油頁巖半焦部分燃燒升溫輸送實(shí)驗(yàn)研究

孫佰仲，王貴召，黃志榮，王擎

(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012 2.大唐電力集團(tuán)內(nèi)蒙古分公司，呼和浩特026000)

我國油頁巖資源豐富，具有大規(guī)模開發(fā)油頁巖的資源基礎(chǔ)，國內(nèi)油頁巖開發(fā)研究起步晚，基礎(chǔ)理論研究比較薄弱，技術(shù)水平相對落后。目前國內(nèi)應(yīng)用的氣體熱載體法干餾技術(shù)主要存在規(guī)模小、工藝技術(shù)落后、污染嚴(yán)重、資源利用率低等問題。固體熱載體干餾工藝具有“出油率高、綜合利用率高、節(jié)能環(huán)?！钡热髢?yōu)勢，而國內(nèi)只有小型試驗(yàn)成果，工業(yè)化生產(chǎn)還存在諸多不確定因素。這些已成為制約我國油頁巖資源大規(guī)模開發(fā)利用的瓶頸問題［1－3］。油頁巖固體熱載體干餾工藝中，以氣力輸送方式將干餾后半焦回送到干餾爐入口并在輸送過程中控制半焦燃燒溫度，符合干餾工藝對熱載體的要求是整個干餾工藝的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到干餾工藝的成敗。

噴動床是一種適用于Geldart D類粗大顆粒的高效氣固反應(yīng)器，床體內(nèi)具有規(guī)律性極強(qiáng)的固體顆粒的內(nèi)循環(huán)，在高溫接觸中可以促使熱量在氣體與固體顆粒之間以及固體顆粒之間反復(fù)不斷地相互傳遞，增加了固體顆粒濃度的上、下極限。所以，在劣質(zhì)煤燃燒和氣化、低熱值工業(yè)廢棄物和生活垃圾燃燒、油頁巖熱解干餾以及煙氣脫硫等生產(chǎn)工藝中擁有諸多固有優(yōu)勢，這是已有的流態(tài)化反應(yīng)器所無法實(shí)現(xiàn)的［4－6］。將噴動床技術(shù)應(yīng)用于油頁巖固體熱載體干餾工藝中，來滿足油頁巖固體熱載體干餾工藝對熱載體熱力參數(shù)的要求。

本文在自行設(shè)計(jì)和搭建的油頁巖半焦噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)臺上完成了柳樹河油頁巖半焦的升溫輸送實(shí)驗(yàn)，為了保證燃燒后的熱灰和油頁巖混合后不至于發(fā)生瓦斯爆炸，噴動床燃燒后在分離器內(nèi)含氧量不能超過5%。

1 實(shí)驗(yàn)研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)臺的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)臺包括實(shí)驗(yàn)臺本體、電磁感應(yīng)加熱裝置、送引風(fēng)機(jī)、和連續(xù)給料機(jī)。噴動床燃燒所需要的油頁巖半焦由螺旋給料機(jī)送入，羅茨風(fēng)機(jī)出口空氣與液氮罐出來的汽化后的氮?dú)饣旌虾筮M(jìn)入電磁感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)輸送段噴入爐膛。燃燒產(chǎn)生的煙氣以及固體顆粒經(jīng)由噴動床上部的出口進(jìn)入旋風(fēng)分離器，煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)后通過煙囪排出。被分離下來的固體顆粒經(jīng)過閥門排入儲料桶，以便進(jìn)行取樣分析。各個測量溫度和壓力點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳入電腦經(jīng)相關(guān)軟件處理后記錄。

圖1 噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品和工況

實(shí)驗(yàn)所用樣品為柳樹河油巖頁半焦，其工業(yè)分析和元素分析見表1。將已有的經(jīng)過低溫干餾(490℃)獲得的柳樹河油頁巖半焦用腭式破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理并用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)進(jìn)行篩分到2.5 mm以下，以滿足實(shí)驗(yàn)對物料的要求，其粒徑分布如表2所示。標(biāo)準(zhǔn)狀況下計(jì)算出粒徑2.5 mm柳樹河油頁巖半焦的終端速度為8.3 m/s。

表1 柳樹河油頁巖半焦工業(yè)分析和元素分析

經(jīng)過多次對實(shí)驗(yàn)臺調(diào)試摸索，考慮到噴動床溫度(750℃以上)和出口氧量(3%以內(nèi))控制，以入口氧量、風(fēng)速和給料量三個因素來進(jìn)行試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)，既能減少實(shí)驗(yàn)工況次數(shù)又能恰當(dāng)?shù)胤从吵鋈蛩貙τ趪妱哟矞囟群统隹谘趿孔兓挠绊?，?shí)驗(yàn)工況見表3所示。

表2 柳樹河油頁巖半焦粒徑分布

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分離物料量與給料量之比

從表2中可以看到各工況下的分離物料與給料量之比大致在0.6～0.7之間，按照灰平衡理論上應(yīng)該在0.8左右(工業(yè)分析中灰分為43.68%，固定碳占43.39%)，這是因?yàn)樾L(fēng)分離器的效率主要隨煙氣流速而變，部分細(xì)小顆粒未能完全分離下來而被煙氣帶走，造成10%～20%損失。

