張 保，何文鋒，魏高鵬，楊文舉

(中國能源建設(shè)集團(tuán)華南電力試驗(yàn)研究院有限公司，廣東 廣州 510799)

0 引言

世界油頁巖資源很豐富，其探明儲(chǔ)量換算成頁巖油，遠(yuǎn)大于世界原油的探明儲(chǔ)量。美國油頁巖儲(chǔ)量居世界首位，其次則為俄羅斯、剛果、巴西、加拿大、約旦、澳大利亞和中國[1]。其中，約旦油頁巖儲(chǔ)量達(dá)700億t。約旦某2×235 MW油頁巖電站項(xiàng)目(簡稱“約旦油頁巖電站”)建成投產(chǎn)后年供電量可達(dá)37億kWh，能夠滿足約旦10%～15%的用電需求。

油頁巖主要有兩種利用途徑[2]：1)通過干餾熱解提取頁巖油；2)直接燃燒進(jìn)行發(fā)電。目前，原有電廠大部分采用煤粉爐燃燒油頁巖。煤粉爐屬于高溫懸浮燃燒方式，主要存在5個(gè)方面的問題：1)煤粉爐制粉系統(tǒng)龐大，油頁巖易爆炸，工作不可靠；2)需要脫硫設(shè)備，NOx排放量高；3)煙氣溫度高，容易導(dǎo)致尾部煙道受熱面高溫腐蝕，減少使用壽命；4)油頁巖灰分較大，容易在尾部煙道受熱面積灰，降低鍋爐效率；5)油頁巖熱值較低，很難在煤粉爐里穩(wěn)定燃燒，需要噴油穩(wěn)燃。為了避免這些問題，對(duì)約旦油頁巖進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，研究油頁巖的燃燒特性和污染物排放特性，以便為鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

1 油頁巖燃料特性

著火性能和燃盡性能是評(píng)價(jià)固體燃料燃燒過程中的兩個(gè)重要指標(biāo)。采集約旦油頁巖電站的油頁巖燃料樣品，在我國某清潔燃燒與煙氣凈化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，主要開展了工業(yè)分析、元素分析、粒徑分布分析和熱重分析，以便了解油頁巖的著火溫度和燃盡溫度等燃料特性。

1.1 工業(yè)分析和元素分析

油頁巖是一種高灰分、高揮發(fā)分、低熱值的劣質(zhì)燃料。約旦油頁巖燃料的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1所列。

表1 油頁巖燃料工業(yè)分析及元素分析結(jié)果

1.2 粒徑分布

合適的入爐煤粒徑分布有利于提高鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性、煤的燃燒效率和機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。粒徑太粗，則密相區(qū)物料的流化和混合變差，導(dǎo)致底渣可燃物含量偏高；粒徑太細(xì)，則顆粒循環(huán)燃燒時(shí)間縮短，導(dǎo)致飛灰可燃物含量高。灰渣可燃物偏高，都會(huì)增加鍋爐未燃盡碳熱損失，降低鍋爐燃燒效率。同時(shí)，過粗或過細(xì)的燃料粒徑均有可能導(dǎo)致鍋爐床溫偏高，影響鍋爐運(yùn)行安全和帶負(fù)荷能力。過度破碎還會(huì)增加燃料破碎成本，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。油頁巖粒度篩分分析結(jié)果見表2所列，可見，粒徑在0.075～0.3 mm之間的油頁巖質(zhì)量占比最高，2～4 mm粒徑區(qū)間的質(zhì)量占比為次高。

表2 油頁巖粒度篩分分析結(jié)果

1.3 熱重分析

采用美國生產(chǎn)的某型號(hào)同步熱分析儀對(duì)油頁巖進(jìn)行熱重分析(thermogravimetric analysis，TGA)，熱重分析結(jié)果見表3所列，熱重曲線(thermogravimetric curve，TG)和差熱分析曲線(differential thermogravimetric curve，DTG)如圖1所示。

