410 t/h循环流化床锅炉混烧石油焦油页岩热力性能试验分析

邓雨生

(中国石化集团茂名石化公司动力厂,茂名 525021)

石油焦和油页岩均属于特殊燃料.石油焦属于炼油工艺副产品,其热值高,挥发分及灰分低,硫、氮元素及钒、镍等碱金属含量高,属劣质燃料.油页岩属于高灰分、低发热量和高挥发分的特殊劣质燃料[1],其理化特性完全不同于普通燃煤.这两种燃料在常规煤粉炉中都难以很好地燃烧.20世纪90年代以来,随着循环流化床(CFB)锅炉技术的快速发展,国内外高等院校、科研院所及发电企业开始注重发展油页岩和高硫石油焦的洁净燃烧技术,并且已有不少相关技术得到应用.

茂名石化地处一次能源缺乏的广东西部沿海地区,但是茂名地区有丰富的油页岩资源,地质储量为5.3×109t[2].随着世界原油的重质化、劣质化和原油深度加工的进展,以及我国沿海炼化企业生产规模的不断扩大,茂名石化炼油能力也进一步提高至2.0×107t/a,其高硫石油焦产量越来越高.茂名石化2台410 t/h CFB锅炉由美国Foster Wheeler公司设计,设计燃料为贵州烟煤.在国际能源需求不断增长的今天,寻求石油焦与油页岩综合利用,对于缓解能源供需矛盾,具有重大的现实意义.本文对茂名石化额定蒸发量为410 t/h的超高压参数CFB锅炉燃用石油焦和油页岩混合物进行了试验研究,整理得到了包括锅炉效率、运行参数、污染物排放在内的一系列规律性结果.目前国内只有实炉纯烧石油焦、纯烧油页岩、石油焦与煤混烧技术的相关研究[3-6],而对石油焦与油页岩实炉混烧技术的研究未见有报道,本文的工作填补了国内大型CFB锅炉试烧石油焦和油页岩混合燃料方面的空白,对具有较强燃料适应性的大型CFB锅炉的设计和运行具有借鉴意义.

1 锅炉结构及性能

1.1 锅炉的主要性能设计参数

锅炉的主要性能设计参数见表1.

表1 锅炉主要性能设计参数Tab.1 Main performance data of the boiler

1.2 锅炉总体结构

该型锅炉是美国FW公司生产的第三代CFB锅炉,采用八面水冷耐火材料衬里的紧凑型旋风分离器,炉内布置膜式水冷壁,炉膛内布风板上装有箭头形风帽.燃料分四路经称重式给煤机由前墙加入炉膛;破碎后的脱硫剂由石灰石粉仓经两级仓泵,采取气力输送方式分四路分别送至锅炉前、后墙;锅炉配2台风水联合冷渣器,炉渣中的细灰随冷渣风返回炉膛;空气预热器下灰斗和静电除尘器一电场捕集的飞灰采用气力输送方式由前墙送回炉内;锅炉旋风分离器出口的烟气依次经装有末级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器的尾部竖井烟道和静电除尘器由烟囱排放.锅炉结构示意图见图1,紧凑型旋风分离器示意图见图2.

图1 410 t/h CFB锅炉结构示意图Fig.1 Schem atic diagram of the 410 t/h CFB boiler

图2 紧凑型旋风分离器俯视图Fig.2 Top view of the compact cy clone separator

与其他CFB锅炉技术相比较,该型锅炉结构主要特点有:

(1)采用了八角形水冷旋风分离器,布置更紧凑,取消膨胀节连接方式,密封性更好,并缩短了锅炉冷态启动时间.

(2)下部二次风引自压力更高的一次风总管,提高了二次风的射流刚度,改善了炉膛密相区中心缺氧问题,使密相区扰动更强烈,燃烧更充分.

2 燃料及脱硫剂分析

试验用燃料为石油焦和油页岩按3∶1混合,燃料元素分析和工业分析数据见表 2.对比GB/T 7562—1998标准,该混合燃料接近低挥发分、高热值、中灰分、中硫分发电用煤标准,但是考虑到石油焦和油页岩热值分别为32.44 M J/kg和5.17 M J/kg,密度分别为1.2～1.8 t/m3和 1.4～2.7 t/m3[7],两者热值和密度差别均较大,且由于油页岩特殊的片状结构,混合物易在锅炉密相区发生分层现象,因而在煤场用装载机对试验燃料进行了掺混.采样分析结果,低位热值偏差控制在±5%以内.表3为试验用脱硫剂(石灰石)的成分分析,石灰石中CaO质量分数为51.47%,含量偏低,因而石灰石脱硫效率可能偏低.

