孔皓，張縵，苗苗，鄧博宇，劉賢東，黃逸群，楊海瑞，呂俊復(fù)

(清華大學(xué)能源與動力工程系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京，100084)

我國隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求量日益增加。但我國貧油少氣，急需研究替代能源來解決能源安全問題。油頁巖是典型的非常規(guī)油氣資源之一，主要分布在我國的20 個省份47 個盆地，而且儲量十分豐富，如果合理利用可以解決我國的能源短缺問題[1?4]。目前，油頁巖的主要利用方式有干餾制取頁巖油、與其他燃料混合燃燒發(fā)電或利用頁巖灰生產(chǎn)建筑材料等[5?9]。在油頁巖干餾制取頁巖油的過程中，提煉1 t 的頁巖油會同時生成10～30 t油頁巖半焦，這種副產(chǎn)物因其低含碳量、低發(fā)熱、灰分高、著火難的特點，被幾乎所有的中國頁巖油生產(chǎn)企業(yè)堆處理，占用了很大的土地面積，成為阻礙油頁巖利用的困難之一[10]。針對油頁巖半焦的處理問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)可在油頁巖燃燒發(fā)電的鍋爐中加入半焦混燒的處理方式，這種方式可以同時達(dá)到利用半焦余熱、實現(xiàn)半焦的減量化、減少環(huán)境污染的目的。若控制燃燒后灰渣的含碳量小于2%，生成的灰渣可以應(yīng)用于建筑行業(yè)，增加了油頁巖利用的經(jīng)濟(jì)效益[11?13]。很多學(xué)者使用了多種自制反應(yīng)器來研究油頁巖半焦的燃燒特性[14?17]。循環(huán)流化床鍋爐因具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放低等特點成為最適合油頁巖半焦燃燒的反應(yīng)器。ARRO等[18]通過分析油頁巖半焦的燃燒特性提出使用循環(huán)流化床鍋爐對油頁巖和半焦混燒的可行性；王曉磊[19]在間歇式流化床實驗臺進(jìn)行油頁巖脫揮發(fā)分研究，并研究了油頁巖質(zhì)量、流化風(fēng)速、床溫、含水量對揮發(fā)分燃燒時間的影響；李孝楊[20]通過沉降爐實驗得出了油頁巖及半焦的燃燒特性，計算了灰分的擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了半焦顆粒一維收縮未反應(yīng)核模型。但目前的研究幾乎都集中在實驗室，且很少有學(xué)者研究半焦燃燒的工藝路線。本文作者采用中試實驗臺完成了油頁巖的單獨燃燒和油頁巖與半焦的混燒實驗，基于實驗結(jié)果得到了燃料的燃燒特性，并通過提高爐膛溫度實現(xiàn)了全半焦燃燒。結(jié)合實驗結(jié)果，獲得燃料種類、燃料粒度、二次風(fēng)份額、一二次風(fēng)溫對爐膛溫度分布、燃燒效率、污染物排放和底渣、飛灰及循環(huán)灰含碳量的影響規(guī)律，對油頁巖和半焦在循環(huán)流化床燃燒的工業(yè)化應(yīng)用有一定的參考價值。

1 油頁巖半焦高效燃燒中試實驗

1.1 實驗樣品

實驗所用的油頁巖和油頁巖半焦由山東龍福油頁巖公司生產(chǎn)，其元素分析和工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)油頁巖特點為固定碳含量低、揮發(fā)分含量高。通過熱重分析儀發(fā)現(xiàn)油頁巖著火溫度低于300 ℃，并且隨著干餾時間增加，即發(fā)熱量先降低后升高，所以油頁巖在進(jìn)入爐膛后能夠很快被點燃；而半焦的熱值極低、灰分較大，著火溫度一般在400 ℃以上，屬于不易燃的劣質(zhì)燃料[21]。因此目前采用混燒處理半焦時，必須摻燒其他熱值較大的燃料。

1.2 實驗設(shè)備及方法

循環(huán)流化床中試實驗臺系統(tǒng)流程如圖1所示，實驗臺的最高燃燒熱負(fù)荷為3.3 MWth，實驗鍋爐為熱水爐，給水溫度為90 ℃，出水溫度為130 ℃，出水壓力為1 MPa，給水流量為70 t/h。爐膛中心高度為22.5 m，上部截面為邊長1.01 m的正方形結(jié)構(gòu)，下部截面長×寬為0.560 m×0.911 m的長方形結(jié)構(gòu)。爐膛底部為風(fēng)帽式布風(fēng)板，上部布置有4層共8根水冷蛇形插管，可以通過調(diào)節(jié)投運(yùn)數(shù)量來調(diào)節(jié)爐膛溫度。二次風(fēng)分上下兩級給入，并可以單獨進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。沿爐膛高度方向每間隔約1.5 m均布置有壓力計、熱電偶和取樣點，可以測量溫度、顆粒濃度和各氣體組分沿爐膛高度的分布。在實驗臺的尾部煙道后依次接有半干法脫硫塔、布袋除塵器，并在分離器進(jìn)口處裝有SNCR噴槍，以滿足污染物排放實驗的要求。

