龍口油頁巖半焦和煤混合燃燒特性研究

王明山，馮紹龍， 韓應(yīng)國， 王其雷

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧　272100)

?

龍口油頁巖半焦和煤混合燃燒特性研究

王明山，馮紹龍， 韓應(yīng)國， 王其雷

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧272100)

通過對(duì)龍口褐煤、油頁巖和半焦進(jìn)行混合試驗(yàn)，研究了混合前后發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、水分、硫分和灰熔融性軟化溫度的變化特征，掌握了性價(jià)比最高的最佳配比，為小顆粒油頁巖、煤和半焦的混合燃燒發(fā)電提供了科學(xué)依據(jù)。

煤；油頁巖；半焦；燃燒指標(biāo)；變化特征；最佳配比；綜合燃燒發(fā)電；山東龍口

引文格式：王明山，馮紹龍， 韓應(yīng)國， 等.龍口油頁巖、半焦和煤混合燃燒特性研究[J].山東國土資源，2015,31(12)：66-69.WANG Mingshan , FENG Shaolong , HAN Yingguo , etc. Study on Combustion Characteristics of Oil Shale Semi-coke and Coal Mixture[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(12)：66-69.

油頁巖的工業(yè)開發(fā)利用概括起來主要有2個(gè)方面，即利用低溫干餾技術(shù)提取頁巖油和直接燃燒發(fā)電[1-3]。山東膠東龍口小顆粒油頁巖約占50%，目前均作為配煤送熱電廠發(fā)電，大、中顆粒油頁巖干餾后的半焦中還含有多種微量金屬元素、硫化物、半揮發(fā)性物質(zhì)、多環(huán)芳香烴、酚類等有機(jī)化合物及其他有害物質(zhì)，不處理將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，半焦發(fā)電是油頁巖綜合利用的重要環(huán)節(jié)。因此研究煤、油頁巖和半焦在不同混合比例后的燃燒性指標(biāo)高低，掌握最佳配比，對(duì)半焦、油頁巖和煤的混合燃燒發(fā)電具有重要的指導(dǎo)意義。

1　研究方法

樣品選擇：該次從龍口北皂礦取褐煤及油頁巖樣品，從龍福公司取半焦樣品。褐煤為所有煤種中綜合燃燒性能[4]；油頁巖作為低熱值燃料具有點(diǎn)火容易和較高的燃燒效率，且不宜結(jié)焦[5]；半焦具有灰分產(chǎn)率高和熱值低的特點(diǎn)。

煤、油頁巖、半焦及混合樣品主要燃燒指標(biāo)：將煤和油頁巖按照1∶1和1∶0.8～1∶0.1(以0.1為級(jí)差)的比例混合，煤和半焦按照1∶0.6～1∶0.1(以0.1為級(jí)差)的比例混合，將煤樣、油頁巖樣及混合樣品經(jīng)山東泰山礦產(chǎn)資源檢測(cè)研究院化驗(yàn)，燃燒指標(biāo)見表1①。

表1　煤油頁巖半焦及混合樣品主要燃燒指標(biāo)

根據(jù)我國發(fā)電用煤對(duì)煤質(zhì)的主要要求：褐煤電廠發(fā)熱量Qnet，ar要求在12.0MJ/kg以上；揮發(fā)分(Vdaf)在40%以上；灰熔融性軟化溫度(ST)大于1150℃；硫分不超過2%；灰分一般不宜太高，對(duì)小型電廠灰分不超過46%；干燥基水分一般不超15%。

根據(jù)煤的發(fā)電指標(biāo)要求，由表1化驗(yàn)數(shù)據(jù)，煤、油頁巖、半焦及混合樣的發(fā)熱量Qnet，ar在13.81～20.77MJ/kg；除半焦外其他揮發(fā)分Vdaf在47.23%～74.27%之間，半焦揮發(fā)分36.69%；除半焦灰分56.27%較大外，其他灰分一般小于或接近46%；硫分均不超過1%；全水分Mad均小于15%；在煤和半焦混合樣(1∶0.6和1∶0.5)灰熔融性軟化溫度(ST)為1140℃，其他樣品ST值均大于1150℃。根據(jù)以上化驗(yàn)結(jié)果說明混合樣品的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、硫分、全水分及灰熔融軟化溫度(ST)均滿足發(fā)電要求。

2　混合前后樣品變化分析

在利用煤、油頁巖和半焦的混合燃燒發(fā)電時(shí)，為使其獲得最佳性價(jià)比，分析樣品混合前后發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、水分、硫分、灰熔融性軟化溫度的變化具有較大意義。

2.1混合前后發(fā)熱量變化

煤和油頁巖混合前發(fā)熱量，煤>油頁巖，煤和油頁巖混合后發(fā)熱量介于煤和油頁巖之間，從1∶1到1∶0.1的混合比例，發(fā)熱量基本上呈逐漸緩慢升高趨勢(shì)，并且都滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶1的混合比例性價(jià)比最高。

