煤氣化分相燃燒技術在鍋爐上的應用
摘 要：介紹一種鍋爐清潔燃燒技米一煤氣化分相燃燒技米及其應用在鍋爐上的結構特點和工作特點。 證明了煤氣化分相燃燒技米具有高效環保的穩定性及先進性，克服了舊技米元法解決的污染難題。
關鍵詞：煤氣化分相燃燒；鍋爐；一體化
1 前言
近年來，人們已在潔凈煤燃燒技術方面進行了大量的研究與實踐，但綜合效果還都有待于提高。多年來在總結、借鑒、完善、發展國內外相關技術的基礎上，我們對原煤氣化和分相燃燒技術進行了大量研究，經大量實驗，解決了10多項技術難題，掌握了一種鍋爐清潔燃燒技術—煤氣化分相燃燒技術，并利用該技術研制出一種由煤轉化成煤氣燃燒的一體化鍋爐，我們稱之為煤氣化分相燃燒鍋爐。其突出特點是無需爐外除塵系統，經過爐內全新的燃燒、氣固分離及換熱機理，實現“爐內消煙、除塵”，使其排煙無色—俗稱無煙。煙塵、S02, NOX排放濃度符合國家環保標準的要求，而且熱效率高達80%--85%。這種鍋爐根據氣固分相燃燒理論，把互補控制技術、氣固分相燃燒技術集于一爐，將煤炭氣化、燃燒集于一體，組成煤氣化分相燃燒鍋爐，從而實現了原煤的連續燃燒與潔凈燃燒。
2 煤氣化分相燃燒技術
煙塵的主要污染物是炭黑，它是不完全燃燒的產物。形成黑煙的原因主要是煤在燃燒過程中，形成易燃的輕碳氫化合物和難燃的重碳氫化合物及游離碳粒。這些難燃的重碳氫化合物、游離碳粒隨煙氣排出，便可見到濃濃的黑煙。
氣固分相燃燒就是使固體燃料在同一個裝置內分解成氣相態的燃料和固相態的燃料，并使其按照各自的燃燒特點和與此相適應的燃燒方式，在同一個裝置內有聯系地、互相依托地、相互促進地燃燒，從而達到完全燃燒或接近完全燃燒的目的。
煤氣化分相燃燒技術是根據氣固分相燃燒理論，將煤炭氣化、氣固分相燃燒集于一體，以煤炭為原料，采用空氣和水蒸氣為氣化劑，先通過低溫熱解的溫和氣化，把煤易產生黑煙的可燃性揮發分中的
碳氫化合物先轉化為煤氣，與脫去揮發分的煤焦一同在燃燒室進行燃燒。這樣在同一個燃燒室內氣態燃料與固態燃料有聯系地、互相依托地、相互促進地按照各自的燃燒規律和特點分別燃燒，消除了黑煙，提高了燃燒效率，并且在整個燃燒過程中，有利于降低NOx和SO2：的生成，進而達到潔凈燃燒和提高鍋爐熱效率的雙重功效。
煤氣化分相燃燒技術在鍋爐上的應用，使 固體燃料的干燥、干餾、氣化以及由此產生的氣相態的煤氣和固相態的煤焦在同一爐內同時燃燒。并使鍋爐在結構上實現了兩個一體化，即煤氣發生爐和層燃鍋爐一體化，層燃鍋爐與除塵器一體化，因此無需另設煤氣發生爐便實現了煤的氣化燃燒；也無需爐外除塵器，就可實現爐內消煙除塵，鍋爐排煙無色。其燃燒機理如圖1所示，雙點劃線框內表示固相煤和煤焦的燃燒過程，單點劃線框內表示氣相煤氣的燃燒過程，實線框內表示煤的干餾過程，虛線框內表示煤焦的氣化過程。
圖1燃燒機理圖
原原煤首先在氣化室缺氧條件下燃燒和氣化熱解，煤料自上部加入，煤層從下部引燃，自下而上形成氧化層、還原層、干餾層和干燥層的分層結構。其中氧化層和還原層組成氣化層，氣化過程的主要反應在這里進行。以空氣為主的氣化劑從氣化室底部進入，使底部煤層氧化燃燒，生成的吹風氣中含有一定量的CO，此高溫鼓風氣流經干餾層對煤料進行干燥、預熱和干餾。煤料從氣化室上部加入，隨著煤料的下降和吸熱，低溫干餾過程緩慢進行，逐漸析出揮發分，形成干餾煤氣。其成分主要是水分、輕油和煤中揮發物。