為了保證出口氧量控制在3%以內(nèi)，同時實(shí)驗(yàn)又能穩(wěn)定運(yùn)行，則入口氧量應(yīng)控制在17%以內(nèi)，風(fēng)速(輸送段表觀風(fēng)速)應(yīng)控制在9 m/s以上。

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行主要參數(shù)

2.2 溫度分布

從圖2中可以看到各工況下溫度分布基本一致。在輸送段，入口氣體溫度在400℃以上，在給料口處(標(biāo)高1 400 mm)溫度有60℃左右的下降，這是因?yàn)槔涞奈锪系乃腿肱c氣體混合，吸收了氣體的物理顯熱，使其溫度迅速下降。隨后溫度維持在320℃送入到噴動燃燒段劇烈地著火燃燒，溫度達(dá)到900～950℃，在出口處溫度降至750～800℃之間進(jìn)入旋風(fēng)分離器，可見各設(shè)定工況基本滿足對物料出口溫度要求。由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)知，其運(yùn)行過程中需嚴(yán)格控制噴動段底部溫度在950℃以內(nèi)，以防止因底部溫度過高而結(jié)焦。

為了考察輸送段氣體溫度對出口料溫的影響，工況2將輸送段氣體溫度提高到450℃(柳樹河油頁巖半焦著火溫度為385℃)。但在噴動燃燒段其溫度分布與其它工況并無大的變化，因此提高輸送段氣體溫度并不影響出口料溫。

圖2 各工況下溫度分布

2.3 壓力分布

由圖3可知，整個實(shí)驗(yàn)臺入口處的平均最大壓力為2.2 KPa，在實(shí)驗(yàn)中輸送段壓力損失最大，到噴動燃燒段底部出現(xiàn)一個比較穩(wěn)定的零壓區(qū)，該區(qū)域?yàn)閲妱哟驳沫h(huán)隙區(qū)，顆粒較大的半焦顆粒沿管壁與噴射區(qū)之間緩慢向下移動，并在向下移動的過程中滲入噴射區(qū)而被重新夾帶向上，形成了半焦顆粒的極有規(guī)律的內(nèi)循環(huán)。在環(huán)隙區(qū)與管壁的測點(diǎn)處是由于氣體由入口處開始生長的氣泡逐漸增大到極值后破裂，而該測點(diǎn)正處于氣泡所產(chǎn)生的壓力波動振幅最小值處，使得該點(diǎn)壓力波動近乎為零，壓力值也為零附近。再向上由于氣體流通截面積突擴(kuò)，導(dǎo)致煙氣速度驟減，速度能頭轉(zhuǎn)換成壓力能頭，導(dǎo)致靜壓有突增點(diǎn)出現(xiàn)。

2.4 分離物料粒徑分布

圖4表示出了各工況下半焦噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)中經(jīng)旋風(fēng)分離器下來的分離物料的粒徑分布。

在所有工況中，粒徑大于1 mm的分離物料在2%以下，且與給料量、風(fēng)速、進(jìn)口氧量的變化關(guān)系不大。這與給料粒度分布形成鮮明對比，分析認(rèn)為對于粒徑大于1 mm的半焦顆粒，在噴動燃燒段環(huán)隙區(qū)停留時間相對較長，其燃燒比較劇烈，燃燒熱破碎嚴(yán)重，再加上在整個實(shí)驗(yàn)臺升溫輸送過程中的摩擦破碎，使得大于1 mm的半焦顆粒大部分被破碎成小于1 mm顆粒了。

在相同的入口氧量(16%，17%)下，隨著給料量和風(fēng)速的增加，粒徑在0.1～1 mm范圍內(nèi)顆粒逐漸減少(仍大于80%)，而粒徑小于0.1 mm有所增加(如圖4中a－f)。這是由于在較低的入口氧量情況下，隨著風(fēng)速和給料量的增加使得半焦顆粒的燃燒破碎和摩擦破碎增加，使得分離物料粒徑分布向更小的方向發(fā)展。而對于入口氧量18%工況下，隨著風(fēng)速的增加，給料量未變情況下顆粒粒徑在0.1～1 mm比重有所增加(但仍小于80%)，而粒徑小于0.1 mm顆粒有所減小(如圖4中g(shù)－i)。這跟在較高的入口氧量情況下，隨著風(fēng)速的增加，氣體所具有的攜帶能力增加，從而增大了0.1～1 mm顆粒的份額，而減少了小于0.1 mm顆粒的份額。

圖3 各工況下壓力分布

圖4 各工況分離物料粒徑分布

2.5 分離物料含碳量分析

圖5表示出了各工況下半焦噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)中經(jīng)旋風(fēng)分離器下來的各工況下分離物料含碳量。

分離物料含碳量隨著入口氧量的增加而減小，隨著氣速的增加而略有增加。這是由于入口氧量的增加使得半焦顆粒的燃燒加劇，半焦的碳燃燒份額增多，從而降低分離物料含碳量。隨著氣速的增加，氣體攜帶固體顆粒能力增加，使半焦顆粒在噴動燃燒爐膛內(nèi)停留時間減少，則半焦顆粒中碳燃燒份額減少，但其對半焦碳燃燒的影響較小，物料含碳量只是略有增加。

