油页岩与无烟煤掺烧特性研究

李 晶，姬海宏，毕明星

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.中国华电集团公司煤炭质检计量中心，浙江杭州310030；3.华电能源佳木斯热电厂，黑龙江佳木斯154005）

油页岩与无烟煤掺烧特性研究

李 晶1，2，姬海宏1，毕明星3

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.中国华电集团公司煤炭质检计量中心，浙江杭州310030；3.华电能源佳木斯热电厂，黑龙江佳木斯154005）

为了进一步拓展油页岩应用的领域，本文通过对无烟煤和油页岩的成分分析，依据理论计算，对无烟煤与油页岩按不同比例掺配时的稳燃特性、燃尽特性、沾污特性以及结渣特性进行了分析研究。总结出其变化规律，随着油页岩比例增加，稳燃特性指数和燃尽特性指数都处于上升趋势，而结渣特性随着油页岩掺入，当无烟煤与油页岩比例上升至为6：4时，由无烟煤的严重结渣特性下降到中等结渣特性。文中简单分析了引起变化的主要影响因素，为油页岩与无烟煤掺烧提供理论依据。

油页岩；无烟煤；掺烧特性；稳燃特性；燃尽特性；结渣特性

0 引言

能源是人类生存和发展的重要物质基础，在国民生活、经济发展和国家安全中具有重要的地位。目前，世界能源日益短缺、国际石油价格持续升高，要想提高中国的油气资源保障能力十分困难，开发并合理利用新能源已迫在眉睫。油页岩等非常规油气资源的勘探开发逐步进入国家能源战略视野[1]。

我国油页岩资源丰富，居世界第4位。我国油页岩主要分布在20个省和自治区、47个盆地，共有80个含矿区[2]。将我国的油页岩资源折算成页岩油的地质储量超过470亿t，主要分布于茂名、桦甸和抚顺等地[3-4]，其主要用于炼制页岩油以及燃烧发电及供热。油页岩的着火温度低，前期燃烧以挥发分为主，且反应强烈，后期燃烧反应能力差，其灰的传热阻力成为碳转化率提高的主要控制因素[3~6]。因此，由于油页岩属于高灰分、高挥发分以及低热值的劣质燃料，难以单独大规模地充分利用[7]。

如果将油页岩与其他燃料混合利用，如生物质、石油焦、混煤等，都会提高油页岩作为燃料的性能[7~10]，有利于充分发挥油页岩资源的利用价值。

至今鲜有文献对油页岩与无烟煤掺烧进行研究，因此，本文将油页岩与无烟煤不同比例掺烧样品的燃烧特性进行理论分析，为油页岩实际掺烧工作提供理论参考。

1 油页岩及无烟煤成分分析

选用具有代表性的甘肃窑街油页岩与贵州无烟煤进行计算分析。

甘肃窑街油页岩成分分析[11]和贵州无烟煤成分分析见表1。

表1 油页岩和无烟煤成分分析

通过工业、元素以及灰成分分析，可以看出油页岩与煤的性质很相似，文章根据煤的经验规律，推算油页岩与煤掺配混样的燃烧及飞灰特性。

2 不同比例特性分析

2.1 燃料及飞灰成分与其特性之间的关系

2.1.1 软化温度（ST）

根据研究[12]，SiO2≤60%，且Al2O3＞30%可用下式分别计算软化温度。

SiO2≤60%，且Al2O3≤30%，同时，Fe2O3≤15%，可用下式分别计算软化温度。

2.1.2 燃烧指数

朱跃等人对燃煤进行研究提出了其燃烧的稳燃指数Rw以及燃尽指数Rj与燃料工业分析之间的关系[13]，计算公式如下：

其中：Rw≤4.0

Rw＞4.0～4.65难稳定区

Rw＞4.65～5.0中等稳定区Rw＞5.0～5.7易稳定区Rw＞5.7褐煤区

其中：Rj≤2.5极难燃尽区

Rj＞2.5～3.0难燃尽区

Rj＞3.0～4.4中等可燃尽区Rj＞4.4～5.7易燃尽区Rj＞5.7褐煤区

2.1.3 沾污特性指数及结渣特性判断

其中：Ru1＜0.2轻微沾污

Ru1=0.2~0.5中等沾污

Ru1=0.5~1.0沾污重

Ru1＞1沾污严重

用灰成分综合指数Rz来判别结渣特性：

结渣等级判别界限如下：

2.2 特性分析

根据以上公式对掺配的燃料进行特性评估，旨在找出特性范围及变化规律。相关数据见表2。

表2 燃料掺配特性相关数据

2.2.1 燃烧稳定性指数Rw

从数据上看，此无烟煤为难稳定燃烧煤，掺入油页岩后，随着掺入量的增加，指数成递增趋势，燃烧趋于稳定（如图1所示），对无烟煤的稳燃有利。

虽然空气干燥基水分有所减少，空干基灰分有所增加，对燃烧稳定性不利，但干燥无灰基挥发分大幅提高，有利于燃烧，仍然是燃烧趋于稳定。另外，根据研究，油页岩的飞灰表面粗糙程度很高，孔隙率非常发达，且存在很多表面龟裂（如图2所示），呈絮状结构[15]，有利于氧的渗透和加速燃烧，有利于稳燃。

