油頁巖摻燒研究

楮衍強，李順海，劉林濤

廣東茂名臻能熱電有限公司，廣東茂名 525000

1 油頁巖簡介

油頁巖是在礦物機體中含有固體可燃有機質的沉積巖 ，在化石燃料中它的儲量折算為發熱量僅次于煤而列第二位，如果將它折算成頁巖油，世界上的油頁巖儲量將是4750億噸，相當于目前世界天然原油探明可采儲量的 5.4倍，是一種潛在的巨大能源。我國已探明的油頁巖儲量為3.1567×1010t，主要分布在吉林、遼寧、廣東、山東、內蒙古等省、自治區，其中廣東省茂名地區油頁巖地質儲量為 5.3×109t，對一次能源貧乏的廣東地區來說，它是一種十分重要的一次能源資源。

2 鍋爐及制粉系統設備簡介

HG-680/13.7-YM2鍋爐是為茂名瑞能熱電有限公司以煤代油熱電聯產工程設計的，設計煤種為煙煤，鍋爐為超高壓參數，帶一次中間再熱的單鍋筒自然循環、固態排渣、四角切圓燃燒、平衡通風、露天布置。制粉系統為中速磨直吹式，5臺ZGM80N型磨煤機對應5層燃燒器。

3 油頁巖及#5爐目前燃用煤的分析數據及試驗結果

3.1 工業分析、元素分析、可磨性、灰熔融溫度及灰成分

油頁巖、神華煤分析數據見表1。另外，對神華煤與頁巖的1：9、2：8及4：6混煤進行了灰熔融性溫度測定，數據見表2。可見，隨著頁巖摻入量的增加，混煤的灰熔融溫度隨之增高。

表1 油頁巖、神華煤分析數據

煤灰中SO3 % 0.30 10.10煤灰中MnO2 % 0.065 0.065

表2 混煤灰熔融溫度測定結果

3.2 熱重分析試驗

在4.1型熱天平上對本次油頁巖進行了空氣介質中和氧氣中的熱重分析試驗，試驗結果如下：

空氣介質：反應開始溫度：235℃，反應結束溫度：625℃，最高反應速度：2.9%/min；

最高反應速度對應溫度：362℃；

氧氣介質：反應指數RI：236℃，燃盡指數Cb：7.824。

3.3 煤粉氣流著火溫度IT測定結果

油頁巖：460℃，神華煤：550℃。

3.4 一維火焰爐燃燒及結渣試驗

對神華煤與油頁巖的6：4混煤的一維火焰爐燃燒結渣試驗結果見表3。煤種及混煤的結渣及燃盡情況見表4。

表3 一維火焰爐燃燒結渣試驗結果

表4 一維爐結渣指數變化

由摻燒前后煤樣的燃盡率比較可見，最終燃盡率對神華煤影響不大。從結渣情況來看，摻入油頁巖后，神華煤的結渣指數反而降低。

4 實際摻燒實驗

4.1 摻燒方式

根據試驗結果采取1：1預混進行摻燒。為保證爐內燃燒的穩定性，先將混煤上至E磨煤機（最上層）進行燃燒，在取得相關數據并確認可行的情況下，再逐步推廣至D、C磨煤機。在摻燒過程中最少保持底部兩層燃燒熱值較高、質量較好的煙煤，以保證爐內燃燒安全。

4.2 制粉系統運行情況

#5鍋爐磨煤機出口設計溫度為77℃，考慮到油頁巖高揮發份、著火溫度低的特點，根據可行性研究的結果，摻燒油頁巖時將啟磨允許溫度（70℃＜t＜80℃）、快速停磨溫度（t≥90℃）和緊急停磨溫度（t≥100℃）等保護參數相應調低10℃，其它保護條件不變。實際運行中一般維持磨煤機出口溫度在60℃～65℃，一次風量約40km3/h，給煤量約20t/h。自從摻燒油頁巖以來，未發生過磨煤機著火、煤粉爆炸等事件，說明制粉系統的安全性是可靠的。

4.3 爐內燃燒情況

從摻燒油頁巖前后的情況來看，燃燒器的著火情況未發生明顯的變化，現場觀察未發現有回火現象，燃燒器周界風維持摻燒前的開度（30%～40%）即可，燃燒周圍無明顯的結焦情況。從鍋爐的各主要運行參數來看，主蒸汽壓力、溫度、爐膛壓力、汽包水位等無明顯的變化，均能穩定運行，說明摻燒油頁巖后爐內燃燒穩定。摻燒油頁巖后對燃盡率影響很小，飛灰可燃物及爐渣可燃物均能控制在很好的水平。