由圖可以看出，在較低入口氧量(16%)下，隨著給料量和氣速的增加，物料保持較高的含碳量(＞42%)，只是＜1 mm固體顆粒略有減小，，而＞1 mm固體顆粒有所增大。這是由于在此入口氧量下，半焦顆粒的燃燒受氧氣濃度限制，對于大部分進(jìn)入噴動燃燒段顆粒半焦來說，停留時間很短，又不能得到足夠燃燒所需的氧氣，基本上是燃燒剛剛開始即被氣體帶出，而對于較大顆粒(＞1 mm)，由于循環(huán)流動有比較長的燃燒時間，也只有碳燃燒20%左右。而在此入口氧量(18%)下，隨著氣體速度的增大，分離物料含碳量略有增加(最大值為26%)。這是由于在此入口氧量下，半焦顆粒燃燒相對較充分，隨著風(fēng)速的增加，分離氣體攜帶固體顆粒的能力提高，使半焦在爐膛內(nèi)停留時間相對減小，從而提高了物料含碳量。同時，也應(yīng)該看到，在此入口氧量下，分離物料平均含碳量已降低到了較低水平(平均含碳量在20%左右)，這對工程實(shí)際上要求的消耗半焦碳量相差很大，不符合整個工藝參數(shù)的要求。

圖5 各工況下分離物料含碳量

2.6 煙氣成分分析

煙氣成分取樣測點(diǎn)順氣體流向分別布置在助推輸送段和尾部煙道處。測點(diǎn)編號分別為Y1，Y2，Y3，Y4。

各工況下的各測點(diǎn)O2濃度如圖6所示。煙氣中的O2濃度在輸送段(Y1，Y2，Y3)變化不大，說明在輸送段半焦顆粒僅是一個氣力輸送的過程，幾乎沒有燃燒，這與溫度變化結(jié)果一致。從測點(diǎn)Y3到Y(jié)4的煙氣中O2濃度降低明顯，各工況下O2濃度降低了13%～16%左右，說明在噴動燃燒段燃燒很劇烈。

圖7表示出了各工況下的各測點(diǎn)CO和CO2濃度。物料完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物主要有CO2、H2O、N2以及SO2和NOX等，而當(dāng)燃料不完全燃燒時燃燒產(chǎn)物中可能出現(xiàn)的可燃?xì)怏w有CO、CmHn等。通過對爐內(nèi)煙氣成分的測定，可以清晰地獲得燃料燃燒情況和燃燒特點(diǎn)，以利于更好地調(diào)整噴動床內(nèi)燃燒。圖中表明，在輸送段，隨煙氣流向，CO濃度略有增加，表明此段半焦顆粒并未開始燃燒，從圖中CO2的濃度變化上也可以得到驗(yàn)證。另外，還可以看到工況3中，尾部煙道CO濃度很高，這是由于在此工況下噴動床出口氧量已接近為零，在尾部煙道內(nèi)已處于缺氧燃燒狀態(tài)，使得在煙氣中生成大量的CO氣體。

圖6 各工況下各測點(diǎn)O2濃度

圖7 各工況下各測點(diǎn)CO和CO2濃度

4 結(jié)論

(1)完成了大慶油頁巖半焦噴動床升溫輸送實(shí)驗(yàn)，在入口氧量為16%～18%情況下，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)噴動床出口溫度在750℃以上，出口氧量在5%以內(nèi)。要實(shí)現(xiàn)出口氧量在3%以內(nèi)，則需要將入口氧量控制在17%以內(nèi)。

(2)對大慶油頁巖半焦噴動床升溫輸送，輸送段風(fēng)速應(yīng)控制在其顆粒終端速度1.2～2倍之間，既保證出口煙氣溫度的要求，又避免物料顆粒的大量堆積而使?fàn)t膛內(nèi)結(jié)焦。

(3)對于大慶油頁巖半焦噴動床升溫輸送，由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)知，其運(yùn)行過程中需嚴(yán)格控制其噴動段底部溫度在950℃以內(nèi)，以防止因底部溫度過高而結(jié)焦。

［1］錢家麟，尹亮，王劍秋，等.油頁巖—石油的補(bǔ)充能源［M］.北京:中國石化出版社，2008:12－23.

［2］李丹梅，湯達(dá)禎，楊玉鳳.油頁巖資源的研究、開發(fā)與利用進(jìn)展［J］.石油勘探與開發(fā)，2006，33(6):657－658.

［3］劉志遜，高健，趙寒冬，等.國內(nèi)油頁巖干餾技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.煤炭加工與綜合利用，2007，1:45－49.

［4］Mathur K B，Epstein N.Spouted Bed［M］.New York:Academic Press，1974.

［5］金涌，祝京旭，汪展文，等.流態(tài)化工程原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001:360－396.

［6］趙杏新，劉偉民，羅惕乾，等.噴動床技術(shù)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(7):189－193.