高硫石油焦在循环流化床锅炉中燃烧应用

1、第36卷第2期2005年3月锅炉技术BOIL ER TECHNOLO GYVol.36,No.2Mar.,2005收稿日期:20040315;修回日期:20040513基金项目:国家重点基础研究发展规划项目资助(G1999022204作者简介:李建锋(1975,男,山东枣庄人,硕士研究生,从事洁净燃烧技术研究。文章编号:CN311508(200502003706高硫石油焦在循环流化床锅炉中燃烧应用李建锋,吕俊复,张建胜,刘青,杨海瑞,岳光溪(清华大学热能工程系,北京100084关键词:高硫石油焦;循环流化床锅炉;应用;燃料摘要:进口中东原油炼化的副产品高硫石油焦的出路是石化企业的一个问题。详细

2、地介绍了高硫石油焦作为燃料的应用现状,认为循环流化床锅炉是最佳选择之一。中图分类号:T K 222文献标识码:B1前言石油焦的灰分低,碳含量、硫含量和氮含量高,有不同于煤的一些燃烧特性。根据石油焦的产生过程不同分为3类:延迟焦、流化焦、柔性焦,其中延迟焦占所有焦产品的大约90%。原料油在经过炼油过程中的轻质馏分及多数挥发分析出后,所剩石油焦的挥发分含量一般较低。而原料油中40%60%的硫分仍会留在石油焦中,从而使得以高硫原油为炼油原料产生的石油焦中的硫含量非常高。典型延迟焦的硫含量一般在4%8%范围内,大大高于高硫煤的硫含量。石油焦有多种燃烧方式。其中石油焦和煤混合在煤粉锅炉中混烧,已有一些有

3、益的尝试,但是由于石油焦的挥发分低,混煤难以着火和燃尽,影响煤粉锅炉的稳定燃烧。随着掺烧石油焦比例的增大,进而影响锅炉的热效率。更重要的是由于石油焦中硫含量和氮含量较高,而原有的煤粉锅炉没有烟气脱硫装置,易引起低温腐蚀和环境污染,这些问题使现有的电厂锅炉掺烧石油焦难度很大。循环流化床燃烧技术是近年来发展起来的高效、低污染的清洁燃烧技术,在国际和国内得到了广泛的应用,我国自上世纪80年代初开始研究以来,开发了各种形式的循环流化床锅炉。经过多年来对循环流化床锅炉的气固两相流动1、燃烧室中高物料浓度条件下的传热2、大物料循环过程中的传质3、燃烧过程4、污染物控制、物料平衡以及煤种适应性等方面的详细的

4、研究;对于石油焦的燃烧特性、结焦特性以及污染物排放特性也进行了针对性研究,为高硫石油焦在循环流化床锅炉上的应用提供了良好的保证。大量的应用实践充分证实作为燃料在循环流化床锅炉上燃烧,是解决高硫石油焦出路的最佳选择之一。2石油焦燃烧特性和结焦特性分析作为循环流化床锅炉的燃料,石油焦与煤有很多相似之处。但也存在着一定的差异:主要是燃烧特性和结焦特性2个大的方面,还有循环物料的问题。2.1石油焦的燃烧特性石油焦与其它比较煤种的工业分析见表1。由于燃料的燃烧特性与其比表面积有关,但该参数和颗粒破碎后的粒径有关,因此对不同筛分组的试样进行了测试。采用A TVQSCAV 压汞仪表1石油焦与其他煤种的工业分

5、析比较%燃料固定碳FC ar 灰分A ar水分M ar挥发分V ar焦窑无烟煤49.033.0 2.212.7晋城无烟煤81.09.70.68.7柳江无烟煤31.354.1 1.613.0南桐贫煤68.916.20.716.2石油焦74.7 1.810.013.5蔚县烟煤44.219.89.526.6大同烟煤57.54.73.234.7 锅炉技术第36卷测定石油焦的比表面积,收到样品的比表面积为6.288m2g-1,大于煤的测量结果,孔隙率和比表面积较大,利于燃烧。不同粒径颗粒的比表面积存在差异,测试结果表明,粒径小于4mm的石油焦的比表面积和空隙率有利于燃烧,即经过合理的破碎后可以改善其燃烧

