新型锅炉燃料油的研究

李文艳，郭小杰

(1.大同煤炭职业技术学院，山西 大同 037003；2.同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037001)

0 引言

重油又称燃料油或锅炉燃料.重油是非常规石油的统称，包括重质油、高粘油等，一般在常温下粘度很大，不能应用和提炼.随着我国GDP超过日本成为全球第二大经济体，我国能源消耗量快速增长，锅炉用重油的消耗量也日益增加.另一方面，我国煤炭储量相对丰富，急需开发利用煤炭完全或部分代替重油锅炉用燃料油技术.

油煤浆是一种以煤基物代部分重油技术，它是以炼焦副产物-高温煤焦油，重油为主要原料，通过调和技术制备锅炉用液固浆态燃料.由于高温煤焦油、煤炭都是煤基物质，因此该技术是一项以煤部分代油的技术.

油煤浆粘度是衡量燃料油性质的重要指标之一，其直接关系到油煤浆输送，雾化特性[1]和燃烧特性，所以本文只研究油煤浆的粘度.

1 取样和试样制备

高温煤焦油取自云冈制气焦化厂净化车间.大同烟煤煤粉取自大同塔山矿，经塔山洗煤厂后，在实验室研磨至200目以上备用.大同烟煤煤样分析见表1.

表1 原料煤粉分析

2 实验部分

2.1 调和油制备方法

首先将高温煤焦油和重油分别预热且按一定体积比例混合，经过胶体磨处理后制成调和油，用粘度计测定调和油粘度.

2.2 煤焦油制备方法

首先将高温煤焦油和重油分别预热且按一定体积比例混合，再将研磨好的煤粉加入到混合油中，然后在恒温条件下，搅拌约5分钟使其初步混合，把初步混合的煤粉—混合油浆迅速经过胶体磨进一步剪切混合得油煤浆，用粘度计测定油煤浆粘度.

3 结果和讨论

3.1 温度变化对煤焦油和重油的粘度的影响

调和油粘度随温度变化的特点是由煤焦油和重油的粘度随温度变化的特点决定的.图1为煤焦油温度与粘度的关系.图2为重油温度与粘度的关系.

据实际用燃料油经验，55℃为燃料油的运输温度，90℃为燃料油的燃烧预热温度，本实验测量调和燃料油粘度的温度范围为50～95℃，每隔5℃取点，测量粘度值.

图1 煤焦油温度和粘度的关系

图2 重油温度和粘度的关系

图1、2可以看出，随着温度的升高，煤焦油和重油的粘度温度升高而逐渐降低.50℃时，煤焦油粘度为240mPa·s，重油的粘度为6700mPa·s.95℃时，煤焦油粘度为21mPa·s，重油的粘度为470mPa·s.

煤焦油主要由蒽、菲等稠芳香环化合物和烷基取代的芳香族化合物组成.重油是混合物，成分非常复杂，含有96～99%C、H，可用化学式CnHm来表示，m=1.5～1.8n[2]，其余主要是由沥青质和胶质组成.煤焦油和重油中的高分子极性化合物，分子内和分子间的π-π键和氢键，随着温度升高，部分π-π键和氢键吸收热量而分解成相对短链烃，随着温度的升高，煤焦油和重油的粘度下降图3为煤焦油温度与粘度关系的曲线和重油温度与粘度关系的曲线比较.

图3 煤焦油温度与粘度关系的曲线和重油温度与粘度关系的曲线比较

图3中数据表明，随温度升高，重油粘度下降趋势较大.煤焦油粘度下降相对平缓.50℃时，二者粘度相差6460mPa·s，95℃时，二者粘度相差449mPa·s.粘度差值减少了14.4倍.

3.2 温度变化对调和油的粘度的影响

图4煤焦油和重油调和比(体积比)为2：1时，调和制成燃料油温度和粘度的关系.

图4 调和比2：1的调和油温度与粘度的关系

图4中可看出，随温度逐渐升高调和燃料油的粘度值快速下降.50℃时，调和油粘度值1950mPa·s，95℃时，粘度值下降到97mPa·s下降了95.02%.温度变化对调和油粘度影响显著.50℃到75℃，调和油粘度下降显著，75℃到80℃，调和油粘度下降平缓.