原煤經干餾后形成熱煤焦進入到還原層，靠下層部分煤焦的氧化反應熱進行氣化反應。同時可注入適量的水蒸氣促使發生水煤氣反應，這樣以空氣和水蒸氣的混合物為氣化劑，在氣化室內與灼熱的炭作用生成氣化煤氣。其成分主要是CO和CO：以及由固體燃料中的碳與水蒸氣、碳與產物、產物與產物之間反應生成的H2, CH4，還有50%以上的N2這樣干餾層生成的干餾煤氣和進入干餾層的氣化煤氣混合，由煤氣出口排出。氣化室內各層的作用及主要化學反應見表1。
表1氣化室內各層的作用及主要化學反應
在鍋爐的氣化室中，煤料自上而下加入，在氣化過程中逐步下移，氣化劑則由下部進入，通過爐柵自下而上，生成的煤氣由燃料層上方引出。這一過程屬逆流過程，它能充分利用煤氣的顯熱預熱氣化劑，從而提高了鍋爐的熱效率，并且由于干餾煤氣不經過高溫區裂解，使氣化煤氣的熱值有所提高。
原煤經溫和氣化低溫熱解產生的煤氣，在經過上部干餾層后，通過氣化室的煤氣出口進入燃燒室，與充足的二次風充分混合，在燃燒室的高溫條件下自行點燃，并與進入燃燒室爐排上煤焦向上的火焰相交，這樣在燃燒室內煤氣與煤焦分別按照氣相和固相的燃燒特點和燃燒方式分別燃燒，又相互聯系、相互促進，使CO和煙黑燃盡，達到或接近完全燃燒。
3 煤氣化分相燃燒鍋爐的結構特點及其應用
鍋爐在發展過程中一直重視提高鍋爐熱效率和煙塵排放達標這兩大問題。傳統的鍋爐解決這兩大問題，基本上是靠強化燃燒和傳熱來提高鍋爐熱效率和設置爐外除塵器。強化燃燒往往會導致鍋爐煙塵初始排放濃度加大，增大除塵器的負擔，在發達國家可使用除塵效率在99％以上的電除塵器或布袋除塵器，使煙塵排放濃度控制在50mg/Nm“以下，而在我國由于經濟條件的原因，只能使用價格相對低廉的機械式或濕式除塵器，除塵效率一般低于95，使煙塵排放濃度大于100一200mg/Nm3，達不到國家的環保要求。這種依靠爐外除塵器解決除塵的力、法，不僅增加鍋爐房的占地面積和基建投資，而且增大了引風機電耗，還造成二次污染。由于煤氣化分相燃燒鍋爐徹底改變了傳統鍋爐的燃燒原理，利用氣固分相燃燒理論，使煤在燃燒過程中易產生黑煙的可燃性揮發分中的碳氫化合物先轉化為可燃煤氣，與脫去揮發分的煤焦一同在燃燒室進行燃燒。由于燃燒室溫度高達1000℃以上，煙霧得以充分分解，解決了煤直接燃燒產生黑煙的難題。這種鍋爐不僅使原煤盡可能地完全燃燒和高效利用，有較高的熱效率，而且還盡可能地減少煙塵和有害氣SO2,NOx等的排放，達到了消煙除塵的作用，使鍋爐各項環保及節能指標大大優于國家標準。
煤氣化分相燃燒技術在鍋爐上的應用，打破了傳統鍋爐加除塵器的模式，創建了無需爐外除塵器的一體化模式。而這種一體化并不是機械式地將除塵器加入鍋爐。煤氣化分相燃燒鍋爐與普通煤氣鍋爐和層燃鍋爐相比，具有自己獨特的結構，它將后兩者有機結合，主要由前部的煤氣化室，中部的燃燒室和尾部的對流受熱面三大部分組成（如圖2所示）。
氣化室是鍋爐的技術核心部分，它看上去像是一個開放式的煤氣發生爐，其主要功能：一是將煤中的可燃揮發分和煤的氣化反應生成氣，以煤氣的形式排入到燃燒室進行燃燒；二是將釋放出揮發分的半焦煤輸送到燃燒室繼續進行燃燒；三是控制氣化室內的反應溫度和煤焦層厚度。實現上述功能的關鍵：一是要保證一定的原煤層；二是要合理配置送風和氣化劑，提高煤炭氣化率和氣化室的氣化強度；三是要在煤氣化室和燃燒室的連接部位，合理配置煤氣出口和煤焦出口。氣化室主要由爐體、進煤裝置、爐柵、氣化劑進口、煤氣出口和煤焦出口等部分組成。
圖2鍋爐結構與燃燒示意圖