煤和半焦混合前發(fā)熱量，煤>半焦，煤和半焦混合后發(fā)熱量介于煤和半焦之間，從1∶0.6到1∶0.1的混合比例，發(fā)熱量基本上呈逐漸緩慢升高趨勢(shì)，并且都滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶1的混合比例性價(jià)比最高。

2.2混合前后揮發(fā)分變化

揮發(fā)分大小與煤、油頁巖的變質(zhì)程度有關(guān)，變質(zhì)程度越高，其揮發(fā)分產(chǎn)率就越低。煤、油頁巖和半焦混合前揮發(fā)分，油頁巖>煤>半焦，煤和油頁巖混合后揮發(fā)分介于煤和油頁巖之間，從1∶1到1∶0.1的混合比例，揮發(fā)分基本上呈逐漸緩慢下降趨勢(shì)，并且都滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶1或1∶0.8的混合比例性價(jià)比最高。

煤和半焦混合后揮發(fā)分明顯比混合前的煤和半焦高，從1∶0.6到1∶0.1的混合比例，揮發(fā)分總體上呈緩慢下降趨勢(shì)，在1∶0.4時(shí)的揮發(fā)分最高，并且都滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶0.6～1∶0.4的混合比例性價(jià)比最高。

2.3混合前后灰分變化

煤、油頁巖和半焦混合前灰分，半焦>油頁巖>煤，煤和油頁巖混合后灰發(fā)分介于煤和油頁巖之間，從1∶1到1∶0.1的混合比例，灰分基本上呈逐漸緩慢下降趨勢(shì)，并且都滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶0.5～1∶0.7的混合比例性價(jià)比最高。

煤和半焦混合后灰分介于煤和半焦之間，從1∶0.6到1∶0.1的混合比例，灰分總體上呈緩慢下降趨勢(shì)。在1∶0.4時(shí)的灰分最高，超過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；在1∶0.6～1∶0.5之間接近工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶0.6～1∶0.5或以1∶0.3的混合比例性價(jià)比最高。

2.4混合前后水分變化

煤、油頁巖和半焦混合前水分，煤>油頁巖>半焦，煤和油頁巖混合后水分含量均大于混合前，從1∶1到1∶0.1的混合比例，灰分基本上呈逐漸上升趨勢(shì)，混合前都滿足發(fā)電水分要求，混合后除1∶1～1∶0.7之間基本滿足工業(yè)發(fā)電要求外，其他混合比例均不能滿足工業(yè)發(fā)電要求。從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶1～1∶0.7的混合比例性價(jià)比最高，并且基本滿足發(fā)電要求。

煤和半焦混合后除1∶0.4比例低于混合前煤的水分外，其他水分含量基本大于混合前，從1∶0.6到1∶0.1的混合比例，水分總體上呈上升趨勢(shì)。在1∶0.4時(shí)的水分最低，達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；在1∶0.6～1∶0.5之間接近工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足發(fā)電要求，從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶0.6～1∶0.5或以1∶0.6～1∶0.4的混合比例性價(jià)比最高。

2.5混合前后硫分變化

硫?yàn)槊褐械挠泻﹄s質(zhì)，在煤燃燒過程中與O2反應(yīng)生成硫的氧化物，不僅腐蝕設(shè)備，而且污染環(huán)境，損害身體健康。對(duì)高硫煤在燃燒前需進(jìn)行脫硫處理和回收利用。煤、油頁巖和半焦混合前、后全硫含量均小于1%，因此全都符合工業(yè)發(fā)電要求。混合前后化驗(yàn)結(jié)果詳見圖1。

圖1　混合前后硫分變化柱狀圖

煤、油頁巖和半焦混合前全硫含量，油頁巖>半焦>煤，煤和油頁巖混合后硫分含量介于混合前油頁巖和煤之間，從1∶1到1∶0.1的混合比例，圖中顯示硫分基本上呈逐漸下降趨勢(shì)。從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶1～1∶0.7的混合比例性價(jià)比最高，并且能夠滿足發(fā)電要求。

煤和半焦混合后硫分含量基本大于混合前，從1∶0.6到1∶0.1的混合比例，圖1中顯示硫分基本上呈逐漸下降趨勢(shì)。從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶0.6的混合比例性價(jià)比最高，并且能夠滿足發(fā)電要求。

2.6混合前后灰熔融性軟化溫度變化

煤、油頁巖和半焦混合前軟化溫度，煤>油頁巖和半焦，煤和油頁巖混合后軟化溫度介于混合前煤和油頁巖之間(圖2)，從1∶1到1∶0.1的混合比例，圖中顯示軟化溫度呈逐漸上升趨勢(shì)，混合前后均滿足工業(yè)發(fā)電要求。從性價(jià)比上看，煤和油頁巖以1∶1～1∶0.5的混合比例性價(jià)比較高，并且均滿足發(fā)電要求。

