鄧雨生

(中國石化集團茂名石化公司動力廠,茂名 525021)

石油焦和油頁巖均屬于特殊燃料.石油焦屬于煉油工藝副產(chǎn)品,其熱值高,揮發(fā)分及灰分低,硫、氮元素及釩、鎳等堿金屬含量高,屬劣質(zhì)燃料.油頁巖屬于高灰分、低發(fā)熱量和高揮發(fā)分的特殊劣質(zhì)燃料[1],其理化特性完全不同于普通燃煤.這兩種燃料在常規(guī)煤粉爐中都難以很好地燃燒.20世紀(jì)90年代以來,隨著循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)外高等院校、科研院所及發(fā)電企業(yè)開始注重發(fā)展油頁巖和高硫石油焦的潔凈燃燒技術(shù),并且已有不少相關(guān)技術(shù)得到應(yīng)用.

茂名石化地處一次能源缺乏的廣東西部沿海地區(qū),但是茂名地區(qū)有豐富的油頁巖資源,地質(zhì)儲量為5.3×109t[2].隨著世界原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化和原油深度加工的進(jìn)展,以及我國沿海煉化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,茂名石化煉油能力也進(jìn)一步提高至2.0×107t/a,其高硫石油焦產(chǎn)量越來越高.茂名石化2臺410 t/h CFB鍋爐由美國Foster Wheeler公司設(shè)計,設(shè)計燃料為貴州煙煤.在國際能源需求不斷增長的今天,尋求石油焦與油頁巖綜合利用,對于緩解能源供需矛盾,具有重大的現(xiàn)實意義.本文對茂名石化額定蒸發(fā)量為410 t/h的超高壓參數(shù)CFB鍋爐燃用石油焦和油頁巖混合物進(jìn)行了試驗研究,整理得到了包括鍋爐效率、運行參數(shù)、污染物排放在內(nèi)的一系列規(guī)律性結(jié)果.目前國內(nèi)只有實爐純燒石油焦、純燒油頁巖、石油焦與煤混燒技術(shù)的相關(guān)研究[3-6],而對石油焦與油頁巖實爐混燒技術(shù)的研究未見有報道,本文的工作填補了國內(nèi)大型CFB鍋爐試燒石油焦和油頁巖混合燃料方面的空白,對具有較強燃料適應(yīng)性的大型CFB鍋爐的設(shè)計和運行具有借鑒意義.

1 鍋爐結(jié)構(gòu)及性能

1.1 鍋爐的主要性能設(shè)計參數(shù)

鍋爐的主要性能設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 鍋爐主要性能設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main performance data of the boiler

1.2 鍋爐總體結(jié)構(gòu)

該型鍋爐是美國FW公司生產(chǎn)的第三代CFB鍋爐,采用八面水冷耐火材料襯里的緊湊型旋風(fēng)分離器,爐內(nèi)布置膜式水冷壁,爐膛內(nèi)布風(fēng)板上裝有箭頭形風(fēng)帽.燃料分四路經(jīng)稱重式給煤機由前墻加入爐膛;破碎后的脫硫劑由石灰石粉倉經(jīng)兩級倉泵,采取氣力輸送方式分四路分別送至鍋爐前、后墻;鍋爐配2臺風(fēng)水聯(lián)合冷渣器,爐渣中的細(xì)灰隨冷渣風(fēng)返回爐膛;空氣預(yù)熱器下灰斗和靜電除塵器一電場捕集的飛灰采用氣力輸送方式由前墻送回爐內(nèi);鍋爐旋風(fēng)分離器出口的煙氣依次經(jīng)裝有末級過熱器、一級過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器的尾部豎井煙道和靜電除塵器由煙囪排放.鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,緊湊型旋風(fēng)分離器示意圖見圖2.

圖1 410 t/h CFB鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schem atic diagram of the 410 t/h CFB boiler

圖2 緊湊型旋風(fēng)分離器俯視圖Fig.2 Top view of the compact cy clone separator

與其他CFB鍋爐技術(shù)相比較,該型鍋爐結(jié)構(gòu)主要特點有:

(1)采用了八角形水冷旋風(fēng)分離器,布置更緊湊,取消膨脹節(jié)連接方式,密封性更好,并縮短了鍋爐冷態(tài)啟動時間.

