煤焦油替代重油作为动力燃油的热天平分析.pdf

第 3 l卷第 2期 2 O O 8 年 o 4月 四 川 电 力 技 术 S i c h us n E l e c tr i c P o we rT ech n o l o g y 煤焦油替代重油作为动力燃油的热天平分析 廖勇波。于娟(1 广东省轻纺建筑设计院，广东 广州5 1 0 0 8 0；2 上海交通大学机械与动力工程学院热能所，上海市2 O O 2 4 O)V o 1 31。No 2 Ap r ，2 0 0 8 摘要：用微量 热天平研 究 了煤焦 油和 重油的热解特性 和燃 烧特性，并在 此基础 上初步 分析 了用煤 焦油代替 重油作 为动力燃料时应该注意的因素。结果显示，不能简单用煤焦油替代重油直接在重油燃烧器上燃烧，为了防止煤焦油 中挥发份过早析出导致结焦积炭，进燃烧器之前煤焦油的加热应注意采用较低的加热温度和加热强度。关键词：煤焦油；热解；燃烧；热天平；重油 ：p y r o l y s i s a n d c o mb u s t i o n c h a r a c t e ri s ti c s o f c o a l t a r and h e a v y o i l fi r ey z ed u s i n g t h e r mo b ala n c e t o s t u d y t h e f a c t o r s n e e d i n g a t t e n ti o n f o r s u b s t i t u t i n g t h e c o a l t ar f o r the h e a vy o i l a s p o w e r f u e 1 T h e r e s u l t s s h o w t h a t the c o a l t a r c a n n o t b e b u me d d i-r e c t l y usi ng the b u rne r d e s i g n e df o r h eavy o il I n o r d e r t o a v o i d a g g l o me r a ti o n and c h a r-a c c u mula ti o n r e s U l t i n gf r o m t h e v o l a t il e ma t-t e r o ft h e c o a l t a rl i ber a t i ng t o o e a r l y，thet e mp e r a t u r eandt h ei n t e n s i t y s h o uldbe l o we ri n h e a ti ng the c o a l t a rbef o r e e n t e ri ng i n t othe b u r n e r Ke y wo r d s：c o a l t a r；p y r o l y s i s；c o mb u s ti o n；the r mo b a l a n c e；h eav y o i l 中图分类号：I 7 2 1 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 3 6 9 5 4(2 0 o 8)0 2 0 0 9 1 0 4 目前，中国仍有相当多工矿企业采用重油作为企 业动力设备燃料。随着近年来中国社会经济的飞速 发展，各种能源油品的消耗也大量增加，使中国的工 业用重油价格大幅上涨，企业生产成本的负担仍然很 重【1 2 J。由于煤焦油 的价格 比重油便宜，热值 只比重 油略低，市场供应较充足，如果能将煤焦油替代重油 用于锅炉及工业窑炉上，对 于缓解 能源 紧张状况、减 轻企业经济负担将起到重要作用。然而，由于煤焦油 的主要成分是芳香族及稠环芳香族化合物，碳元素含 量较大，而氢元素含量很低，因此在燃烧时会大量生 成不易燃烧完全的碳黑，造成周边环境的严重污染。所 以开发适用于煤焦油 的燃烧技术对 于煤焦油 的成 功应用至关重要。下面通过热天平实验，对煤焦油的 热解及燃烧特性进行初步分析，并与重油进行比较，希望在此基础上能为煤焦油燃烧系统的设计提供参 考和依据。