油頁巖摻燒研究

楮衍強，李順海，劉林濤

廣東茂名臻能熱電有限公司，廣東茂名 525000

1 油頁巖簡介

油頁巖是在礦物機體中含有固體可燃有機質(zhì)的沉積巖 ，在化石燃料中它的儲量折算為發(fā)熱量僅次于煤而列第二位，如果將它折算成頁巖油，世界上的油頁巖儲量將是4750億噸，相當于目前世界天然原油探明可采儲量的 5.4倍，是一種潛在的巨大能源。我國已探明的油頁巖儲量為3.1567×1010t，主要分布在吉林、遼寧、廣東、山東、內(nèi)蒙古等省、自治區(qū)，其中廣東省茂名地區(qū)油頁巖地質(zhì)儲量為 5.3×109t，對一次能源貧乏的廣東地區(qū)來說，它是一種十分重要的一次能源資源。

2 鍋爐及制粉系統(tǒng)設備簡介

HG-680/13.7-YM2鍋爐是為茂名瑞能熱電有限公司以煤代油熱電聯(lián)產(chǎn)工程設計的，設計煤種為煙煤，鍋爐為超高壓參數(shù)，帶一次中間再熱的單鍋筒自然循環(huán)、固態(tài)排渣、四角切圓燃燒、平衡通風、露天布置。制粉系統(tǒng)為中速磨直吹式，5臺ZGM80N型磨煤機對應5層燃燒器。

3 油頁巖及#5爐目前燃用煤的分析數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果

3.1 工業(yè)分析、元素分析、可磨性、灰熔融溫度及灰成分

油頁巖、神華煤分析數(shù)據(jù)見表1。另外，對神華煤與頁巖的1：9、2：8及4：6混煤進行了灰熔融性溫度測定，數(shù)據(jù)見表2?？梢?，隨著頁巖摻入量的增加，混煤的灰熔融溫度隨之增高。

表1 油頁巖、神華煤分析數(shù)據(jù)

煤灰中SO3 % 0.30 10.10煤灰中MnO2 % 0.065 0.065

表2 混煤灰熔融溫度測定結(jié)果

3.2 熱重分析試驗

在4.1型熱天平上對本次油頁巖進行了空氣介質(zhì)中和氧氣中的熱重分析試驗，試驗結(jié)果如下：

空氣介質(zhì)：反應開始溫度：235℃，反應結(jié)束溫度：625℃，最高反應速度：2.9%/min；

最高反應速度對應溫度：362℃；

氧氣介質(zhì)：反應指數(shù)RI：236℃，燃盡指數(shù)Cb：7.824。

3.3 煤粉氣流著火溫度IT測定結(jié)果

油頁巖：460℃，神華煤：550℃。

3.4 一維火焰爐燃燒及結(jié)渣試驗

對神華煤與油頁巖的6：4混煤的一維火焰爐燃燒結(jié)渣試驗結(jié)果見表3。煤種及混煤的結(jié)渣及燃盡情況見表4。

表3 一維火焰爐燃燒結(jié)渣試驗結(jié)果

表4 一維爐結(jié)渣指數(shù)變化

由摻燒前后煤樣的燃盡率比較可見，最終燃盡率對神華煤影響不大。從結(jié)渣情況來看，摻入油頁巖后，神華煤的結(jié)渣指數(shù)反而降低。

4 實際摻燒實驗

4.1 摻燒方式

根據(jù)試驗結(jié)果采取1：1預混進行摻燒。為保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性，先將混煤上至E磨煤機（最上層）進行燃燒，在取得相關(guān)數(shù)據(jù)并確認可行的情況下，再逐步推廣至D、C磨煤機。在摻燒過程中最少保持底部兩層燃燒熱值較高、質(zhì)量較好的煙煤，以保證爐內(nèi)燃燒安全。

4.2 制粉系統(tǒng)運行情況

#5鍋爐磨煤機出口設計溫度為77℃，考慮到油頁巖高揮發(fā)份、著火溫度低的特點，根據(jù)可行性研究的結(jié)果，摻燒油頁巖時將啟磨允許溫度（70℃＜t＜80℃）、快速停磨溫度（t≥90℃）和緊急停磨溫度（t≥100℃）等保護參數(shù)相應調(diào)低10℃，其它保護條件不變。實際運行中一般維持磨煤機出口溫度在60℃～65℃，一次風量約40km3/h，給煤量約20t/h。自從摻燒油頁巖以來，未發(fā)生過磨煤機著火、煤粉爆炸等事件，說明制粉系統(tǒng)的安全性是可靠的。

4.3 爐內(nèi)燃燒情況

從摻燒油頁巖前后的情況來看，燃燒器的著火情況未發(fā)生明顯的變化，現(xiàn)場觀察未發(fā)現(xiàn)有回火現(xiàn)象，燃燒器周界風維持摻燒前的開度（30%～40%）即可，燃燒周圍無明顯的結(jié)焦情況。從鍋爐的各主要運行參數(shù)來看，主蒸汽壓力、溫度、爐膛壓力、汽包水位等無明顯的變化，均能穩(wěn)定運行，說明摻燒油頁巖后爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。摻燒油頁巖后對燃盡率影響很小，飛灰可燃物及爐渣可燃物均能控制在很好的水平。