(2)下部二次風(fēng)引自壓力更高的一次風(fēng)總管,提高了二次風(fēng)的射流剛度,改善了爐膛密相區(qū)中心缺氧問題,使密相區(qū)擾動更強烈,燃燒更充分.

2 燃料及脫硫劑分析

試驗用燃料為石油焦和油頁巖按3∶1混合,燃料元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表 2.對比GB/T 7562—1998標(biāo)準(zhǔn),該混合燃料接近低揮發(fā)分、高熱值、中灰分、中硫分發(fā)電用煤標(biāo)準(zhǔn),但是考慮到石油焦和油頁巖熱值分別為32.44 M J/kg和5.17 M J/kg,密度分別為1.2～1.8 t/m3和 1.4～2.7 t/m3[7],兩者熱值和密度差別均較大,且由于油頁巖特殊的片狀結(jié)構(gòu),混合物易在鍋爐密相區(qū)發(fā)生分層現(xiàn)象,因而在煤場用裝載機對試驗燃料進(jìn)行了摻混.采樣分析結(jié)果,低位熱值偏差控制在±5%以內(nèi).表3為試驗用脫硫劑(石灰石)的成分分析,石灰石中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.47%,含量偏低,因而石灰石脫硫效率可能偏低.

表2 石油焦和油頁巖混合燃料元素分析及工業(yè)分析Tab.2 Ultimateand proximateanalysis of them ixed fuel

表3 石灰石成分分析Tab.3 Composition of the limestoneused

3 鍋爐熱效率測定

由西安熱工院進(jìn)行鍋爐熱效率實爐測試,采用DL/T 964—2005《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》推薦的能量平衡法進(jìn)行計算,鍋爐效率計算界面按DL/T 964—2005所規(guī)定的以除塵器前為計算界面.但由于該爐采用了飛灰再循環(huán)設(shè)備,電除塵器一電場飛灰全部回送爐膛,因此計算中飛灰可燃物在二電場取樣,飛灰份額僅包括后三個電場的飛灰.忽略了一電場飛灰回送爐膛過程中的散熱損失及送風(fēng)機帶來的輔機熱量,經(jīng)誤差分析,此部分熱損失估計不足0.03%.測試前,對冷渣器排渣量和石灰石給粉量分別進(jìn)行了標(biāo)定,結(jié)果見圖3和圖4.由圖3可知,石灰石給粉量和石灰石旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系;A、B兩側(cè)冷渣器排渣量和冷渣器旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速也基本呈線性關(guān)系.實際測試過程中,可通過旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速來推算給粉量和排渣量.

圖3 石灰石給粉量和旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relationship betw een limestone feed rate and the speed of rotary valve

圖4 冷渣器排渣量和旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relationship between cold-state slag discharge and the speed of rotary valve

試驗數(shù)據(jù)主要是從DCS顯示中獲得,主要儀器儀表采用德國進(jìn)口配套裝置,煙氣SO2采樣分析及預(yù)處理系統(tǒng)見圖5.

圖5 煙氣SO2采樣分析及預(yù)處理系統(tǒng)Fig.5 Sam pling and pretreatm ent of SO2

混燒試驗期間進(jìn)行了氧量、一次風(fēng)量和床壓調(diào)整試驗,鍋爐實際負(fù)荷工況下熱效率的測試數(shù)據(jù)見表4.

4 鍋爐運行

4.1 溫度

圖6為爐內(nèi)溫度分布.由圖6可見,以石油焦和油頁巖混合物為燃料,爐內(nèi)密相區(qū)溫度分布均勻,最低為800.6℃,最高為869.3℃,平均溫度為838.7℃.前墻溫度比后墻溫度低,因為燃料由前墻加入,燃料在前墻附近還未及充分燃燒,熱量還未完全釋放.圖7為運行溫度隨時間的變化,該運行工況下平均床溫、分離器入口溫度、回料腿溫度和排煙溫度分別為836℃、829℃、869℃和149℃左右,隨時間變化很小,說明燃用石油焦和油頁巖混合物燃燒相當(dāng)穩(wěn)定.

表4 鍋爐熱效率測試數(shù)據(jù)表Tab.4 Measurements ofboiler thermal ef ficiency

圖6 爐內(nèi)溫度分布(單位:℃)Fig.6 In-furnace temperature distribution(unit:℃)

4.2 汽水流量

由于鍋爐煙氣系統(tǒng)運行溫度穩(wěn)定,鍋爐的汽水流量也相對穩(wěn)定(見圖8).運行表明,雖然石油焦和油頁巖的熱值相差較大,但是由于試驗燃用的石油焦和油頁巖混合物摻混均勻,混合燃料成分波動小,入爐混合燃料熱值穩(wěn)定,鍋爐汽水參數(shù)的穩(wěn)定性良好.

