160704356NOx/10-6125112190CO/10-67238566204结论(1) 沥青浆体燃料以重油或渣油深加工后的副产物为原料制备而成，因此仍属于油基燃料，并且在水分蒸发之后的燃烧十分接近于重油或渣油。但试验还表明，燃料中的水分不仅增加了雾炬的着火热，而且使雾炬的着火时间推迟，这是其不及重油或渣油之处。(2) 沥青浆体燃料在常温下具有良好的流动性，十分便于储存和输送，这是其优