2.2.2 燃尽指数Rj

从数据和图中可以看出，此无烟煤为中等可燃尽煤种，燃尽指数随着油页岩掺配比例增加呈递增趋势（如图3所示），说明随着油页岩的掺入，更易燃尽。主要是由于干燥无灰基挥发分大幅提高引起的变化。

图1 Rw随油页岩掺配比例的变化趋势图

图2 油页岩飞灰扫描图

图3 Rj随油页岩掺配比例的变化趋势图

2.2.3 燃料沾污特性指数Ru1

从数据上看，此无烟煤为轻微沾污性煤，随着油页岩的掺入量增加，沾污指数逐渐增加，当掺入比例为3：7以上时，燃料表现为中等沾污特性（如图4所示）。主要是由于碱金属成分特别是Na2O含量的增加引起的沾污性加重。

2.2.4 结渣特性指数Rz

此无烟煤为严重结渣特性，随着油页岩的掺入在6：4的比例时，降入中等结渣特性，有所好转，随后随着掺入比例增加，变化不明显（如图5所示）。这主要是受飞灰软化温度的影响比较大，结渣指数随软化温度增加而减小（如图6所示）。

图4 Ru1随油页岩掺配比例的变化趋势图

图5 Rz随油页岩掺配比例的变化趋势图

图6 ST随油页岩掺配比例的变化趋势图

3 结语

油页岩在我国的储量高，是一种较好的替代能源。油页岩的掺入对无烟煤的燃烧特性以及沾污结渣特性都有一定影响。随着油页岩掺入比例的增加燃料的燃烧稳定性以及燃尽特性有所好转，燃料的沾污性略有加重，燃料的结渣性在无烟煤与油页岩为6∶4的掺配比例时降到最低，之后趋于平稳。

通过油页岩与无烟煤的掺烧特性研究，可为油页岩与无烟煤的掺配提供一定的理论依据和估算方法。

[1]管鑫，李丹东，韩冬云，等.国外油页岩资源开发利用进展[J].当代化工，2015，44（1）：80~82.

[2]朱文鉴，王镇泉.油页岩性能检测及其结果分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009，140~146.

[3]李术元，马跃，钱家麟.世界油页岩研究开发利用现状一并记2011年国内外三次油页岩会议[J].中外能源，2012，（2）：8~17.

[4]黄富，李术元，徐明，等.桦甸油页岩半焦燃烧特性及动力学研究[J].石油化工高等学校学报，2011，24（3）：55~59.

[5]Shabbar S，Rana Q，Ilham T，et a1.Kinetics of pyrolysisand combustion of oil shale sample from thermogravi-metric data[J].Fuel，2011，90（4）：1631~1637.

[6]Marco A B Z，Henrique M，Marcio F M.Formulating and optimizing a combustion pathways for oil shale and its semi-coke[J].Combustion and Flame，2012，159（10）：3224~3234.

[7]田红，廖正祝.油页岩与煤混烧热重试验研究[J].热力发电，2015，44（2）：36~41.

[8]田红，廖正祝.生物质与油页岩混合热解特性研究[J].洁净煤技术，2015，21（3）：93~97.

[9]晏建波，王海蓉，梁栋，等.油页岩掺混煤的燃烧性能与排放性能[J].燃烧科学与技术，2014，20（2）：158~163.

[10]田红.石油焦与油页岩混合燃烧特性及其燃烧动力学[J].石油学报，2010，26（2）：225~230.

[11]罗万江，兰新哲，宋永辉.油页岩微波热解气态产物析出特性[J].化工进展，2015，34（3）：689~694.

[12]陈文敏，姜宁.煤灰成分和煤灰熔融性的关系[J].洁净煤技术，1996，2（2）：34~37.

[13]朱跃，刘明仁，陈春元，等.用工业分析数据表征热天平试验结果的分析研究[J].锅炉制造，1998，167：40~44.

[14]陈春元.大型煤粉锅炉燃烧设备性能设计方法[M].哈尔滨工业大学出版社，2002.

[15]柏静儒，王擎，等.油页岩飞灰对重金属离子的吸附动力学及热力学[J].燃料化学学报，2011，39（5）：378~384.

Characteristics Research of Blending Oil Shale with Anthracite

LI Jing1，2，JI Hai-hong1，BI Ming-xing3
（1.China Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Coal Quality Inspection and Metrological Center of China Huadian Corporation，Hangzhou 310030，China；3.Jiamusi Thermal Power Plant of Huadian Energy Corporation，Jiamusi 154005，China）

In order to further development of the area of oil shale application，the paper through the analysis of the composition of oil shale and anthracite，and on the basis of the theoretical calculation，analysed the anthracite and the oil shale by different blending ratio of steady combustion characteristics and burnout characteristics，fouling and slagging characteristics.Summed up the regular pattern of change，as shale ratio increases，stationary combustion characteristics and burnout characteristics index is rising，and slagging characteristics with shale incorporation，when anthracite coal and shale rise is 6：4，dropped from serious slagging characteristics of anthracite to moderate slagging characteristics.And the paper analysed the main influencing factors of the cause changes，provide theory basis for oil shale and anthracite of blending.

oil shale；anthracite；blending characteristics；stationary；combustion characteristics burnout characteristics；slagging characteristics

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.003

TQ534

B

2095-3429（2015）06-0007-04

2015-11-07

修回日期：2015-12-07

李晶（1982-），女，黑龙江五常人，硕士，工程师，主要从事煤炭加工利用研究工作。