王鵬輝 蓋志杰 趙建剛 譚 袖

(華電電力科學(xué)研究院內(nèi)蒙古分院,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市,010051)

準(zhǔn)東煤摻燒油頁巖試驗(yàn)研究

王鵬輝 蓋志杰 趙建剛 譚 袖

(華電電力科學(xué)研究院內(nèi)蒙古分院,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市,010051)

準(zhǔn)東煤由于其高堿金屬含量、高水分、易結(jié)焦等特性極大地限制了該煤種在電廠的使用,煤灰成分中高堿金屬含量是造成鍋爐結(jié)渣、沾污的最主要原因。油頁巖由于硅、鋁含量較高,其熔融特性溫度較高。本文通過對準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤的煤質(zhì)特性、灰成分以及灰熔融特性進(jìn)行試驗(yàn)分析,比較不同摻配比例混合燃料的沾污特性;并采用熱重分析方法對其混合燃燒特性TG/DTG曲線對比分析,確定兩者的最佳配比。然后結(jié)合現(xiàn)場摻燒試驗(yàn),驗(yàn)證鍋爐對摻配煤種的適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明,利用油頁巖中的高硅、鋁成分可以提高準(zhǔn)東煤的灰熔點(diǎn),試驗(yàn)證實(shí)在準(zhǔn)東煤中摻配15%的油頁巖可以很好地解決鍋爐結(jié)焦問題,從而為準(zhǔn)東煤作為電廠的動力用煤開辟了新的應(yīng)用前景。

準(zhǔn)東煤 油頁巖 摻燒 灰熔融 結(jié)渣

“準(zhǔn)東”是指新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部從阜康市到木壘哈薩克自治縣的一條狹長地帶,準(zhǔn)東煤田資源預(yù)測儲量達(dá)3900億t,目前累計探明煤炭資源儲量為2136億t,煤田成煤面積約1.4萬km2,是我國目前最大的整裝煤田。準(zhǔn)東煤具有價格低廉、中高水分、中等發(fā)熱值、煤質(zhì)堆積密度小、易著火、易燃盡、強(qiáng)結(jié)焦、高堿金屬含量、強(qiáng)沾污性以及各礦的灰熔點(diǎn)相差比較大等特點(diǎn)。準(zhǔn)東煤質(zhì)的特性極大地限制了該煤種在電廠的使用。

油頁巖(又稱油母頁巖)是一種高灰分的含可燃有機(jī)質(zhì)的沉積巖,它和煤的主要區(qū)別是其灰分超過40%,油頁巖外觀多呈褐色泥巖狀,其相對密度為1.4～2.7。油頁巖由于硅、鋁含量較高,其熔融特性溫度較高,軟化溫度一般大于1400℃。

研究發(fā)現(xiàn),增加煤灰中氧化鋁含量可以有效提高煤灰的熔融特性溫度;增加煤灰中二氧化硅的含量可以降低煤灰中活性鈉在燃燒過程中的揮發(fā),從而緩解鍋爐受熱面的沾污問題。因此,在灰分含量較低的準(zhǔn)東煤中添加油頁巖,引入油頁巖中富含的硅、鋁元素,可以有效地改善準(zhǔn)東高鈉煤的結(jié)渣和沾污特性,從而解決鍋爐大量燃用準(zhǔn)東煤易發(fā)生的受熱面結(jié)焦問題。

本文旨在通過對準(zhǔn)東煤與油頁巖摻配得到的混合燃料進(jìn)行燃燒特性、結(jié)渣沾污特性、灰熔融特性的實(shí)驗(yàn)室研究和電廠現(xiàn)場摻燒應(yīng)用試驗(yàn)研究,結(jié)合電廠機(jī)組參數(shù),找到兩者的最佳摻配比例和機(jī)組的最佳運(yùn)行方式,保證鍋爐的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。