圖2　褐煤、油頁巖及半焦混合前后軟化溫度變化示意圖

煤和半焦混合后除1∶0.4和1∶0.5比例低于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，其他混合前后軟化溫度均達(dá)到工業(yè)要求。從性價(jià)比上看，煤和半焦以1∶0.6的混合比例性價(jià)比最高。

軟化溫度對(duì)鍋爐的熱效率、運(yùn)行及完全性有很大的影響。灰熔點(diǎn)的高低，與煤灰、油灰和半焦的組分有很大關(guān)系。①當(dāng)灰熔點(diǎn)低時(shí)，燃燒時(shí)易結(jié)渣。對(duì)層燃爐來說，煤灰結(jié)渣后，通風(fēng)阻力增加，物理性不完全燃燒熱損失上升，熱效率下降，破壞了正常燃燒的狀況；對(duì)煤粉來說，易使?fàn)t膛內(nèi)壁爬渣，在高溫對(duì)流過熱的管子上搭橋，使燃燒狀況惡化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起鍋爐爆炸。因此，為保證鍋爐運(yùn)行安全，應(yīng)采用液態(tài)排渣，若不能液態(tài)排渣，要求其灰熔點(diǎn)ST<1350℃。②當(dāng)灰熔點(diǎn)過高時(shí)，在層燃爐中煤灰呈粉末狀，渣塊小，透氣性差，對(duì)燃燒不利。

3　結(jié)語

通過煤、油頁巖和半焦混合試驗(yàn)表明：發(fā)熱量：煤和油頁巖或煤和半焦均以1∶1的配比性價(jià)比最高。揮發(fā)分：煤和油頁巖以1∶1或1∶0.8、煤和半焦以1∶0.6～1∶0.4的配比性價(jià)比最高。灰分：煤和油頁巖以1∶0.5～1∶0.7、煤和半焦以1∶0.6～1∶0.5或以1∶0.3的配比性價(jià)比最高。水分：煤和油頁巖以1∶1～1∶0.7、煤和半焦以1∶0.6～1∶0.5或以1∶0.6～1∶0.4的配比性價(jià)比最高。硫分：煤和油頁巖以1∶1～1∶0.7、煤和半焦以1∶0.6的配比性價(jià)比最高。灰熔融性軟化溫度：煤和油頁巖以1∶1～1∶0.5、煤和半焦以1∶0.6的配比性價(jià)比最高。并且都能滿足發(fā)電要求。

利用煤和油頁巖、煤和半焦混合燃燒發(fā)電，燃燒主要是煤、油頁巖或半焦的化學(xué)能向熱能的轉(zhuǎn)換過程，故要求其燃燒時(shí)放熱越多越好，即熱效率越高越好。但熱效率的高低受燃燒設(shè)備的性能與操作、燃燒方式、油頁巖及半焦或煤的成分和質(zhì)量等控制。對(duì)于既定的燃燒設(shè)備來講，其燃燒方式也是確定的，因此，影響熱效率高低的主要因素包括水分、灰分、揮發(fā)份、全硫、發(fā)熱量和灰熔融性。

[1]劉佰謙.樺甸油頁巖燃燒過程的熱重分析[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，1998,4(1)：51-54.

[2]于敦喜，徐明厚.煤焦破碎的模擬研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005,25(9)：90-93.

[3]韓向新，姜秀民，崔志剛，等.油頁巖半焦燃燒特性的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005,25(15)：106-110.

[4]繆巖.煤燃燒特性的綜合指標(biāo)[J].電站系統(tǒng)工程，1998,14(3)：23-26.

[5]蔣德華.茂名油頁巖燃燒特性研究[J].潔凈煤技術(shù)，2006,12(3)：86-87.

Study on Combustion Characteristics of Oil Shale Semi-coke and Coal Mixture

WANG Mingshan , FENG Shaolong , HAN Yingguo , WNAG Qilei

(No. 2 Exploration Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology, Shandong Jining 272100, China)

Through mixing test of lignite, oil shale and semi-coke in Longkou city, heat, volatile matter, ash, moisture, sulfur, ash fusibility and change characteristics of softening temperature before and after mixing have been studied. The best proportion with the highest performance ratio has been known. It will provide scientific basis for combustion power generation by using mixed small particles of oil shale, coal and semi-coke.

Combustion index; change characteristics; best proportion; comprehensive combustion power generation; Longkou city

2015-01-29；

2015-04-02；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

王明山(1964—)，男，山東費(fèi)縣人，高級(jí)工程師，一直從事煤田地質(zhì)勘查工作；E-mail:smw_jn@126.com

TE662

B

地勘基金項(xiàng)目：科研類山東省國土資源廳，龍口油頁巖賦存規(guī)律及開發(fā)利用研究，魯國土資字[2013]

①山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，龍口油頁巖賦存規(guī)律及開發(fā)利用研究，2014年。