煤焦油乳化合成燃料油的机理与试验研究

2010-09-24李清

河南化工 2010年24期

关键词：煤焦油重油燃料油

李清

(大同煤矿集团有限责任公司煤气厂山西大同 037001)

煤焦油乳化合成燃料油的机理与试验研究

李清

(大同煤矿集团有限责任公司煤气厂山西大同 037001)

煤焦油经过乳化后,性质会发生不同的变化,使得煤焦油具有很好化学稳定性、流动性和良好的燃烧特性,所以本文在锅炉上进行了研究试验,并对污染物的排放、燃烧成本和效率进行了对比分析,实践证实:乳化煤焦油经过改良后不但用于锅炉油燃料,而且还节省了燃料成本。

煤焦油 ;乳化 ;合成燃料油

1前言

近年来我国各个行业对石油的需求量呈明显增大趋势。权威人士预测,到 2020年,我国将有 80%原油需从国外进口,这将直接制约我国经济的发展。所以,找到其他的液体燃料代替石油燃料或者找到新型的燃料,将是今后我国在能源方面的重要任务。

本研究所采用的主要原材料就是相对廉价的中温煤焦油,对煤焦油进行加水、均匀搅拌等一些必要的处理,乳化后,改良出符合国家标准的燃料用油,具有污染小、效率高等特点。由于乳化燃料油在产品特性方面与重油很相近,我们只需对锅炉的燃烧状况进行简单的调整就可以使用,而不需要对高炉进行全面的改造,从而达到节省的成本目的。本文对煤焦油乳化后进行燃烧试验,经分析可得该燃料可以用于锅炉燃料用油。在试验我们选用的温煤焦油,为山西某焦化工厂产品。

2煤焦油乳化的机理研究

煤焦油的价格相对较低,近年来一些能源动力方面的工作者开始对煤焦油进行了深入的研究,并且用作锅炉燃料进行试验。但我们发现如果不对煤焦油进行任何处理就用于锅炉燃料则会出现以下状况:白火、喷嘴被烧焦、由于燃烧不透而冒出大量的黑烟。

2.1煤焦油和燃料油的性质对比

煤焦油和燃料油以及合成燃料油的元素分析情况见表 1。通过观察表 1发现,与传统的锅炉燃料用油相比,煤焦油中碳所占的比例很高,而氢、硫所占的比例较小,含氮量也较高。这说明在常温状态下煤焦油的相对密度和黏稠度都比燃料用油大。在乳化煤焦油掺入 12%的水后则各方面的性能得到的很好的改进,而且与锅炉燃料用油的各项指标很接近,如表 2所示。但是在这里需要说明我们必须合理的控制掺水量,太多、太少都会起到相反的作用。为了获得最佳加水量,我们分别对乳化煤焦油加从 6%到 18%,按 3%逐渐增加的速度加入水,试验中观察他们真实的燃烧信息。结果我们发现加水量在12%时燃烧最佳。当然,对于不同品种不同产地的煤焦油,最优的加水量会不一样,实际情况需要通过试验作进一步研究。

表 1燃料油和煤焦油以及合成燃料油的元素分析 %

表 2重油和煤焦油以及合成燃料油的特性分析

2.2乳化燃烧理论

乳化的燃烧理论的研究主要从以下几方面进行阐述:①通过高温蒸汽达到雾化的目的。通过对乳化煤焦油在高温炉膛中进行高温加热,使得其中的水分蒸发生成水蒸气,从而体积迅速膨胀。如果温度达到 1000℃左右,体积膨胀几千倍。这样油滴进一步细化变小,与空气的接触面积扩大很多,这就是二次雾化。二次雾化可以增加燃烧量。②提高油的蒸发速度和效率。由于油汽与空气的混合接触面积大,而液体油滴与空气的混合接触面积小,这样相当于加大了燃烧的范围,可以使乳化油汽与空气充分接触并燃烧。③燃烧反应的过程受到干扰。材料燃烧不尽可产生黑煤或焦炭,当温度达到 1000℃的高温时,由于水煤气反应把固态物变成了气体,与液体混合物充分燃烧,同是气态的物质再混合和发生化学作用,故燃烧的速度和效率都得到极大的提高,使得存留的炭黑或焦炭量变得很少,提高了燃料的使用率。④控制燃烧火焰的温度,避免局部高温,使其在恒温下燃烧。