1 準(zhǔn)東煤、油頁巖實(shí)驗(yàn)室研究

1.1 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤煤質(zhì)特性

本試驗(yàn)分別對準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤的煤質(zhì)特性、哈氏可磨性、灰熔融特性、灰成分、燃燒特性等進(jìn)行分析,得出準(zhǔn)東煤與油頁巖的最佳配比,分析結(jié)果見表1。

表1 煤質(zhì)特性分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

準(zhǔn)東煤的全水分含量較高,為24.99%,明顯高于油頁巖的7.46%,隨著摻配油頁巖比例升高,配煤的全水分含量呈下降趨勢。準(zhǔn)東煤和油頁巖的發(fā)熱量分別為19510 kJ/kg和3019 kJ/kg,準(zhǔn)東煤和油頁巖混煤的發(fā)熱量隨油頁巖含量增加而降低。準(zhǔn)東煤和油頁巖的灰分分別為7.39%和78.46%,隨著油頁巖摻配比例提高,混煤的灰含量依次升高。油頁巖的哈氏可磨指數(shù)為61,屬于中等可磨,差于準(zhǔn)東煤。

1.2 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤灰成分和灰熔融特性

通過對混煤的灰成分、灰熔點(diǎn)、發(fā)熱量、燃燒特性等指標(biāo)的測定后,確定準(zhǔn)東煤摻配油頁巖的最佳配比。不同配比的準(zhǔn)東煤與油頁巖混煤灰成分和灰熔融特性見表2。

由表2可以看出,混煤在油頁巖含量為15%時軟化溫度最高,為1211℃,比準(zhǔn)東煤的軟化溫度提高了29℃。

1.3 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤沾污特性分析

試驗(yàn)分別根據(jù)堿酸比、硅比、硫結(jié)渣指標(biāo)、鐵鈣比等指標(biāo),對準(zhǔn)東煤、油頁巖和準(zhǔn)東煤油頁巖混煤的結(jié)渣特性進(jìn)行評判。準(zhǔn)東煤的堿酸比RBA為0.83,油頁巖的堿酸比為0.15,準(zhǔn)東煤油頁巖混煤的堿酸比隨油頁巖含量升高而降低。同時,由于油頁巖灰分中的CaO含量較低,油頁巖含量為5%、10%、15%和20%時分別為0.465、0.716、0.986和1.276。

煤灰對高溫受熱面的沾污特性用沾污指數(shù)評價,具體結(jié)果見表3。由表3可以看出,混煤的油頁巖含量為5%和10%時,沾污指數(shù)分別為0.94和0.50,沾污程度高;油頁巖含量為15%和20%時,沾污指數(shù)分別為0.33和0.23,沾污程度為中。說明當(dāng)油頁巖含量大于等于15%時,可以降低沾污現(xiàn)象。

表2 灰成分和灰熔融特性

表3 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤沾污特性

1.4 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤燃燒特性分析

利用熱重分析方法對準(zhǔn)東煤、油頁巖及其不同配比下?lián)交烊紵匦缘腡G、DTG曲線進(jìn)行了分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

試驗(yàn)得出油頁巖的著火溫度Ti和揮發(fā)分最大釋放速度峰值對應(yīng)的溫度Tmax分別為346℃和441℃,低于準(zhǔn)東煤,而燃燼溫度Th高于準(zhǔn)東煤。油頁巖摻混比例為5%～20%時,Ti、Tmax和Th都與準(zhǔn)東煤接近。摻燒油頁巖時,揮發(fā)分最大釋放速度峰值(dw/dt)max小于準(zhǔn)東煤,但變化幅度不大。準(zhǔn)東煤摻燒油頁巖5%～20%時,其燃燒特性變化不大。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

通過對混煤的灰成分、灰熔點(diǎn)、發(fā)熱量、燃燒特性等指標(biāo)的分析,確定在準(zhǔn)東煤中摻配15%的油頁巖(準(zhǔn)東煤∶油頁巖＝85∶15)為最佳配比。