6、特性。采用美国Dupont2100T GA 研究石油焦的燃烧特性,并对表1中的各比较煤种进行了比较研究。样品在105110下通风干燥6h,然后将其研磨至100m粒径以下并混合均匀,作为热重分析用样品,取样品量10mg12mg均匀摊平到分析仪的样品盘中,通高纯氮气,流量为550ml/min,从室温开始以80/min恒定升温速率加热至900,然后温度维持在(900±1数分钟后,将氮气切换成空气,流量为500ml/min,直至样品燃烧完毕。对燃烧曲线分析,得出900下最高反应速率R900及燃烧峰内平均反应速率R av。R900和R av越高越利于燃尽。根据不等温热重分析法,取样品量10mg

7、12mg摊平到分析仪的样品盘中,通空气流量500ml/min,以20/min恒定升温速率加热,直至样品燃烧完毕。分析燃烧曲线,得各种燃烧特征温度,包括开始着火温度T I(失重速率=R=1%/min,温度表征的反应性T crit(R=6.5%/min7,燃烧峰温T P,燃尽温度T B(剩余物含碳量小于5%,同时还能得到20/min恒定升温速率时的最大反应速率R max。燃尽温度T B越高,说明燃料越难于燃尽;反应性温度T crit越高,反应活性越低。石油焦的热重分析曲线和各特征温度位置见图1。石油焦与部分燃料的燃烧特征温度的比较见表2,特征反应速率见表3。从表中的数据来看,石油焦的燃烧特性相对较

8、好,着火温度低,反应活性高于无烟煤,低于烟煤,与贫煤相当。图1石油焦热重分析(T GA曲线和各特征温度表2石油焦与部分燃料的燃烧特征温度的比较煤种T I T P T B T crit焦窑无烟煤544613697587柳江无烟煤537609732597晋城无烟煤492594676547南桐贫煤437552658508石油焦443512649554蔚县烟煤350514530393大同烟煤396522589462表3石油焦与部分燃料的燃烧特征反应速率的比较%/min煤种R max/M tR900/M tR av/M t焦窑无烟煤18.223.514.8柳江无烟煤7.3021.512.9晋城无烟煤26

9、.246.222.5南桐贫煤26.843.527.6石油焦22.564.635.5蔚县烟煤66.680.447.1大同烟煤29.355.938.8为详细了解石油焦在循环流化床锅炉中的燃烧特性,在小型循环流化床热态实验台进行了实验研究。实验台燃烧室总高约4.8m,内径为150cm。燃烧室由3段长为1200mm的非水冷段与3段长为300mm的水冷段构成。燃烧室下部的密相区布置一水冷段,另2段放在稀相区,水冷段与非水冷段间隔排列。为了测量沿床高的温度、压力分布,以及在线分析气体成分,沿主床高度成对地布置了测量和取样孔。分离器收集到的物料进到料腿,下部通过膨胀节与回料装置相接,回料装置采用J型阀,J型

10、阀松动风引自单独风机。通过调节一、二次风量与石油焦的加料量,并且辅以调节冷却水套的冷却水流量,使床温、床截面烟气流速以及测试区域的物料浓度稳定在所要求的工况范围内。根据实际循环流化床锅炉的运行情况,分别进行空塔速度为4.5m/s和6m/s2种情况的实验。一次风量占总风量的55%65%,二次风量占33%43%,松动风约占2%,播煤风取自二次风,占二次风的20%左右。过量空气系数在1.11.25左右。床温范围为800990。床层压降2500Pa4000Pa。对于粒径分布为图2的石油焦,粒径分布为图3的床料,不同过量空气系数时床压沿床高的分布见图4。空塔速度一定时,各工况床压沿床高的分布基本相似。8

11、3第2期李建锋,等: 高硫石油焦在循环流化床锅炉中燃烧应用图4不同过量空气系数时床压分布空塔速度和过量空气系数对床温沿床高的分布的影响见图5,图中V g 是空塔速度,R 是过量空气系数。从图可看到,燃烧室内上下温差在60以内,表明床内有大量细颗粒参与循环。由于实验台高度较小,因此各煤种的飞灰含碳量均比较高。合理调整一、二次风比及燃料粒度,可以将不同燃料下的工况调成一致(如过量空气系数、床温和床压沿床高的分布等。在相同运行工况下,不同燃料飞灰含碳量具有一定的可比性。在该循环流化床实验台上对表2中的各煤 图5空塔速度和过量空气系数对床温分布的影响种在相近工况下进行燃烧实验时,在引风机入口处抽取灰样

