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[摘 要]油页岩是一种重要的潜在能源，储量巨大，在化石燃料中它的储量折算成发热量仅次于煤而列第二位。作为炼油后的废渣，半焦有800-1000kcal/kg发热值，约占油页岩总发热值的40～50%。其挥发份含量低，灰分很大，发热值很低，是一种很难着火、很难燃尽的劣质燃料。因此，将油页岩和半焦按一定比例混合后作为燃料送入循环流化床锅炉，达到最大限度利用油页岩的目的。
[关键词]半焦； 油页岩小颗粒； 高温高压循环流化床锅炉
中图分类号：TK229.66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0014-01
一、半焦掺烧研究背景与意义
自2009年龙矿集团成立龙福油页岩综合利用有限公司对油页岩进行综合利用，目前已经形成年处理油页岩120万吨、产油12万吨、半焦90万吨、瓦斯发电5000万度的生产规模。半焦作为油页岩炼油产生的固体废弃物，经过雨水淋溶或扩散后会污染周围的水源、土地及生物，破坏农业生产，使土地僵化、酸化，破坏土壤，如不及时处理势必对周围的环境造成破坏。随着龙福公司正常的生产，半焦的产量越发增大，需要得到合理的转化和处理。而半焦的发热量为800-1000 kcal/kg，为了充分利用这部分热能，减少能源浪费和杜绝环境污染，也为下一步有效利用油页岩半焦、为龙矿集团2×50MW半焦综合利电提供科学有效的技术支撑。
二、燃烧特性的研究
公司成立油页岩炼油半焦掺烧研究小组，小组成立后，对各项研究工作进行严格分工，明确试验目标和工作方法，定期对工作进展情况进行汇报和总结，最终形成综合研究报告。具体研究内容如下：
1、委托设计单位或专业研究试验部门，对油页岩炼油半焦物理、化学特性进行分析，掌握其燃烧特性；
2、针对油页岩半焦水分高、灰分高、热值低、燃料比重大会导致循环灰量增加，烟气量增加，磨损量增加以及流化情况变差的现象，对燃烧特性进行分析，从而合理掺烧半焦比例，保证锅炉安全、稳定、经济运行；
3、针对半焦上述特点，在入炉方式、锅炉设计、工艺、灰渣处理等进行针对性研究，明确了增加密相区受热面防磨、适当调整受热面布置、合理调整烟气流速、增加分离器下部的排灰量、控制温度场等设计方案，为下一步锅炉的制造、改造和应用提供了技术支撑和支持。
通过半焦物理和化学特性试验，绘制燃烧特性曲线，并分别进行比较分析：
从TG曲线变化可以看出，油页岩及其半焦混煤燃烧过程分为燃烧低温段（着火温度Ti～550℃）、过渡段（550～680℃）和燃烧高温段（680～850℃）3个阶段。随着油页岩在混样中所占比例的增大，失重也随之增加，这主要是因为油页岩中挥发份含量很大，而经干馏后得到的半焦中所含挥发份相对较少。从环境温度延伸到一个初始温度（约110℃），TG曲线下滑、对应的DTG曲线出现一个小峰，试样发生微小的失重，可称为干燥阶段。同时由于油页岩中水分含量比干馏半焦中的水分含量大，故油页岩在干燥阶段失重比其余试样都大。在低温段的燃烧主要是混煤中的可挥发性气体的溢出，而在高温段则主要是一些有机质、固定碳以及其它难于分解物质的燃烧过程。相对应的DTG曲线上具有明显的双峰，第一个峰值高于第二个峰值，原因在于第二段反应转化率较小，第一段起始温度大约在250℃，终止于550℃，在380℃处达到最大值，失重率达80%；第二段反应起始于680℃，终止于850℃，在750℃处达到最大值，失重率15%左右。整个燃烧过程可燃成分的转化率没有达到100%，主要是灰分将部分混煤包容，阻碍了气体扩散至混煤反应表面。同时随着油页岩对半焦比例的增加，低温段峰值明显增大。