圖1 準(zhǔn)東煤和油頁巖的TG和DTG曲線

圖2 不同摻配比例配煤的TG和DTG曲線

表4 準(zhǔn)東煤、油頁巖及其混煤燃燒特性

2 現(xiàn)場配煤摻燒試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場摻燒試驗(yàn)方案

由于準(zhǔn)東煤價格低廉,為了降低發(fā)電成本,新疆昌吉地區(qū)大多數(shù)電廠都在當(dāng)?shù)鼐っ褐袚脚洳怀^40%的準(zhǔn)東煤。選定新疆昌吉地區(qū)某電廠#1機(jī)組作為試驗(yàn)機(jī)組,以當(dāng)?shù)鼐っ骸脺?zhǔn)東煤＝6∶4 (參照煤種)為參照工況,然后按照準(zhǔn)東煤∶油頁巖＝85∶15(新配煤種)的摻配比例,制定煤場配煤方案,進(jìn)行鍋爐配煤摻燒試驗(yàn),觀察和分析爐內(nèi)的燃燒情況、爐內(nèi)結(jié)焦和積灰情況以及制粉系統(tǒng)、各風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、除塵器、輸灰及除渣系統(tǒng)的運(yùn)行情況等,確保鍋爐安全運(yùn)行。

分別對不同的機(jī)組負(fù)荷段(60%、80%和100%電負(fù)荷)進(jìn)行鍋爐熱效率測試,并觀察和記錄每一個運(yùn)行工況期間鍋爐結(jié)渣情況及金屬壁溫。對試驗(yàn)各階段爐膛溫度以及受熱面管的結(jié)焦積灰情況進(jìn)行檢查監(jiān)測并記錄,并且與參照工況進(jìn)行對比。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析

試驗(yàn)比較鍋爐在燃用參照配種和新配煤種不同負(fù)荷條件下鍋爐運(yùn)行的主要參數(shù)見表5。隨著負(fù)荷自60%升高至100%,爐膛出口溫度均升高。但燃用新配煤種時爐膛出口溫度總體上偏低20℃左右;飛灰可燃物含量明顯降低,由原來的8.52～10.50%降低至0.62～1.66%。說明摻配油頁巖后,燃料燃盡程度更好。同時換算到保證條件下鍋爐熱效率在60%、80%和100%負(fù)荷下分別較燃用參照配種時升高1.83%、0.94%和0.92%。

2.3 爐膛結(jié)焦情況

試驗(yàn)中重點(diǎn)觀察了各工況下鍋爐結(jié)焦?fàn)顩r。燃用參照煤種時,鍋爐連續(xù)運(yùn)行1 d后,折焰角上積灰逐漸加重,過熱器上結(jié)焦情況也加劇,為了保證鍋爐安全運(yùn)行,需每天進(jìn)行一次吹灰和打焦。鍋爐燃用新配煤種,爐內(nèi)受熱面和燃燒器噴口均未出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦和積灰現(xiàn)象。鍋爐經(jīng)過連續(xù)7 d后,過熱器管壁有少許沾污情況,折焰角處有少量不均勻的積灰,此時高溫過熱器前煙溫最高為766℃。對鍋爐進(jìn)行吹灰后情況明顯好轉(zhuǎn),無掛焦和積灰存在。燃用新配煤種鍋爐受熱面結(jié)焦情況如圖3所示,受熱面均保持光潔,高過前煙溫但均未超過800℃。由此說明摻燒15%油頁巖對改善準(zhǔn)東煤的結(jié)焦和積灰效果顯著。

表5 現(xiàn)場摻燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 燃用新配煤種100%負(fù)荷工況下鍋爐受熱面結(jié)焦情況