12、,测得相应的飞灰含碳量。人为地将燃烧焦窑无烟煤时飞灰含碳量作为比较基值1,相同工况下燃烧其它煤种时飞灰含碳量见表4。表4石油焦与部分燃料飞灰含碳量实验结果比较煤种飞灰含碳量焦窑无烟煤1柳江无烟煤0.87晋城无烟煤 1.13南桐贫煤 1.26石油焦0.84蔚县烟煤0.47大同烟煤0.39结果表明,石油焦条件下飞灰含碳量要小于无烟煤和贫煤,但比烟煤大。因此,对采用石油焦为燃料的循环流化床锅炉,根据燃烧、传热、传质的需要,流化速度应取为4.6m/s 4.9m/s 为好;在合适的风配比下,合理设计锅炉,燃烧效率能达97%以上。2.2石油焦的结焦特性石油焦生成过程中,催化裂化工艺中催化剂不可避免地会部分

13、地流失到石油焦中,从而石油焦的钒、镍等重金属含量比较高,而钒将会降低灰熔点。当石油焦在锅炉中进行燃烧并添加石灰石脱硫时,灰分中的这些物质会引起混合灰熔93 锅炉技术第36卷点严重下降,而在受热面结焦、锅炉过热器和耐火材料的高温腐蚀等方面,使燃用石油焦的循环流化床锅炉面临一些特殊的问题。例如,燃烧室受热面处结焦;分离器和炉膛之间的密封料腿及返料阀水平段很容易被堵塞;相似的沉积物也会在旋风分离器内壁上发生。循环流化床中的燃烧情况与煤粉炉相差很大,因此不能用原来用于煤粉炉情况的结焦参数作为标准。为深入了解石油焦的结焦特性,在实验台上进行了实验研究。结果发现,在相同空塔速度、相同烟气物料浓度条件下,结

14、焦最低管壁温度与床温之间显示良好的线性关系,结焦最低管壁温度与床温之和为一常数,见表5。表5空塔速度、物料浓度、结焦最低管壁温度与床温之间的关系空塔速度/ms-1烟气中物料浓度/kgNm-3结焦最低管壁温度与床温之和/2.513876 4.513570.513362.113544.5 1.313350.21322因此,可以认为循环流化床中石油焦属易结焦燃料;结焦的发生受床温、空塔速度、烟气中物料浓度以及受热面壁温影响,较高的空塔速度和物料浓度有助于避免结焦。在相同空塔速度、相同烟气物料浓度条件下,结焦最低壁温与床温之和趋于一个常数。2.3石油焦循环流化床锅炉的物料平衡问题石油焦的灰分含量很小,

15、无法满足循环流化床锅炉对物料平衡的要求,必须依靠加入外部介质(脱硫添加剂、细砂等来进行床料的补充。若不添加石英砂,石灰石成为物料的唯一来源。石灰石在进入锅炉前后的物理特性和化学组成将发生变化,因此锅炉运行初期,循环物料需要进行几天选择累计。对于燃用石油焦的循环流化床锅炉而言,添加一定比例的石灰石是必需的,否则会由于燃烧产生的二氧化硫导致受热面的严重腐蚀,见图6。由于采用了炉内脱硫和分层送风燃烧技术,因此在石灰石系统正常投运时,可有效地控制SO2、氮氧化物等污染物的排放,满足环保需求 ;图6石油焦燃烧的腐蚀同时,对缓解锅炉尾部受热面的低温腐蚀和水冷壁、过热器、再热器等受热面的高温腐蚀也有着独特优

16、势。因此采用循环流化床锅炉燃用石油焦是目前世界上应用较为广泛和经济的石油焦利用技术。3高硫石油焦作为循环流化床锅炉燃料的实践3.1加尔达恩电厂加尔达恩电厂的容量为250MWe,为研究高硫石油焦在循环流化床锅炉上的应用,法国电力公司(EDF尝试燃烧各种燃料,包括高含硫量、高灰分发热量低于16.72MJ/kg的劣质烟煤;含硫量高达4.5%,发热量在37.62MJ/kg左右的石油焦;硫分在1%3%,发热量超过25MJ/kg的水煤浆。运行实践表明,石油焦的燃烧效率可达99.6%。由于采用850的燃烧温度,NO x很低,燃烧温度非常适合于采用喷射石灰法进行脱硫5。3.2Nis c o电站Nisco热电厂