1 实验 1 1 实验样品分析 煤焦油是有刺激性气 味的黑色或黑褐色的粘稠 状液体，其成分与性质主要依赖于原料煤的性质及加 表 1 常用燃料重油与煤焦油的主要特性 3】注：上表中重油分类是市场上常用的种类；作为比较，其中 1 2 0、1 8 0号重油常用于锅炉和工业窑炉燃料；上表中重油数据是按照燃料油的行业标准，煤焦油是按照资料上查得的大致范围。91 维普资讯 http:/ 第 3 1 卷第 2 期 2 0 0 8年 0 4月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n H e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y v 0 1 3 1，N o 2 Ap r ，2 0 O 8 工时的情况，所 以不同种类煤焦油之间的性质可能有 很大的差别。表 1 是 中高温煤焦油的主要特性。由表 1 来看，煤焦油 的发热量 比重油 略低，水分 含量较高，密度也较大，粘度、闪点、灰分和硫分与重 油相似，其中灰分和硫分较低，对燃烧和环境有利。在马弗炉中对重油和煤焦油进行脱挥发分实验，即在 9 2 0 o C的温度下精确加热样品 7 m i n，每种样品 重复实验两次，最后得到脱除水分和挥发分后的样品 残碳含量为：重油 1 2 8 3，煤焦油 1 7 6 4。如果忽 略灰分的影响，在此加热条件下，重油 和煤焦油 的残 碳含量差别不是很大。考 虑到挥发分 的析出特性对 燃烧很重要，下面将借助热天平对重油和煤焦油的热 解和燃烧过程进行测量分析。1 2 热 天平 实验 本实验采用 的实验仪器是 聊一 2 P型微量热天 平。它是一 台具有微机数据处理系统，能够在设定好 的温度程序下测量物质的质量随温度变化的热重实 验分析仪器。由于微 量热天平 比常量热天平所用的 试样量少，样品中温度梯度小，测定试样 内部不致产 生二次效应，所以失重曲线明显，分辨率高，适宜于重 量大而失重小 的试样。本次实验样品用量约 7 m g，升温速率 3 0 o C m i n。实验分成热解和燃烧两类实验，其中热解实验所用气 氛为高纯氮气，燃烧实验氧气浓度设定为 1 0，气体 总流量为 1 6 0 m l m i n。分别对重油和煤焦油进行 实 验，结果如图 1 图4所示，下面分别对这两个过程 进行分析。2 热解特性分析 由图 1 可以看出，重油的热解 失重过程可分为 3 个温度区间：第一区间中，T G曲线出现一段幅度很小 的下降，D T G曲线出现较小波动，试样有略微的失重。该温度区问一般是试样随着温度的升高失去残留水 分的阶段。第二区间中，T G曲线急剧下降，同时 D T G 曲线剧烈变化。该温度区间是试样热解失重过程的 主要阶段，试样的绝大部分失重发生在该区间，失重 率可高达 7 0 以上。第三区间中，T G曲线和 D T G曲 线都开始趋于平缓。该温度 区间是残 留物的缓慢分 解过程，并在最后生成固定碳和灰分。由图 2可以看出，煤焦油的热解失重过程可分为 2个温度 区间：第一区间，T G曲线先缓慢下降再急剧 92 下降然后又缓慢下降，D T G曲线始终剧烈变化，无法 区分出水分蒸发和热解两段。与重油相比，煤焦油挥 发分释放早，但最大失重率小，热解反应过程长。第 二区间。T G曲线和 D T G曲线都开始趋 于平缓，是残 留物的缓慢分解过程。图 1 重油的热解失重 曲线及微分 曲线 图 2煤焦油 的热解失重 曲线及微分 曲线 图 3重油的燃烧 失重 曲线及微分 曲线 qI o 盖 专 i r 维普资讯 http:/ 第 3 l 卷第 2 期 2 O O 8年 o 4月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t ric P o w e rT e c h n o l o g y V o 1 31-No 2 Ap r -2 0 0 8 图4煤焦油的燃烧失重曲线及微分曲线 根据实验结果图线，重油和煤焦油热解过程中的 特征点及热解指数列于表 2。由表 2 可见，煤焦油的热解指数要小于重油的热 解指数，说明煤焦油更难热解，在燃烧时更难着火。暑 喜 3燃 烧 特 性 分 析 j 为克服燃料油的粘度，提高管输和泵送效率，习 惯上采用提高油温的方法。从上述分析可知，对于重 油和煤焦油，应采用不同的油温加热制度。