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水煤浆燃中固硫技术研究

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发表时间:2017-12-26 21:04

摘要: 对水煤浆燃烧固硫问题进行了初步探讨, 指出水煤浆燃烧过程中结渣主要是常用的水煤浆添加剂会导致水煤浆的灰熔点下降所致; 如果直接以钙系化合物作为水煤浆固硫剂, 将导致水煤浆的灰熔点进一步下降, 有时还会大大增加水煤浆的粘度, 降低水煤浆的稳定性。因此, 为了使水煤浆具有合适的粘度、稳定性, 保持较高的灰熔点, 同时实现水煤浆燃中固硫之目的, 必须综合考虑添加剂和固硫剂的成分和用量。
关键词: 水煤浆; 固硫; 灰熔点
由于原油价格上涨, 使燃油锅炉的燃料成本不断上升, 迫使一些燃油锅炉不得不改用其他燃料。权衡改用燃料引起的锅炉改造费用和新燃料的价格等因素, 有不少燃油锅炉改烧或拟改烧较价廉的水煤浆。水煤浆技术重新引起人们的重视, 水煤浆的使用量逐年增加。然而, 在推广应用水煤浆过程中也遇到了一些难题。
   目前, 一个迫切需要解决的问题是水煤浆燃烧过程中的结渣问题。作者认为, 造成水煤浆在燃烧过程中结渣的原因有: 一是由于水煤浆雾化、配风不良, 导致水煤浆燃烧不稳, 出现水煤浆快速干燥和焦化成半焦, 这些半焦极易粘结在炽热的炉壁上, 导致结渣, 渣体呈灰黑色; 二是由于水煤浆燃烧温度高于渣的灰熔点, 导致熔融的渣在炉膛内“挂壁”结渣, 这种渣呈灰白色, 其硬度远大于前者。解决灰黑色渣问题, 关键在于改善水煤浆雾化和配风工艺, 有时还要考虑改变制浆用的煤种。解决灰白渣问题, 则必须找出导致水煤浆的灰熔点下降的主要原因。
   水煤浆代油燃烧不仅受经济因素的影响, 还受环保政策限制。如果燃用水煤浆时锅炉的污染物排放量远大于燃油锅炉的排放量, 那么, 即使代油的经济效益显著, 水煤浆代油还是难以实现。众所周知, 燃用水煤浆产生的主要污染物是烟尘和二氧化硫。如果不采取措施, 这两种污染物的排放量都将大大超过燃油锅炉的排放量。其中烟尘的排放可以通过高效除尘系统得到控制, 实现达标排放; 二氧化硫的排放则可通过选用低硫原煤和在水煤浆中添加固硫剂的方法实现控制。鉴于水煤浆的产量不断增加, 优质低硫煤资源越来越缺乏, 人们不得不选用较高硫分的原煤作为制浆用煤, 因而有必要对在水煤浆中添加固硫剂以控制二氧化硫排放的方法进行研究。本文旨在对添加固硫剂后, 水煤浆性能的变化和固硫剂的固硫效果进行探讨。
1.试验部分
1.1试验用煤
   试验用煤为山东新汶矿业集团汶南矿的浮选精煤。按照GB212 - 77 和GB214 - 83 对试验用煤进行分析, 结果见表1。

1.2  试验用煤和水煤浆的灰熔点
   按照GB219 - 74 的规范, 先测量试验用煤的灰熔点, 而后将其制成水煤浆。所用的添加剂是常用价廉的CWS - 1 型添加剂, 该添加剂的特点是含有钾和钠等元素。然后将水煤浆雾化干燥、燃烧, 测出其灰熔点, 结果见表2。在表2 中, TD 为渣的变形温度; TS 为渣的软化温度; TF 为灰的流动温度。这些温度是在弱还原性气氛下测得的。在置信度为95 %时, 灰熔点的绝对误差为±23 ℃以下。

1.3  钙系固硫剂对水煤浆灰熔点和粘度的影响
   按不同的钙硫比分别往水煤浆中加入钙系化合物, 得到固硫剂对水煤浆的性能(粘度、灰熔点)的影响, 结果分别见表3 和表4。在置信度为95%时, 水煤浆的粘度的绝对误差为±16 ×10 - 3Pa·s 以下。

1.4  CWSFS - 1 型固硫剂对水煤浆性能和固硫率的影响
   运用X 射线荧光光谱仪(XRFA) 分析灰渣中的硫分, 通过比较未加固硫剂和已加固硫剂的两种水煤浆灰渣的硫分, 按下式计算出固硫率: RFS = SAT ·A / C ·S T
式中: SA T 为灰渣的全硫分, %; A 为试样的灰分%;C 为试样中原煤的质量百分数, %; S T 为试样中原煤的全硫分, %。计算结果见表5。在置信度95 % 下,固硫率的绝对误差在±4 % 以下。

