75t/h燃煤CFB鍋爐摻燒低熱值油頁巖的試驗研究

尹國偉，蒲建業(yè)，王大浩，周興野，雷凱超

（1.北票發(fā)電有限責任公司，遼寧 北票 122100；2.中電投東北能源科技有限公司，沈陽 110179）

北票發(fā)電有限責任公司現(xiàn)有6 臺無錫鍋爐廠生產(chǎn)的75 t/h 供熱循環(huán)流化床（CFB）鍋爐，型號為UG-75/5.3-M14，采用母管制運行方式，配3 臺12 MW蒸汽輪機發(fā)電。電廠以冬季供暖和發(fā)電為主營業(yè)務(wù)。鍋爐燃料為平莊褐煤，熱值為13 148 kJ/kg，全年燃煤量為25～30 萬t。由于入廠煤價格逐年升高，發(fā)電成本居高不下，現(xiàn)電廠每年只在采暖期運行（11月至次年3月），其余時間停備，處于虧損經(jīng)營狀態(tài)。

鑒于已有小型CFB 鍋爐燃用小顆粒低熱值油頁巖的成功案例，為了提高電廠的經(jīng)濟效益，筆者在電廠6 號CFB 鍋爐開展摻燒低熱值油頁巖的試驗研究。所選油頁巖為北票北塔油頁巖綜合開發(fā)利用有限公司不能用于煉油的小顆粒廢棄物，發(fā)熱量較低，為2 721～3 558 kJ/kg。北票市北塔鎮(zhèn)擁有2 個油頁巖礦區(qū)，油頁巖資源量接近4 億t，油頁巖平均含油率為5%左右，熱值為3 800 kJ/kg 左右，相鄰的內(nèi)蒙古敖漢旗擁有油頁巖資源量近2 億t。作為一種接替能源，油頁巖以其巨大的儲量越來越為人們重視。煉油廠每年可提供油頁巖小顆粒廢棄物約320 萬t。油頁巖作為燃料，主要用來發(fā)電，可供流化床鍋爐使用。工業(yè)開發(fā)方式有2 種，即通過低溫干餾技術(shù)提取頁巖油和直接燃燒發(fā)電。

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機礦產(chǎn)，包含原生有機物、不溶于石油溶劑且熱解時可以提取大量頁巖油的細顆粒沉積巖。油頁巖呈黃棕色、灰色、褐色、黑灰色及黑色等，顏色越淺，含油率越高。油頁巖發(fā)熱量較低，是煤發(fā)熱量的30%～50%。油頁巖礦石采出后，最先作為能源被使用，即作為燃料和干餾煉油。油頁巖干餾后的頁巖油可作為燃料油，也可精制生產(chǎn)輕柴油。世界油頁巖儲量相當豐富，如果折算成頁巖油，相當于目前世界天然原油探明可采儲量的5.4 倍，油頁巖化學成分主要為SiO和A1O

。我國油頁巖資源儲量達7 199 億t，如果折合成頁巖油，規(guī)模為476 億t，居世界第4 位。流化床燃燒是油頁巖燃燒發(fā)電最有效的利用方式。但目前國內(nèi)油頁巖開發(fā)受到諸多阻礙，其中油頁巖開發(fā)所產(chǎn)生的大量灰渣處理問題不可避免。油頁巖干餾技術(shù)已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)可有效地提高油頁巖的利用率和鍋爐的熱效率，減少污染氣體的排放。本文對北票發(fā)電有限責任公司75 t/h 燃煤CFB 鍋爐摻燒低熱值油頁巖進行試驗研究，旨在充分利用頁巖油廠廢棄的小顆粒低熱值油頁巖發(fā)電，降低電廠燃料成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益雙提升。