如果加热 温度过高和多次重复加热，由于导热管高热的界面会 造成油中胶质沥青质的部分焦化，并使油中胶质沥青 质 的沉降和团状集聚的速度加快，形成底层油密度增 高，上层油密度小的反差，在燃烧时易发生严重的结 焦积碳，给燃烧设备造成损坏，加大维修工作的强度。由于煤焦油挥发分析出早，因此，对煤焦油的加热要 特别注意，采用较低的加热温度，并减少加热次数。为 比较重油和煤焦油热解 的难易程度，定义一个 表征热解特性的指标热解指数如下：，=(d a d t)一(一 X)(1)式中：口为试 样 消 耗 份额；口=(一W)(W o一 )；(d a d t)一；为最 大失重率；Wo为试样初 始质 量；W为试样在温度为 时的质量；W 为试样 最终 质量。为对应于最大失重率的温度。为=1 2 一T l；T l 为失重率达到 5 时的温度；1 2 为失重 率急剧减小并趋于平缓时的温度。显然，越大，越 容易热解；T，越小，挥发份开始释放的时间就越早；(如 )一越大，、一越小，总体热解反应进行过 程就越集中，物质就越容易被热解；反之，则不易热解。在气氛氧浓度为 1 0 的条件下，重 油和煤焦油 的燃烧实验结果如图 3和图 4所示。由图 3可见，重 油的燃烧过程分为 3 个区间：第一区间，T G曲线失重 平缓，是重油的干燥阶段。第二区间，重油着火，发生 剧烈失重。由 D T G曲线可知，该 区间又可分为三个 子阶段，分别 对应 不 同物质 的燃烧。与 热解 曲线相 比，可以知道，前两个 D T G峰是挥发分的燃烧峰，最 后一个 D T G峰对应的是残碳的燃烧。第三区间，T G 曲线不再失重，是燃烧结束阶段，剩下的物质是灰分。由图 4可见，煤焦油的燃烧 过程分 为 4个 区间：第一区间，对应 D T G曲线的第一个峰，与热解曲线相 比，是挥发分的燃烧阶段。第二区间，T G曲线下降变 缓，D T G曲线变化较平。第三区间，对应 D T G曲线的 第二个峰，与热解 曲线相 比，是残碳的燃烧 阶段。第 四区间是燃烧结束阶段。从重油和煤焦油的燃烧过程可以看出，重油不同 阶段的燃烧紧凑，前面的燃烧对后续的燃烧影响显 著，残碳易燃烧。煤焦油的两个燃烧阶段相隔较远，比起重油，残碳燃烧滞后。原因在于，重油相比煤焦 油，是一种组分更为复杂的燃料 油，至少包括两类燃 烧特性截然不同的组分。而正是这两类组分的挥发 燃烧，特别是第二个峰所对应的组分对重油残碳的着 火燃烧起了关键作用。煤焦油挥发分类别较单一，热 解早，燃烧时间长，燃烧强度不高，对残碳的燃烧作用 小，残碳难以着火、燃尽。4 结论 1)为了防止煤焦油中挥发份过早析出导致结焦 积炭，进燃烧器之前的煤焦油的加热和伴热相对一般 表 2 重油和煤焦油热解过程 中的特征点及热解指 数 93 维普资讯 http:/ 第 3 1 卷第 2期 四 川 电 力 技 术 V o 1 3 1，N o 2 2 0 O 8年 o 4 月 S i e h u a n E l e c t r i c P o w e r T ech n o l o g y A p r ，2 0 0 8 (上接第 7 4页)表 1 2 节点电压凹陷各程度幅值发生频次 5 结论 上面针对实际情况中较易发生的三相对称短路 故障所造成的电压凹陷，提出了对线路上故障概率密 度 函数积分的方法，从而对一定时间内电压凹陷的幅 值和发生的频次进行预测，以及进一步分析电压凹陷 在更大范围电网 中传递。再 由电压凹陷矩阵提供 的 信息，减小需要计算的线路数。电压凹陷矩阵直接可 以由网络节点阻抗矩阵得到。所提方法与前文所提 临界距离法 3 1 5 j 相 比的优势在于本方法适应于实际 中更常见 的环形网络。而与同样针对环网的故障点 法【8 J 相 比，本方法优点在于完全不需要对故障点发生 位置进行预设。与蒙特卡罗仿真法 相比，本方法优 点在于大大简化 了计算过程和步骤。所提方法需要进一步研究和探讨的问题包括：仅 考虑了网络系统发生三相对称短路故障，而没有考虑 实际中更常见的各种不对称短路故障的情况。综合 考虑各种对称与不对称短路故障情况所造成的电压 凹陷以及根据此方法对电压凹陷的特征量的预测值 进一步对 电压 凹陷造成的经济损失性评估是值得更 深入探讨 的问题。