表5 摻燒油頁巖后的飛灰、爐渣可燃物

4.4 爐內結焦情況

在爐膛結焦這個問題上，實際情況與研究分析中的一致，摻燒油頁巖后，爐膛的結焦情況輕微，不影響鍋爐安全運行。神華煙煤是強結焦性的煤種，摻燒油頁巖后爐膛的結焦情況明顯減輕，現在兩臺磨煤機燒混煤，其它三臺燒神華煤的方式下，鍋爐可以滿出力長期運行。

4.5 輸灰系統運行情況

實際運行情況表明，輸灰系統完全能滿足鍋爐摻燒20%油頁巖的需要，摻燒過程中未出現過因輸灰系統的問題而造成除塵器灰斗滿灰的情況。

4.6 空氣預熱器運行情況

空氣預熱器沒發生明顯堵灰現象，摻燒前后其風、煙壓差無明顯變化，如現在摻燒油頁巖滿負荷運行工況下，空氣預熱器二次風阻力為0.84kPa，B-MCR工況下的設計值為0.884KPa。

4.7 送風機、引風機、一次風機運行情況

送風機、引風機、一次風機均能滿足鍋爐摻燒油頁巖滿負荷運行。表6各臺風機在鍋爐摻燒油頁巖滿負荷運行的主要參數，參數表明各風機的出力均還有一定余量，特別是送風機，出力富余量很大。

表6 風機、引風機、一次風機主要運行參數

4.8 撈渣機運行情況

#5爐的撈渣機采用變頻調節，輸送量為4t/h～ 40t/h。摻燒油頁巖后，爐底出渣量明顯增加，但撈渣機的出力仍能滿足要求，一般在40Hz的頻率運行即可。

5 鍋爐運行適應性分析

5.1 燃燒溫度與結渣

由圖7可見，燃用神華煤時燃燒器區域火焰峰值溫度較高，燃燒器熱負荷也較高，因為神華煤的灰熔點較低，所以與摻燒油頁巖的其它兩個工況相比，燃燒器區域就容易結焦，現場觀察發現A1、B1、E1、E3噴口掛焦，其中E1和E3噴口周圍的水冷壁上也有一定程度的結焦。摻燒油頁巖后燃燒器區域的溫度下降約70℃～80℃，再加上油頁巖自身的灰熔點也比較高，燃燒器區域的結焦也大為減輕，只在E3噴口周圍有輕微堆焦。摻燒30%油頁巖時比摻燒20%時的火焰溫度略有降低，應該不會影響到煤粉的著火穩定性，主要是入爐煤的總熱量較低限制了鍋爐負荷。

圖6 不同煤種爐膛火焰溫度分布

5.2 鍋爐效率及其環保特性

表7的效率測試結果顯示，燃用神華煤時鍋爐效率為92.77%，比設計值高。與單獨燃用神華煤相比，摻燒20%的油頁巖時，鍋爐效率升高0.4個百分點；燃用30%油頁巖時，鍋爐效率基本不變，說明摻燒20%的油頁巖鍋爐效率會有一定程度的升高，當摻燒比例達到30%時不會影響鍋爐的經濟性。

表7 鍋爐效率試驗結果

由于油頁巖硫含量比神華煤要高，所以隨著油頁巖摻燒比例的增加，鍋爐SO2排放濃度呈增加的趨勢，在20%油頁巖時排放濃度為1733mg/Nm3，比全燒神華煤時升高251mg/Nm3，煙氣露點溫度約升高3℃。摻燒20%油頁巖時NOx排放濃度增加200mg/Nm3，但仍低于650mg/Nm3的國家標準。

5.3 摻燒油頁巖經濟性分析

表8 鍋爐摻燒油頁巖經濟性分析

由表8可以看出，#5爐在摻燒20%油頁巖后，發電煤耗由全燒神華煤的331.9g/kW·h下降為326.4g/kW·h，降低5.5g/kW·h；在摻燒30%油頁巖時，發電煤耗升高3.0g/kW·h。在摻燒20%油頁巖時每度電的發電成本下降0.0179元，當油頁巖摻燒量達30%時，每度電的發電成本下降更多，降低0.0207元。

6 結論

試驗結果表明，油頁巖具有高揮發分、低熱值、易著火的特點，灰熔點比較高。在不改變統統和設備的情況下，在茂名熱電廠#5爐摻燒油頁巖具有可行性，安全性和經濟性。

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