重油燃燒時的煙塵成分分析及治理研究

路永勝

【摘 要】分析了油田注汽鍋爐在燃用重油時產生煙塵的形狀及特性，并對煙塵的成分進行了測定，指出重油中灰分所形成的粉塵粒飛灰一般只占很少部分，其大部分煙塵來自未燃盡的殘炭和重油中膠質瀝青質在爐內形成的未燃盡的焦殼類煙塵，當燃燒油霧中高溫缺氧時，會出現炭黑類煙塵。減少重油注汽鍋爐煙塵排放的根本方法是改善重油的霧化質量和改進爐內燃燒。

【關鍵詞】重油燃燒；煙塵；環境保護

燃料油廣泛用于電廠發電、船舶鍋爐燃料、加熱爐燃料、冶金爐和其它工業爐燃料。主要由石油的裂化殘渣油和直餾殘渣油制成的，其特點是粘度大，含非烴化合物、膠質、瀝青質多。根據不同的標準，燃料油國產種類可以進行以下分類：200號重油、250號重油、180號燃料油、120號燃料油、7號燃料油、工業燃料油、催化油漿、蠟油、混合重油、瀝青等。燃料油的主要技術指標有粘度、含硫量、閃點、水、灰分和機械雜質。

燃料油作為一種優質燃料，較之各種煤炭具有含灰量極少，發熱量高，易著火燃燒和燃盡等優點，特別是燃油鍋爐煙氣中煙塵濃度一般較燃煤爐低得多，因而使得燃油做為優質能源在城市中得到越來越廣泛的應用。但在燃油鍋爐實際運行中，當燃用高黏度重油時卻不盡如人意，其排煙中的煙塵濃度常出現超過一類地區環保允許的煙塵排放濃度標準，造成環境污染。因此，有必要對燃油鍋爐在燃用重油時的煙塵特征及成分進行分析研究，并有針對性地提出燃用高黏度重油時減少排煙中的煙塵濃度的方法和措施。國內燃油鍋爐目前常用的重油為180#重油、380#重油，其油質也存在著不小的差別。

不同油品的黏度、含硫成分和碳氫成分各不相同，有的還相差很大。一般含灰量僅為0.01%～0.02%，由此在煙氣中產生的煙塵濃燃油度約為7～14mg/m3。但實際燃油鍋爐運行煙氣中煙塵濃度遠高于此值。那么燃油鍋爐煙氣的煙塵中究竟還有哪些成分，其形狀和特點如何，亟待研究。

一、重油燃燒時煙塵的形狀和特點

燃油鍋爐在燃重油時，由于重油黏度較之輕油大得多，因此必須在運行中提高重油的油溫，把重油的黏度降低到（11.5～27.7）×10-4M2/S左右，使重油霧化質量有明顯的改善。但即使這樣，與輕油相比，其霧化油滴的平均粒徑仍然比輕油要粗些。

此外，重油霧化油滴在在燃油鍋爐內高溫蒸發為油氣的同時，油滴內重油中含有的部分液態膠質瀝青質會發生聚縮和表面固化，形成焦殼。由于受到爐內高溫煙氣的輻射和對流傳熱，油滴的表面溫度上升，焦殼內的重油進一步氣化為油氣，使焦殼內部壓力升高，焦殼發生膨脹發泡。到一定極限時，焦殼破裂成幾部分，油氣和剩余的油液從破碎的焦殼中噴出后與空氣混合并燃燒剩余的焦殼也與空氣混合燃燒。如果空氣與焦殼粒混合不好，焦殼內的殘炭就很難燃盡，會生成絮狀空心微粒型煙塵。這種絮狀煙塵屬未燃盡的焦殼類剩余型煙塵，由于其內部已發泡為空心，故密度較小，粒徑較大，一般約為100～300微米。重油中的含灰量也高于輕油，一般。0.02%左右，但有時高達0.1%。由此產生的粉塵型飛灰在排煙中的濃度約為14～70mg/m3。在油霧濃度大而空氣少的區域，重油蒸汽中的部分碳氫化合物也可能會因高溫缺氧而發生熱解，生成固態炭粒，通常稱為炭黑，其粒徑一般很小，約為0.02—0.10微米。這種氣相析出型煙塵由于粒子細，容易粘附在物體表面而難以清除。炭黑的燃盡較困難，如果爐內火焰尾部的煙溫較低，且空氣量又不足，則炭黑難以燃盡。形成大量炭黑粒子。炭黑類使煙氣變黑污染環境。因此，在油霧的根部必須供入充足的一次風，避免或減少炭黑生成量。