9 4 参考文献 1 Q u a i a，S ；T o s a t o，F A m e t h o d f o r 8 n a l y t i c a l v o l t a g e s a g s p r e d i c t i o n J P o w e r T e c h C o n f e re n c e P r o c e e d i n g s，2 0 0 3 I EEE Bo l o g n aVo l u me 4，I s s u e 2 宋云亭，郭永基，张瑞华 电压骤降和瞬时供电中断概 率的蒙特卡罗仿真 J 电力系统 自动化，2 0 0 3 2 7(1 8)：2 12 4 3 张伯明，高景德 高等电力网络分析 M 北京清华大 学 出版社 1 9 9 6 4 j 李妍，段余平，邱军，熊信艮，尹项根 环网配电网络电压暂 降分析的临界比距法 J 电网技术，2 0 O 6，3 0(1 1)：5 1 5 5 1 5 Boll e n M H J F a s t a s s e s s m e n t m e thod f o r v o l t a g e s a g s i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m s J 1 E E E T r a n s a c t i o n s o il I n d u s t r y A p p l i c a-ti o n s，1 9 9 6，3 2(6)：1 4 8 0 1 4 8 7 1 6 J O l g u i n，G；Bol l e n，M H J S t o c h a s t i c as s e s s m e n t o f u n b a 1 a n e e d v o l t a g e dip s i n l a r g e t mn s m i s s l o n s y s t e m s J P o w e r T e c h C o nfe ren c e P r o c e e d i n g s，2 0 0 3 I F F E B o l o g n a Vo l u me 4，I ss u e，2 3 2 6 J u n e 2 0 0 3 P a g e(s)：8 p P V o 1 4：2 32 6 1 7 J E EJ u a r e z；AH e m a n d e z A n a n a l y t i c a l a p p r o a c h f o r s t och asti cs s m e n t o fb a l a n c e d a n d u n b a l a n c e d v o l t a g e s a g s i n l a r g e s y s t e ms J P o w e r D e l i v e r y，I E E E T r a n s a c ti o n s O l l V o l u me 2 1，I ssu e 3，j u l y 2 0 0 6：1 4 9 31 5 0 0 8 L i m，Y S ；S t r b a c，G A n a l y t i c al a p p r o a c h t o p r o b a b i li s t i c p re di c ti o n o f v o l t a g e s a g s o il t r a n s m i s s i o n n e t w o r k s J G e n-e r a t i o n，T r a n s mi s s i o n a n d Di s t r i b u ti o n，I E E P r o c e e d i n g s Vo l u me 1 4 9，I s s u e 1，J an 2 O O 2：71 4 1 9 眦S t d 1 1 5 9 1 9 9 5 WE E R e c o m m e n d e d P r a c ti c e o il M o n i t o r i n g E l e c t r i c P o w e r Q u t y N e w Y o r k：I E E E P r e s s，1 9 9 5 作者简介：曾智(1 9 8 1 一)，男，硕士研究生，研究方向为电能质量与 电力市场。杨洪耕(1 9 4 9一)，男 博士，教授，博士生导师 长期从事 电能质量监测和控 制技 术方面的教学和研 究工作。(收稿日期：2 0 0 8 0 1 2 4)维普资讯 http:/