2  结果与讨论
   从表2 可以看出, 水煤浆的灰熔点比原煤的灰熔点低。导致水煤浆灰熔点下降的原因可能是由于加入水煤浆中的添加剂(CWS - 1) 或煤的粒度大幅度减小引起的。为此, 作者加测了未加添加剂、粒度与水煤浆一样的煤浆的灰熔点, 其值分别为TD = 1 191 ℃, TS = 1 249 ℃, TF = 1 320 ℃。可以看出, 细粒度煤浆的灰熔点比原煤的灰熔点稍低一点。由于添加剂中含有少量的钾和钠(0106 %~0112 %) , 而钾和钠的存在极易引起煤的灰熔点的降低, 这表明添加剂是导致水煤浆灰熔点下降的主要原因。图1 给出了渣中Na2O 含量与灰熔点的关系曲线, 图中氧化钠含量是指往煤中加入的氧化钠量。从图1 可以看出, Na2O 对渣的灰熔点影响是很大的。当氧化钠量达到118 %时, 渣的灰熔点大幅度下降, TS 只有996 ℃。有人可能会认为, 添加剂中的钠和钾的含量很少, 不到水煤浆的千分之一, 对灰熔点的影响不应该如此大。但是, 值得注意的是在水煤浆燃烧过程中, 钠钾元素会逐渐聚集到灰渣中[1 ] , 其比例近百分之一。另外, 氧化钠等容易与硅或铝的氧化物结成低熔点化合物。因此,为了提高水煤浆的灰熔点, 减少结渣, 应该尽可能减少添加剂中的钠和钾等元素的含量。

钙系化合物包括氧化钙、氢氧化钙和碳酸钙。就水煤浆固硫而言, 氧化钙与氢氧化钙的固硫效果是一样的, 因为氧化钙在水煤浆中将以氢氧化钙形式存在, 它们是最廉价的燃煤固硫剂。从表3 可以看出, 加入氧化钙将引起水煤浆的灰熔点下降, 水煤浆灰熔点原本就比原煤低, 已经影响了水煤浆的应用。如果为了固硫, 再加入钙系化合物, 将进一步降低水煤浆的灰熔点, 加剧水煤浆燃烧结渣现象的发生, 从而影响它的使用。另外, 从表4 还可以看出, 加入氧化钙将大大增加水煤浆的粘度, 进而影响水煤浆雾化效果。虽然用碳酸钙固硫对水煤浆的粘度影响较小, 但试验表明, 它将恶化水煤浆的稳定性。因此, 通常情况下, 钙系化合物直接用于水煤浆燃中固硫是不宜的。
   尽管钠和钾等氧化物的存在会严重影响渣的灰熔点, 但是, 它们不失为水煤浆添加剂的必要元素, 而且也是很好的脱硫剂。设Ca2 + 的脱硫能力为1 , 钠的脱硫能力则为Ca2 + 的1 070 倍( 表6)

综上所述, 如果将提高渣的灰熔点和实现水煤浆燃中固硫统筹考虑, 充分利用添加剂中钠的固硫作用, 以降低固硫时钙系化合物的添加量, 从而改善水煤浆的灰熔点, 也许会取得令人满意的结果。为此作者在实验室研究出WCSFS - 1 型固硫剂。该固硫剂由镁系化合物和少量硅制剂混合而成。从表5 可以看出, 该固硫剂对水煤浆的粘度、灰熔点影响较小, 而且有较高的固硫率。由于固硫剂能很均匀地分散在水煤浆中细小的煤粒之间, 因此, 镁硫比可以比原煤固硫时的钙硫比大大减小。此外, 由于水煤浆燃中固硫时存在大量的水蒸气, 这也将有利于固硫[3 ] 。应尽量少用固硫剂, 防止因固硫剂加入量太大影响水煤浆的粘度和稳定性。
3  结论
   (1) 含有钠钾的添加剂是导致水煤浆灰熔点下降的主要原因。因此对水煤浆进行燃烧固硫时, 首先应考虑加入的固硫剂对水煤浆灰熔点的影响, 然后, 再考虑它对水煤浆的粘度和稳定性的影响。同时考虑充分利用水煤浆添加剂中钠等的固硫作用,以尽可能减少固硫剂的添加量。
   (2) 通常情况下, 常用的钙系化合物不适合水煤浆固硫, 宜采用镁系化合物作为水煤浆的固硫剂。
   (3) 由于在水煤浆燃烧固硫时, 固硫剂能与煤粒均匀混合, 同时又有大量水蒸汽存在, 因此, 镁硫比应尽可能减小, 以避免固硫剂对水煤浆的粘度和稳定性的不良影响。
   (4) 实验室开发的WCSFS - 1 型固硫剂不仅对水煤浆的灰熔点、粘度和稳定性影响较小, 而且又有良好的固硫性能。