1 鍋爐概況

本文選取6 號鍋爐作為試驗對象，該鍋爐型號為UG-75/5.3-M14，2000年投產(chǎn)運行，配2臺滾筒冷渣器，1 臺6 t/h 出力，1 臺8 t/h 出力。該鍋爐配有3 臺刮板給料機，其中，2 號給料機和3 號給料機共用2 號料倉，給料轉(zhuǎn)速為0～1 500 r/min?；以ㄟ^2 臺下鏈斗除渣機輸送到1 臺橫鏈斗除渣機，通過鏈斗提升除渣機提升到渣倉。4 號鍋爐、5 號鍋爐與6 號鍋爐共用橫鏈斗除渣機和鏈斗提升除渣機，共用2 號脫硫塔。在爐膛中上部安裝新型選擇性非催化還原（SNCR）脫硝噴槍。引風機前有1 臺電袋除塵器，共用輸灰系統(tǒng)。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1所示，燃煤設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

表2 燃煤設(shè)計參數(shù)

2 北票油頁巖和褐煤分析

北票油頁巖和褐煤的工業(yè)分析和元素分析如表3所示，北票油頁巖和褐煤的灰熔融特性如表4所示，北票油頁巖灰成分分析如表5所示。

表3 北票油頁巖和褐煤的工業(yè)分析和元素分析

表4 北票油頁巖和褐煤的灰熔融特性

表5 北票油頁巖灰成分分析

3 摻燒試驗方法

6 號鍋爐摻燒低熱值油頁巖的試驗參照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》（GB/T 10184—2015）進行，由于1 號刮板給料機有單獨的料倉，2 號刮板給料機和3號刮板給料機共用一個料倉，因此1 號刮板給料機輸送油頁巖，2 號刮板給料機和3 號刮板給料機輸送褐煤。以1 號刮板給料機轉(zhuǎn)速每增加100 r/min 為一個工況，起始工況下，1 號刮板給料機轉(zhuǎn)速為300 r/min，其最大轉(zhuǎn)速為1 350 r/min。摻燒試驗主要觀察和分析鍋爐床壓、一次風量、爐內(nèi)流化、排渣、SO排放、飛灰含碳量、床溫、運行氧量和排煙溫度等參數(shù)。同時，對不同摻燒比例的鍋爐熱效率進行測試，研究摻燒油頁巖對鍋爐帶負荷能力和污染物排放的影響，評估鍋爐摻燒小顆粒低熱值油頁巖的安全性和經(jīng)濟性。

4 摻燒試驗過程

4.1 給料機標定

不同給料機的標定曲線如圖1所示，其中，為給料量（t/h），為給料機轉(zhuǎn)速（r/min）。在給料機勻速運行時，測定發(fā)現(xiàn)，給料機料層厚度為0.145 m，給料機箱體寬度為0.41 m。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速的給料機刮板移動速度，經(jīng)測定，低熱值油頁巖的平均堆積密度為1.259 kg/m，褐煤的平均堆積密度為0.890 kg/m。

圖1 不同給料機的標定曲線

4.2 摻燒油頁巖試驗結(jié)果

4.2.1 轉(zhuǎn)速300～500 r/min 工況試驗

6 號鍋爐1 號刮板給料機轉(zhuǎn)速達到500 r/min 時，油頁巖摻燒量約為5.9 t/h，折算煤量為1.46 t/h，2 號刮板給料機和3 號刮板給料機總計煤量約為16.0 t/h。油頁巖摻燒質(zhì)量比例為27%，摻燒熱量比例為8.4%。此時，煤量還可增加（單臺給煤機最大出力能達到14 t/h），鍋爐能帶滿負荷。

試驗發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間增加，鍋爐床壓明顯升高，一次風量需要從2.3 萬m/h 增加到3 萬m/h，流化情況良好。冷渣器出力不足，此時需要開到最大出力。因橫鏈斗除渣機和鏈斗提升除渣機的軸承有塑料元件，溫度不能超過120 ℃。長時間運行需要用事故排渣口人工放渣，排渣量為0～4 車/h。給料機轉(zhuǎn)速為500 r/min 時，油頁巖摻燒過程中，脫硫塔入口SO濃度明顯增加，帶滿負荷工況脫硫塔入口SO濃度達到3 700 mg/Nm（不摻燒時只有2 200 mg/Nm左右），在脫硫塔處理能力范圍內(nèi)，脫硫塔出口SO濃度可以控制到0 mg/Nm。隨著摻燒比例增加，尿素耗量增加不明顯，電袋除塵器阻力有所增加，但增加不明顯，如果噴吹效果不好，電袋除塵器阻力會達到1 400 Pa。