表5 摻燒油頁巖后的飛灰、爐渣可燃物

4.4 爐內(nèi)結(jié)焦情況

在爐膛結(jié)焦這個問題上，實際情況與研究分析中的一致，摻燒油頁巖后，爐膛的結(jié)焦情況輕微，不影響鍋爐安全運行。神華煙煤是強結(jié)焦性的煤種，摻燒油頁巖后爐膛的結(jié)焦情況明顯減輕，現(xiàn)在兩臺磨煤機燒混煤，其它三臺燒神華煤的方式下，鍋爐可以滿出力長期運行。

4.5 輸灰系統(tǒng)運行情況

實際運行情況表明，輸灰系統(tǒng)完全能滿足鍋爐摻燒20%油頁巖的需要，摻燒過程中未出現(xiàn)過因輸灰系統(tǒng)的問題而造成除塵器灰斗滿灰的情況。

4.6 空氣預熱器運行情況

空氣預熱器沒發(fā)生明顯堵灰現(xiàn)象，摻燒前后其風、煙壓差無明顯變化，如現(xiàn)在摻燒油頁巖滿負荷運行工況下，空氣預熱器二次風阻力為0.84kPa，B-MCR工況下的設計值為0.884KPa。

4.7 送風機、引風機、一次風機運行情況

送風機、引風機、一次風機均能滿足鍋爐摻燒油頁巖滿負荷運行。表6各臺風機在鍋爐摻燒油頁巖滿負荷運行的主要參數(shù)，參數(shù)表明各風機的出力均還有一定余量，特別是送風機，出力富余量很大。

表6 風機、引風機、一次風機主要運行參數(shù)

4.8 撈渣機運行情況

#5爐的撈渣機采用變頻調(diào)節(jié)，輸送量為4t/h～ 40t/h。摻燒油頁巖后，爐底出渣量明顯增加，但撈渣機的出力仍能滿足要求，一般在40Hz的頻率運行即可。

5 鍋爐運行適應性分析

5.1 燃燒溫度與結(jié)渣

由圖7可見，燃用神華煤時燃燒器區(qū)域火焰峰值溫度較高，燃燒器熱負荷也較高，因為神華煤的灰熔點較低，所以與摻燒油頁巖的其它兩個工況相比，燃燒器區(qū)域就容易結(jié)焦，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)A1、B1、E1、E3噴口掛焦，其中E1和E3噴口周圍的水冷壁上也有一定程度的結(jié)焦。摻燒油頁巖后燃燒器區(qū)域的溫度下降約70℃～80℃，再加上油頁巖自身的灰熔點也比較高，燃燒器區(qū)域的結(jié)焦也大為減輕，只在E3噴口周圍有輕微堆焦。摻燒30%油頁巖時比摻燒20%時的火焰溫度略有降低，應該不會影響到煤粉的著火穩(wěn)定性，主要是入爐煤的總熱量較低限制了鍋爐負荷。

圖6 不同煤種爐膛火焰溫度分布

5.2 鍋爐效率及其環(huán)保特性

表7的效率測試結(jié)果顯示，燃用神華煤時鍋爐效率為92.77%，比設計值高。與單獨燃用神華煤相比，摻燒20%的油頁巖時，鍋爐效率升高0.4個百分點；燃用30%油頁巖時，鍋爐效率基本不變，說明摻燒20%的油頁巖鍋爐效率會有一定程度的升高，當摻燒比例達到30%時不會影響鍋爐的經(jīng)濟性。

表7 鍋爐效率試驗結(jié)果

由于油頁巖硫含量比神華煤要高，所以隨著油頁巖摻燒比例的增加，鍋爐SO2排放濃度呈增加的趨勢，在20%油頁巖時排放濃度為1733mg/Nm3，比全燒神華煤時升高251mg/Nm3，煙氣露點溫度約升高3℃。摻燒20%油頁巖時NOx排放濃度增加200mg/Nm3，但仍低于650mg/Nm3的國家標準。

5.3 摻燒油頁巖經(jīng)濟性分析

表8 鍋爐摻燒油頁巖經(jīng)濟性分析

由表8可以看出，#5爐在摻燒20%油頁巖后，發(fā)電煤耗由全燒神華煤的331.9g/kW·h下降為326.4g/kW·h，降低5.5g/kW·h；在摻燒30%油頁巖時，發(fā)電煤耗升高3.0g/kW·h。在摻燒20%油頁巖時每度電的發(fā)電成本下降0.0179元，當油頁巖摻燒量達30%時，每度電的發(fā)電成本下降更多，降低0.0207元。

6 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，油頁巖具有高揮發(fā)分、低熱值、易著火的特點，灰熔點比較高。在不改變統(tǒng)統(tǒng)和設備的情況下，在茂名熱電廠#5爐摻燒油頁巖具有可行性，安全性和經(jīng)濟性。

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