由此可見，燃油鍋爐在燃用高黏度重油時，排煙中的煙塵主要為焦殼類絮狀煙塵，粉塵型飛灰也較之燃用輕油時要多得多。如果油氣混合不好，還可能出現炭黑類煙塵。由于重油中含灰量和殘炭含量均高于輕油，又含有較多的膠質瀝青質，使其黏度大，霧化難度增加，油氣混合難度也加大，在爐內燃燒時會形成焦殼，使燃盡難度大為增加。重油內灰分和殘碳含量越多，所含膠質瀝青質越多，則燃盡的難度越大，煙塵的生成量也越多。因此，在燃用高黏度重油。如果不采取合理必要的技術措施，其煙塵的排放濃度會大幅度增加，造成嚴重的煙塵污染。

二、燃油鍋爐煙塵的治理措施

燃油鍋爐的煙塵治理，主要是如何有效地減少絮狀焦殼類煙塵的排放，通常有兩種途徑：

第一種途徑是在煙氣向大氣排放之前，在尾部煙道上增設高效除塵裝置，使煙氣得到凈化后再排放。但燃油鍋爐的煙塵粒度太細（如飛灰粉塵），或者相對密度太小（如絮狀煙塵）。如使用旋風式除塵器或重力沉降式除塵器，其除塵效果很差。如使用濕式噴淋型除塵器，除塵效率可大大提高。但要增加廢水再循環處理系統，則要增加初始投資和后期運行費用。

第二種途徑是改善重油的霧化質量，改進爐內燃燒，從根本上減少絮狀煙塵的生成量，基本上避免炭黑類煙塵，從而使排煙中的煙塵濃度達到環保允許的排放標準，并節約燃料。

為此，可采取如下技術措施：

（一）改善霧化質量

包括重油的預熱、加壓、乳化劑混配等；降低燃油的運行黏度是改善重油霧化質量的首要措施。測定燃油的黏度曲線，按試驗曲線合理地確定重油霧化時的運行溫度，確保重油霧化時的黏度小于（11.5～27.7）×10-6M2/S。在同等條件下，油的黏度越小，則油霧的平均霧化粒度越細，燃燒效率越高，從而焦殼粒徑越小，絮狀剩余型煙塵量也越少。根據相關資料顯示和長期實踐，目前注汽鍋爐燃料重油油溫95～100℃時，燃燒較為充分。合理的霧化壓力可以實現重油在霧化時形成顆粒均勻，有利于實現重油和空氣的均勻混合。與其他低沸點的輕燃料混合乳化也能改善重油的霧化質量，其原理與摻水燃燒效果相似。

（二）選擇結構先進，運行參數優化的油槍

目前常用的油槍有機械霧化型和介質霧化型等，油槍霧化質量的好壞，不僅與油搶結構有關。而且與油槍的各個運行參數密切相關。因此，用試驗的方法確定油槍的最佳結構和運行參數，是不同工況下良好霧化質量的根本保證。

（三）預熱空氣

預熱空氣一方面可以降低燃燒反應時間，改善重油的著火條件。另一方面可以提高燃燒溫度，有助于實現完全燃燒。

（四）合理調節爐內空氣與燃油的比例

保證爐內空氣與油霧間的良好混合，使爐內煙氣中含氧量和二氧化碳量處于最佳水平，從而可大大減少剩余型煙塵和炭黑類煙塵的生成量。

（五）提高爐膛溫度，合理控制過量空氣系數，減少漏風，搞好保溫

在有條件的場合下可預熱空氣，從而提高爐溫，加快油滴的燃燒速度，大大減少焦殼類剩余型煙塵的產生。

三、結論

（1）燃油鍋爐燃用重油時，排煙中煙塵主要為未燃盡的絮狀焦殼類煙塵，其堆積相對密度為0.28，其成分為未燃盡的炭，真正的灰分僅占小部分，由SO3、Fe2O3，SiO2，AL2O3等組成，呈酸性。在燃用高硫重油時，SO3含量很高，有嚴重的腐蝕性，因此必須采取行之有效的脫硫措施。

（2）解決燃油鍋爐在燃用高黏度重油時煙塵排放超標問題，根本的方法是改善重油的霧化，改進爐內的燃燒。只要合理確定重油的運行溫度，確保重油的運行黏度在（11.5～27.7）×10-6M2/s，并選擇結構先進的燃油噴嘴，選用合理的重油添加劑，確保重油的霧化質量，合理調節運行中的風油比例等運行參數，則燃用高黏度重油時煙氣中煙塵的排放濃度將大大降低，可以達到國家環保要求的排放要求。

【參考文獻】

【1】《鍋爐大氣污染物排放標準》 GB 13271-2014.

【2】《鍋爐設備及運行》 作者：姜錫倫、屈衛東 ，中國電力出版社出版， 2010年01月.