准东煤掺烧油页岩试验研究

王鹏辉 盖志杰 赵建刚 谭 袖

(华电电力科学研究院内蒙古分院,内蒙古自治区呼和浩特市,010051)

准东煤掺烧油页岩试验研究

王鹏辉 盖志杰 赵建刚 谭 袖

(华电电力科学研究院内蒙古分院,内蒙古自治区呼和浩特市,010051)

准东煤由于其高碱金属含量、高水分、易结焦等特性极大地限制了该煤种在电厂的使用,煤灰成分中高碱金属含量是造成锅炉结渣、沾污的最主要原因。油页岩由于硅、铝含量较高,其熔融特性温度较高。本文通过对准东煤、油页岩及其混煤的煤质特性、灰成分以及灰熔融特性进行试验分析,比较不同掺配比例混合燃料的沾污特性;并采用热重分析方法对其混合燃烧特性TG/DTG曲线对比分析,确定两者的最佳配比。然后结合现场掺烧试验,验证锅炉对掺配煤种的适应性。试验结果表明,利用油页岩中的高硅、铝成分可以提高准东煤的灰熔点,试验证实在准东煤中掺配15%的油页岩可以很好地解决锅炉结焦问题,从而为准东煤作为电厂的动力用煤开辟了新的应用前景。

准东煤 油页岩 掺烧 灰熔融 结渣

“准东”是指新疆准噶尔盆地东部从阜康市到木垒哈萨克自治县的一条狭长地带,准东煤田资源预测储量达3900亿t,目前累计探明煤炭资源储量为2136亿t,煤田成煤面积约1.4万km2,是我国目前最大的整装煤田。准东煤具有价格低廉、中高水分、中等发热值、煤质堆积密度小、易着火、易燃尽、强结焦、高碱金属含量、强沾污性以及各矿的灰熔点相差比较大等特点。准东煤质的特性极大地限制了该煤种在电厂的使用。

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是其灰分超过40%,油页岩外观多呈褐色泥岩状,其相对密度为1.4～2.7。油页岩由于硅、铝含量较高,其熔融特性温度较高,软化温度一般大于1400℃。

研究发现,增加煤灰中氧化铝含量可以有效提高煤灰的熔融特性温度;增加煤灰中二氧化硅的含量可以降低煤灰中活性钠在燃烧过程中的挥发,从而缓解锅炉受热面的沾污问题。因此,在灰分含量较低的准东煤中添加油页岩,引入油页岩中富含的硅、铝元素,可以有效地改善准东高钠煤的结渣和沾污特性,从而解决锅炉大量燃用准东煤易发生的受热面结焦问题。

本文旨在通过对准东煤与油页岩掺配得到的混合燃料进行燃烧特性、结渣沾污特性、灰熔融特性的实验室研究和电厂现场掺烧应用试验研究,结合电厂机组参数,找到两者的最佳掺配比例和机组的最佳运行方式,保证锅炉的安全性、环保性和经济性。

1 准东煤、油页岩实验室研究

1.1 准东煤、油页岩及其混煤煤质特性

本试验分别对准东煤、油页岩及其混煤的煤质特性、哈氏可磨性、灰熔融特性、灰成分、燃烧特性等进行分析,得出准东煤与油页岩的最佳配比,分析结果见表1。

表1 煤质特性分析试验数据

准东煤的全水分含量较高,为24.99%,明显高于油页岩的7.46%,随着掺配油页岩比例升高,配煤的全水分含量呈下降趋势。准东煤和油页岩的发热量分别为19510 kJ/kg和3019 kJ/kg,准东煤和油页岩混煤的发热量随油页岩含量增加而降低。准东煤和油页岩的灰分分别为7.39%和78.46%,随着油页岩掺配比例提高,混煤的灰含量依次升高。油页岩的哈氏可磨指数为61,属于中等可磨,差于准东煤。