圖7 運行溫度隨時間變化Fig.7 Operation temperatu re varying w ith tim e

圖8 汽水流量隨時間變化Fig.8 Steam and w ater flow varying with time

以上溫度和汽水流量均為工況1的運行參數(shù).

4.3 污染物排放

4.3.1 SO2排放

在試驗期間,石灰石輸送給料系統(tǒng)的給料量基本未作大的調(diào)整,給料機平均轉(zhuǎn)速為4.23 r/min,對應(yīng)的石灰石給料量為7.28 t/h,相應(yīng)的鈣硫摩爾比為2.83,試驗測得SO2排放質(zhì)量濃度在569～923 mg/m3,脫硫效率在76.2%～85.3%.這次試驗在較高的鈣硫摩爾比下脫硫效率仍然偏低,究其原因有二:

(1)鍋爐床溫偏低,偏離了石灰石與SO2反應(yīng)的最佳溫度;

(2)石灰石粒徑嚴(yán)重偏細(xì),造成脫硫效率偏低.飛灰成分中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)29.48%,表明有大量石灰石未來得及發(fā)生反應(yīng)就被煙氣夾帶到尾部煙道.

試驗中當(dāng)石灰石給料機轉(zhuǎn)速由3.70 r/m in增大到7.02 r/m in時,對應(yīng)的石灰石給料量約為12.1 t/h,相應(yīng)的鈣硫摩爾比為4.73,鍋爐二氧化硫排放質(zhì)量濃度降低為192mg/m3,脫硫效率達(dá)95%,這時鍋爐平均運行床溫為817～841℃,見圖9.

圖9 鈣硫摩爾比對煙氣中SO2質(zhì)量濃度的影響Fig.9 Effect of n(Ca)/n(S)on SO2 mass concentration of flue gas

4.3.2 NOx排放

試驗測得NO x排放質(zhì)量濃度為101.6～132.9 mg/m3,達(dá)到了GB 13223—2003所規(guī)定的低于650 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),6%)的排放要求.該NOx排放值是在床溫810～840℃條件下測到的,而該溫度低于CFB鍋爐常規(guī)運行溫度.試驗結(jié)果表明,NOx質(zhì)量濃度隨燃燒溫度增加呈明顯上升的趨勢,密相區(qū)床溫與NO x質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線見圖10.

4.4 灰渣含碳量

試驗測得飛灰可燃物及底渣可燃物平均值分別為11.5%和4.3%,與燃用普通煤種相比,飛灰可燃物含量略偏高,而底渣可燃物明顯偏高.

4.4.1 飛灰含碳量高原因分析

工況2、工況3為總風(fēng)量調(diào)整試驗,圖11為排煙氧體積分?jǐn)?shù)φ(O2)對密相區(qū)床溫及飛灰可燃物影響.

圖10 密相區(qū)床溫對NO x質(zhì)量濃度的影響Fig.10 Effect of bed temperature in dense phase zone on NO x mass concentration

圖11 排煙氧量對密相區(qū)床溫及飛灰可燃物影響Fig.11 Effect of oxygen volume conten t in flue gas on bed temperature of dense phase zone and combustible content in fly ash

由圖11可知,當(dāng)煙氣中 φ(O2)從3.6%降低至3.1%時,由于床壓及風(fēng)量的共同作用,導(dǎo)致床溫變化幅度較小,對飛灰可燃物影響較小,而燃料因缺氧而導(dǎo)致燃燒不充分的負(fù)面效應(yīng)大于降低風(fēng)速而延長爐內(nèi)燃燒時間的正面效應(yīng),導(dǎo)致飛灰含碳量上升.當(dāng)煙氣中φ(O2)從3.6%升高至4.2%時,過量氧雖然有利于燃料的燃盡,但也帶來了負(fù)面因素:其一是由于風(fēng)量過大導(dǎo)致密相區(qū)床溫顯著降低,由840℃降低至817℃;其二是風(fēng)量增大后燃料在爐內(nèi)停留時間減少.結(jié)果表明,床溫降低及燃料爐內(nèi)停留時間減少對燃料燃盡的負(fù)效應(yīng)大于過量氧有利于燃料燃盡的正效應(yīng),使得飛灰含碳量上升.