同一混样颗粒燃烬度随升温速率的提高而变差，这是因为：升温速率低，颗粒燃烧时间长，有利于油页岩颗粒的燃尽；同时升温速率低，混样颗粒内外温度梯度小，有利于挥发份的析出，当挥发份析出后，氧气能够通过颗粒孔隙充分扩散到颗粒内部，与被灰分包裹的碳发生燃烧反应，也对颗粒燃烬有利。同时升温速率对混煤燃烧的低温和高温两个反应阶段影响显著，随着升温速率的提高，每条燃烧反应曲线的着火温度都明显升高，同时峰温均移向更高温度，因为介质的扩散和热量的传递需要一定时间，即表现出一定的延迟性，所以升温速率高使反应后移。在高温段的燃烧中，油页岩半焦中活性组成减少使燃烧速率降低，同时油页岩半焦燃烧过程中在表面逐渐形成一个灰壳，灰分含量越高，灰壳越厚。灰壳的存在有碍于氧分子的扩散，使得灰壳内所包含的未燃烬碳粒表面的氧浓度降低。此外，灰壳还增加了空气气氛与未燃烬碳粒之间的传热热阻，使得碳粒和空气气氛之间的温差增大，对燃烧也是不利的。
三、在循环流化床锅炉的应用试验
通过对油页岩及半焦物理化学特性的研究，掌握了油页岩特性，从而对现场锅炉燃烧试验提供理论指导。半焦掺烧试验是在高温高压循环流化床锅炉进行，该锅炉设计负荷为140t/h，入炉煤热值为2400kcal/kg，主要燃烧煤种为油页岩、煤矸石、其他次煤等，日消耗燃煤800-1000吨，为江联重工股份有限公司2009年产品。首先进行半焦少量掺烧试验，在确保锅炉稳定运行的基础上，逐渐加大掺烧比例，半焦所占体积比分别按照16.7%，20%，25%，33.3%进行，比例在25%以下时，能够实现稳定燃烧。但由于受锅炉结构以及半焦水分高的限制，随着掺烧比例的增加给煤口堵塞逐渐加重，为保证给煤的稳定，掺烧最高比例只能到体积比33.3%。
四、效益分析
经济效益分析：从JG140-9.8/540-M型循环流化床锅炉掺烧半焦试验情况看，如半焦掺烧比例在20%，入炉煤平均热值2706大卡/千克，入炉煤热值单价从掺烧前的0.109元/大卡降到0.105元/大卡。按照33.3%比例掺烧半焦，吨汽标煤成本平均下降约0.71元/吨，年节省成本（年平均运行小时数7000小时，平均负荷72t/h）0.32*120*7000=26.88万元。每天平均多耗电1100KWH，每年可增加成本约0、5×1100/24×7000=16.04万元，年可增加利润42.92万元。
社会效益分析：通过循环流化床锅炉对油页岩炼油半焦的处理，不但利用了半焦中储存的残余热能，而且杜绝了环境污染，真正实现电力产业链“吃干榨净”、减少资源浪费、杜绝环境污染的目的。油页岩半焦的燃料试验和技术研究，不但探索了半焦发电技术，而且成为研发以油页岩半焦和小颗粒油页岩作为燃料的锅炉研发的技术支撑，为下一步最大程度进行半焦的综合利用，为当前油页岩综合利用产业面临的半焦治理难环保瓶颈问题的解决提供了较好的技术探索和支持。
作者简介
王华：山东省龙口矿业集团煤电有限公司。出生年月：1969年12月5日，女，山东龙口人，工程师，1989年毕业于山东大学热能动力工程专业，专科学历，主要从事电厂汽机、锅炉专业。
参考文献
1、【篇名】桦甸油页岩半焦循环流化床燃烧特性研究
2、【篇名】油页岩半焦燃烧机理与循环流化床燃烧利用
3、【名称】油页岩半焦废弃物在循环流化床锅炉中燃烧取得热能的方法
4、【名稱】油页岩综合优化利用的方法
5、【篇名】油页岩综合优化利用的新方法
