低热值油页岩发电技术

低热值油页岩发电技术

张文博林建伟陈建军

张文博林建伟陈建军（山东电力建设第三工程公司山东青岛266100）

摘要：近年来，油页岩因为美国页岩气革命而正式登上了能源舞台，油页岩除了压裂获取页岩气、干馏炼制页岩油以外，还有一种方法就是直接进行燃烧利用。虽然各矿区油页岩热值偏差较大，但低热值仍然是油页岩的普遍特点，本文将对油页岩直燃利用的典型项目进行介绍，并以热值4MJ/kg左右的油页岩矿为例进行相关方面的分析。

关键词：油页岩；低热值；直接燃烧LowLHVoil-shaleusedforthegenerationofelectricityZhangWenbo（ShandongElectricityPowerConstruction3rdCo.,Qingdao,Shandong266100,China）Abstract:SincetherevolutionofshalegasfromUS,oil-shaleappearonthesceneforrecentyears.Exceptgettingshalegasbyhydraulicfracturingmethod,gettingshaleoilbycarbonization,theoil-shaleorealsocanbeusedforgeneratingbydirectlyburning.LowLHVisthegeneralfeatureofoil-shalethoughtheoil-shalefromseveralareasfromtheworld.Thistextwillintroducethetypicalprojectsofoil-shaledirectlyburningandshowthegeneratinganalyzeforcalorificvaluearound4MJ/kgoil-shale.Keywords:Oil-shale,LowLHV,Directlyburning

1引言油页岩又称油母页岩，是一种高矿物质、高灰分含量的固体可燃有机沉积岩。油页岩和煤的主要区别是灰分超过40%，与碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%，从石油的“由碳氢化合物组成的复杂混合物”定义方面来说，油页岩属于一种固体石油，所以其在国际上被列为非常规油气资源。

由于油页岩的开发利用目前并不是能源界的主流，所以其具体储量尚无定论，但可以确定的是油页岩资源十分丰富。据不完全统计其蕴藏资源量约有10万亿吨，比煤炭资源量多40%，折为页岩油资源总量约为4750亿吨，比传统石油资源量多50%以上。油页岩的分布与煤炭的分布情况很类似，按照美国煤炭储量占世界23%的水平看，世界油页岩储量应该是美国的4倍，所以总蕴藏资源量可能达到10万亿吨。油页岩主要分布于美国、巴西、俄罗斯、中国、澳大利亚、摩洛哥、扎伊尔、加拿大、约旦、爱沙尼亚等国家。

我国油页岩远景储量约2万亿吨，相当于800亿吨页岩油，是中国石油储量的几倍，仅次于美国、巴西和爱沙尼亚，居世界第4位。

2油页岩直燃利用的典型项目前苏联最早尝试直接利用油页岩燃烧发电，上世纪50年代建设了机组容量12~15MW，锅炉出力为65~85t/h的中压电厂，采用悬浮燃烧方式。后期，又先后在爱沙尼亚建造了两座总容量均为1600MW的大型坑口电站，采用煤粉炉燃用当地油页岩。

上世纪90年代，以色列建设了油页岩示范电站，采用循环流化床锅炉，容量为55t/h，该锅炉在运行过程中暴露出的热效率低、过热器堵塞结块及尾部受热面积灰等问题。

爱沙尼亚由于自然资源贫乏，常规矿产资源、油气资源不丰富，而油页岩储量大、品质好，爱沙尼亚作为前苏联加盟共和国，吸取了前苏联直燃油页岩发电的技术，所以在油页岩的综合利用方面开发较早，规模和业绩目前处于国际先进水平。爱沙尼亚A电站项目单烧当地油页岩，热值约为8.3MJ/kg，为二拖一装机形式的200MW等级机组，锅炉选用循环流化床锅炉，主蒸汽参数为12.74MPa/535℃，再热蒸汽参数为2.4MPa/535℃，蒸汽流量324t/h，该电站投产至今已近10年，目前整体运行效果良好，在未设置单独脱硫设备的前提下排放指标符合当地标准，该项目也标志着油页岩直燃发电开始了向大型化发展。

国内现有的油页岩直燃利用项目多数是作为页岩油炼制项目的附属配套，所以容量都比较小。以吉林B直燃油页岩的项目为例，单台锅炉额定蒸发量35t/h，其建设初衷主要是充分利用无法炼油使用的小粒径油页岩，从而作为自备电厂，同时在冬季用于厂区供暖。