4.2.2 轉(zhuǎn)速600～900 r/min 工況試驗

6 號鍋爐1 號刮板給料機轉(zhuǎn)速達到900 r/min 時，油頁巖摻燒量約為10.5 t/h，折算煤量為2.63 t/h，2 號刮板給料機和3 號刮板給料機總計煤量約為16.0 t/h。油頁巖摻燒質(zhì)量比例為41.3%，摻燒熱量比例為14.0%。此時，煤量還可增加，鍋爐能帶滿負荷。

試驗發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間增加，鍋爐床壓明顯升高，通過事故排渣口及時放渣，一次風量穩(wěn)定在3 萬m/h，流化情況良好。冷渣器出力不足，此時需要開到最大出力。因橫鏈斗除渣機和鏈斗提升除渣機的軸承有塑料元件，溫度不能超過120 ℃。長時間運行需要用事故排渣口人工放渣，排渣量為8～10車/h。給料機轉(zhuǎn)速為900 r/min 時，油頁巖摻燒過程中，脫硫塔入口SO濃度進一步增加，帶滿負荷工況脫硫塔入口SO濃度至少是不摻燒時的兩倍（4 500 mg/Nm左右），在脫硫塔處理能力范圍內(nèi)，脫硫塔出口SO濃度可以控制到0 mg/Nm。隨著油頁巖摻燒比例的進一步增加，尿素耗量增加不明顯，電袋除塵器阻力顯著增加，達到1 800 Pa，如果噴吹效果不好，電袋除塵器阻力會達到2 400 Pa。

4.2.3 轉(zhuǎn)速1 000～1 350 r/min 工況試驗

6 號鍋爐1 號刮板給料機轉(zhuǎn)速達到1 350 r/min時，油頁巖摻燒量約為15.8 t/h，折算煤量為4.0 t/h，2 號刮板給料機和3 號刮板給料機總計煤量約為14.3 t/h。油頁巖摻燒質(zhì)量比例為52.5%，摻燒熱量比例為22.0%。此時，煤量還可增加，鍋爐能帶滿負荷。

試驗發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間增加，鍋爐床壓升高更快，通過事故排渣口及時放渣，一次風量能穩(wěn)定在3 萬m/h 左右，流化情況良好。冷渣器出力不足，這時需要開到最大出力。因橫鏈斗除渣機和鏈斗提升除渣機的軸承有塑料元件，溫度不能超過120 ℃。長時間運行需要用事故排渣口人工放渣，排渣量為10～15 車/h。給料機轉(zhuǎn)速為1 350 r/min 時，油頁巖摻燒過程中，脫硫塔入口SO濃度明顯增加，帶滿負荷工況脫硫塔入口SO濃度至少是不摻燒時的3 倍（6 700 mg/Nm左右），在脫硫塔處理能力范圍內(nèi)，脫硫塔出口SO濃度可以控制到0 mg/Nm。隨著油頁巖摻燒比例的增加，尿素耗量有一定增加，但受運行氧量的影響更大。隨著油頁巖摻燒比例進一步增加，電袋除塵器阻力顯著增加，達到2 400 Pa，基本達到運行上限，此時如果噴吹效果不好，電袋除塵器阻力會達到甚至超過3 000 Pa，有糊袋的風險。

4.3 發(fā)現(xiàn)的問題及建議

研究發(fā)現(xiàn)，冷渣器運行效率較低，換熱能力較差。給料機轉(zhuǎn)速超過600 r/min 時，油頁巖摻燒過程就需要用事故排渣口人工放渣，緩解鍋爐床壓高的問題。如果鍋爐在此工況下長時間運行，要安排專人負責人工放渣。給料機轉(zhuǎn)速達到900 r/min 時，如果鍋爐長時間運行，建議檢修或更換冷渣器，或者安排專人負責人工放渣。