在氣化室內以煤炭為原料，采用空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下進行煤的溫和氣化反應，將煤在低溫熱分解產生的揮發性物質從煤中趕出。當氣化室內溫度達到設定條件時，將氣化室內脫揮發分的高溫煤焦輸送到燃燒室的爐排上進行強化燃燒。
燃燒室的主要功能：一是使煤氣和煤焦燃燒完全，提高燃燒效率；二是降低煙塵初始排放量和煙氣黑度。氣化室內產生的煤氣經煤氣出口噴入到燃燒室，在可控二次風的擾動下旋向下方，與由氣化室進入到燃燒室的煤焦火焰相交而混合燃燒。煤氣與固定碳（煤焦）燃燒相結合，強化了燃燒，達到了充分燃盡、潔凈燃燒的目的，提高了燃燒效率。并且因為在爐排上的燃燒是半焦化的煤焦，因此產生的飛灰量小，煙塵濃度、煙氣黑度都比較低。同時，在燃燒室上方設置了防爆門，確保了鍋爐的安全運行。
對流受熱面的主要功能就是完成與煙氣的熱量交換，達到鍋爐額定出力，提高鍋爐換熱效率。其結構形式可有多種，與普通鍋爐沒有太大的區別，因此對大多數鍋爐來說，都可以改造成煤氣化分相燃燒鍋爐。并且鍋爐無需除塵器，大大節省鍋爐房總投資和占地面積。
設計煤氣化分相燃燒鍋爐時，應注意以下幾點：
(1)合理布置煤氣出口和煤焦出口的位置和大小；
(2)煤焦的溫度控制；
(3）氣化劑進口和進煤口；
(4)合理設置二次風和防爆門；
(5)氣化室與燃燒室的水循環要合理。
由上述可知，煤氣化分相燃燒鍋爐的結構并不復雜，只需在傳統鍋爐的基礎上，在其前部加一個氣化室，在原爐膛上設置二次風和防爆門，再結合一些控制技術即可。利用該原理可以設計出多種規格型號的鍋爐，類型主要為0.2一10t/h各參數的鍋爐。現僅在吉林市已有幾十臺此類型的鍋爐在運行，廣泛用于洗浴、采暖、醫藥衛生等領域，并已經利用該技術，改造了很多工業鍋爐，效果都非常好。
此類型的鍋爐在運行期間排煙無色，煙塵濃度比傳統鍋爐減少30%一50%，可達到I類地區的環保要求。而成本僅比傳統鍋爐增加不到一萬元，但卻省了一臺除塵器。下面以一臺DZL2t/h鍋爐為例，改造前后對比見表2。
表2 DZL2t/h鍋爐改造前后對比
該新型鍋爐綜合地應用當代高新技術和高效率傳熱技術，將煤氣發生爐與層燃鍋爐有機結合為一體，做到清潔燃燒，爐內自行消煙除塵，在無需爐外除塵器的情況下，排煙無色，煙塵濃度鎮100mg ≤Nm3 , SOx 濃度鎮1200mg/Nm3, NOx < 400mg/Nm3，符合國家環保標準GB13271一2001中I類地區的要求，同時，熱效率在82%以上。每小時加煤次數少，僅2--3次，并可實現機械上煤和除渣，因而大大減輕了司爐工的勞動強度。
4 煤氣化分相燃燒鍋爐的特點
傳統的煤炭燃燒方式在煤的燃燒過程中會產生大量的污染物，造成嚴重的環境污染。主要原因是：
(1)煤炭不易與氧氣充分接觸而形成不完全燃燒，燃燒效率低，相對增加了污染排放；
(2)燃燒過程不易控制，例如揮發分大量析出時往往供氧不足，造成煙塵析出與冒黑煙；
(3)固體燃料燃燒時溫度難以均勻，形成局部高溫區，促使大量NO、形成；
(4)原煤中的硫大多在燃燒過程中被氧化成S02；
(5)未經處理的固態煤炭直接燃燒時，大量粉塵將隨煙氣一同排出，造成大量粉塵污染。
煤氣化分相燃燒鍋爐將煤炭氣化、氣固分相燃燒集于一體，有效地解決了環境污染間題，與傳統的燃煤鍋爐相比，它有以下優點：
(1)煙塵濃度、煙氣黑度低，環保性能好