该项目燃料热值仅为3.5MJ/kg左右，蒸汽参数为3.82MPa/450℃，锅炉运行方面，70-100%负荷下运行稳定，各参数调解自如，锅炉燃烧、流化正常；40%-70%负荷下，需加强监控和调节，运行基本稳定；40%负荷以下运行不稳定；机组在冬季运行期间由于燃料入炉温度低，床温更不容易控制。

3热值4MJ/kg左右的油页岩发电分析3.1燃烧可能性的确定一般来说，可作为锅炉燃料的低热值燃料，其燃烧释放的热量至少大于燃料中的水分和灰分从环境温度加热到需要的燃烧温度（考虑为850℃）所需要吸收的热量。取燃料热值4MJ/kg的油页岩样品为例，且假定燃料仅由碳、水、灰三部分组成，燃料释放热量全部来自碳，燃烧室燃烧热平衡仅考虑碳燃烧释放的热量把水分、灰分从环境温度（20℃）加热到850℃。不考虑空气吸热、水冷壁吸热：灰从20℃加热到850℃的焓增：872.99-15.53=857.46kj/kg水从20℃加热到850℃的焓增：4278.31-84=4194.31kj/kg1kg燃料释放出的热量：4000kj1kg燃料中灰分和水分消耗的热量=0.1049×4194.31+0.5966×857.46=951.5kj释放热量4000kj/kg＞灰分和水分所需要消耗的热量951.5kj，因此该热值油页岩作为锅炉燃料从理论上是完全可行的。

3.2燃油页岩电站项目锅炉炉型的选择从炉型对燃料的适应性角度来说，循环流化床锅炉优势比较突出，采用煤粉炉燃用油页岩时主要存在以下几个问题：①大量油页岩须被粉碎，由于油页岩热值低，锅炉燃料耗量大，所以制粉系统庞大，工作负荷高；②细粉状的油页岩更易自燃，在密闭的仓储空间可能出现爆炸，安全方面不够可靠；③煤粉炉炉内自脱硫能力不足，需要设置辅助的脱硫设备；④NOx排放量高；⑤由于烟气温度高而引起燃料中碱金属升华导致炉内受热面高温腐蚀严重，减少炉内设备使用寿命；⑥尾部对流受热面积灰，堵灰严重，降低锅炉效率；⑦当油页岩发热值过低时，需喷油稳燃，运行成本高；也正是由于这些问题一直没能得到很好的解决，所以很大程度上限制了油页岩煤粉炉的发展。

而采用循环流化床锅炉燃烧技术，将更适用于该热值范围的油页岩燃料，也可以很好地解决上述煤粉炉燃烧油页岩所存在的问题。循环流化床锅炉有以下几个优势：①煤种适应性好，尤其适应低热值燃料；②燃料粒径要求标准低，燃料制备系统相对简单；③自脱硫效果好；④炉内温度低，NOX排放指标具有优势，且排烟热损失小；⑤循环流化床锅炉炉床温度低，有利于改善灰的特性和成分和灰渣的综合利用，可以有效避免结焦；⑥负荷稳定性好；因此，该热值范围的油页岩燃料直燃利用锅炉炉型宜采用循环流化床锅炉。

3.3装机容量方案选择综合参考所述典型项目以及咨询相关设备厂家的意见，为避免出现过高的技术风险，该热值范围的燃料在容量选择方面不应太高，应选择150MW或200MW为宜。

由于油页岩热值低、灰分大，所以其机组的燃料耗量、灰渣量、烟风量等指标远远超出同等级常规燃煤机组，在相关设备配套、布置方面都会存在一定的困难。以200MW等级机组油页岩流化床锅炉参数为例，其燃料耗量已经超过600MW常规燃煤流化床锅炉，这意味着燃料耗量超过同等级常规燃煤机组约3倍左右，所以机组的原料仓布置会比较困难，输煤设备的容量要加大。灰渣方面，200MW等级机组油页岩流化床锅炉的灰渣总量基本达到600MW常规燃煤流化床锅炉的2倍，而且这个灰渣总量基本达到国内冷渣器和机械输渣设备制造商目前成熟产品的极限值，所以在设备采购、运行可靠性和性能保证方面都存在一些不利因素和潜在风险；此外大量的炉渣需要配套相应数量的冷渣器，据了解，200MW等级机组流化床锅炉需要配备大约20台冷渣器，需要大量的冷却水来支撑，且如此多数量的冷渣器设备布置安装以及后期运行维护检修都存在着不小的问题。烟风量方面，200MW等级机组油页岩流化床锅炉也比同等级常规燃煤流化床锅炉高出很多，所以在设备选型配套时也需要充分考虑。锅炉设计方面，由于油页岩燃料的低热值、高硫份特性，所以锅炉的设计需要进行特殊考虑，此锅炉会比常规同等级的锅炉炉膛截面、炉膛容积、锅炉高度、锅炉宽度、锅炉深度等方面均大的多，占地面积也更大，而锅炉厂对这种小容量的大锅炉经验和业绩都不足。

