造纸黑液水煤浆燃烧技术研究摘要：本文分析了黑液成分，确定了燃烧试验方法，阐述了黑液燃烧燃烧特性，找出了影响黑液正常燃烧的原因，指出了黑液燃烧存在的技术难题，给出了解决办法和建议。

关键词：造纸黑液；水煤浆；燃烧技术黑液水煤浆是把造纸黑液添加到煤中不再添加任何药剂经多道工序加工而成的煤基流体，既能利用黑液中的分散剂成分，又能充分利用黑液中的有效热值，既解决了黑液污染问题，又节约了药剂降低制浆成本，是一种极好的环保燃料。

黑液水煤浆的最大的特点就是碱含量高，工业应用时极易造成燃烧设备的沾污结渣，进而引起磨损和腐蚀，并严重影响热效率。

基于此，很有必要对黑液水煤浆的燃烧、沾污结渣及污染物排放等进行研究。

一、黑液水煤浆成分分析1、元素分析及工业分析表1 黑液水煤浆的工业分析及元素分析工 业 分 析 % 元 素 分 析 % 项目样品M tA ar V ar FC ar 发热量C arH ar N ar S t, ar O ar 水煤浆 34.14 4.69 22.56 38.61 19083.93 52.18 3.41 0.98 0.94 3.66 黑液浆44.926.4819.9128.6814940.49 41.002.540.860.623.582、灰熔融特性温度表2 黑液水煤浆的熔融特征温度 /℃灰 样 DT ST HT FT 黑液水煤10951121120812103、灰成分表3 样品的灰成份分析 /%样品SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3 CaO MgO Na 2O K 2O TiO 2 黑液浆灰 34.15 28.735.222.680.8121.595.511.28从以上表看出，黑液水煤浆的最大一个特点是Na 2O 、K 2O 含量很高，分别是原煤的36.6倍和7倍，而Al 2O 3含量比原煤低约10%，由此导致黑液水煤浆灰熔点远比原煤低。

据研究，煤中若含有较多的碱性矿物质，则极易发生结渣问题。

二、燃烧研究1、研究目的了解和掌握高钠燃料――黑液水煤浆在工业炉中的燃烧和沾污结渣特性，同时研究其灰沉积行为和污染物排放特性，为进一步设计大容量黑夜水煤浆锅炉提供依据，并提供有效的防沾污结渣措施，为安全经济运行提供参数。

2、锅炉概况新汶矿业集团中心医院的这台锅炉原为SZL2.8—0.7/95/70－A Ⅱ型燃煤热水链条锅炉，后改造为燃烧水煤浆，该锅炉又改为燃烧黑液水煤浆。

图1 锅炉测点分布图3、试验内容主要包括热平衡试验；炉内轴向和径向温度分布的测量；不同部位硅碳棒灰沉积试验；空间和壁面颗粒取样以及尾部飞灰取样；灰污热流计上沾污结渣特性分析以及灰污热流密度的动态监测等。

4、试验分析及方法：⑴．用红外高温计测量火焰沿锅炉轴向的温度分布；⑵．用双铂铑热电偶测温装置测量炉膛各截面的温度分布；、CO等污染物排放特性；⑶．用烟气分析仪来研究NOx、SO2⑷．通过颗粒取样装置从炉内不同部位抽取颗粒物，通过灰成分、熔点的比较，从而获知灰粒中矿物质在炉内的迁移情况；⑸．用飞灰取样器从烟道收集飞灰颗，通过含碳量分析可得知炉内燃烬情况，此外还可分析飞灰成分、熔点及主要矿物物相组成；⑹．通过硅碳棒在锅炉不同部位的试验，获知灰渣表观物理特性以及灰沉积速率等；⑺．采用灰成分仪分析从硅碳棒、灰污热流计、颗粒取样器、飞灰及炉膛不同部位灰渣的化学成分，获取矿物质在炉内的迁移过程；⑻．采用灰熔点仪分析各处灰渣的熔融特征温度（DT、ST、HT和FT）；⑼．用XRD分析炉膛不同部位近壁处灰渣的物相差异；⑽．通过扫描电镜分析炉膛不同部位近壁处灰渣的微观结构；⑾．采用电子探针分析不同部位灰渣的元素组成及含量分布，以从微观上研究其对结渣过程的影响；5、试验仪器及设备1. 数据采集仪；2.笔记本电脑；3.灰污热流计（水冷3根，空冷3根）；4.红外高温计5.光学高温计；6.铂铑鉑热电偶测温装置（包括铂铑鉑热电偶、瓷套管、水冷枪、万用表等）；7.烟气分析仪；8.氧量计；9.转子流量计；10.颗粒取样器；11.飞灰取样器；12.硅碳棒若干；13.电子微压计；14.毕托管。