在氣化層生成的氣化煤氣和在干餾層生成的干餾煤氣最終混合在一起，在燃燒室內與二次風充分混合，因是氣態燃料，供氧充分，容易達到完全燃燒，使CO和煙黑燃盡。而從氣化室進入到燃燒室的熾熱煤焦，因大部分揮發分已被析出，避免了揮發物對固定碳燃燒的不良影響，剩余的揮發分在煤焦內部進一步得到氧化，生成的CO和煙黑等可燃物在通過煤焦層表面時被燃盡。另外煤焦在燃燒時產生的飛灰量小，同時在鍋爐內采用除塵技術，因此從根本上消除了“炭黑”，高效率地清除了煙塵中的飛灰。
(2）節約能源、熱效率高
煤料在氣化室充分氣化熱解之后再燃燒，不僅避免了揮發物、CO,CO2等對煤焦燃燒的不良影響，而且從氣化室進入燃燒室的熱煤氣更容易燃燒，并對煤焦的燃燒有一定的促進作用。進入燃燒室的熾熱煤焦已脫去大部分揮發分，不僅有較高的溫度，而且具有內部孔隙，能增強內部和外部擴散氧化反應，起到強化煤焦燃燒的作用，從而在降低過量空氣系數下，使CO和炭黑燃盡，燃燒更加充分，因而降低了化學和機械不完全燃燒熱損失，提高了煤的燃燒熱效率，與直接燒煤相比可節能5%-10%。
(3) NOx的排放低
在氣化室內煤層從下部引燃，并在下部燃燒，總體上氣化室內溫度比較低，屬低溫燃燒。而且在氣化室內過量空氣系數很小，大約在0.7--1.0之間，屬低氧燃燒。這為降低NOx的排放提供了有利條件。煤中有機氮化學劑量小，并處在還原氣氛中，只轉變成不參與燃燒的無毒氮分子。煤中含有的NOx，一部分在煤層半焦催化作用下反應生成N2.水蒸氣和CO，還有一部分在穿過上部還原層時被還原成N2。而氣化室內脫去絕大部分揮發分的高溫煤焦在進入燃燒室后，進行充足供氧強化燃燒，其中剩余的少量揮發分在半焦內部進一步熱解氧化，NOx在煤焦內部被進一步還原，生成的煙黑可燃物在經過焦層表面時被燃盡，從而控制和減少了NOx的生成與排放。
(4）有一定的脫硫作用
煤中的硫主要以無機硫（Fe凡和硫酸鹽）和有機硫的形式存在，而硫酸鹽幾乎全部存留在灰渣中，不會造成燃煤污染。在煤氣化分相燃燒鍋爐中，煤中的Fe凡和有機硫在氣化室內發生熱分解反應，以及與煤氣中的氫氣發生還原反應，使煤中的硫以H2S氣體的形式脫除釋放出來。而且在氣化室下部，溫度一般在800℃左右，恰好是脫硫劑發揮作用的最佳反應溫度。如燃用含硫量較高的煤，只需在碎煤粒中添加適量的石灰石或白云石，即可得到較好的脫硫效果，從而大大降低煙氣中SO2的含量。
(5)操作和控制簡單易行
煤氣的發生和燃燒在同一設備的兩個裝置中進行，不用設置單獨的煤氣點火裝置，煤氣在燃燒室內由高溫明火自行點燃，易于操作和控制，簡化了運行管理，操作方便，減輕了司爐工勞動強度，改善了鍋爐房衛生條件，實現了文明生產。
(6)燃燒穩定，煤種適應性強
煤在鍋爐氣化室的下部引燃，因而燃燒穩定。可燃劣質煤和燃點高的煤，其煤種適應性較強，在難熔區或中等結渣范圍以內的煤種均適合。其中褐煤、長焰煤、不粘結或弱粘結煙煤、小球形型煤都是比較理想的燃料。
5 結束語
實踐證明，新的燃燒理論及多種專利組成的集成技術，保證了煤氣化分相燃燒鍋爐高效環保的穩定性及先進性，克服了舊技術無法解決的浪費及污染的難題。獲得了明顯的經濟效益和環境效益，受到了用戶的青睞。中國的煤炭資源十分豐富，隨著能源政策和環境的要求越來越高，煤氣化分相燃燒鍋爐在我國市場前景十分廣闊。
參考文獻
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作者簡介：李玉靜（1974一），男，工程師，主要從事工業鍋爐
的開發設計及其技術支持方面的工作。