實驗過程中，先維持循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，在煤倉的煤基本耗盡的情況下，在煤倉中加入適量的油頁巖。運(yùn)行穩(wěn)定后，設(shè)定一、二次風(fēng)流量分別為2 300 m3/h 和1 050 m3/h，并設(shè)定風(fēng)室壓力為8 kPa。油頁巖燃燒完畢后，按照油頁巖與半焦的質(zhì)量比分別為3:1 和2:1 混合得到的燃料進(jìn)行實驗；實驗中的油頁巖粒度較粗，在1～10 mm之間，其中平均粒徑d50為2.0 mm左右，大于8 mm的粗顆粒約占8%，半焦粒徑均在0～8 mm之間，2種工況分別命名為S1 和S2，并記錄這2 種工況下的實驗數(shù)據(jù)。

表1 油頁巖和油頁巖半焦的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Elemental analysis and industrial analysis of oil shale and oil shale semi-coke

圖1 中試實驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot test bench

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 油頁巖單獨燃燒

在燃燒油頁巖的過程中測得溫度分布如圖2所示，爐膛內(nèi)的溫度沿高度均勻分布。由于該燃燒裝置只有3.3 MWth，相對比表面積較大，因此爐膛散熱的影響較大，這也是導(dǎo)致爐膛溫度整體偏低的原因之一，如果在現(xiàn)在的工業(yè)級CFB進(jìn)行純燒，散熱損失會有所降低。由于燃料的成灰磨耗特性，過渡區(qū)和稀相區(qū)的壓差只有350 Pa，小于同樣條件下煤燃燒的壓差。由表1可知油頁巖中的氮含量比煤中的小，所以，油頁巖燃燒時NOx排放量應(yīng)更低，但在分離器出口監(jiān)測NOx原始排放量為130 mg/m3。其原因是油頁巖的成灰磨耗特性較差的特點導(dǎo)致過渡區(qū)和稀相區(qū)的壓差減小，燃燒份額降低，因此爐膛上部氧氣濃度升高，不易形成還原性氣氛，最終導(dǎo)致NOx排放量增加。

圖2 油頁巖、半焦燃燒床溫分布對比Fig.2 Comparison of temperature distribution of oil shale and semi-coke combustion beds

燃燒油頁巖時SO2測得的排放量小于理論排放量，其原因是油頁巖具有硫含量低、灰分大的特點，導(dǎo)致SO2減少。且實驗中所用油頁巖中Ca 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%，且主要以CaCO3的形式存在，能夠吸收燃燒過程中產(chǎn)生的SO2，因此SO2排放量較低。實驗還測得大粒徑底渣的含碳量遠(yuǎn)高于小粒徑底渣的含碳量，大粒徑的油頁巖底渣的剖面圖如圖3所示，其中心的黑色物質(zhì)即為含碳量較高的部分。因油頁巖具有灰分高、成灰磨耗特性差、內(nèi)部氣體擴(kuò)散性較差的特點，大顆粒的油頁巖難以充分燃燒導(dǎo)致含碳量升高，可以減小油頁巖的入爐粒徑來降低底渣的含碳量從而提高循環(huán)流化床的燃燒效率。

對飛灰和循環(huán)灰的粒徑進(jìn)行測定，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可知：循環(huán)灰粒徑遠(yuǎn)大于飛灰粒徑，說明分離器對小粒徑的分離效率較低。實驗測得飛灰的未燃盡碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.37%，一般飛灰高含碳量的是由爐膛溫度過低、爐膛中部缺氧和燃料的停留較短等引起的，而本文的實驗中爐膛溫度合理、二次風(fēng)擾動大，所以，飛灰含碳量高的原因可能是因分離器對小粒徑分離效率低所引起的飛灰停留時間短。

圖3 大粒徑油頁巖底渣剖面圖Fig.3 Large-diameter oil shale bottom ash profile

圖4 飛灰粒徑分布Fig.4 Fly ash particle size distribution

圖5 循環(huán)灰粒徑分布Fig.5 Circulating ash particle size distribution

2.2 油頁巖和半焦混燒

為了能與純油頁巖燃燒相比，實驗中保證單位時間內(nèi)加入爐膛燃料的發(fā)熱量相等，并采用2種混合比例不同的燃料燃燒進(jìn)行對比，其中工況S1和S2 下的實驗參數(shù)和結(jié)果如表2所示，工況S1 和S2的爐膛溫度分布如圖2所示。由圖2可知：隨著混合燃料中半焦比例增加，燃料的燃燒性能進(jìn)一步變差，爐膛內(nèi)平均溫度下降，但依然保持較均勻分布。過渡區(qū)和稀相區(qū)的壓差較低，顆粒濃度較低，導(dǎo)致爐膛內(nèi)易形成氧化氛圍，所以相比于純油頁巖燃燒，混合燃燒時NOx排放量升高。且半焦的Ca 質(zhì)量含量較高，隨著摻混比例的增加，爐內(nèi)的脫硫效率也隨之上升。