表2 石油焦和油页岩混合燃料元素分析及工业分析Tab.2 Ultimateand proximateanalysis of them ixed fuel

表3 石灰石成分分析Tab.3 Composition of the limestoneused

3 锅炉热效率测定

由西安热工院进行锅炉热效率实炉测试,采用DL/T 964—2005《循环流化床锅炉性能试验规程》推荐的能量平衡法进行计算,锅炉效率计算界面按DL/T 964—2005所规定的以除尘器前为计算界面.但由于该炉采用了飞灰再循环设备,电除尘器一电场飞灰全部回送炉膛,因此计算中飞灰可燃物在二电场取样,飞灰份额仅包括后三个电场的飞灰.忽略了一电场飞灰回送炉膛过程中的散热损失及送风机带来的辅机热量,经误差分析,此部分热损失估计不足0.03%.测试前,对冷渣器排渣量和石灰石给粉量分别进行了标定,结果见图3和图4.由图3可知,石灰石给粉量和石灰石旋转阀转速基本呈线性关系;A、B两侧冷渣器排渣量和冷渣器旋转阀转速也基本呈线性关系.实际测试过程中,可通过旋转阀转速来推算给粉量和排渣量.

图3 石灰石给粉量和旋转阀转速的关系Fig.3 Relationship betw een limestone feed rate and the speed of rotary valve

图4 冷渣器排渣量和旋转阀转速的关系Fig.4 Relationship between cold-state slag discharge and the speed of rotary valve

试验数据主要是从DCS显示中获得,主要仪器仪表采用德国进口配套装置,烟气SO2采样分析及预处理系统见图5.

图5 烟气SO2采样分析及预处理系统Fig.5 Sam pling and pretreatm ent of SO2

混烧试验期间进行了氧量、一次风量和床压调整试验,锅炉实际负荷工况下热效率的测试数据见表4.

4 锅炉运行

4.1 温度

图6为炉内温度分布.由图6可见,以石油焦和油页岩混合物为燃料,炉内密相区温度分布均匀,最低为800.6℃,最高为869.3℃,平均温度为838.7℃.前墙温度比后墙温度低,因为燃料由前墙加入,燃料在前墙附近还未及充分燃烧,热量还未完全释放.图7为运行温度随时间的变化,该运行工况下平均床温、分离器入口温度、回料腿温度和排烟温度分别为836℃、829℃、869℃和149℃左右,随时间变化很小,说明燃用石油焦和油页岩混合物燃烧相当稳定.

表4 锅炉热效率测试数据表Tab.4 Measurements ofboiler thermal ef ficiency

图6 炉内温度分布(单位:℃)Fig.6 In-furnace temperature distribution(unit:℃)

4.2 汽水流量

由于锅炉烟气系统运行温度稳定,锅炉的汽水流量也相对稳定(见图8).运行表明,虽然石油焦和油页岩的热值相差较大,但是由于试验燃用的石油焦和油页岩混合物掺混均匀,混合燃料成分波动小,入炉混合燃料热值稳定,锅炉汽水参数的稳定性良好.

图7 运行温度随时间变化Fig.7 Operation temperatu re varying w ith tim e

图8 汽水流量随时间变化Fig.8 Steam and w ater flow varying with time

以上温度和汽水流量均为工况1的运行参数.

4.3 污染物排放

4.3.1 SO2排放

在试验期间,石灰石输送给料系统的给料量基本未作大的调整,给料机平均转速为4.23 r/min,对应的石灰石给料量为7.28 t/h,相应的钙硫摩尔比为2.83,试验测得SO2排放质量浓度在569～923 mg/m3,脱硫效率在76.2%～85.3%.这次试验在较高的钙硫摩尔比下脱硫效率仍然偏低,究其原因有二:

(1)锅炉床温偏低,偏离了石灰石与SO2反应的最佳温度;

(2)石灰石粒径严重偏细,造成脱硫效率偏低.飞灰成分中CaO质量分数高达29.48%,表明有大量石灰石未来得及发生反应就被烟气夹带到尾部烟道.

