重油燃烧时的烟尘成分分析及治理研究

路永胜

【摘 要】分析了油田注汽锅炉在燃用重油时产生烟尘的形状及特性，并对烟尘的成分进行了测定，指出重油中灰分所形成的粉尘粒飞灰一般只占很少部分，其大部分烟尘来自未燃尽的残炭和重油中胶质沥青质在炉内形成的未燃尽的焦壳类烟尘，当燃烧油雾中高温缺氧时，会出现炭黑类烟尘。减少重油注汽锅炉烟尘排放的根本方法是改善重油的雾化质量和改进炉内燃烧。

【关键词】重油燃烧；烟尘；环境保护

燃料油广泛用于电厂发电、船舶锅炉燃料、加热炉燃料、冶金炉和其它工业炉燃料。主要由石油的裂化残渣油和直馏残渣油制成的，其特点是粘度大，含非烃化合物、胶质、沥青质多。根据不同的标准，燃料油国产种类可以进行以下分类：200号重油、250号重油、180号燃料油、120号燃料油、7号燃料油、工业燃料油、催化油浆、蜡油、混合重油、沥青等。燃料油的主要技术指标有粘度、含硫量、闪点、水、灰分和机械杂质。

燃料油作为一种优质燃料，较之各种煤炭具有含灰量极少，发热量高，易着火燃烧和燃尽等优点，特别是燃油锅炉烟气中烟尘浓度一般较燃煤炉低得多，因而使得燃油做为优质能源在城市中得到越来越广泛的应用。但在燃油锅炉实际运行中，当燃用高黏度重油时却不尽如人意，其排烟中的烟尘浓度常出现超过一类地区环保允许的烟尘排放浓度标准，造成环境污染。因此，有必要对燃油锅炉在燃用重油时的烟尘特征及成分进行分析研究，并有针对性地提出燃用高黏度重油时减少排烟中的烟尘浓度的方法和措施。国内燃油锅炉目前常用的重油为180#重油、380#重油，其油质也存在着不小的差别。

不同油品的黏度、含硫成分和碳氢成分各不相同，有的还相差很大。一般含灰量仅为0.01%～0.02%，由此在烟气中产生的烟尘浓燃油度约为7～14mg/m3。但实际燃油锅炉运行烟气中烟尘浓度远高于此值。那么燃油锅炉烟气的烟尘中究竟还有哪些成分，其形状和特点如何，亟待研究。

一、重油燃烧时烟尘的形状和特点

燃油锅炉在燃重油时，由于重油黏度较之轻油大得多，因此必须在运行中提高重油的油温，把重油的黏度降低到（11.5～27.7）×10-4M2/S左右，使重油雾化质量有明显的改善。但即使这样，与轻油相比，其雾化油滴的平均粒径仍然比轻油要粗些。

此外，重油雾化油滴在在燃油锅炉内高温蒸发为油气的同时，油滴内重油中含有的部分液态胶质沥青质会发生聚缩和表面固化，形成焦壳。由于受到炉内高温烟气的辐射和对流传热，油滴的表面温度上升，焦壳内的重油进一步气化为油气，使焦壳内部压力升高，焦壳发生膨胀发泡。到一定极限时，焦壳破裂成几部分，油气和剩余的油液从破碎的焦壳中喷出后与空气混合并燃烧剩余的焦壳也与空气混合燃烧。如果空气与焦殼粒混合不好，焦壳内的残炭就很难燃尽，会生成絮状空心微粒型烟尘。这种絮状烟尘属未燃尽的焦壳类剩余型烟尘，由于其内部已发泡为空心，故密度较小，粒径较大，一般约为100～300微米。重油中的含灰量也高于轻油，一般。0.02%左右，但有时高达0.1%。由此产生的粉尘型飞灰在排烟中的浓度约为14～70mg/m3。在油雾浓度大而空气少的区域，重油蒸汽中的部分碳氢化合物也可能会因高温缺氧而发生热解，生成固态炭粒，通常称为炭黑，其粒径一般很小，约为0.02—0.10微米。这种气相析出型烟尘由于粒子细，容易粘附在物体表面而难以清除。炭黑的燃尽较困难，如果炉内火焰尾部的烟温较低，且空气量又不足，则炭黑难以燃尽。形成大量炭黑粒子。炭黑类使烟气变黑污染环境。因此，在油雾的根部必须供入充足的一次风，避免或减少炭黑生成量。