三、测试数据及结果分析①热平衡试验由锅炉正平衡和反平衡得到的热效率绝对差值为0.89％＜5％，故此次热效率计算结果是可靠的。

燃烧黑液水煤浆的锅炉燃烧效率达97.31％，超过了一般燃煤方式的燃烧效率，说明黑液水煤浆作为锅炉燃料具有一定优势。

如果对锅炉采取适当的措施降低锅炉的排烟温度，黑液水煤浆锅炉效率可达到较高的水平，满足工业需要，达到环保节能的目的。

②红外高温计测温结果为了掌握炉内温度的分布情况，采用红外高温计在锅炉不同部位测温同时记录黑液浆的浆流量、浆压和风压。

总体上来看，沿着炉膛轴向方向，炉内温度呈下降趋势。

在稳燃室内有很高的温度，最高温度可达1365℃，保证了水煤浆稳定着火和燃烧，稳燃室出口后，受水冷壁的冷却，烟气温度降至800℃多到900℃以上，保证了水煤浆的燃尽。

③双铂铑测温结果炉内各截面的径向温度的分布要比炉内轴向温度分布更为重要，因此，选择在锅炉不同部位由炉壁向空间每隔100mm测一点温度，总体上，炉膛径向的温度分布均匀一致。

表4 ＃1、＃2、＃4、＃6测孔处温度分布位置/cm1号孔2号孔4号孔6号孔0 1196 1003 1062 90610 1212 1045 1088 95920 1237 1079 1079 96830 1229 1130 1088 96840 1229 1163 1088 95950 1237 1138 1096 96860 1212 906 1105 95970 1229 942 1105 950④硅碳棒试验硅碳棒试验为静态试验，在三个不同测孔处（分别为1＃、2＃、5＃）放入硅碳棒。

将上述三根硅碳棒上所得灰渣按段称重，即可求出其沉积率。

图2 炉内不同位置硅碳棒不同部位灰渣沉积率分布图⑤灰渣样灰成分、灰熔点分析表5 1号孔硅碳棒静态试验灰渣样灰成分第五段第四段第三段第二段第一段Fe2O3 6.91 6.57 6.34 6.15 6.45MgO 0.71 0.55 0.6 0.76 0.62CaO 3.7 2.49 2.52 2.43 2.93TiO2 1.02 1.1 1.18 0.59 1.2Al2O330.17 30.48 30.07 32.13 30.63SiO246.04 46.51 48.39 45.76 45.03K2O 1.99 1.72 1.71 1.69 1.93Na2O 8.58 7.58 7.85 7.83 8.97 由表5可以看出，各段灰渣样中的成分含量比较稳定，变化很小。

可能与硅碳棒所处区域温度高有关。

对应灰成分含量分布比较稳定，1号孔硅碳棒上各段灰渣样的灰熔点都相对接近。

变形温度接近1200℃，软化温度ST和半球温度HT 介于1210℃～1265℃，流动温度FT大于1300℃。

由灰成分分析可知，黑液水煤浆灰渣中Na、K含量很高，而含Al较低，导致灰熔点低，极易引起受热面的沾污结渣。

6、颗粒取样分析结果通过对2号、4号、6号测孔处空间和壁面两处所收集颗粒样以及尾部飞灰样进行灰成分分析，分析结果如表6、7所示。

从壁面处＃2、4、6测孔所取颗粒样与尾部飞灰样成分结果看，Fe2O3、SiO2、Al2O3、Na2O、K2O沿炉膛轴向方向变化不大，但尾部飞灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO含量增加，而Na2O、K2O含量大幅减少。