表3 油頁巖熱重分析結(jié)果

圖1 TG曲線和DTG曲線

從圖1可以看出：1)隨著溫度的升高，在150 ℃以下TG曲線有一個(gè)快速下降的趨勢(shì)，相應(yīng)DTG曲線出現(xiàn)一個(gè)波峰，此過程對(duì)應(yīng)的是樣品水分的快速析出；2)在250 ℃以后隨著溫度的升高，TG曲線出現(xiàn)第二個(gè)下降趨勢(shì)，相應(yīng)DTG曲線出現(xiàn)第二個(gè)波峰，此過程為燃料中揮發(fā)分成分的大量析出，燃點(diǎn)較低的揮發(fā)分在此過程中開始著火，并帶動(dòng)固定碳開始燃燒；3)在500 ℃以后隨著溫度的升高，TG曲線出現(xiàn)第三個(gè)下降趨勢(shì)，相應(yīng)DTG曲線出現(xiàn)第三個(gè)波峰，此過程為樣品中的大量石灰石吸熱分解；4)隨著溫度升高到749 ℃后，DG曲線變?yōu)橐粭l直線，樣品重量不再變化，說明樣品已經(jīng)完全燃盡，此溫度對(duì)應(yīng)燃料的燃盡溫度。油頁巖開始著火到完全燃盡總失重率為42.11%，每分鐘平均失重率為1.70%。

2 燃燒試驗(yàn)臺(tái)

約旦油頁巖電站項(xiàng)目研究在3 MW 循環(huán)流化 床(circulating fluidized bed，CFB)燃燒 試驗(yàn)臺(tái)上開展。CFB燃燒試驗(yàn)臺(tái)采用平衡通風(fēng)和M型布置，支吊在鋼構(gòu)架上。試驗(yàn)臺(tái)主要由床下點(diǎn)火風(fēng)道、布風(fēng)裝置、主循環(huán)回路、尾部煙道、水冷系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、排渣裝置和鋼構(gòu)架組成，其中的主循環(huán)回路包括爐膛、分離器、回料器和外置床。該試驗(yàn)臺(tái)布置情況如圖2所示。

圖2 CFB燃燒試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒室高度24.5 m，確保了燃料的燃燒時(shí)間和脫硫反應(yīng)時(shí)間，燃燒試驗(yàn)結(jié)果具有更高的參考價(jià)值。爐膛分段設(shè)計(jì)，法蘭連接，獨(dú)立支吊，方便拆卸，擴(kuò)展性強(qiáng)。試驗(yàn)臺(tái)采取兩層給煤、多層二次風(fēng)及外置床設(shè)計(jì)，便于開展針對(duì)性的試驗(yàn)研究。爐膛內(nèi)襯為耐火耐磨材料、絕熱材料，爐膛內(nèi)燃燒溫度采用水冷管、模擬水冷壁控制，水冷管拆卸更換方便，爐膛燃燒溫度可調(diào)性好，以適應(yīng)不同燃料的燃燒試驗(yàn)需求。高溫尾部煙道設(shè)置有水冷器及旁路煙道，可以有效調(diào)控空氣預(yù)熱器(簡稱“空預(yù)器”，air preheater)入口煙溫；低溫?zé)煹啦捎秒p煙道結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)空預(yù)器，通過煙氣擋板可有效調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)溫。試驗(yàn)臺(tái)采用風(fēng)道燃燒器點(diǎn)火，設(shè)有完善的點(diǎn)火、火檢和滅火等保護(hù)功能；試驗(yàn)臺(tái)布置了大量的溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)，并為試驗(yàn)研究預(yù)留了大量的測(cè)試孔。

3 燃燒試驗(yàn)分析

本文主要在循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行油頁巖燃料點(diǎn)火試驗(yàn)，并在助燃燃料輔助下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，觀察在不同工況下污染物SO2和NOx的排放規(guī)律，以下為試驗(yàn)的結(jié)果與分析。

3.1 點(diǎn)火啟動(dòng)試驗(yàn)

循環(huán)流化床多采用床下點(diǎn)火方式，高溫?zé)煔饧訜岽擦系臒崂寐矢撸擦蠝厣^快且容易控制；因有爐內(nèi)大量床料循環(huán)，爐膛內(nèi)部溫度更加均勻。

