循環(huán)流化床鍋爐半焦摻燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

[摘 要]油頁巖是一種重要的潛在能源，儲量巨大，在化石燃料中它的儲量折算成發(fā)熱量僅次于煤而列第二位。作為煉油后的廢渣，半焦有800-1000kcal/kg發(fā)熱值，約占油頁巖總發(fā)熱值的40～50%。其揮發(fā)份含量低，灰分很大，發(fā)熱值很低，是一種很難著火、很難燃盡的劣質(zhì)燃料。因此，將油頁巖和半焦按一定比例混合后作為燃料送入循環(huán)流化床鍋爐，達(dá)到最大限度利用油頁巖的目的。

[關(guān)鍵詞]半焦； 油頁巖小顆粒； 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐

中圖分類號：TK229.66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）31-0014-01

一、半焦摻燒研究背景與意義

自2009年龍礦集團(tuán)成立龍福油頁巖綜合利用有限公司對油頁巖進(jìn)行綜合利用，目前已經(jīng)形成年處理油頁巖120萬噸、產(chǎn)油12萬噸、半焦90萬噸、瓦斯發(fā)電5000萬度的生產(chǎn)規(guī)模。半焦作為油頁巖煉油產(chǎn)生的固體廢棄物，經(jīng)過雨水淋溶或擴(kuò)散后會污染周圍的水源、土地及生物，破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使土地僵化、酸化，破壞土壤，如不及時(shí)處理勢必對周圍的環(huán)境造成破壞。隨著龍福公司正常的生產(chǎn)，半焦的產(chǎn)量越發(fā)增大，需要得到合理的轉(zhuǎn)化和處理。而半焦的發(fā)熱量為800-1000 kcal/kg，為了充分利用這部分熱能，減少能源浪費(fèi)和杜絕環(huán)境污染，也為下一步有效利用油頁巖半焦、為龍礦集團(tuán)2×50MW半焦綜合利電提供科學(xué)有效的技術(shù)支撐。

二、燃燒特性的研究

公司成立油頁巖煉油半焦摻燒研究小組，小組成立后，對各項(xiàng)研究工作進(jìn)行嚴(yán)格分工，明確試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和工作方法，定期對工作進(jìn)展情況進(jìn)行匯報(bào)和總結(jié)，最終形成綜合研究報(bào)告。具體研究內(nèi)容如下：

1、委托設(shè)計(jì)單位或?qū)I(yè)研究試驗(yàn)部門，對油頁巖煉油半焦物理、化學(xué)特性進(jìn)行分析，掌握其燃燒特性；

2、針對油頁巖半焦水分高、灰分高、熱值低、燃料比重大會導(dǎo)致循環(huán)灰量增加，煙氣量增加，磨損量增加以及流化情況變差的現(xiàn)象，對燃燒特性進(jìn)行分析，從而合理摻燒半焦比例，保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

3、針對半焦上述特點(diǎn)，在入爐方式、鍋爐設(shè)計(jì)、工藝、灰渣處理等進(jìn)行針對性研究，明確了增加密相區(qū)受熱面防磨、適當(dāng)調(diào)整受熱面布置、合理調(diào)整煙氣流速、增加分離器下部的排灰量、控制溫度場等設(shè)計(jì)方案，為下一步鍋爐的制造、改造和應(yīng)用提供了技術(shù)支撐和支持。

通過半焦物理和化學(xué)特性試驗(yàn)，繪制燃燒特性曲線，并分別進(jìn)行比較分析：

從TG曲線變化可以看出，油頁巖及其半焦混煤燃燒過程分為燃燒低溫段（著火溫度Ti～550℃）、過渡段（550～680℃）和燃燒高溫段（680～850℃）3個(gè)階段。隨著油頁巖在混樣中所占比例的增大，失重也隨之增加，這主要是因?yàn)橛晚搸r中揮發(fā)份含量很大，而經(jīng)干餾后得到的半焦中所含揮發(fā)份相對較少。從環(huán)境溫度延伸到一個(gè)初始溫度（約110℃），TG曲線下滑、對應(yīng)的DTG曲線出現(xiàn)一個(gè)小峰，試樣發(fā)生微小的失重，可稱為干燥階段。同時(shí)由于油頁巖中水分含量比干餾半焦中的水分含量大，故油頁巖在干燥階段失重比其余試樣都大。在低溫段的燃燒主要是混煤中的可揮發(fā)性氣體的溢出，而在高溫段則主要是一些有機(jī)質(zhì)、固定碳以及其它難于分解物質(zhì)的燃燒過程。相對應(yīng)的DTG曲線上具有明顯的雙峰，第一個(gè)峰值高于第二個(gè)峰值，原因在于第二段反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較小，第一段起始溫度大約在250℃，終止于550℃，在380℃處達(dá)到最大值，失重率達(dá)80%；第二段反應(yīng)起始于680℃，終止于850℃，在750℃處達(dá)到最大值，失重率15%左右。整個(gè)燃燒過程可燃成分的轉(zhuǎn)化率沒有達(dá)到100%，主要是灰分將部分混煤包容，阻礙了氣體擴(kuò)散至混煤反應(yīng)表面。同時(shí)隨著油頁巖對半焦比例的增加，低溫段峰值明顯增大。