同样，从空间处取样结果显示，结论与壁面处是一致的。

表6 空间处颗粒样灰成分2号孔空间颗粒样4号孔空间颗粒样6号孔空间颗粒样尾部飞灰样Fe2O3 4.84 5.91 5.5 6.53MgO 1.03 0.69 0.53 0.48CaO 2.75 2.95 2.93 3.89TiO2 1.33 2.8 3.23 0.91Al2O325.32 27.68 26.99 28.87SiO242.45 42.71 40.36 44.21K2O 2.37 2.52 2.69 1.05Na2O 11.6 11.51 12.06 5.08表7 壁面处颗粒样灰成分2号孔壁面颗粒取样4号孔壁面颗粒取样6号孔壁面颗粒取样尾部飞灰样Fe2O3 5.97 5.57 5.43 6.53 MgO 0.38 0.49 0.69 0.48 CaO 3.39 3.17 2.95 3.89 TiO20.81 3.46 1.22 0.91 Al2O326.45 27.19 26.51 28.87 SiO241.16 41.59 41.92 44.21 K2O 2.33 2.62 2.35 1.05 Na2O 10.52 11.43 11.34 5.08四、结论1、燃烧温度由炉内温度场分布可知，黑液水煤浆在炉内的着火、燃烧状况良好，炉膛温度呈中间高两端低的分布。

常规水煤浆最高温度达1430℃，黑液水煤浆最高温度为1259℃。

常规水煤浆沾污结渣很轻微，而黑液水煤浆却非常严重，其主要原因是燃料本身特性造成的，常规水煤浆灰熔点为1353℃，黑液水煤浆则仅为1121℃。

因此在分析沾污结渣趋势时除了应考虑燃烧温度外，还应结合燃料本身的灰熔融特性。

2、沾污特性分析沾污又名积灰，是指未熔融的灰粒在受热面上的积聚。

研究表明，无论哪种形式的积灰，碱金属化合物在其形成过程中均有不同程度的作用，对于碱金属化合物型积灰，这种作用更加明显，因此钠和钾一般被视为造成锅炉对流受热面沾污的祸因。

如果煤和灰中含有较多的碱类物质，便易产生积灰，这已为许多锅炉O含量对锅炉沾污影响最为显著，因此国的运行实践所证实。

碱金属氧化物中Na2内外大多采用灰中NaO含量来预测沾污倾向。

结合常规水煤浆和黑液水煤浆的灰2成分（表4-1），可断定常规水煤浆为中等程度沾污，而黑液水煤浆灰Na含量远远高出严重沾污的上限（8%），所以黑液水煤浆为极其严重沾污。

3、结渣特性评价结渣是一个多因素综合作用的过程，传统的单一判别指标具有一定的准确性，但也有自身的局限性。

近年来模糊数学在结渣的评判中得到了广泛的应用，本报告采用模糊综合评判手段对两种水煤浆的几个有代表性的灰样进行了结渣特性评价，结果如下：常规水煤浆为轻微结渣，黑液水煤浆严重结渣。

实际燃烧情况也是这样，燃烧常规水煤浆时炉壁基本上未发现大的结渣，只在炉底灰中出现了少量渣块，有的呈蜂窝状），有的相当致密，而两次黑液水煤浆燃烧试验炉内都出现了明显的积灰结渣，在温度较低的燃烧器区域附为较松散的积灰，沿火焰行程随着烟气温度的升高，渣的粘附强度由弱变强，到距燃烧器出口600mm附近成为熔渣，先是呈现熔融的小球状渣，后来逐渐变成大块的熔渣，粘附强度极大，在火焰温度较高的炉膛中部熔渣的表面变得极为光滑，非常牢固地粘附于炉壁，难以取下。