1.2 准东煤、油页岩及其混煤灰成分和灰熔融特性

通过对混煤的灰成分、灰熔点、发热量、燃烧特性等指标的测定后,确定准东煤掺配油页岩的最佳配比。不同配比的准东煤与油页岩混煤灰成分和灰熔融特性见表2。

由表2可以看出,混煤在油页岩含量为15%时软化温度最高,为1211℃,比准东煤的软化温度提高了29℃。

1.3 准东煤、油页岩及其混煤沾污特性分析

试验分别根据碱酸比、硅比、硫结渣指标、铁钙比等指标,对准东煤、油页岩和准东煤油页岩混煤的结渣特性进行评判。准东煤的碱酸比RBA为0.83,油页岩的碱酸比为0.15,准东煤油页岩混煤的碱酸比随油页岩含量升高而降低。同时,由于油页岩灰分中的CaO含量较低,油页岩含量为5%、10%、15%和20%时分别为0.465、0.716、0.986和1.276。

煤灰对高温受热面的沾污特性用沾污指数评价,具体结果见表3。由表3可以看出,混煤的油页岩含量为5%和10%时,沾污指数分别为0.94和0.50,沾污程度高;油页岩含量为15%和20%时,沾污指数分别为0.33和0.23,沾污程度为中。说明当油页岩含量大于等于15%时,可以降低沾污现象。

表2 灰成分和灰熔融特性

表3 准东煤、油页岩及其混煤沾污特性

1.4 准东煤、油页岩及其混煤燃烧特性分析

利用热重分析方法对准东煤、油页岩及其不同配比下掺混燃烧特性的TG、DTG曲线进行了分析,试验结果如图1和图2所示。

试验得出油页岩的着火温度Ti和挥发分最大释放速度峰值对应的温度Tmax分别为346℃和441℃,低于准东煤,而燃烬温度Th高于准东煤。油页岩掺混比例为5%～20%时,Ti、Tmax和Th都与准东煤接近。掺烧油页岩时,挥发分最大释放速度峰值(dw/dt)max小于准东煤,但变化幅度不大。准东煤掺烧油页岩5%～20%时,其燃烧特性变化不大。试验结果见表4。

通过对混煤的灰成分、灰熔点、发热量、燃烧特性等指标的分析,确定在准东煤中掺配15%的油页岩(准东煤∶油页岩＝85∶15)为最佳配比。

图1 准东煤和油页岩的TG和DTG曲线

图2 不同掺配比例配煤的TG和DTG曲线

表4 准东煤、油页岩及其混煤燃烧特性

2 现场配煤掺烧试验

2.1 现场掺烧试验方案

由于准东煤价格低廉,为了降低发电成本,新疆昌吉地区大多数电厂都在当地井工煤中掺配不超过40%的准东煤。选定新疆昌吉地区某电厂#1机组作为试验机组,以当地井工煤∶准东煤＝6∶4 (参照煤种)为参照工况,然后按照准东煤∶油页岩＝85∶15(新配煤种)的掺配比例,制定煤场配煤方案,进行锅炉配煤掺烧试验,观察和分析炉内的燃烧情况、炉内结焦和积灰情况以及制粉系统、各风机、空预器、除尘器、输灰及除渣系统的运行情况等,确保锅炉安全运行。

分别对不同的机组负荷段(60%、80%和100%电负荷)进行锅炉热效率测试,并观察和记录每一个运行工况期间锅炉结渣情况及金属壁温。对试验各阶段炉膛温度以及受热面管的结焦积灰情况进行检查监测并记录,并且与参照工况进行对比。

2.2 试验数据汇总分析

试验比较锅炉在燃用参照配种和新配煤种不同负荷条件下锅炉运行的主要参数见表5。随着负荷自60%升高至100%,炉膛出口温度均升高。但燃用新配煤种时炉膛出口温度总体上偏低20℃左右;飞灰可燃物含量明显降低,由原来的8.52～10.50%降低至0.62～1.66%。说明掺配油页岩后,燃料燃尽程度更好。同时换算到保证条件下锅炉热效率在60%、80%和100%负荷下分别较燃用参照配种时升高1.83%、0.94%和0.92%。