17、1992年8月和9月先后建成2台375t/h的循环流化床锅炉。该锅炉属于典型的IN TREX流化床热交换器的炉型。锅炉烧Citgo和Conoco炼油厂提供的高硫石油焦,用含CaCO3量大于95%的石灰石作为脱硫剂和床料。锅炉的石油焦消耗量为82.9t/h,石灰石为32.1t/h。该锅炉自1992年投运以来,其可利用率达90%以上,达到了满意的效果6。3.3金陵石化热电厂金陵石化热电厂5、6号机组引进美国FW 公司生产的Pyroflow型220t/h循环流化床锅炉,原设计燃料为油页岩,后改为燃用100%烟煤或50%烟煤+50%石油焦,石油焦为延迟焦化的副产品。2001年8月及2002年1月2台机

18、组相继投产。该炉投运以后,进行了燃用全煤和掺04 第2期李建锋,等:高硫石油焦在循环流化床锅炉中燃烧应用烧石油焦试验,并在燃用全煤和掺烧不同比例石油焦的情况下,对锅炉效率和烟气排放作了全面的测试,同时对设备运行,特别是炉内流化情况进行了观察和分析研究,见表6。该炉的运行实践表明,石油焦的燃烧特性与贫煤相当,其可磨性与烟煤相近。石油焦与煤混合对燃料制备无明显影响。随掺焦比的增大,循环流化床锅炉掺烧石油焦总的趋势是飞灰可燃物升高,锅炉效率下降。在运行中应重视二次风量的调整。循环流化床锅炉具有良好的脱硫、脱氮性能,完全可以满足掺烧高硫焦的要求7。表6金陵石化热电厂石油焦循环流化床锅炉性能考核结果项目

19、单位100%烟煤23%石油焦+77%烟煤41%石油焦+59%烟煤57%石油焦+43%烟煤一次风量m3s-14141.73642二次风量m3s-134333434.6一次风室压力kPa12.112.013.212.2床温872.3903853876.6床压kPa 4.7 4.7 4.7 4.7炉膛平均温度865.5894.8877.2889.3排烟温度144.1140.5136.98136.27炉膛出口氧量% 2.88 2.955 3.08 2.953飞灰可燃物% 4.3 5.67.78.4底灰可燃物%0.720.5 1.240.79飞灰/底灰8/28/28/28/2排烟热损失% 5.31 5.

20、20 4.92 4.80机械未完全燃烧热损失% 1.59 1.80 2.14 2.18锅炉热效率%91.5991.4491.1791.473.4金山石化热电厂上海金山石化热电厂的循环流化床锅炉,自美国FW公司引进。该锅炉采用FW公司的典型汽冷旋风筒,给煤为空气吹扫式。运行表明,锅炉整体性能基本达到了设计指标,二氧化硫的排放浓度可降至113×10-6130×10-6,底渣含碳量3%,飞灰含碳量20%8。3.5镇海炼化热电厂镇海炼化公司第二热电站引进的2台美国FW公司技术制造的220t/h高温高压纯烧石油焦循环流化床锅炉,自2000年1月投入正常运行以来,结果见表7。表7镇海炼

21、化石油焦循环流化床锅炉性能考核结果项目单位数值汽包工作压力MPa10.43过热蒸汽流量th-1215.4过热蒸汽温度537.2过热蒸汽压力MPa9.47一次风流量kgs42.50一次风温度181.44一次风压力kPa12.87二次风流量kgs14.08密相区床温866.0续表7项目单位数值炉膛出口温度811.0返料阀温度841.7排烟温度136.8二次风温度184.2二次风压力kPa8.77返料风流量kgmin21.49返料风温度20.91返料风压力kPa48.14密相区床压kPa 5.64炉膛差压kPa 1.23炉膛负压kPa0.25尾部烟气含氧量% 3.64SO2浓度mgNm-3103.4

