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沥青搅拌设备中天燃气与重油燃烧性能分析

日期:2017年3月9日 14:49

当前国家标准和施工规范对搅拌设备的排放规定都是以重油为燃料基础并在理论和实践基础上做出的,由于天然气的理化特性和重油有重大差别,因此将天然气作为燃油的替代品,其排放的各方面指标相对于重油有显著差异,本文结合施工实际对燃油燃烧器进行油气两用改装,在其它施工工况不变的情况下进行重油和天然气排放的对比试验,通过理论分析和试验研究来探讨重油和燃气排放的差异,为沥青搅拌设备油改气方案提供理论和试验依据。

重油和天然气在烘干筒中的燃烧性能

重油主要由C、H、S三种元素形成的芳香烃为主的各种化合物组成,含量占95%以上,其它部分由水和各种杂质组成;天然气是由甲烷为主体的C、H化合物组成,含量占99%以上,CO2和N2含量占1%左右,有少部分产地的天然气含有S。

重油在干燥滚筒燃烧区主要进行燃烧过程来释放热量,重油的成分复杂并有密度高、粘度大的特点,影响了燃烧器喷嘴的雾化效果;重油中的芳香烃含量高致使其点火性能较差,其滞燃期要远远大于轻质柴油,滞燃期的延长使得进入干燥滚筒燃烧区的混合油气和燃油量增加导致最高燃烧温度增加,高温不利于控制NOx化物的生成;大部分重油在燃烧前由喷嘴雾化与空气混合后燃烧,但由于重油高粘度和高密度,仍有部分重油发生部分裂解和氧化,不利于燃烧过程的控制,CO生成的增加燃烧效率就会受到影响。滞燃期时间过长也会导致一部分燃油在燃烧前碰到料流,致使这部分燃油燃烧不完全,增加了不然物的生成,因此重油燃烧属于高温燃烧而且燃烧稳定性较差。

重油中含有的硫和硫化物主要来源于开采的原油,部分来自于炼制加工过程中的添加剂和催化剂。由于不愿负担脱硫成本,大部分炼油厂都不对价格相对较低的重油脱硫,因此沥青搅拌设备用的重油含硫量偏高,占重油总成分含量的1~2%。重油中的硫在滚筒内燃烧后一部分生成硫酸盐固体颗粒,另一部分和空气中的氧经过燃烧过程结合生成硫化物随尾气进入除尘系统,在低温或遇水情况下形成硫酸,严重腐蚀除尘系统的金属零件和布袋,影响除尘系统的使用寿命。

相对于重油,天然气的成分相对单一,其气态的物理状态在干燥滚筒的燃烧区与空气混合良好,主要进行燃烧过程来释放热量,天然气阀和进风量联合控制也容易调节燃烧区的温度和火焰的燃烧状态,能有效减少燃烧过程,对NOX和CO的生成也较易控制调节。天然气中极少含有硫化物,因此很少有燃烧过程发生。由以上分析可以看出天然气比重油有更好的燃烧性能。

沥青搅拌设备重油和天然气排放对比试验方案设计

沥青搅拌设备烘干系统的工作状态要求比其他类型的烘干系统更复杂,燃料在烘干筒燃烧区和空气混合燃烧释放出的热量加热烘干筒中的空气,在烘干筒的热交换区与冷骨料进行热交换使得冷骨料从环境温度升到160℃~180℃的高温并且温度稳定性控制在±9℃,同时冷骨料中的水分蒸发为水蒸气使得骨料中的含水率控制在0.5%以下;热空气随后进入的除尘系统时为了不使热空气中的水蒸气冷凝影响除尘器的使用效率,其温度需要保持在80~100℃以便加热除尘系统使其始终保持在水蒸气的露点温度之上。因此在额定产量下要达到以上严格的技术要求需要合理的总体风量与燃料量混合比例。重油与天然气热值与燃烧性能的差异必然导致总体风量与燃料量混合比例不同进而产生不同的烟气量,同时也会影响除尘、尾气的各成分浓度;因此本次试验目的是作出重油和天然气的排放的差异,需要在其它试验工况条件都尽可能相同的情况下测量沥青搅拌设备在额定产量下烘干系统的排风量、烟气成分和温度及含湿量并分析其差异。

本次对比试验所用的是十天高速一处拌合场马连妮MAC-320型搅拌设备,把烘干系统原有的CBS燃烧器进行油气两用改装,更换了喷嘴组件将原有的燃油喷枪系统变为油气两用系统使之成为油气两用燃烧器,在控制回路上设置了燃气流量调节阀、执行器和专用组合检漏控制器;可分别选择重油和天然气进行生产,改造完成后燃烧器最大功率24MW,燃气最大燃烧量2400Nm3/h,工作压力300~400mbar;重油最大燃油量(当量热值为40.2MJ/kg)2200kg/h。鼓风机风量30000m3/h,功率45kW。烘干筒、除尘器、引风机结构参数还是重油燃料匹配参数没变。油气两用燃烧器的改造为对比试验的实施提供了良好的试验条件。

试验方法依据GB/T17808-2010《道路施工与养护机械设备沥青混合料搅拌设备》规定的方法在搅拌设备的烟囱烟气测孔进行。

对比试验结果分析

搅拌设备生产工况

试验进行时环境温度27.6℃,大气压力83.65kPa,冷骨料平均含水率1.5%,成品料为Sup20型沥青混合料,平均出料温度175℃,成品料生产率280t/h。在此工况下分别用重油和天然气进行生产对比试验。