煤焦油和重油由于存在π-π键和氢键，使稠芳香环化合物等物质彼此发生缔合，从而形成一种超分子结构.在将两种油调和以后，超分子结构形成以超分子结构为核、以吸附-溶剂化层为外壳的“复杂结构体”.随着温度升高，分子吸收热量，π-π键和氢键数目减少，“复杂结构体”“解体”使得液相粘度下降.

从50℃升高到75℃，调和油吸热局部融化，调和油由膏状逐渐融化为常见液态.根据结构-粘度理论，在低温状态，分子间距离近，分子间引力大[3]，分子运动能量较小，随温度提高，单个分子在平衡位置热运动剧烈，粘度迅速下降；约75℃时，调和油全部融化为常见液态.调和油温度进一步升高，分子运动能量大，分子间距较远引力小，流动性增强，粘度随温度的减少相对减慢.

3.3 胶体磨的对调和油粘度的作用

胶体磨的定子与转子做相对高速旋转运动，使物料在离心力、重力的作用下，受到强大的剪切力、磨擦力、高频震动力、冲击力等复合力作用，使物料破碎分散而达到理想均质混合状态.图3-4是同样调和比例下，同样试验条件下，两组调和油用电动搅拌器搅拌以后，一组经过胶体磨，另一组没有经过胶体磨作用.

图5 胶体磨的作用对调和油粘度的影响

图5中可以看出，50℃时，未经过胶体磨处理的调和油粘度值4600mPa·s，经过胶体磨处理的调和油粘度值4100mPa·s，95℃时，未经过胶体磨处理的调和油粘度值265mPa·s，经过胶体磨处理的调和油粘度值235mPa·s.同样实验条件下，经过胶体磨处理的调和油粘度低.

胶体磨的剪切力等复合力作用，把把物料剪切成薄层，减少单一物料的区域，最后区域界限消失而物料达到完全混合.

由于剪切力做功产生能量[4]，这些能量能够破坏部分长链烃类分子内和分子间的π-π键和氢键.经胶体磨处理的调和油，在工业应用的时候，就能够降低油品的预热温度，从而节省能源[5].

3.4 煤粉的添加量对调和油粘度的影响

图6 不同煤粉添加量制得的油煤浆粘度和温度的关系

图6为重油和煤焦油以4：1的调合比制成调和油，添加大于200目煤粉制成煤浆粘度和温度的关系.从图5可以看出，随煤粉添加量增加，油煤浆粘度逐渐升高，在50℃时，未加入煤粉的粘度值为3100mPa·s，而加入30%煤粉的试样的粘度值为11000mPa·s，增加2.5倍.而在95℃时未加入煤粉的试样粘度值为170mPa·s，而加入30%煤粉的试验的粘度值为560mPa·s，增加了约2.3倍.这是由于调和油作为煤粉颗粒间[6]“润滑剂”，油相量越少，自由相润滑作用就越差，所以随着煤粉添加量增大，油相所占比率减少，油煤浆粘度逐渐升高，同时煤粉颗粒的溶胀性使其体积增大，增加了油煤浆中两相的界面面积，使粘度增加.

4 结论

(1)随着温度升高，调和油粘度快速下降，温度升高对调和油粘度影响显著.调和比例可以根据实际情况提高.

(2)温度低于75℃调和油粘度下降迅速，温度大约75℃时调和油粘度下降相对缓慢.75℃为调和油粘度变化快慢的分界温度.

(3)胶体磨的剪切研磨具有明显降低混合油低温粘度的作用.未经过胶体磨处理的调和油，静止几天后会分层.

(4)油煤浆的粘度随着温度的升高而降低，随着煤粉的加入量增加，油煤浆粘度岁温度的升高而升高.

参考文献

[1]宋新南，张双进.油煤浆管道输送特性研究[J].煤炭学报，2002(3).

[2]沈家云，岑海钢，等.重油气化工艺与操作[M].北京:化学工业出版社，1982:3-5.

[3]T.曼格，W.得雷泽尔.润滑剂与润滑[M].北京:北京工业大学出版社，2003:19-20.

[4]李洋，李艳稳，杜宗良，等.剪切作用对胶原热稳定性能的影响[J].中国皮革，2007，36(17)：12-15.

[5]WANG Yong-gang,HAO Li-fang,XIONG Chu-an.Apparent Viscosity changes of coal-oil slurry during heating at atmosphere[J]. Fuel,2007:35(5):,513-517.

[6]韩文煜,常鸿雁,张德祥,等.油煤浆粘温特性的初步研究[J].煤炭转化,2003(4) .