柴油乳化燃燒在鍋爐中應用的理論分析

田利亞 李浩

(1.山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城 252000;2.青島市鍋爐壓力容器檢驗所,山東青島 266000)

柴油乳化燃燒在鍋爐中應用的理論分析

田利亞1李浩2

(1.山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城 252000;2.青島市鍋爐壓力容器檢驗所,山東青島 266000)

隨著能源消耗的急劇增長,環(huán)境污染的日趨嚴重,如何在保障經濟發(fā)展的同時減少對環(huán)境的污染已越來越受到關注。鍋爐作為能源消耗和污染物排放大戶,如何減少鍋爐的能耗和排放的污染物對環(huán)境的污染將成為整治環(huán)境污染的重點。乳化油燃燒技術是一種降低油耗,改善排放的有效手段,采用乳化柴油作為燃料應用于燃油鍋爐,通過理論分析,其燃燒效果優(yōu)于單純采用純柴油作為燃料,同時也有效地降低了排煙中的污染物含量。

柴油乳化 鍋爐排煙 環(huán)境污染 節(jié)能減排

1 引言

霧霾天氣,污染的河流,灰蒙蒙的天空等環(huán)境問題近年比以往越來越受到人們的重視,鍋爐作為排放大戶,每年排放大量的濃煙,其中含有煙塵、CO、NOX等有害成分,如何降低排煙中的有害成分已成為目前鍋爐節(jié)能降耗、減少污染研究的一個方向。

自1943年Hoar和Schulmun發(fā)現(xiàn)熱力學穩(wěn)定的油—水—表面活性劑體系,并于1959年正式命名為乳化液以來,乳化的理論和應用研究都獲得了長足的進步和發(fā)展。1981年國際燃燒協(xié)會第一屆年會上,燃料油的摻水乳化技術被列為三大節(jié)能措施之一。[1]燃料油摻水乳化技術被我國《能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃》列為重點發(fā)展技術,而且隨著分布式能源技術的推廣,這一技術將日益重要。

2 燃油鍋爐現(xiàn)狀

目前,由于國家政策和環(huán)保等多方面的原因,我國小型工業(yè)鍋爐由過去操作復雜、環(huán)保性差的燃煤鍋爐正在逐步向現(xiàn)代自動化、高效率的燃油燃氣鍋爐轉變。燃油鍋爐相對于燃氣鍋爐來說,燃燒不太完全、結垢、腐蝕、排放的污染物相對高一些等確點,但由于燃料供應的局限性,燃油鍋爐的位置設置相對隨意,燃油鍋爐仍有一席之地。隨著國際油價的上漲,燃油鍋爐的運行成本越來越高,使用單位的負擔越來越大,如何最大限度的提高鍋爐熱效率,已成為鍋爐研究的新方向,提高鍋爐熱效率的主要方法有改進鍋爐結構、合理布置換熱面、充分燃燒燃料、減少散熱和排煙熱損失。本篇研究采用乳化柴油,將燃燒介質發(fā)生改變在提高鍋爐熱效率方面的作用。

3 乳化油燃燒分析

3.1 燃燒狀況

如果單純的往柴油中注入水分,會造成燃料燃燒不穩(wěn)定,甚至會熄滅火焰。但采用乳化油并通過燃燒器的噴嘴被霧化噴出,與空氣混合燃燒,不但不會影響燃燒,反而會得到更佳的燃燒效果。此時乳化油顆粒為油包水,水在燃燒過程中只能起到一種媒介作用,以水的形式進去,最后又以水的形式排出,不會放出熱量,可見在乳化油的燃燒過程中起到了很重要的作用。

通常燃燒的乳化油是以油包水的形式存在,即油為連續(xù)相,水為分散相。由于水的沸點比油低,因此總是水先到沸點而蒸發(fā),當乳化油中的水溫度超過油的表面張力及環(huán)境壓力之和所對應的飽和溫度時,水蒸氣將沖破油膜而使油滴發(fā)生爆炸,[2]霧化為更小的油滴,形成二次霧化,改善油氣混合質量,提高燃燒效率,即為微爆現(xiàn)象。

3.2 煙灰

排煙中的煙灰來自兩方面:(1)燃料油的不可燃雜質,雜質不能被燃燒,最后經過排煙從鍋爐中排放出;(2)燃料油的不完全燃燒,燃料油是由C、H、O三種元素組成,如果燃料能夠完全燃燒,燃燒產物全部為CO2和H2O,但由于燃料和氧氣不能完全的混合燃燒,故會產生殘?zhí)?殘?zhí)砍士梢暊顟B(tài)隨排煙從鍋爐中排放出。

在乳化油燃燒時,由于水的微爆作用,使得燃料的燃燒更加充分,燃料的不完全燃燒率降低,燃燒后產生的殘?zhí)繙p少,故排煙中的煙灰量減少。

3.3 排煙中的氧化物

雖然乳化油中的水分最后還是以水蒸氣的形式排出,但是在燃燒過程中,水分子參與了很重要的化學反應。在燃燒時,爐膛內的能達到1300℃的高溫,乳化油中在高溫環(huán)境下會析出C,C與水反應發(fā)生如下反應:

這種化學反應更有利于乳化油的燃燒,降低了排煙中CO的含量。

同時,NOX是在高溫的環(huán)境下產生的,水的微爆作用使得燃料的燃燒更加均勻,溫度分布也比較均衡,從而在一定程度上抑制了N OX的產生。

3.4 燃燒效率

由于乳化油燃燒的微爆作用,乳化油燃燒的更加充分,不完全燃燒減少,燃料將會釋放出更多的熱量用于鍋爐換熱,顯然鍋爐的燃料效率會相應的提高。但是,由于燃燒中的水分并沒有釋放出熱量,以液態(tài)水的形式進入,最終以水蒸汽的形式排出,無形中會帶走一部分熱量。這就需要一個平衡點來平衡水的微爆作用來促進燃料充分燃燒的效果與水分吸收帶走的熱量,這個平衡點即為乳化油的油水混合比例和混合的效果。研究表明,乳化油的含水率一般在10%時,燃燒的效果比較好,并且排煙中的水蒸氣帶走的熱量低于微爆作用燃燒更多釋放的熱量。

4 乳化油燃燒對鍋爐本身的影響

由于燃料中含有水分,對于燃料系統(tǒng)的要求比較高,特別是燃燒器噴嘴的霧化效果,如果出現(xiàn)噴霧不均勻,容易造成鍋爐局部腐蝕。燃燒乳化柴油相對單純燃燒柴油排煙溫度要低,需注意不得低于露點溫度,否則在尾部煙道會產生大量冷凝水,容易造成露點腐蝕。

5 結語

鍋爐采用乳化柴油作為燃料,雖然在一定程度上可以提高燃料的燃燒效果,降低鍋爐排煙中的污染物,但乳化油的放置具有時效性,一旦出現(xiàn)油水分層,乳化油需重新配制,燃燒乳化柴油的鍋爐對于系統(tǒng)的要求比較高,這里將不加以贅述。總之,乳化柴油對于鍋爐的節(jié)能減排有著非常深遠的意義,有待于技術人員們去開發(fā)研究。

[1]苑宇.新型乳化節(jié)能柴油[D].大連理工大學,2003年.

[2]于茂軍,仇性啟,崔運靜.燃油鍋爐改燒乳化油的可行性分析.節(jié)能,2006(11).