油頁巖干餾殘渣與煙煤的混燒試驗研究

孫佰仲，石興立，黃志榮，王擎

(1東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012;2.大唐電力集團內蒙古分公司，呼和浩特026000)

油頁巖(oil shale)是一種富含有機質的沉積巖，類屬高礦物質的腐泥煤，為低熱值固體化石燃料。油頁巖工業利用主要有兩大途徑，即干餾制取頁巖油和燃燒供熱發電，其中中國的油頁巖制油主要采用撫順式干餾技術。其生產過程中產生的固體廢棄物(稱干餾殘渣)熱值很低，排放量巨大，堆棄占用土地量大。在油頁巖加工利用中，干餾產生的頁巖半焦的氣化及燃燒，是干餾過程中主要的熱量來源［1－3］。因此，對半焦燃燒的研究具有重要的理論和實際意義。目前國內對油頁巖干餾殘渣與煙煤的混燒試驗已有一些報道。孫佰仲等［4］采用熱重分析方法研究了油頁巖干餾殘渣與煙煤的混燒，提出油頁巖干餾殘渣中摻混煙煤后改善了其著火和燃盡特性。本文采用在自行設計的循環流化床鍋爐試驗臺上進行樺甸油頁巖干餾殘渣與雞西煙煤混燒的試驗研究。基于煙煤易于燃燒的優點來處理掉干餾殘渣，節約能源，減少對環境的危害，對油頁巖的綜合利用具有重要的意義。

1 實驗樣品與實驗設備

1.1 實驗樣品

實驗所用油頁巖半焦(SC)取自樺甸某油頁巖煉油廠，煙煤樣品選為雞西煙煤(C)。由于油頁巖煉油廠采用濕式排渣，所以半焦中外在水分很大，制樣前先將其在空氣中干燥，然后用錘式破碎機破碎到10 mm以下，篩分出6 mm以下攤平放在通風干燥處，晾置兩到三天，去除樣品外部水分。其工業分析與元素分析見表1。油頁巖干餾殘渣與煙煤的混合比例為9 1、8 2、7 3。

表1 油頁巖干餾殘渣和煙煤工業分析與元素分析

1.2 實驗設備

實驗是在自行設計的循環流化床實驗臺上進行的，實驗系統圖見圖1。該實驗臺燃燒室凈高度9m，采用熱風點火。試驗臺有較完備的測點取樣系統，包括溫度測點、壓力測點、顆粒取樣點、煙氣取樣點。其中溫度測點共有15個，分別布置在風室、燃燒室、尾部煙道、返料系統;壓力測點20個，分布在試驗臺各個部分;顆粒取樣點6個，包括:底渣取樣點1個，燃燒室取樣點2個，爐膛出口取樣點1個，尾部飛灰取樣點1個;煙氣取樣點5個，包括:燃燒室取樣點3個，爐膛出口取樣點1個和尾部煙氣取樣點1個。采用34970A數據采集儀、MRU95/3CD煙氣取樣分析儀、WJ－908煙塵取樣器等。

圖1 流化床實驗臺系統圖

2 實驗結果與分析

實驗主要從摻混比例與一二次風率來研究油頁巖干餾殘渣與煙煤的混燒特性。試驗工況由工況一到工況九分別為摻混比r為R1(91)、R2(82)、R3(7 3)，一次風率分別為80%、66.7%、50%情況下進行實驗。

2.1 沿爐膛高度溫度分布情況

將試驗燃料按發熱量的從低到高排序為:R1、R2、R3。圖2給出了試驗臺燃燒不同燃料時，沿爐膛高度的溫度分布。從圖中可以看到燃燒不同燃料時，其溫度分布規律相同。在密相區內溫度基本在800℃以上，爐膛出口溫度在550～750℃之間，基本符合實際流化床鍋爐運行情況。在沿爐膛高1～2 m范圍內溫度降低，是由于二次冷風的送入及循環物料的返回使溫度開始下降，在二次風送入以上的一段區域爐內由于氧氣的補充，與燃料顆粒的混合使燃燒加劇從而使溫度有所升高。

圖2 沿爐膛高度溫度變化

2.2 一次風率對燃燒室溫度場的影響

由圖3、圖4、圖5可看出在、三種不同摻混比試驗燃料一次風率a對溫度場的影響。從圖中可看出，在試驗范圍內，對于不同摻混比的燃料，隨一次風率增大，密相區溫度降低，密相區與稀相區溫差減小，溫度更趨于均勻。從圖中還反映出，對于煙煤含量越高時稀相區溫度相對升高，這是由于燃料發熱量變大隨一次風帶入稀相區的熱量增多。

圖3 R1(r=9 1)

圖4 R2(r=82)

圖5 R3(r=73)