通过比较可以看出，综合几个方面的因素，150MW的装机容量方案比200MW的装机容量方案更具优势，可行性也更加突出。

3.4机组参数选择200MW等级机组，目前国内外超高压参数和亚临界参数都有投运业绩，但绝大多数为超高压参数。机组采用亚临界参数，在技术上不存在问题，主要问题在于汽轮机辅助设备选型设计。目前国内300MW级机组一般采用亚临界参数，汽轮机辅助设备选型设计较为成熟；而200MW级亚临界参数机组汽轮机辅助设备为非常规设计，应用较少，且设备设计和生产成本较高。另一方面，尽管亚临界参数机组效率比超高压参数机组效率高，但是油页岩机组作为一个小容量机组，而且作为燃料技术创新性机组，一定不会作为基荷电站投产的，所以其调节负荷的能力就需要重点考虑，综合考虑低负荷运行阶段的效率，超高压参数机组更具优势一些。

3.5脱硫问题油页岩的结构特点决定其本身含有大量的碳酸化合物，而流化床锅炉的燃烧室给这些碳酸化合物充足的时间中和油页岩中的硫成分，因此燃烧油页岩锅炉燃料本身已有很强的自脱硫能力，综合比对国外相类似机组的设计，不必额外设计石灰石系统引入炉内。通过资料了解，典型的循环流化床锅炉在达到90%脱硫效率时所需的钙硫摩尔比为1.5-2.8，而油页岩燃料基本不需额外考虑石灰石系统就可达到此比例。即便是炉内脱硫效率达不到排放标准，在炉内引入石灰石系统也是不常见的，因为燃料的特殊性，锅炉给料的布置已经较为复杂，如再引入石灰石系统会加大布置难度，所以如果炉内脱硫效率无法达到预期，采用炉外脱硫装置是一种更佳的选择。

3.6配套循环流化床锅炉的设计特殊性尽管循环流化床锅炉针对低热值燃料有较好的适应性，但热值4MJ/kg的油页岩燃料仍然不能直接套用原有的炉型。设计方面，同普通工业炉窑设计主要考虑燃料燃烧释放热值足够维持炉内热平衡即可不同的是，电站锅炉要在充分考虑汽水工质吸热的前提下保证炉内热平衡的实现，针对低热值的油页岩燃料，为了避免工质在炉膛吸收过多的热量而影响锅炉主回路热平衡的维持，锅炉设计方面可用的方案就是把受热面向炉膛后侧移，而使得锅炉纵深比常规锅炉要大；而低热值伴随的燃料耗量大，使得锅炉给煤口数量多，所以锅炉宽度也比常规锅炉要大；同时，受热面向后移会导致工质吸热的机理方式从“辐射传热+对流传热，以辐射传热为主”变成以对流传热为主，从而降低了热传递效率导致锅炉效率降低；低热值油页岩给锅炉设计带来的另一方面问题就是其稳燃负荷，据了解，热值4MJ/kg左右的油页岩流化床锅炉，其不投油最低稳燃负荷达到60%以上，所以在油系统布置和用油量方面都将成为需要考虑的因素。

4结语各地区油页岩资源除热值低的特点以外，对其利用主要在于对燃料特性的把握，对磨损性、结焦性、腐蚀性方面的控制。随着我国电力装备制造业的技术不断革新，如果能够针对这些方面采取相应的对应措施，将对我国丰富油页岩资源的高效清洁利用起到极大的推动作用。

参考文献[1]J.R.Dyni，2003[2]赵剑剑，王春华。油页岩发电利用研究，广东电力，2008.9；