試驗(yàn)臺(tái)采用天然氣作為點(diǎn)火燃料。當(dāng)爐膛下層床溫達(dá)到333 ℃時(shí)開始試投油頁巖，氧量降低，油頁巖著火，之后脈動(dòng)給料，當(dāng)下層床溫達(dá)到400 ℃時(shí)開始連續(xù)投油頁巖。結(jié)合啟動(dòng)曲線可以看出，投油頁巖后試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行床溫升溫速率呈現(xiàn)加快趨勢(shì)，氧量迅速下降，表明燃料在爐內(nèi)著火燃燒。下層床溫升高到580 ℃時(shí)切斷天然氣，增加給油頁巖量，床溫略有下降后持續(xù)升高。

如圖3所示，從點(diǎn)火曲線能看出，油頁巖在580 ℃撤天然氣后爐膛床溫升溫速率很慢，溫度逐漸穩(wěn)定保持在590 ℃左右，為保證穩(wěn)定快速升溫速率，恢復(fù)天然氣的助燃。天然氣助燃期間爐膛升溫速率僅為10 ℃/h，主要原因是由于油頁巖熱值低且灰分高，單位時(shí)間排渣量大，燃燒釋放熱量僅略大于排渣熱量和爐內(nèi)熱量流失，造成升溫緩慢。

圖3 點(diǎn)火啟動(dòng)過程曲線

3.2 燃燒效率試驗(yàn)

為全面研究約旦油頁巖的燃燒效率和灰渣特性，在循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)上開展了多個(gè)穩(wěn)定燃燒試驗(yàn)工況。本次試驗(yàn)主要工況設(shè)計(jì)參數(shù)見表4所列，對(duì)各個(gè)工況的灰、渣等燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了分析。試驗(yàn)過程中，通過瑞士生產(chǎn)的某型號(hào)煙氣分析儀連續(xù)進(jìn)行采樣分析，得出排放煙氣成分。本次油頁巖試燒試驗(yàn)工況的燃燒效率、灰含碳量、渣含碳量、CO排放和氧量等參數(shù)，見表5所列。

表4 油頁巖試燒主要工況設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 油頁巖試燒工況燃燒效率計(jì)算相關(guān)參數(shù)

由表5可以看出，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上燃燒油頁巖，總體上燃燒效率較高；在接近設(shè)計(jì)燃燒溫度水平下，燃燒效率可以達(dá)到98.5%，即工況1至工況6的平均值；670～700 ℃低燃燒溫度的工況燃燒效率也達(dá)到96%以上，表明油頁巖易燃燒、易燃盡。燃燒效率隨燃燒溫度升高而升高，如圖4所示。工況6的燃燒效率最高，為99.67%，其主要運(yùn)行參數(shù)為：床壓6.8 kPa，床溫798 ℃，氧量4%，一次風(fēng)率38%。

圖4 床溫與燃燒效率關(guān)系

3.3 SO2排放特性試驗(yàn)

影響CFB鍋爐脫硫效率的主要因素包括鈣硫摩爾比、石灰石活性、運(yùn)行床溫、石灰石粒徑、運(yùn)行氧量、分級(jí)燃燒、床壓和負(fù)荷變化[3-5]。其中，分級(jí)燃燒包括一次風(fēng)率和二次風(fēng)率。

煤灰分中一般含有一定的CaO成分，這部分CaO與煤中硫燃燒生成的SO2反應(yīng)，亦可起到固硫作用，因此，不投石灰石時(shí)的SO2實(shí)際排放濃度低于以全硫?yàn)榛鶞?zhǔn)計(jì)算的理論排放濃度，這種現(xiàn)象稱為煤的自脫硫，還有部分在循環(huán)流化床燃燒條件下不分解的硫酸鹽硫也計(jì)入自脫硫。定義煤自身鈣硫摩爾比Ks,self為：