烟气流量、烟尘排放及含湿量的试验结果对比

可以看出在生产工况相同的条件下重油和天然气的烟尘排放浓度基本相同,都在20~25mg/m³之间,表明搅拌设备除尘器除尘效果良好,除尘效率和设备所用的燃料类型关系不大。所排的烟气中天然气工况的含湿量要显著高于重油工况表明天然气工况中天然气与空气混合燃烧比重油工况产生了更多的H2O导致烟气中的水蒸气增加。在烘干加热相同的冷骨料时天然气工况的烟气流量更大,结果显示烟气流量比重油工况多4.8%,标杆流量多4.5%,天然气工况的烟气温度比重油工况平均低13.9℃。

试验结果表明天燃油工况与燃气工况的除尘效率基本相同,但天燃油工况烟气流量更大,在出料温度控制在相同的175℃时天燃油工况平均烟气温度只有67.5℃已经低于一般推荐的80~100℃温度范围,本次试验冷骨料含水量只有1.5%,低温没有影响设备的正常生产,但当冷骨料含水量偏大时烟气温度会进一步降低,含湿量高的低温烟气容易使水蒸气凝结在除尘系统中影响除尘效率增加引风阻力,影响设备的正常运行。解决这一问题需要进一步改进烘干筒结构减少炒料板的数量来降低料帘密度以便提高烟气温度,解决大含水量骨料时的生产问题,保证设备长时间的正常运行。

烟气成分试验结果对比

本次试验主要是对烟气中O2、CO2、CO的含量和其随时间的变化量进行检测来考察和验证燃料的燃烧性能,同时检验烟气中的SO2、NOX含量和其随时间的变化量来考察不同燃料的污染物排放的差异。

可以看出两个工况的尾气平均含氧量基本相同表明燃烧器在燃烧重油和天然气时都有相同的燃烧效率;标准GB/T19839-2005《工业燃油燃气燃烧器通用技术条件》规定从燃烧器尾气成份中以CO2含量变化作为燃烧稳定性的判断依据,可以看出重油工况O2和CO2含量波动大于天然气工况表明重油的燃烧稳定性较差。另一方面,对于燃料而言,判断其是否充分燃烧,以燃烧器尾气成份中,以CO含量的多少作为燃烧充分性的判断依据。燃气工况尾气CO含量为12ppm,重油工况为242ppm,天然气工况的燃烧充分性要优于重油工况。可以看出重油工况CO含量的波动性从另一方面表明重油燃烧的稳定性差。相对于重油,天然气燃烧的可控性更好能充分稳定的燃烧。

SO2是有害污染物,NOx和CO2是温室气体,如何减少这些气体的排放一直都是各种燃烧器需要解决的问题。可以看出重油工况产生的SO2、NOx含量都远高于天然气工况,SO2、NOx含量随时间的变化对比其中天然气工况尾气中的SO2含量只有2ppm而且始终恒定,应该是搅拌锅中的沥青烟进入尾气所致,重油工况由于燃料成分和燃烧稳定性差产生的SO2浓度大且随时间波动大,如何控制重油工况时SO2的排放也是需要进一步研究的问题。

天然气工况产生的温室气体CO2、NOx只有重油工况的69.1%和4.9%。NOx的含量几乎不随时间变化,表明NOx的生成受燃料燃烧稳定性影响较少;但天然气工况的燃烧区温度低于重油工况燃烧区温度,重油燃烧属于高温燃烧不利于NOx的生成量的控制。对比试验的结果符合前面对重油和天然气在烘干筒中的燃烧性能分析。

结论

通过对现有燃油燃烧器进行改造成油气两用燃烧器,在相同的生产工况下进行重油与天然气两种燃烧方式排放对比试验研究,得出以下结论:

(1)重油工况与天然气工况的除尘效率基本相同,但天然气工况烟气流量更大而且尾气含湿量高,在冷骨料含水量只有1.5%时尾气温度比燃油工况低13.9℃,低于正常推荐尾气温度,需要进一步改进原来匹配重油燃烧器的烘干筒结构,适当减少烘干筒炒料板的数量来降低料帘密度提高烟气温度保证设备正常运行。

(2)燃烧器在燃烧重油和天然气时都有相同的燃烧效率,天然气的燃烧稳定性和充分性都要优于重油。相对于重油,天然气燃烧的可控性更好能充分稳定的燃烧。

(3)天然气工况的燃烧区温度低于重油工况燃烧区温度,重油的高温燃烧不利于NOx生成的控制。重油工况产生的烟气SO2、NO、NOx含量都远高于天然气工况,其中天然气工况尾气中的SO2含量只有2ppm,是搅拌锅中的沥青烟进入尾气所致,而CO2、NOx只有重油工况的69.1%和4.9%具有良好的环保性能。

(4)理论分析和试验研究表明沥青搅拌设备油改气工作不单是简单更换或改造燃烧器,还需要同时匹配烘干筒的结构并考虑引风机的风量控制的差异达到烘干系统的技术状态要求以适应复杂的外部条件对设备的正常运转的影响。

所属类别: 混凝土搅拌机械

该资讯的关键词为:哈尔滨沥青站 

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