一次風率對爐內溫度場的影響可從兩方面分析:(1)一次風率增大，密相區氧濃度增高，燃燒氣氛由還原態向氧化態轉移，燃料放熱量增大;(2)一次風率增大，密相區流化速度增大，使更多的燃料顆粒進入稀相區，密相區燃燒份額減小，稀相區燃燒份額增大，密、稀相區更趨于均勻。一次風率對燃燒的影響，是這兩方面綜合作用的結果。對不同燃料、不同運行工況，這兩方面的作用大小是不同的，導致一次風率對溫度場的影響也不一樣。在保證良好的流化狀態時，一次風不變增加二次風即過剩空氣系數增大，使爐膛內氧濃度增大稀相區燃料反應加劇，從而爐膛出口溫度較高。

3 煙氣成分分析

3.1 CO和CO2濃度測定結果分析

圖6、圖7給出了各工況下的各煙氣測點CO和CO2濃度。燃料完全燃燒時的產物主要有CO2、H2O、N2以及SO2和NOX等，而當燃料不完全燃燒時燃燒產物可能出現的可燃氣體為CO、H2、CmHn等。通過對爐內可燃氣體含量的測定，可以清楚地了解燃料燃燒的情況以及燃燒特點，以便更好地調整循環流化床燃燒。圖示還說明，隨煙氣流向，CO濃度明顯減少，表明沿煙氣流向方向，CO仍與爐內O2混合而繼續燃燒。從圖中CO2的濃度變化上可以得到這一點。爐內沿煙氣流向方向CO濃度變化并不是均勻分布的，這說明沿煙氣流向方向燃燒反應程度是不均勻的，在密相區和部分稀相區燃燒反應更劇烈一些。

圖6 不同工況CO濃度變化

圖7 不同工況CO2濃度變化

3.2 NOX濃度測定結果分析

氮氧化物排放是造成大氣污染的重要污染源之一，大氣中的NOX對人體有害，NOX對呼吸系統有強烈的刺激作用，能引起急性哮喘，同時對人體的心、肝、腎和造血組織都有影響，NOX還會形成酸雨和酸霧危害，對生態環境造成了巨大危害。流化床燃燒方式，由于其NOX和SOX排放濃度很低，曾作為一種清潔燃燒方式得到廣泛研究，且有逐步取代煤粉爐的趨勢［5－7］。本文主要探討混燒過程中NOX生成量與諸影響因素之間的關系。

由圖8可知各工況燃燒反應生成的NOX規律大致相同呈下降趨勢。一般來說燃燒過程NOX的生成是由燃料中含有的氮化合物熱分解而又接著氧化生成，隨溫度升高而增加。因此由爐膛溫度變化及各位置過量空氣量可得沿爐膛高度NOX生成量呈減少趨勢。

圖8 沿爐膛高度NOX濃度變化

圖9 不同摻混比燃料生成的NOX濃度

由圖9可看出隨著煙煤摻混比的增加NOX排放量濃度呈下降趨勢。由工業分析可知其水分高。隨著質量摻混比的增大，混合燃料中的水分增加，大量水蒸氣的存在極易發生氣化和還原反應，從而抑制了NOX的生成;水蒸氣還會沖淡燃料周圍氧氣的濃度，從而使NOX排放減少。同時由于摻混比例的增加燃料發熱量增大燃燒反應加劇，過量空氣減少從而使NOX生成量減少。

由圖10可見，隨著二次風率的增加，NOX的排放濃度呈下降趨勢，顯示出分級燃燒控制NOX排放的效果。在過剩空氣系數保持不變的條件下，隨著二次風率的增大，一次風率相應降低，密相區的氧質量濃度下降，還原性氣氛增強，CO和焦炭的質量濃度上升。大量還原性成分的存在增強了NOX還原反應的速率，使NOX的生成量減少，并對焦炭氮生成NOX的反應產生較強的抑制作用。這就導致了在本次試驗范圍內NOX的排放濃度隨二次風率的增加呈下降趨勢。

圖10 不同二次風率下NOX濃度

4 結論

(1)油頁巖干餾殘渣灰分含量大，燃盡特性較差，隨著加入煙煤的比例增加密相區與稀相區溫差減小，爐膛出口溫度增大，油頁巖干餾殘渣的燃燒特性得到改善。

(2)循環流化床燃燒過程隨煙氣流動CO濃度明顯減少且分布不均勻，說明沿煙氣流動方向反應不均勻，在密相區和部分稀相區燃燒反應更劇烈。

(3)隨著煙煤摻混比例的增加，NOX排放濃度呈下降趨勢;在過剩空氣系數不變，隨著二次風率的增大NOX排放濃度下降且均滿足國家排放標準。

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