油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c煙煤的混燒試驗(yàn)研究

孫佰仲，石興立，黃志榮，王擎

(1東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.大唐電力集團(tuán)內(nèi)蒙古分公司，呼和浩特026000)

油頁(yè)巖(oil shale)是一種富含有機(jī)質(zhì)的沉積巖，類屬高礦物質(zhì)的腐泥煤，為低熱值固體化石燃料。油頁(yè)巖工業(yè)利用主要有兩大途徑，即干餾制取頁(yè)巖油和燃燒供熱發(fā)電，其中中國(guó)的油頁(yè)巖制油主要采用撫順式干餾技術(shù)。其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物(稱干餾殘?jiān)?熱值很低，排放量巨大，堆棄占用土地量大。在油頁(yè)巖加工利用中，干餾產(chǎn)生的頁(yè)巖半焦的氣化及燃燒，是干餾過(guò)程中主要的熱量來(lái)源［1－3］。因此，對(duì)半焦燃燒的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。目前國(guó)內(nèi)對(duì)油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c煙煤的混燒試驗(yàn)已有一些報(bào)道。孫佰仲等［4］采用熱重分析方法研究了油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c煙煤的混燒，提出油頁(yè)巖干餾殘?jiān)袚交鞜熋汉蟾纳屏似渲鸷腿急M特性。本文采用在自行設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床鍋爐試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行樺甸油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c雞西煙煤混燒的試驗(yàn)研究?；跓熋阂子谌紵膬?yōu)點(diǎn)來(lái)處理掉干餾殘?jiān)?，?jié)約能源，減少對(duì)環(huán)境的危害，對(duì)油頁(yè)巖的綜合利用具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用油頁(yè)巖半焦(SC)取自樺甸某油頁(yè)巖煉油廠，煙煤樣品選為雞西煙煤(C)。由于油頁(yè)巖煉油廠采用濕式排渣，所以半焦中外在水分很大，制樣前先將其在空氣中干燥，然后用錘式破碎機(jī)破碎到10 mm以下，篩分出6 mm以下攤平放在通風(fēng)干燥處，晾置兩到三天，去除樣品外部水分。其工業(yè)分析與元素分析見(jiàn)表1。油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c煙煤的混合比例為9 1、8 2、7 3。

表1 油頁(yè)巖干餾殘?jiān)蜔熋汗I(yè)分析與元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在自行設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒室凈高度9m，采用熱風(fēng)點(diǎn)火。試驗(yàn)臺(tái)有較完備的測(cè)點(diǎn)取樣系統(tǒng)，包括溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、顆粒取樣點(diǎn)、煙氣取樣點(diǎn)。其中溫度測(cè)點(diǎn)共有15個(gè)，分別布置在風(fēng)室、燃燒室、尾部煙道、返料系統(tǒng);壓力測(cè)點(diǎn)20個(gè)，分布在試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)部分;顆粒取樣點(diǎn)6個(gè)，包括:底渣取樣點(diǎn)1個(gè)，燃燒室取樣點(diǎn)2個(gè)，爐膛出口取樣點(diǎn)1個(gè)，尾部飛灰取樣點(diǎn)1個(gè);煙氣取樣點(diǎn)5個(gè)，包括:燃燒室取樣點(diǎn)3個(gè)，爐膛出口取樣點(diǎn)1個(gè)和尾部煙氣取樣點(diǎn)1個(gè)。采用34970A數(shù)據(jù)采集儀、MRU95/3CD煙氣取樣分析儀、WJ－908煙塵取樣器等。

圖1 流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)主要從摻混比例與一二次風(fēng)率來(lái)研究油頁(yè)巖干餾殘?jiān)c煙煤的混燒特性。試驗(yàn)工況由工況一到工況九分別為摻混比r為R1(91)、R2(82)、R3(7 3)，一次風(fēng)率分別為80%、66.7%、50%情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 沿爐膛高度溫度分布情況

