黑液煤漿燃燒特性研究

文_趙忠霞 蘭州石化職業技術大學機械工程學院

1 試驗爐內燃燒試驗及分析

對黑液煤漿、普通水煤漿兩種燃料分別進行實驗爐內燃燒特性試驗，該試驗均在流化床試驗爐內進行，目的是研究分析在750℃下黑液煤漿、普通水煤漿燒結特性以及NOx、SO2的排放特性。

1.1 試驗方法

黑液煤漿、普通水煤漿燒結特性以及污染物排放特性均在流化床試驗爐內進行，實驗步驟如下：

①在實驗爐反應器底部加入粒度均在200μm 以下的石英砂，打開實驗臺主體左側的空氣壓縮機，調節風量為2m3/h，在溫度調節面板上將實驗爐內溫度初步調節至750℃，開始持續加熱，大概需要2h。

②將壁厚為1.5mm 的軟管裝卡在恒流泵上，軟管一端放入500ml 的燒杯中，燒杯中裝有黑液煤漿、普通水煤漿，另外一端接有水煤漿專用噴槍，并將恒流泵流速調整到適當速率，水煤漿通過噴槍滴入爐膛內燃燒。

③開始滴入水煤漿之前，用熱電偶測得爐內實際溫度，大概為800℃時開始試驗。

④觀察黑液煤漿、普通水煤漿在實驗爐內的燃燒狀況，以及不斷觀察床料是否出現燒結狀況，一旦出現燒結狀況或者流化狀態不佳時，立即停止加熱，同時加大流化風量，若實驗過程并未出現燒結，則繼續實驗。

⑤黑夜水煤漿、普通水煤漿在試驗溫度下穩定燃燒1 個小時后，用煙氣分析儀測定流化床試驗臺爐膛出口處煙氣內的NOx、SO2的濃度，并記錄實驗數據。

⑥所有試驗做完后，停止加熱，撤掉恒流泵及燃料，切斷試驗臺一切電源，加大流化風量，等待爐內溫度降至200℃左右時，關閉空氣壓縮機，待爐膛完全冷卻時，放出床料，觀察床料實驗前后的顏色差異。

⑦清洗恒流泵以及水煤漿專用噴槍，收拾試驗臺，試驗結束。

2012年山東省水利廳印發了《關于開展水資源管理規范化建設的通知》，明確了以“三條紅線”管理為基礎，以水資源管理的制度、管理、保障“三大體系”建設為手段，以體制機制、依法監管、組織建設為保障，全面推進水資源日常監督管理規范化建設的目標要求。山東省堅持示范帶動、以點促面，以縣（市、區）為單元開展了水資源日常監督管理規范化建設示范創建活動。在各市推薦的基礎上，由各縣（市、區）自愿申報，將通過省、市聯合考核驗收的縣（市、區）命名為“全省水資源管理規范化建設示范縣（市、區）”，從省級水資源管理專項經費中安排獎補。力爭到2015年全省80%以上的縣（市、區）都達到規范化要求。

1.2 試驗爐內的燒結特性及分析

黑液煤漿依靠恒流泵以1.3r/min 的速度通過噴槍滴入試驗爐內，黑液煤漿滴受熱膨脹迅速爆炸分散成細小的顆粒，黑液煤漿隨重力作用落在床料上燃燒，與床料一起翻滾，床料流化較好。燃燒1h 左右，床料出現流化欠佳現象，開始出現石英砂結焦現象，增大流化風量，改善不大，切斷電源，試驗終止。

按照試驗方法嚴格操作，普通水煤漿依靠恒流泵以1.3r/min 的速度通過噴槍滴入流化床鍋爐內，流化風量為2m3/h，水煤漿滴受熱膨脹迅速爆炸分散成細小的顆粒，數秒后開始著火，普通水煤漿隨重力作用落在床料上燃燒，與床料一起翻滾，床料流化較好，燃燒2h 左右，床料未出現流化欠佳現象，也未出現石英砂結焦現象。

由圖1 可以看出，普通水煤漿在流化床鍋爐中燃燒后床料石英砂未出現任何燒結現象，顏色較實驗之前偏淡黃色。

對比圖1 可以看出黑液煤漿燃燒后的床料明顯出現燒結現象，而且其燃燒后的床料呈現暗黃色，普通水煤漿燃燒后的床料并未出現結焦而且顏色僅現淡黃色。試驗爐燃燒試驗說明造紙黑液對黑液煤漿的燒結現象具有影響，其主要原因是造紙黑液中含有大量的堿，在高溫下極易與石英砂中的SiO2反應生成玻璃，玻璃在高溫下極易呈現熔融狀態，所以我們會看到燃燒后的石英砂呈現燒結現象。

圖1 普通水煤漿、黑液煤漿燃燒后的石英砂對比

2 污染物排放特性分析

將黑液煤漿、普通水煤漿兩種燃料分別滴入試驗爐內進行燃燒試驗，在試驗溫度750℃下穩定燃燒2h，在爐膛煙氣出口處連接煙氣分析儀，用來測得NOx、SO2、CO 等排放物的20 組數據，并將NOx、SO2、CO 折算到6%標準含氧量下的數值，然后對每個參數求平均值，得到NOx、SO2、CO在標準含氧量下的數值，如表1 所示。

表1 標準含氧量下的污染物排放特性

表1 為黑液煤漿、普通水煤漿試驗爐燃燒時煙氣成分排放數據，從表1 中可以看出黑液煤漿煙氣中NOx、SO2以及CO 含量遠低于普通水煤漿。

原因分析：黑液煤漿燃燒過程中煙氣中的SO2含量比普通水煤漿要低得多，這主要是因為黑液中含有Na-基化合物，尤其是NaOH、Na2CO3等堿性物質存在于造紙黑液中。在高溫狀態下，堿金屬化合物會和高速運行的煙氣充分混合，其與煙氣中的SO2發生復雜的化學反應，生成結構穩定極耐高溫的Na2SO4或者是其他硫酸鹽化合物，從而將S 固定在灰渣中，這樣就會大大減少SO2的排放，達到凈化空氣的目的。此外，堿金屬化合物如NaCl 可以改善CaCO3吸收煙氣中的SO2的能力，作為催化劑提高氧化鈣的固硫能力，加強對SO2的吸收。

黑液煤漿煙氣中NOx含量較低的原因主要是由兩方面的因素決定的。一方面因為造紙黑液含有大量的NaOH、Na2CO3等堿性化合物，這些堿性化合物易與煙氣中的酸性氧化物NO2以及NO 反應，生成不易分解的化合物固定在灰渣中；另一方面，造紙黑液中存在大量的水，黑液煤漿中的水會在燃燒過程當中攝取熱量，致使其燃燒過程中爐膛內的火焰溫度要比燃煤時低200 ～300℃，因此所生成的NOx要遠低于原煤的燃燒產物。

3 結語

試驗爐燃燒試驗表明，黑液煤漿比普通水煤漿更容易出現燒結現象，黑液煤漿燃燒后的石英砂呈現暗黃色。

煙氣排放特性試驗發現黑液煤漿燃燒過程中排放到大氣中的NOx不到普通水煤漿排放濃度的1/3，黑液煤漿燃燒中SO2排放濃度不足普通水煤漿的1/9。

黑液煤漿雖具有燃燒過程中污染物排放濃度小、熱值更高、燃燒過程更加劇烈、燃盡時間短等優點，但其在燃燒過程中容易出現燒結現象，這卻能為后面繼續研究水煤漿的研究人員提供新的研究思路。