张 保，何文锋，魏高鹏，杨文举

(中国能源建设集团华南电力试验研究院有限公司，广东 广州 510799)

0 引言

世界油页岩资源很丰富，其探明储量换算成页岩油，远大于世界原油的探明储量。美国油页岩储量居世界首位，其次则为俄罗斯、刚果、巴西、加拿大、约旦、澳大利亚和中国[1]。其中，约旦油页岩储量达700亿t。约旦某2×235 MW油页岩电站项目(简称“约旦油页岩电站”)建成投产后年供电量可达37亿kWh，能够满足约旦10%～15%的用电需求。

油页岩主要有两种利用途径[2]：1)通过干馏热解提取页岩油；2)直接燃烧进行发电。目前，原有电厂大部分采用煤粉炉燃烧油页岩。煤粉炉属于高温悬浮燃烧方式，主要存在5个方面的问题：1)煤粉炉制粉系统庞大，油页岩易爆炸，工作不可靠；2)需要脱硫设备，NOx排放量高；3)烟气温度高，容易导致尾部烟道受热面高温腐蚀，减少使用寿命；4)油页岩灰分较大，容易在尾部烟道受热面积灰，降低锅炉效率；5)油页岩热值较低，很难在煤粉炉里稳定燃烧，需要喷油稳燃。为了避免这些问题，对约旦油页岩进行燃烧试验，研究油页岩的燃烧特性和污染物排放特性，以便为锅炉设计和运行提供依据。

1 油页岩燃料特性

着火性能和燃尽性能是评价固体燃料燃烧过程中的两个重要指标。采集约旦油页岩电站的油页岩燃料样品，在我国某清洁燃烧与烟气净化重点实验室进行燃烧试验，主要开展了工业分析、元素分析、粒径分布分析和热重分析，以便了解油页岩的着火温度和燃尽温度等燃料特性。

1.1 工业分析和元素分析

油页岩是一种高灰分、高挥发分、低热值的劣质燃料。约旦油页岩燃料的工业分析及元素分析结果见表1所列。

表1 油页岩燃料工业分析及元素分析结果

1.2 粒径分布

合适的入炉煤粒径分布有利于提高锅炉运行稳定性、煤的燃烧效率和机组的经济性。粒径太粗，则密相区物料的流化和混合变差，导致底渣可燃物含量偏高；粒径太细，则颗粒循环燃烧时间缩短，导致飞灰可燃物含量高。灰渣可燃物偏高，都会增加锅炉未燃尽碳热损失，降低锅炉燃烧效率。同时，过粗或过细的燃料粒径均有可能导致锅炉床温偏高，影响锅炉运行安全和带负荷能力。过度破碎还会增加燃料破碎成本，降低机组经济效益。油页岩粒度筛分分析结果见表2所列，可见，粒径在0.075～0.3 mm之间的油页岩质量占比最高，2～4 mm粒径区间的质量占比为次高。

表2 油页岩粒度筛分分析结果

1.3 热重分析

采用美国生产的某型号同步热分析仪对油页岩进行热重分析(thermogravimetric analysis，TGA)，热重分析结果见表3所列，热重曲线(thermogravimetric curve，TG)和差热分析曲线(differential thermogravimetric curve，DTG)如图1所示。

表3 油页岩热重分析结果

图1 TG曲线和DTG曲线

从图1可以看出：1)随着温度的升高，在150 ℃以下TG曲线有一个快速下降的趋势，相应DTG曲线出现一个波峰，此过程对应的是样品水分的快速析出；2)在250 ℃以后随着温度的升高，TG曲线出现第二个下降趋势，相应DTG曲线出现第二个波峰，此过程为燃料中挥发分成分的大量析出，燃点较低的挥发分在此过程中开始着火，并带动固定碳开始燃烧；3)在500 ℃以后随着温度的升高，TG曲线出现第三个下降趋势，相应DTG曲线出现第三个波峰，此过程为样品中的大量石灰石吸热分解；4)随着温度升高到749 ℃后，DG曲线变为一条直线，样品重量不再变化，说明样品已经完全燃尽，此温度对应燃料的燃尽温度。油页岩开始着火到完全燃尽总失重率为42.11%，每分钟平均失重率为1.70%。