6、【篇名】油页岩半焦循环流化床热力参数分布特性
7、【篇名】油页岩半焦循环流化床燃烧的工业实验研究
8、【名称】以湿油页岩半焦为燃料的循环流化床焚烧系统
9、【名称】油页岩炼油、发电与水泥三联产一体化装置
10、【名称】一种油页岩集成综合利用方法
[关键词]半焦； 油页岩小颗粒； 高温高压循环流化床锅炉
中图分类号：TK229.66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0014-01
一、半焦掺烧研究背景与意义
自2009年龙矿集团成立龙福油页岩综合利用有限公司对油页岩进行综合利用，目前已经形成年处理油页岩120万吨、产油12万吨、半焦90万吨、瓦斯发电5000万度的生产规模。半焦作为油页岩炼油产生的固体废弃物，经过雨水淋溶或扩散后会污染周围的水源、土地及生物，破坏农业生产，使土地僵化、酸化，破坏土壤，如不及时处理势必对周围的环境造成破坏。随着龙福公司正常的生产，半焦的产量越发增大，需要得到合理的转化和处理。而半焦的发热量为800-1000 kcal/kg，为了充分利用这部分热能，减少能源浪费和杜绝环境污染，也为下一步有效利用油页岩半焦、为龙矿集团2×50MW半焦综合利电提供科学有效的技术支撑。
二、燃烧特性的研究
公司成立油页岩炼油半焦掺烧研究小组，小组成立后，对各项研究工作进行严格分工，明确试验目标和工作方法，定期对工作进展情况进行汇报和总结，最终形成综合研究报告。具体研究内容如下：
1、委托设计单位或专业研究试验部门，对油页岩炼油半焦物理、化学特性进行分析，掌握其燃烧特性；
2、针对油页岩半焦水分高、灰分高、热值低、燃料比重大会导致循环灰量增加，烟气量增加，磨损量增加以及流化情况变差的现象，对燃烧特性进行分析，从而合理掺烧半焦比例，保证锅炉安全、稳定、经济运行；
3、针对半焦上述特点，在入炉方式、锅炉设计、工艺、灰渣处理等进行针对性研究，明确了增加密相区受热面防磨、适当调整受热面布置、合理调整烟气流速、增加分离器下部的排灰量、控制温度场等设计方案，为下一步锅炉的制造、改造和应用提供了技术支撑和支持。
通过半焦物理和化学特性试验，绘制燃烧特性曲线，并分别进行比较分析：
从TG曲线变化可以看出，油页岩及其半焦混煤燃烧过程分为燃烧低温段（着火温度Ti～550℃）、过渡段（550～680℃）和燃烧高温段（680～850℃）3个阶段。随着油页岩在混样中所占比例的增大，失重也随之增加，这主要是因为油页岩中挥发份含量很大，而经干馏后得到的半焦中所含挥发份相对较少。从环境温度延伸到一个初始温度（约110℃），TG曲线下滑、对应的DTG曲线出现一个小峰，试样发生微小的失重，可称为干燥阶段。同时由于油页岩中水分含量比干馏半焦中的水分含量大，故油页岩在干燥阶段失重比其余试样都大。在低温段的燃烧主要是混煤中的可挥发性气体的溢出，而在高温段则主要是一些有机质、固定碳以及其它难于分解物质的燃烧过程。相对应的DTG曲线上具有明显的双峰，第一个峰值高于第二个峰值，原因在于第二段反应转化率较小，第一段起始温度大约在250℃，终止于550℃，在380℃处达到最大值，失重率达80%；第二段反应起始于680℃，终止于850℃，在750℃处达到最大值，失重率15%左右。整个燃烧过程可燃成分的转化率没有达到100%，主要是灰分将部分混煤包容，阻碍了气体扩散至混煤反应表面。同时随着油页岩对半焦比例的增加，低温段峰值明显增大。