鏈斗除渣系統(tǒng)的軸承采用塑料材質(zhì)，耐溫小于120 ℃，在冷渣器效果不好和排渣量較大的情況下，容易超溫損壞，需要增加人工排渣。如果少量摻燒油頁巖，此系統(tǒng)可以暫時不動，如果大量摻燒，鏈斗除渣系統(tǒng)需要整體更換。

由于用事故排渣口放渣的量較大，部分煤和油頁巖顆粒在爐內(nèi)停留的時間較短，爐渣含碳量有增加的可能，因此油頁巖摻燒量較大時（初步大于10 t/h），要調(diào)整碎煤機篩網(wǎng)直徑，降低入爐燃料的粒徑。原則上，油頁巖的入爐粒徑應(yīng)小于10 mm，褐煤的入爐粒徑小于13 mm，如果油頁巖摻燒質(zhì)量較大，按油頁巖的粒徑選擇篩孔直徑，如果油頁巖摻燒質(zhì)量較小，按褐煤和頁巖的平均粒徑要求選擇篩孔直徑?，F(xiàn)有的碎煤機及篩子需要檢修或更換。

本次試驗用1 號刮板給料機輸送油頁巖，2 號刮板給料機、3 號刮板給料機共用一個料倉，負責輸送褐煤，鍋爐帶滿負荷運行，1 號刮板給料機給料量需要超過14 t/h。這時，鍋爐只能帶最大負荷，不能降低負荷運行，否則鍋爐排煙的氧量偏差很大，NO不能控制。比較好的摻燒方式是2 號刮板給料機（中間）輸送油頁巖，1 號刮板給料機、3 號刮板給料機上煤，這就需要對2 號料倉進行分割，2 號刮板給料機、3 號刮板給料機單獨使用料倉。如果混煤均勻，可以考慮按一定比例在爐前摻混，3 臺給料機同時輸送。

摻燒過程中，燃煤的灰分含量和硫含量也對除灰脫硫系統(tǒng)有很大影響。試驗期間，4 號鍋爐、5 號鍋爐停備，無法對輸灰和脫硫系統(tǒng)的最大處理能力進行試驗，需要在條件具備時進行補充試驗。

5 經(jīng)濟性分析

依照試驗結(jié)果，6 號鍋爐所有設(shè)備不做大的改動，不影響鍋爐帶負荷能力，正常排渣。1 號刮板給料機低熱值油頁巖摻燒量為5.9 t/h，折算煤量為1.2 t/h，按入廠煤單價350 元/t、油頁巖運輸成本32 元/t 的標準計算，每小時節(jié)約燃料成本231.2 元，則整個供暖期（150 d，24 h 供暖）單臺爐節(jié)省燃料成本83.23萬元。鍋爐熱效率為88%左右，比純燒褐煤略微降低。

如果對6 號鍋爐冷渣器進行更換，提高冷渣器運行效率，1 號刮板給料機低熱值油頁巖摻燒量為10.5 t/h，不影響鍋爐帶負荷能力，正常排渣，折算煤量為2.16 t/h，按入廠煤單價350 元/t、油頁巖運輸成本32 元/t 的標準計算，每小時節(jié)約燃料成本420 元，則整個供暖期（150 d，24 h 供暖）單臺爐節(jié)省燃料成本151.2 萬元。鍋爐熱效率約為87%左右，也比純燒褐煤略微降低。

6 結(jié)論

低熱值油頁巖摻燒試驗發(fā)現(xiàn)，隨著摻燒量增加，鍋爐冷渣器出力不足，這時需要從事故排渣口人工放渣；隨著低熱值油頁巖摻燒量的增加，煙氣中SO的濃度直線上升；鍋爐摻燒低熱值油頁巖后，需要的一次風量增加，床壓升高，爐內(nèi)流化狀態(tài)良好；如果大量摻燒低熱值油頁巖，冷渣器、除渣系統(tǒng)需要進一步改造或者更換；摻燒低熱值油頁巖有良好的經(jīng)濟效益；正常的摻燒工況不影響鍋爐帶滿負荷，即不影響冬季機組供暖。