4.4.2 底渣含碳量高原因分析

工況4的底渣含碳量分析見表5.

表5 工況4底渣含碳量分析Tab.5 Ana lysis of combustib les in bottom ash samp les in case4

由表5分析可知,粒徑大于5 mm的底渣含碳量較低,5 mm以上區(qū)間含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約為1.6%,根據(jù)5mm以上底渣所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算得出5 mm粒徑以上底渣含碳量約0.32%.而底渣粒徑在0.28～5.00mm時,含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.87%,占底渣含碳量(5.47%)的絕大部分.因此底渣中未燃盡可燃物主要集中在0.28～5.00mm粒徑內(nèi).由于油頁巖燃燒后所得底渣粒徑較粗,且油頁巖自身碳含量較低,入爐所占比例也僅為30%,因此,此粒徑范圍內(nèi)可燃物(碳)主要來自于石油焦顆粒.

5 結(jié) 論

(1)該410 t/h CFB鍋爐燃用石油焦和油頁巖混合物,在實際運行負(fù)荷370～386.3 t/h工況下,鍋爐平均熱效率為90.89%。

(2)由于石油焦和油頁巖燃料摻混均勻,燃用石油焦/油頁巖混合物時爐內(nèi)密相區(qū)溫度分布均勻;床溫、分離器入口溫度、回料腿溫度和排煙溫度等均穩(wěn)定;鍋爐主蒸汽流量、給水流量和減溫水流量穩(wěn)定。

(3)燃用石油焦和油頁巖混合物,并投加本次試驗用石灰石,當(dāng)n(Ca)/n(S)為4.73時,SO2排放質(zhì)量濃度在 192 m g/m3,脫硫效率達(dá) 95%以上;NO x排放質(zhì)量濃度也維持在較低水平.

(4)本試驗運行條件下,煙氣中 φ(O2)控制在3.6%時灰渣含碳量最低.

[1] 于海龍,姜秀民.顆粒粒度對油頁巖燃燒特性的影響[J].動力工程,2007,27(4):640-644.YU Hailong,JIANG Xium in.In fluence of oil shale's granularity on it s combustion property[J].Journal of Power Engineering,2007,27(4):640-644.

[2] 趙劍劍,王春華.油頁巖發(fā)電利用研究[J].廣東電力,2008,21(9):20-22.ZHAO Jianjian,WANG Chunhua.Research on electricity generation w ith oil shale[J].Guangdong Electric Power,2008,21(9):20-22.

[3] 鄭偉軍,楊仁海.全燒石油焦CFB鍋爐的優(yōu)勢[J].能源研究與利用,2003(6):14-16.ZHENG Weijun,YANG Renhai.Advantages of petro leum coke-fired CFB boiler[J].Energy Research&U tilization,2003(6):14-16.

[4] 王 擎,郝志金,孫 鍵,等.大型油頁巖循環(huán)床電站鍋爐運行性能分析[J].熱能動力工程,2001,16(5):513-516.WANG Qing,HAO Zhijing,SUN Jian,et al.Operating performance analysis o f an oil sha le-fired circulating fluidized bed boiler of the highest capacity currently in operation in China[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2001,16(5):513-516.

[5] 鄧雨生.CFB鍋爐摻燒石油焦脫硫技術(shù)分析[J].熱力發(fā)電,2010,39(4):42-45.DENG Yusheng.Analysis of m ixed ly burning petro leum coke technology in CFB boiler[J].Thermal Power Generation,2010,39(4):42-45.

[6] 鄧雨生,于川,吳曉蘭,等.410 t/h循環(huán)流化床鍋爐煤焦混燒熱力性能試驗研究[J].能源研究與利用,2007(3):13-17.DENG Yusheng,YU Chuan,WU Xiaolan,et a l.Experimenta l research on thermodynam ic performance for 410 t/h CFB boiler burning m ixture of coal and petro leum coke[J].Energy Research&Utilization,2007(3):13-17.

[7] 蔣德華.茂名油頁巖燃燒特性研究[J].潔凈煤技術(shù),2006,12(3):86-94.JIANG Dehua.Study on combustion characteristic of oil shale in M aom ing[J].Clean Coal Technology,2006,12(3):86-94.