22、石油焦消耗量kgh19577石灰石消耗量kgh3720燃料用的是镇海炼化公司延迟焦化装置生产的高硫石油焦,石灰石作为脱硫剂。锅炉的石油焦消耗量为5.15kg/s,石灰石流量为1.54kg/s,脱硫效率91%.该锅炉自投运以来,投运率已达90%以上,取得了良好的效益。锅炉运行存在的主要问题是飞灰含碳量较高,平均38.79%。尽管采取了一些有利的措施,但还是没有从根本上解决飞灰含碳量高的问题9。14 42 锅 炉 技 术 第 36 卷 3 . 6 武汉石油化工厂 任何风险的 。 参考文献 : 1 吕俊复 ,马明华 ,金晓钟 ,等 . 两相流动对流化床燃烧行为的 武汉石油化工厂纯烧石油焦循环流化床锅

23、 炉于 2001 年 1 月第一次投焦运行 。该锅炉燃料 为武汉石化延迟焦化装置生产的石油焦 , 石灰石 作为脱硫剂 。锅炉的设计额定蒸发量为 75 t/ h 。 由于该炉先天不足 , 技术路线有误 , 自试运以来 , 一直难以达到额定出力 。主要原因是因为返料 量稀少 ,密相区床温偏高 , 床层上下温差大 , 床温 难以控制 。为了增加循环物料量 , 维持锅炉的稳 定运行 ,2001 年 10 月进行了加沙试验 ,利用河沙 作辅助床料 ,石灰石仅作为脱硫 。加沙试验结果 表明 ,加沙后循环物料量有所增加 , 床温较易控 制 ,但还是不能从根本上解决锅炉出力问题 , 锅 炉一 般 只 维 持

24、在 50 % 79 % 的 额 定 负 荷 下 运行 10 。 影响 J . 热能动力工程 ,2000 ,15 (87 :217 - 219. 2 吕俊复 ,岳光溪 ,刘青 ,等 . 循环流化床燃烧室受热面传热系 数计算方法 J . 清华大学学报 ,2000 ,40 (2 :94 - 97. 3 杨海瑞 ,吕俊复 ,岳光溪 ,等 . 用热粒子为示踪剂研究循环流 化床内颗粒的扩散 A . 中国工程热物理学会多相流学术会 议论文集 C . 南京 ,2000 :120 - 125. 4 Li Yong , Zhang Jian sheng , Liu Qing ,et al . A st udy o

25、f t he reactivit y and formation of t he unburnt carbon in CFB fly a2 Processing ,1999 ,9 (34 :301 - 311. bed combusfion C . Beijing ,1996 :CG2. Ruhow L N ,Co mmonwealt h G eds. Proceedings of t he 12t h International Conference on Fluidized Bed Co mbustion C . New York :ASM E Press , 1993 :501 - 51

26、0 J . 热力发电 , 2003 , (7 :30 - 32. (2 :36 - 38. Gardanne 250MWe CFB boiled A . Gaulk M X , ed. Pro2 shes J . Develop ment s in Chemical Engineering and Mineral 5 L ucat P , Surinitis ,J acquet L et al . Stat us of t he Provence ceeding 5t h International Conference On Circulating Fluidized 4 结 论 高硫石油焦

27、作为循环流化床锅炉燃料 , 已经 为大量的实践所证实 。目前世界上大约有 20 台 左右纯烧石油焦的循环流化床锅炉在运行 , 其中 绝大部分达到了设计要求和当地环保政策的要 求 。这些比较成功运行的循环流化床锅炉 , 基本 上与燃煤炉一样 , 仅仅是针对石油焦燃烧特性 、 结焦特性以及物料平衡方面局部略微进行了调 整 。因此 ,采用高硫石油焦作为循环流化床锅炉 燃料 ,选用国产机组 , 只要设备设计得当 , 是没有 6 Don M Z , Randy W V. N ISCO congeneration facilit y A . 7 杨欲明 . 循环流化床锅炉掺烧石油焦及燃烧调整试验研究 8 庄永嘉 . 利用高硫焦做锅炉燃料 J . 炼油设计 , 1998 , 28 9 顾黎东 . 镇海炼化循环流化床锅炉运行技术 J . 当代石油 石化 ,2002 ,10 (6 :42 - 46. 10 黄少敏 . 循环流化床燃焦锅炉改造的探讨 J .