將試驗(yàn)燃料按發(fā)熱量的從低到高排序?yàn)?R1、R2、R3。圖2給出了試驗(yàn)臺(tái)燃燒不同燃料時(shí)，沿爐膛高度的溫度分布。從圖中可以看到燃燒不同燃料時(shí)，其溫度分布規(guī)律相同。在密相區(qū)內(nèi)溫度基本在800℃以上，爐膛出口溫度在550～750℃之間，基本符合實(shí)際流化床鍋爐運(yùn)行情況。在沿爐膛高1～2 m范圍內(nèi)溫度降低，是由于二次冷風(fēng)的送入及循環(huán)物料的返回使溫度開(kāi)始下降，在二次風(fēng)送入以上的一段區(qū)域爐內(nèi)由于氧氣的補(bǔ)充，與燃料顆粒的混合使燃燒加劇從而使溫度有所升高。

圖2 沿爐膛高度溫度變化

2.2 一次風(fēng)率對(duì)燃燒室溫度場(chǎng)的影響

由圖3、圖4、圖5可看出在、三種不同摻混比試驗(yàn)燃料一次風(fēng)率a對(duì)溫度場(chǎng)的影響。從圖中可看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)于不同摻混比的燃料，隨一次風(fēng)率增大，密相區(qū)溫度降低，密相區(qū)與稀相區(qū)溫差減小，溫度更趨于均勻。從圖中還反映出，對(duì)于煙煤含量越高時(shí)稀相區(qū)溫度相對(duì)升高，這是由于燃料發(fā)熱量變大隨一次風(fēng)帶入稀相區(qū)的熱量增多。

圖3 R1(r=9 1)

圖4 R2(r=82)

圖5 R3(r=73)

一次風(fēng)率對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響可從兩方面分析:(1)一次風(fēng)率增大，密相區(qū)氧濃度增高，燃燒氣氛由還原態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)移，燃料放熱量增大;(2)一次風(fēng)率增大，密相區(qū)流化速度增大，使更多的燃料顆粒進(jìn)入稀相區(qū)，密相區(qū)燃燒份額減小，稀相區(qū)燃燒份額增大，密、稀相區(qū)更趨于均勻。一次風(fēng)率對(duì)燃燒的影響，是這兩方面綜合作用的結(jié)果。對(duì)不同燃料、不同運(yùn)行工況，這兩方面的作用大小是不同的，導(dǎo)致一次風(fēng)率對(duì)溫度場(chǎng)的影響也不一樣。在保證良好的流化狀態(tài)時(shí)，一次風(fēng)不變?cè)黾佣物L(fēng)即過(guò)?？諝庀禂?shù)增大，使?fàn)t膛內(nèi)氧濃度增大稀相區(qū)燃料反應(yīng)加劇，從而爐膛出口溫度較高。

3 煙氣成分分析

3.1 CO和CO2濃度測(cè)定結(jié)果分析

圖6、圖7給出了各工況下的各煙氣測(cè)點(diǎn)CO和CO2濃度。燃料完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物主要有CO2、H2O、N2以及SO2和NOX等，而當(dāng)燃料不完全燃燒時(shí)燃燒產(chǎn)物可能出現(xiàn)的可燃?xì)怏w為CO、H2、CmHn等。通過(guò)對(duì)爐內(nèi)可燃?xì)怏w含量的測(cè)定，可以清楚地了解燃料燃燒的情況以及燃燒特點(diǎn)，以便更好地調(diào)整循環(huán)流化床燃燒。圖示還說(shuō)明，隨煙氣流向，CO濃度明顯減少，表明沿?zé)煔饬飨蚍较?，CO仍與爐內(nèi)O2混合而繼續(xù)燃燒。從圖中CO2的濃度變化上可以得到這一點(diǎn)。爐內(nèi)沿?zé)煔饬飨蚍较駽O濃度變化并不是均勻分布的，這說(shuō)明沿?zé)煔饬飨蚍较蛉紵磻?yīng)程度是不均勻的，在密相區(qū)和部分稀相區(qū)燃燒反應(yīng)更劇烈一些。