2.3煤焦油乳化的过程

对煤焦油加入适量的水进行充分搅拌,水分会进一步缩小,产生油和水两相介质的状态。乳化剂胶束不论以哪种介质状态存在,由于亲油基与水互相排斥,只是亲水基与水分充分混合,而亲油基通过互相吸引而聚合被其他水分包裹在里面。由于煤焦油中有油相存在,在油相和水相相结合的界面处,最初的油相平衡状态被打破,使得乳化剂的分子排列顺序重新组合,乳化剂分子中的亲油基与油相溶而与水相斥,亲油基在水的吸引力和油的排斥力的共同影响下分布在煤焦油中,乳化剂成为二者联系的纽带。最终三者之间达到平衡,形成油包水型的乳液。

这里要说明的是乳化剂分子的排列和重新组合是非常复杂的。乳化剂分子中同时含有亲水基和亲油基。这样乳化剂就成了联系油基和水基的纽带,一部分与亲水基相结合,另一部分与亲油基相结合,而乳化剂就处于油水的两相介质中。由于乳化剂分子在油水界面上的作用,从而减小了油水两相介质的张拉力,从而使水滴在煤焦油中的存在状态变得异常稳定,也降低了水油搅拌时所消耗的功。另外,由于乳化剂在两相介质中会形成一层连接膜,围绕在水滴的周围,防止水滴与外界水滴的联系与结合,保证了乳化油的状态稳定性。

2.4乳化油的黏度

试验表明,经过乳化后的煤焦油性质不可避免的会发生变化:凝固点会有小幅度的提高,而相对密度会降低,比热容、导热系数都有不同程度的增大。一般来讲,煤焦油的黏稠度比水大很多,但经过乳化后的煤焦油混合物,由于油和水两种介质状态的存在,两种介质之间会产生相互的摩擦力,于是煤焦油乳化后黏稠度变得比较复杂,它与多种因素有关,如煤焦油的成分、掺水量的多少、乳化剂的选择。对此我们在煤焦油的品质相同、乳化剂的选用一致的情况下对不同产水量下的黏度进行了试验,具体成果见下页图 1。

图 1不同掺水量的黏温曲线

由图 1可以看出,黏度随掺水量的增加首先呈现增大的趋势,随后开始减小,而在温度较低时却有很大变化,但在温度升高时,不同的掺水量对黏度的影响相对较小,对燃烧物的物化程度的影响可以忽略不计。经过反复试验,我们确定 12%的掺水量为最优掺水量。

3乳化剂的选择

乳化液的稳定性指的是粒子的聚集能力,是与粒子的相分离能力相对立的。在乳化液中,粒子可以自由移动,具有不稳定性。因此我们一般把体系达到稳定状态所需要的时间定义为乳化液的稳定性。为了缩短平衡所需的时间,一般的措施是加入适当的乳化剂,来达到降低界面的张拉力而实现的。

乳化剂需要达到的标准有以下几个方面:①能有效降低界面张力;②乳化剂需要带有电荷,通过电荷产生静电排斥作用,从而形成黏度较高的保护膜。在试验中,我们选择了复配乳化剂,取得了较好的效果。

4现场试验

为了进一步研究经过乳化后的煤焦油的燃烧状况,我们做了工业试验。

试验中我们选用 250#重油,其生产厂家为上海高桥石化总厂,乳化煤焦油为 2#燃料油,其生产厂家为杭州长润石化燃料油公司。试验锅炉为燃油锅炉,规格为 1.5t/h,烟气测试仪器为 testo 350m/x1烟气分析仪。乳化煤焦油和重油的锅炉效率及排放情况如表 3所示。

表 3乳化煤焦油和重油的锅炉效率及排放情况对比

由于蒸汽量的不断变化,测量得到的蒸发量也就不一致,但二者的效率差值小于 5%。经过乳化后的煤焦油与重油相比,成本减少了 30%～40%,取得了很大的经济效益。在两种不同工况下,锅炉的燃烧效率分别为 79.1%和 81.4%,基本一致,所以燃烧的效率很高。而且由于燃烧状况良好,污染物与重油相比差别不是很大。综合本次的分析与试验结果,乳化后的煤焦油在不用对锅炉进行改造的情况下不但可以代替重油,而且节省了燃料成本,产生了很大的经济效益。