式中：Aar為煤的收到基灰分含量，%；Sar為煤的收到基硫分含量，%；ηCaO為煤灰中CaO質(zhì)量百分含量，%。

通過約旦油頁巖樣化學(xué)分析結(jié)果可知，其硫分含量較高(Sar為1.05%，折算硫分為2.69 g/MJ)，當(dāng)過量空氣系數(shù)α=1.4時(shí)，理論SO2排放值約為13 000 mg/Nm3。由于灰分較高(Aar=55.8%)，灰成分中氧化鈣含量達(dá)到38.8%，自身鈣硫摩爾比極高，即：Ks,self=11.8。圖5給出了試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)期間SO2排放隨床溫、氧量、一次風(fēng)率變化曲線，SO2排放測(cè)試值都趨近于0 mg/Nm3，可見，約旦油頁巖具有十分高效的自脫硫特性。

圖5 SO2排放隨床溫、氧量、一次風(fēng)率變化曲線

3.4 NOx排放特性試驗(yàn)

NOx生成途徑主要有兩個(gè)：1)空氣中的氮元素在高溫狀態(tài)下與氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成NOx，即熱力型NOx；2)燃料中的氮元素發(fā)生熱分解被氧化生成NOx，即燃料型NOx。燃料氮形成的NO占流化床燃燒方式NOx總排放的95%以上，燃料氮在煤燃燒時(shí)一部分隨揮發(fā)分析出燃燒，即揮發(fā)分氮；另一部分則殘存在焦炭上，即焦炭氮[6-8]。

影響循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的主要因素有：床溫、氧量、一次風(fēng)率、上下二次風(fēng)配比、鈣硫比和燃料性質(zhì)。在本次燃燒試驗(yàn)各個(gè)工況下，當(dāng)床溫在700～800 ℃之間變化，過量空氣系數(shù)在1.17～1.94之間變化，采用6% O2，按NO2計(jì)，則NOx排放在42～328 mg/Nm3之間；當(dāng)床溫接近設(shè)計(jì)參數(shù)800 ℃，氧量小于6%時(shí)，NOx排放為58 mg/Nm3，各個(gè)工況的NOx排放數(shù)據(jù)詳見表6所列。

表6 油頁巖不同運(yùn)行工況下NOx排放數(shù)據(jù)表

NOx排放隨氧量變化的曲線見圖6。由圖6可知，當(dāng)氧量降低時(shí)，NOx排放降低，但過低的氧量不利于燃料燃燒，降低燃燒效率。

圖6 NOx排放隨氧量變化曲線

4 結(jié)語

燃燒試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)油頁巖易著火、易燃盡，采用流化床燃燒方式，燃燒穩(wěn)定，燃燒效率高，NOx排放較低，SO2排放趨近為零。

本文試驗(yàn)研究得到的結(jié)論如下：

1)試驗(yàn)油頁巖熱重分析結(jié)果：著火溫度為313 ℃，燃盡溫度749 ℃，表明試驗(yàn)油頁巖的著火溫度相對(duì)較低，屬于易著火、易燃盡煤種。試驗(yàn)油頁巖在冷態(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，初始投煤的床溫為333 ℃，連續(xù)投煤的床溫為400 ℃，撤除輔助燃料天然氣的床溫為580 ℃；

2)試驗(yàn)油頁巖在試燒設(shè)計(jì)參數(shù)、爐內(nèi)未投石灰石的運(yùn)行工況下，SO2排放趨近于0 mg/Nm3，自脫硫率達(dá)到100%；

3)試驗(yàn)油頁巖在鍋爐額定負(fù)荷2 MW、床溫780～800 ℃、氧量3.1%～5.2%、一次風(fēng)率為37%～53%的運(yùn)行工況下，SO2的排放濃度為0 mg/Nm3；折算氧量6%下的NOx排放濃度為42～91 mg/Nm3，平均值為58 mg/Nm3。

為了保證CFB鍋爐燃燒約旦油頁巖具有較高的燃燒效率、較低的污染物排放(SO2、NOx)水平，從運(yùn)行角度考慮，推薦爐膛床溫按780～810 ℃，爐膛出口氧量控制在4%～5%范圍，一次風(fēng)率控制在35%～40%范圍。