同一混樣顆粒燃燼度隨升溫速率的提高而變差，這是因?yàn)椋荷郎厮俾实?，顆粒燃燒時(shí)間長，有利于油頁巖顆粒的燃盡；同時(shí)升溫速率低，混樣顆粒內(nèi)外溫度梯度小，有利于揮發(fā)份的析出，當(dāng)揮發(fā)份析出后，氧氣能夠通過顆?？紫冻浞?jǐn)U散到顆粒內(nèi)部，與被灰分包裹的碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，也對顆粒燃燼有利。同時(shí)升溫速率對混煤燃燒的低溫和高溫兩個(gè)反應(yīng)階段影響顯著，隨著升溫速率的提高，每條燃燒反應(yīng)曲線的著火溫度都明顯升高，同時(shí)峰溫均移向更高溫度，因?yàn)榻橘|(zhì)的擴(kuò)散和熱量的傳遞需要一定時(shí)間，即表現(xiàn)出一定的延遲性，所以升溫速率高使反應(yīng)后移。在高溫段的燃燒中，油頁巖半焦中活性組成減少使燃燒速率降低，同時(shí)油頁巖半焦燃燒過程中在表面逐漸形成一個(gè)灰殼，灰分含量越高，灰殼越厚。灰殼的存在有礙于氧分子的擴(kuò)散，使得灰殼內(nèi)所包含的未燃燼碳粒表面的氧濃度降低。此外，灰殼還增加了空氣氣氛與未燃燼碳粒之間的傳熱熱阻，使得碳粒和空氣氣氛之間的溫差增大，對燃燒也是不利的。

三、在循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用試驗(yàn)

通過對油頁巖及半焦物理化學(xué)特性的研究，掌握了油頁巖特性，從而對現(xiàn)場鍋爐燃燒試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。半焦摻燒試驗(yàn)是在高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行，該鍋爐設(shè)計(jì)負(fù)荷為140t/h，入爐煤熱值為2400kcal/kg，主要燃燒煤種為油頁巖、煤矸石、其他次煤等，日消耗燃煤800-1000噸，為江聯(lián)重工股份有限公司2009年產(chǎn)品。首先進(jìn)行半焦少量摻燒試驗(yàn)，在確保鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，逐漸加大摻燒比例，半焦所占體積比分別按照16.7%，20%，25%，33.3%進(jìn)行，比例在25%以下時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定燃燒。但由于受鍋爐結(jié)構(gòu)以及半焦水分高的限制，隨著摻燒比例的增加給煤口堵塞逐漸加重，為保證給煤的穩(wěn)定，摻燒最高比例只能到體積比33.3%。

四、效益分析

經(jīng)濟(jì)效益分析：從JG140-9.8/540-M型循環(huán)流化床鍋爐摻燒半焦試驗(yàn)情況看，如半焦摻燒比例在20%，入爐煤平均熱值2706大卡/千克，入爐煤熱值單價(jià)從摻燒前的0.109元/大卡降到0.105元/大卡。按照33.3%比例摻燒半焦，噸汽標(biāo)煤成本平均下降約0.71元/噸，年節(jié)省成本（年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)7000小時(shí)，平均負(fù)荷72t/h）0.32*120*7000=26.88萬元。每天平均多耗電1100KWH，每年可增加成本約0、5×1100/24×7000=16.04萬元，年可增加利潤42.92萬元。

社會效益分析：通過循環(huán)流化床鍋爐對油頁巖煉油半焦的處理，不但利用了半焦中儲存的殘余熱能，而且杜絕了環(huán)境污染，真正實(shí)現(xiàn)電力產(chǎn)業(yè)鏈“吃干榨凈”、減少資源浪費(fèi)、杜絕環(huán)境污染的目的。油頁巖半焦的燃料試驗(yàn)和技術(shù)研究，不但探索了半焦發(fā)電技術(shù)，而且成為研發(fā)以油頁巖半焦和小顆粒油頁巖作為燃料的鍋爐研發(fā)的技術(shù)支撐，為下一步最大程度進(jìn)行半焦的綜合利用，為當(dāng)前油頁巖綜合利用產(chǎn)業(yè)面臨的半焦治理難環(huán)保瓶頸問題的解決提供了較好的技術(shù)探索和支持。

作者簡介

王華：山東省龍口礦業(yè)集團(tuán)煤電有限公司。出生年月：1969年12月5日，女，山東龍口人，工程師，1989年畢業(yè)于山東大學(xué)熱能動力工程專業(yè)，?？茖W(xué)歷，主要從事電廠汽機(jī)、鍋爐專業(yè)。

參考文獻(xiàn)

1、【篇名】樺甸油頁巖半焦循環(huán)流化床燃燒特性研究

2、【篇名】油頁巖半焦燃燒機(jī)理與循環(huán)流化床燃燒利用

3、【名稱】油頁巖半焦廢棄物在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒取得熱能的方法

4、【名稱】油頁巖綜合優(yōu)化利用的方法

5、【篇名】油頁巖綜合優(yōu)化利用的新方法

6、【篇名】油頁巖半焦循環(huán)流化床熱力參數(shù)分布特性

7、【篇名】油頁巖半焦循環(huán)流化床燃燒的工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究

8、【名稱】以濕油頁巖半焦為燃料的循環(huán)流化床焚燒系統(tǒng)

9、【名稱】油頁巖煉油、發(fā)電與水泥三聯(lián)產(chǎn)一體化裝置

10、【名稱】一種油頁巖集成綜合利用方法