同一混样颗粒燃烬度随升温速率的提高而变差，这是因为：升温速率低，颗粒燃烧时间长，有利于油页岩颗粒的燃尽；同时升温速率低，混样颗粒内外温度梯度小，有利于挥发份的析出，当挥发份析出后，氧气能够通过颗粒孔隙充分扩散到颗粒内部，与被灰分包裹的碳发生燃烧反应，也对颗粒燃烬有利。同时升温速率对混煤燃烧的低温和高温两个反应阶段影响显著，随着升温速率的提高，每条燃烧反应曲线的着火温度都明显升高，同时峰温均移向更高温度，因为介质的扩散和热量的传递需要一定时间，即表现出一定的延迟性，所以升温速率高使反应后移。在高温段的燃烧中，油页岩半焦中活性组成减少使燃烧速率降低，同时油页岩半焦燃烧过程中在表面逐渐形成一个灰壳，灰分含量越高，灰壳越厚。灰壳的存在有碍于氧分子的扩散，使得灰壳内所包含的未燃烬碳粒表面的氧浓度降低。此外，灰壳还增加了空气气氛与未燃烬碳粒之间的传热热阻，使得碳粒和空气气氛之间的温差增大，对燃烧也是不利的。
三、在循环流化床锅炉的应用试验
通过对油页岩及半焦物理化学特性的研究，掌握了油页岩特性，从而对现场锅炉燃烧试验提供理论指导。半焦掺烧试验是在高温高压循环流化床锅炉进行，该锅炉设计负荷为140t/h，入炉煤热值为2400kcal/kg，主要燃烧煤种为油页岩、煤矸石、其他次煤等，日消耗燃煤800-1000吨，为江联重工股份有限公司2009年产品。首先进行半焦少量掺烧试验，在确保锅炉稳定运行的基础上，逐渐加大掺烧比例，半焦所占体积比分别按照16.7%，20%，25%，33.3%进行，比例在25%以下时，能够实现稳定燃烧。但由于受锅炉结构以及半焦水分高的限制，随着掺烧比例的增加给煤口堵塞逐渐加重，为保证给煤的稳定，掺烧最高比例只能到体积比33.3%。
四、效益分析
经济效益分析：从JG140-9.8/540-M型循环流化床锅炉掺烧半焦试验情况看，如半焦掺烧比例在20%，入炉煤平均热值2706大卡/千克，入炉煤热值单价从掺烧前的0.109元/大卡降到0.105元/大卡。按照33.3%比例掺烧半焦，吨汽标煤成本平均下降约0.71元/吨，年节省成本（年平均运行小时数7000小时，平均负荷72t/h）0.32*120*7000=26.88万元。每天平均多耗电1100KWH，每年可增加成本约0、5×1100/24×7000=16.04万元，年可增加利润42.92万元。
社会效益分析：通过循环流化床锅炉对油页岩炼油半焦的处理，不但利用了半焦中储存的残余热能，而且杜绝了环境污染，真正实现电力产业链“吃干榨净”、减少资源浪费、杜绝环境污染的目的。油页岩半焦的燃料试验和技术研究，不但探索了半焦发电技术，而且成为研发以油页岩半焦和小颗粒油页岩作为燃料的锅炉研发的技术支撑，为下一步最大程度进行半焦的综合利用，为当前油页岩综合利用产业面临的半焦治理难环保瓶颈问题的解决提供了较好的技术探索和支持。
作者简介
王华：山东省龙口矿业集团煤电有限公司。出生年月：1969年12月5日，女，山东龙口人，工程师，1989年毕业于山东大学热能动力工程专业，专科学历，主要从事电厂汽机、锅炉专业。
参考文献
1、【篇名】桦甸油页岩半焦循环流化床燃烧特性研究
2、【篇名】油页岩半焦燃烧机理与循环流化床燃烧利用
3、【名称】油页岩半焦废弃物在循环流化床锅炉中燃烧取得热能的方法
4、【名稱】油页岩综合优化利用的方法
5、【篇名】油页岩综合优化利用的新方法
6、【篇名】油页岩半焦循环流化床热力参数分布特性
7、【篇名】油页岩半焦循环流化床燃烧的工业实验研究
8、【名称】以湿油页岩半焦为燃料的循环流化床焚烧系统
9、【名称】油页岩炼油、发电与水泥三联产一体化装置
10、【名称】一种油页岩集成综合利用方法