2.4 鍋爐排渣情況分析

試驗(yàn)機(jī)組鍋爐采用固態(tài)排渣和水力沖渣輸送。參照煤種不同負(fù)荷下塊狀爐渣宏觀形貌和新配煤種不同負(fù)荷下塊狀爐渣宏觀形貌如圖4和圖5所示。從排渣情況看,參照煤種工況下爐渣總體上呈泥沙狀,有部分結(jié)成焦塊狀,密度較大;而摻配油頁巖后的渣總體上呈現(xiàn)顆粒狀,并有部分渣塊漂浮于水面,塊狀當(dāng)量直徑小于100 mm,分布均勻。通過對此部分渣塊進(jìn)行收集和仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)渣塊的孔隙率較高,密度較輕。展望可以對灰渣進(jìn)行高附加值綜合利用。

圖4 參照煤種不同負(fù)荷下塊狀爐渣宏觀形貌

3 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對準(zhǔn)東煤和油頁巖的特性以及其相關(guān)配比進(jìn)行研究,綜合灰熔融特性、燃燒特性和環(huán)保指標(biāo),得出在準(zhǔn)東煤中摻配15%的油頁巖(準(zhǔn)東煤∶油頁巖＝85∶15)為最佳配比。

(2)在現(xiàn)場摻燒試驗(yàn)中,在60%、80%和100%鍋爐負(fù)荷下,試驗(yàn)中所列舉的所有工況的爐內(nèi)受熱面和燃燒器噴口均未出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦和積灰現(xiàn)象。整個現(xiàn)場試驗(yàn)過程共19 d,僅進(jìn)行2次例行吹灰。通過摻配試驗(yàn),說明在準(zhǔn)東煤中摻配15%的油頁巖可以提高灰熔點(diǎn),很好地解決鍋爐結(jié)焦的問題。

(3)通過現(xiàn)場摻配試驗(yàn),摻燒配煤(準(zhǔn)東煤∶油頁巖＝85∶15)工況良好,飛灰可燃物顯著下降,由燃用參照煤種時的8.5%～10.5%降為0.62%～4.66%,燃料燃盡程度更好,換算到保證條件下的鍋爐熱效率整體提高1%～2%,說明在準(zhǔn)東煤中摻燒一定比例的油頁巖可以提高燃料燃盡,從而提高鍋爐熱效率。

試驗(yàn)證實(shí),利用油頁巖可以有效地解決準(zhǔn)東煤的沾污和結(jié)焦問題,為發(fā)電企業(yè)找到一種更低價的動力混配煤,降低發(fā)電成本。

同時也為準(zhǔn)東煤和油頁巖的開發(fā)和利用提供了廣闊的應(yīng)用前景,由此帶來的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益不可低估。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Experimental study on co-firing of Zhundong coal with oil shale

Wang Penghui,Gai Zhijie,Zhao Jiangang,Tan Xiu
(Huadian Electric Power Research Institute Inner Mongolia Branch,Hohhot,Inner Mongolia 010020,China)

Zhundong coal has the properties of high alkali metal content,high moisture,easy coking,so its application at power plant is rather limited.The high content of alkali metal in coal ash is the main reason of boiler slagging and fouling.Oil shale has higher ash fusion temperature because of its rich silicon and aluminum components.This paper introduced an experimental analysis on coal quality characteristics,ash composition and ash melting characteristic of Zhundong coal,oil shale,and their mixture,associated with comparing the fouling characteristic of the mixed fuel under different blending proportion.Comparison of TG/DTG curves is utilized to analyze the combustion characteristics of mixed fuel by using thermal-gravimetric analysis method, thus clarified the optimal mixture ratio of Zhundong coal and oil shale.In addition,it is verified that the mixed coal is applicable to the boiler by on-site co-firing testing.The result shows that the high content of silicon and aluminum components in oil shale could help improve the ash melting temperature of Zhundong coal;mixing 15%oil shale in Zhundong coal could minimize boiler slagging.This study ensures that Zhundong coal can be effectively utilized at power plantwith proper application.

Zhundong coal,oil shale,blending combustion,ash melting,slagging

TK16

A

王鵬輝(1982-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士研究生,工程師,主要從事熱能動力工程方面的研究。