2.3 炉膛结焦情况

试验中重点观察了各工况下锅炉结焦状况。燃用参照煤种时,锅炉连续运行1 d后,折焰角上积灰逐渐加重,过热器上结焦情况也加剧,为了保证锅炉安全运行,需每天进行一次吹灰和打焦。锅炉燃用新配煤种,炉内受热面和燃烧器喷口均未出现严重结焦和积灰现象。锅炉经过连续7 d后,过热器管壁有少许沾污情况,折焰角处有少量不均匀的积灰,此时高温过热器前烟温最高为766℃。对锅炉进行吹灰后情况明显好转,无挂焦和积灰存在。燃用新配煤种锅炉受热面结焦情况如图3所示,受热面均保持光洁,高过前烟温但均未超过800℃。由此说明掺烧15%油页岩对改善准东煤的结焦和积灰效果显著。

表5 现场掺烧试验数据

图3 燃用新配煤种100%负荷工况下锅炉受热面结焦情况

2.4 锅炉排渣情况分析

试验机组锅炉采用固态排渣和水力冲渣输送。参照煤种不同负荷下块状炉渣宏观形貌和新配煤种不同负荷下块状炉渣宏观形貌如图4和图5所示。从排渣情况看,参照煤种工况下炉渣总体上呈泥沙状,有部分结成焦块状,密度较大;而掺配油页岩后的渣总体上呈现颗粒状,并有部分渣块漂浮于水面,块状当量直径小于100 mm,分布均匀。通过对此部分渣块进行收集和仔细观察,发现渣块的孔隙率较高,密度较轻。展望可以对灰渣进行高附加值综合利用。

图4 参照煤种不同负荷下块状炉渣宏观形貌

3 结论

(1)在实验室内对准东煤和油页岩的特性以及其相关配比进行研究,综合灰熔融特性、燃烧特性和环保指标,得出在准东煤中掺配15%的油页岩(准东煤∶油页岩＝85∶15)为最佳配比。

(2)在现场掺烧试验中,在60%、80%和100%锅炉负荷下,试验中所列举的所有工况的炉内受热面和燃烧器喷口均未出现严重结焦和积灰现象。整个现场试验过程共19 d,仅进行2次例行吹灰。通过掺配试验,说明在准东煤中掺配15%的油页岩可以提高灰熔点,很好地解决锅炉结焦的问题。

(3)通过现场掺配试验,掺烧配煤(准东煤∶油页岩＝85∶15)工况良好,飞灰可燃物显著下降,由燃用参照煤种时的8.5%～10.5%降为0.62%～4.66%,燃料燃尽程度更好,换算到保证条件下的锅炉热效率整体提高1%～2%,说明在准东煤中掺烧一定比例的油页岩可以提高燃料燃尽,从而提高锅炉热效率。

试验证实,利用油页岩可以有效地解决准东煤的沾污和结焦问题,为发电企业找到一种更低价的动力混配煤,降低发电成本。

同时也为准东煤和油页岩的开发和利用提供了广阔的应用前景,由此带来的社会效益和经济效益不可低估。

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(责任编辑 陶 赛)

Experimental study on co-firing of Zhundong coal with oil shale

Wang Penghui,Gai Zhijie,Zhao Jiangang,Tan Xiu
(Huadian Electric Power Research Institute Inner Mongolia Branch,Hohhot,Inner Mongolia 010020,China)

Zhundong coal has the properties of high alkali metal content,high moisture,easy coking,so its application at power plant is rather limited.The high content of alkali metal in coal ash is the main reason of boiler slagging and fouling.Oil shale has higher ash fusion temperature because of its rich silicon and aluminum components.This paper introduced an experimental analysis on coal quality characteristics,ash composition and ash melting characteristic of Zhundong coal,oil shale,and their mixture,associated with comparing the fouling characteristic of the mixed fuel under different blending proportion.Comparison of TG/DTG curves is utilized to analyze the combustion characteristics of mixed fuel by using thermal-gravimetric analysis method, thus clarified the optimal mixture ratio of Zhundong coal and oil shale.In addition,it is verified that the mixed coal is applicable to the boiler by on-site co-firing testing.The result shows that the high content of silicon and aluminum components in oil shale could help improve the ash melting temperature of Zhundong coal;mixing 15%oil shale in Zhundong coal could minimize boiler slagging.This study ensures that Zhundong coal can be effectively utilized at power plantwith proper application.

Zhundong coal,oil shale,blending combustion,ash melting,slagging

TK16

A

王鹏辉(1982-),男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生,工程师,主要从事热能动力工程方面的研究。