试验中当石灰石给料机转速由3.70 r/m in增大到7.02 r/m in时,对应的石灰石给料量约为12.1 t/h,相应的钙硫摩尔比为4.73,锅炉二氧化硫排放质量浓度降低为192mg/m3,脱硫效率达95%,这时锅炉平均运行床温为817～841℃,见图9.

图9 钙硫摩尔比对烟气中SO2质量浓度的影响Fig.9 Effect of n(Ca)/n(S)on SO2 mass concentration of flue gas

4.3.2 NOx排放

试验测得NO x排放质量浓度为101.6～132.9 mg/m3,达到了GB 13223—2003所规定的低于650 mg/m3(标准状态,6%)的排放要求.该NOx排放值是在床温810～840℃条件下测到的,而该温度低于CFB锅炉常规运行温度.试验结果表明,NOx质量浓度随燃烧温度增加呈明显上升的趋势,密相区床温与NO x质量浓度的关系曲线见图10.

4.4 灰渣含碳量

试验测得飞灰可燃物及底渣可燃物平均值分别为11.5%和4.3%,与燃用普通煤种相比,飞灰可燃物含量略偏高,而底渣可燃物明显偏高.

4.4.1 飞灰含碳量高原因分析

工况2、工况3为总风量调整试验,图11为排烟氧体积分数φ(O2)对密相区床温及飞灰可燃物影响.

图10 密相区床温对NO x质量浓度的影响Fig.10 Effect of bed temperature in dense phase zone on NO x mass concentration

图11 排烟氧量对密相区床温及飞灰可燃物影响Fig.11 Effect of oxygen volume conten t in flue gas on bed temperature of dense phase zone and combustible content in fly ash

由图11可知,当烟气中 φ(O2)从3.6%降低至3.1%时,由于床压及风量的共同作用,导致床温变化幅度较小,对飞灰可燃物影响较小,而燃料因缺氧而导致燃烧不充分的负面效应大于降低风速而延长炉内燃烧时间的正面效应,导致飞灰含碳量上升.当烟气中φ(O2)从3.6%升高至4.2%时,过量氧虽然有利于燃料的燃尽,但也带来了负面因素:其一是由于风量过大导致密相区床温显著降低,由840℃降低至817℃;其二是风量增大后燃料在炉内停留时间减少.结果表明,床温降低及燃料炉内停留时间减少对燃料燃尽的负效应大于过量氧有利于燃料燃尽的正效应,使得飞灰含碳量上升.

4.4.2 底渣含碳量高原因分析

工况4的底渣含碳量分析见表5.

表5 工况4底渣含碳量分析Tab.5 Ana lysis of combustib les in bottom ash samp les in case4

由表5分析可知,粒径大于5 mm的底渣含碳量较低,5 mm以上区间含碳质量分数平均约为1.6%,根据5mm以上底渣所占质量分数计算得出5 mm粒径以上底渣含碳量约0.32%.而底渣粒径在0.28～5.00mm时,含碳质量分数为4.87%,占底渣含碳量(5.47%)的绝大部分.因此底渣中未燃尽可燃物主要集中在0.28～5.00mm粒径内.由于油页岩燃烧后所得底渣粒径较粗,且油页岩自身碳含量较低,入炉所占比例也仅为30%,因此,此粒径范围内可燃物(碳)主要来自于石油焦颗粒.

5 结 论

(1)该410 t/h CFB锅炉燃用石油焦和油页岩混合物,在实际运行负荷370～386.3 t/h工况下,锅炉平均热效率为90.89%。

(2)由于石油焦和油页岩燃料掺混均匀,燃用石油焦/油页岩混合物时炉内密相区温度分布均匀;床温、分离器入口温度、回料腿温度和排烟温度等均稳定;锅炉主蒸汽流量、给水流量和减温水流量稳定。

(3)燃用石油焦和油页岩混合物,并投加本次试验用石灰石,当n(Ca)/n(S)为4.73时,SO2排放质量浓度在 192 m g/m3,脱硫效率达 95%以上;NO x排放质量浓度也维持在较低水平.

(4)本试验运行条件下,烟气中 φ(O2)控制在3.6%时灰渣含碳量最低.

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