2 種工況的測試結(jié)果如表2所示。與油頁巖相比，半焦顆粒粒徑較小且孔隙發(fā)達(dá)，所以易充分燃燒。由表2可知：隨著半焦摻混比例的增加，飛灰中含碳量降低，但依然含碳量很高，可能由于飛灰仍含有未燃燒的揮發(fā)分。針對此問題，可以通過將飛灰回送進(jìn)爐膛內(nèi)繼續(xù)燃燒進(jìn)行解決，還可以增加二次風(fēng)的擾動提高飛灰的燃燒效率。另外隨著半焦摻混比例的提高，鍋爐排渣量增加，熱物理損失增加，鍋爐的熱效率降低。

2.3 全半焦燃燒

在油頁巖、油頁巖摻混半焦中試實驗基礎(chǔ)上，并根據(jù)前面的分析可知，可以采用以下措施來維持全半焦的燃燒。

1)采用絕熱爐膛燃燒，維持高的燃燒環(huán)境溫度；

2)采用較高的一二次風(fēng)溫，利于對燃料進(jìn)行穩(wěn)燃；

3)減少高溫灰渣的物理熱損失，可使用飛灰回送燃燒技術(shù)；

4)減少半焦給料粒度，減少灰殼厚度，從而提高半焦燃燒效率；

5)適當(dāng)增加二次風(fēng)份額和增強(qiáng)穿透深度，強(qiáng)化擴(kuò)散提高燃燒效率。

通過采用以上措施，提高爐膛溫度，最終可以實現(xiàn)全半焦燃燒。4種工況下的床溫曲線對比如圖2所示。從圖2可知：全半焦燃燒的爐膛溫度明顯比其他3種工況的低，但爐膛溫度分布均勻。本文還對比研究燃料粒度、二次風(fēng)份額、一二次風(fēng)溫對燃燒溫度、燃燒效率和污染物排放的影響，其結(jié)果如表3所示。其中不同粒度不同風(fēng)溫工況下的床溫分布如圖6所示。給料粒度的累計體積分布如圖7所示，其中粗顆粒的d50大于1 000 μm，細(xì)顆粒的d50小于500 μm。

由表3可知：優(yōu)化給料粒度、提高一二次風(fēng)溫可以顯著提高爐膛內(nèi)的燃燒溫度；增加二次風(fēng)份額有利于NOx排放的降低。經(jīng)過優(yōu)化，飛灰底渣含碳量顯著降低，未完全燃燒熱損失降低超過20%。對于絕熱爐膛，床壓降降低，導(dǎo)致爐膛底部溫度有所降低，底渣含碳量有所升高。

表2 工況S1和S2的實驗參數(shù)及結(jié)果Table 2 Experimental parameters and results of operating conditions S1 and S2

表3 各影響因素對中試燃燒性能的影響Table 3 Influence of various influencing factors on pilot test combustion performance

圖6 不同工況下半焦燃燒溫度分布Fig.6 Combustion temperature distribution of semi-coke under different working conditions

圖7 粗細(xì)給料粒度對比Fig.7 Comparison of coarse and fine feeding size

3 結(jié)論

1)在油頁巖和半焦混燒時，隨著半焦的未燃燒揮發(fā)分的顆粒含碳量高的混燒比例增加，爐膛內(nèi)溫度整體下降。與純油頁巖燃燒相比，過渡區(qū)和稀相區(qū)的顆粒濃度低，NOx排放量升高；因半焦中Ca 含量較高，燃料中的鈣硫質(zhì)量比增加，故SO2排放量下降；半焦孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，氧氣擴(kuò)散阻力小，故飛灰和底渣中含碳量有所降低。

2)因全半焦灰分大、發(fā)熱量低，在其燃燒時需采用絕熱爐膛燃燒和較高的一二次風(fēng)溫，減少半焦給料粒度等方法來減少能量損失，從而維持全半焦燃燒。全半焦燃燒時，床溫顯著降低，爐膛溫度分布仍然均勻。優(yōu)化給料粒度、提高一二次風(fēng)溫可以顯著提高爐膛內(nèi)的燃燒溫度；增加二次風(fēng)份額有利于NOx排放的降低。