由此可见，燃油锅炉在燃用高黏度重油时，排烟中的烟尘主要为焦壳类絮状烟尘，粉尘型飞灰也较之燃用轻油时要多得多。如果油气混合不好，还可能出现炭黑类烟尘。由于重油中含灰量和残炭含量均高于轻油，又含有较多的胶质沥青质，使其黏度大，雾化难度增加，油气混合难度也加大，在炉内燃烧时会形成焦壳，使燃尽难度大为增加。重油内灰分和残碳含量越多，所含胶质沥青质越多，则燃尽的难度越大，烟尘的生成量也越多。因此，在燃用高黏度重油。如果不采取合理必要的技术措施，其烟尘的排放浓度会大幅度增加，造成严重的烟尘污染。

二、燃油锅炉烟尘的治理措施

燃油锅炉的烟尘治理，主要是如何有效地减少絮状焦壳类烟尘的排放，通常有两种途径：

第一种途径是在烟气向大气排放之前，在尾部烟道上增设高效除尘装置，使烟气得到净化后再排放。但燃油锅炉的烟尘粒度太细（如飞灰粉尘），或者相对密度太小（如絮状烟尘）。如使用旋风式除尘器或重力沉降式除尘器，其除尘效果很差。如使用湿式喷淋型除尘器，除尘效率可大大提高。但要增加废水再循环处理系统，则要增加初始投资和后期运行费用。

第二种途径是改善重油的雾化质量，改进炉内燃烧，从根本上减少絮状烟尘的生成量，基本上避免炭黑类烟尘，从而使排烟中的烟尘浓度达到环保允许的排放标准，并节约燃料。

为此，可采取如下技术措施：

（一）改善雾化质量

包括重油的预热、加压、乳化剂混配等；降低燃油的运行黏度是改善重油雾化质量的首要措施。测定燃油的黏度曲线，按试验曲线合理地确定重油雾化时的运行温度，确保重油雾化时的黏度小于（11.5～27.7）×10-6M2/S。在同等条件下，油的黏度越小，则油雾的平均雾化粒度越细，燃烧效率越高，从而焦壳粒径越小，絮状剩余型烟尘量也越少。根据相关资料显示和长期实践，目前注汽锅炉燃料重油油温95～100℃时，燃烧较为充分。合理的雾化压力可以实现重油在雾化时形成颗粒均匀，有利于实现重油和空气的均匀混合。与其他低沸点的轻燃料混合乳化也能改善重油的雾化质量，其原理与掺水燃烧效果相似。

（二）选择结构先进，运行参数优化的油枪

目前常用的油枪有机械雾化型和介质雾化型等，油枪雾化质量的好坏，不仅与油抢结构有关。而且与油枪的各个运行参数密切相关。因此，用试验的方法确定油枪的最佳结构和运行参数，是不同工况下良好雾化质量的根本保证。

（三）预热空气

预热空气一方面可以降低燃烧反应时间，改善重油的着火条件。另一方面可以提高燃烧温度，有助于实现完全燃烧。

（四）合理调节炉内空气与燃油的比例

保证炉内空气与油雾间的良好混合，使炉内烟气中含氧量和二氧化碳量处于最佳水平，从而可大大减少剩余型烟尘和炭黑类烟尘的生成量。

（五）提高炉膛温度，合理控制过量空气系数，减少漏风，搞好保温

在有条件的场合下可预热空气，从而提高炉温，加快油滴的燃烧速度，大大减少焦壳类剩余型烟尘的产生。

三、结论

（1）燃油锅炉燃用重油时，排烟中烟尘主要为未燃尽的絮状焦壳类烟尘，其堆积相对密度为0.28，其成分为未燃尽的炭，真正的灰分仅占小部分，由SO3、Fe2O3，SiO2，AL2O3等组成，呈酸性。在燃用高硫重油时，SO3含量很高，有严重的腐蚀性，因此必须采取行之有效的脱硫措施。

（2）解决燃油锅炉在燃用高黏度重油时烟尘排放超标问题，根本的方法是改善重油的雾化，改进炉内的燃烧。只要合理确定重油的运行温度，确保重油的运行黏度在（11.5～27.7）×10-6M2/s，并选择结构先进的燃油喷嘴，选用合理的重油添加剂，确保重油的雾化质量，合理调节运行中的风油比例等运行参数，则燃用高黏度重油时烟气中烟尘的排放浓度将大大降低，可以达到国家环保要求的排放要求。

【参考文献】

【1】《锅炉大气污染物排放标准》 GB 13271-2014.

【2】《锅炉设备及运行》 作者：姜锡伦、屈卫东 ，中国电力出版社出版， 2010年01月.