2 燃烧试验台

约旦油页岩电站项目研究在3 MW 循环流化 床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧 试验台上开展。CFB燃烧试验台采用平衡通风和M型布置，支吊在钢构架上。试验台主要由床下点火风道、布风装置、主循环回路、尾部烟道、水冷系统、烟风系统、给料系统、排渣装置和钢构架组成，其中的主循环回路包括炉膛、分离器、回料器和外置床。该试验台布置情况如图2所示。

图2 CFB燃烧试验台布置示意图

实验台燃烧室高度24.5 m，确保了燃料的燃烧时间和脱硫反应时间，燃烧试验结果具有更高的参考价值。炉膛分段设计，法兰连接，独立支吊，方便拆卸，扩展性强。试验台采取两层给煤、多层二次风及外置床设计，便于开展针对性的试验研究。炉膛内衬为耐火耐磨材料、绝热材料，炉膛内燃烧温度采用水冷管、模拟水冷壁控制，水冷管拆卸更换方便，炉膛燃烧温度可调性好，以适应不同燃料的燃烧试验需求。高温尾部烟道设置有水冷器及旁路烟道，可以有效调控空气预热器(简称“空预器”，air preheater)入口烟温；低温烟道采用双烟道结构，内设空预器，通过烟气挡板可有效调节一、二次风温。试验台采用风道燃烧器点火，设有完善的点火、火检和灭火等保护功能；试验台布置了大量的温度、压力、流量等运行参数检测点，并为试验研究预留了大量的测试孔。

3 燃烧试验分析

本文主要在循环流化床实验台上进行油页岩燃料点火试验，并在助燃燃料辅助下长时间稳定运行，观察在不同工况下污染物SO2和NOx的排放规律，以下为试验的结果与分析。

3.1 点火启动试验

循环流化床多采用床下点火方式，高温烟气加热床料的热利用率高，床料温升较快且容易控制；因有炉内大量床料循环，炉膛内部温度更加均匀。

试验台采用天然气作为点火燃料。当炉膛下层床温达到333 ℃时开始试投油页岩，氧量降低，油页岩着火，之后脉动给料，当下层床温达到400 ℃时开始连续投油页岩。结合启动曲线可以看出，投油页岩后试验台运行床温升温速率呈现加快趋势，氧量迅速下降，表明燃料在炉内着火燃烧。下层床温升高到580 ℃时切断天然气，增加给油页岩量，床温略有下降后持续升高。

如图3所示，从点火曲线能看出，油页岩在580 ℃撤天然气后炉膛床温升温速率很慢，温度逐渐稳定保持在590 ℃左右，为保证稳定快速升温速率，恢复天然气的助燃。天然气助燃期间炉膛升温速率仅为10 ℃/h，主要原因是由于油页岩热值低且灰分高，单位时间排渣量大，燃烧释放热量仅略大于排渣热量和炉内热量流失，造成升温缓慢。

图3 点火启动过程曲线

3.2 燃烧效率试验

为全面研究约旦油页岩的燃烧效率和灰渣特性，在循环流化床试验台上开展了多个稳定燃烧试验工况。本次试验主要工况设计参数见表4所列，对各个工况的灰、渣等燃烧产物进行了分析。试验过程中，通过瑞士生产的某型号烟气分析仪连续进行采样分析，得出排放烟气成分。本次油页岩试烧试验工况的燃烧效率、灰含碳量、渣含碳量、CO排放和氧量等参数，见表5所列。

表4 油页岩试烧主要工况设计参数

表5 油页岩试烧工况燃烧效率计算相关参数

由表5可以看出，在实验台上燃烧油页岩，总体上燃烧效率较高；在接近设计燃烧温度水平下，燃烧效率可以达到98.5%，即工况1至工况6的平均值；670～700 ℃低燃烧温度的工况燃烧效率也达到96%以上，表明油页岩易燃烧、易燃尽。燃烧效率随燃烧温度升高而升高，如图4所示。工况6的燃烧效率最高，为99.67%，其主要运行参数为：床压6.8 kPa，床温798 ℃，氧量4%，一次风率38%。