圖6 不同工況CO濃度變化

圖7 不同工況CO2濃度變化

3.2 NOX濃度測(cè)定結(jié)果分析

氮氧化物排放是造成大氣污染的重要污染源之一，大氣中的NOX對(duì)人體有害，NOX對(duì)呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激作用，能引起急性哮喘，同時(shí)對(duì)人體的心、肝、腎和造血組織都有影響，NOX還會(huì)形成酸雨和酸霧危害，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大危害。流化床燃燒方式，由于其N(xiāo)OX和SOX排放濃度很低，曾作為一種清潔燃燒方式得到廣泛研究，且有逐步取代煤粉爐的趨勢(shì)［5－7］。本文主要探討混燒過(guò)程中NOX生成量與諸影響因素之間的關(guān)系。

由圖8可知各工況燃燒反應(yīng)生成的NOX規(guī)律大致相同呈下降趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)燃燒過(guò)程N(yùn)OX的生成是由燃料中含有的氮化合物熱分解而又接著氧化生成，隨溫度升高而增加。因此由爐膛溫度變化及各位置過(guò)量空氣量可得沿爐膛高度NOX生成量呈減少趨勢(shì)。

圖8 沿爐膛高度NOX濃度變化

圖9 不同摻混比燃料生成的NOX濃度

由圖9可看出隨著煙煤摻混比的增加NOX排放量濃度呈下降趨勢(shì)。由工業(yè)分析可知其水分高。隨著質(zhì)量摻混比的增大，混合燃料中的水分增加，大量水蒸氣的存在極易發(fā)生氣化和還原反應(yīng)，從而抑制了NOX的生成;水蒸氣還會(huì)沖淡燃料周?chē)鯕獾臐舛?，從而使NOX排放減少。同時(shí)由于摻混比例的增加燃料發(fā)熱量增大燃燒反應(yīng)加劇，過(guò)量空氣減少?gòu)亩筃OX生成量減少。

由圖10可見(jiàn)，隨著二次風(fēng)率的增加，NOX的排放濃度呈下降趨勢(shì)，顯示出分級(jí)燃燒控制NOX排放的效果。在過(guò)剩空氣系數(shù)保持不變的條件下，隨著二次風(fēng)率的增大，一次風(fēng)率相應(yīng)降低，密相區(qū)的氧質(zhì)量濃度下降，還原性氣氛增強(qiáng)，CO和焦炭的質(zhì)量濃度上升。大量還原性成分的存在增強(qiáng)了NOX還原反應(yīng)的速率，使NOX的生成量減少，并對(duì)焦炭氮生成NOX的反應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。這就導(dǎo)致了在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)NOX的排放濃度隨二次風(fēng)率的增加呈下降趨勢(shì)。

圖10 不同二次風(fēng)率下NOX濃度

4 結(jié)論

(1)油頁(yè)巖干餾殘?jiān)曳趾看?，燃盡特性較差，隨著加入煙煤的比例增加密相區(qū)與稀相區(qū)溫差減小，爐膛出口溫度增大，油頁(yè)巖干餾殘?jiān)娜紵匦缘玫礁纳啤?/p>

(2)循環(huán)流化床燃燒過(guò)程隨煙氣流動(dòng)CO濃度明顯減少且分布不均勻，說(shuō)明沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向反應(yīng)不均勻，在密相區(qū)和部分稀相區(qū)燃燒反應(yīng)更劇烈。

(3)隨著煙煤摻混比例的增加，NOX排放濃度呈下降趨勢(shì);在過(guò)?？諝庀禂?shù)不變，隨著二次風(fēng)率的增大NOX排放濃度下降且均滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

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