图4 床温与燃烧效率关系

3.3 SO2排放特性试验

影响CFB锅炉脱硫效率的主要因素包括钙硫摩尔比、石灰石活性、运行床温、石灰石粒径、运行氧量、分级燃烧、床压和负荷变化[3-5]。其中，分级燃烧包括一次风率和二次风率。

煤灰分中一般含有一定的CaO成分，这部分CaO与煤中硫燃烧生成的SO2反应，亦可起到固硫作用，因此，不投石灰石时的SO2实际排放浓度低于以全硫为基准计算的理论排放浓度，这种现象称为煤的自脱硫，还有部分在循环流化床燃烧条件下不分解的硫酸盐硫也计入自脱硫。定义煤自身钙硫摩尔比Ks,self为：

式中：Aar为煤的收到基灰分含量，%；Sar为煤的收到基硫分含量，%；ηCaO为煤灰中CaO质量百分含量，%。

通过约旦油页岩样化学分析结果可知，其硫分含量较高(Sar为1.05%，折算硫分为2.69 g/MJ)，当过量空气系数α=1.4时，理论SO2排放值约为13 000 mg/Nm3。由于灰分较高(Aar=55.8%)，灰成分中氧化钙含量达到38.8%，自身钙硫摩尔比极高，即：Ks,self=11.8。图5给出了试验台试验期间SO2排放随床温、氧量、一次风率变化曲线，SO2排放测试值都趋近于0 mg/Nm3，可见，约旦油页岩具有十分高效的自脱硫特性。

图5 SO2排放随床温、氧量、一次风率变化曲线

3.4 NOx排放特性试验

NOx生成途径主要有两个：1)空气中的氮元素在高温状态下与氧进行化学反应生成NOx，即热力型NOx；2)燃料中的氮元素发生热分解被氧化生成NOx，即燃料型NOx。燃料氮形成的NO占流化床燃烧方式NOx总排放的95%以上，燃料氮在煤燃烧时一部分随挥发分析出燃烧，即挥发分氮；另一部分则残存在焦炭上，即焦炭氮[6-8]。

影响循环流化床锅炉NOx排放的主要因素有：床温、氧量、一次风率、上下二次风配比、钙硫比和燃料性质。在本次燃烧试验各个工况下，当床温在700～800 ℃之间变化，过量空气系数在1.17～1.94之间变化，采用6% O2，按NO2计，则NOx排放在42～328 mg/Nm3之间；当床温接近设计参数800 ℃，氧量小于6%时，NOx排放为58 mg/Nm3，各个工况的NOx排放数据详见表6所列。

表6 油页岩不同运行工况下NOx排放数据表

NOx排放随氧量变化的曲线见图6。由图6可知，当氧量降低时，NOx排放降低，但过低的氧量不利于燃料燃烧，降低燃烧效率。

图6 NOx排放随氧量变化曲线

4 结语

燃烧试验结果表明：试验油页岩易着火、易燃尽，采用流化床燃烧方式，燃烧稳定，燃烧效率高，NOx排放较低，SO2排放趋近为零。

本文试验研究得到的结论如下：

1)试验油页岩热重分析结果：着火温度为313 ℃，燃尽温度749 ℃，表明试验油页岩的着火温度相对较低，属于易着火、易燃尽煤种。试验油页岩在冷态点火启动过程中，初始投煤的床温为333 ℃，连续投煤的床温为400 ℃，撤除辅助燃料天然气的床温为580 ℃；

2)试验油页岩在试烧设计参数、炉内未投石灰石的运行工况下，SO2排放趋近于0 mg/Nm3，自脱硫率达到100%；

3)试验油页岩在锅炉额定负荷2 MW、床温780～800 ℃、氧量3.1%～5.2%、一次风率为37%～53%的运行工况下，SO2的排放浓度为0 mg/Nm3；折算氧量6%下的NOx排放浓度为42～91 mg/Nm3，平均值为58 mg/Nm3。

为了保证CFB锅炉燃烧约旦油页岩具有较高的燃烧效率、较低的污染物排放(SO2、NOx)水平，从运行角度考虑，推荐炉膛床温按780～810 ℃，炉膛出口氧量控制在4%～5%范围，一次风率控制在35%～40%范围。