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(yīng)用在鍋爐上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)。 證明了煤氣化分相燃燒技米具有高效環(huán)保的穩(wěn)定性及先進(jìn)性，克服了舊技米元法解決的污染難題。 
        關(guān)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(shù)方面進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，但綜合效果還都有待于提高。多年來在總結(jié)、借鑒、完善、發(fā)展國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)原煤氣化和分相燃燒技術(shù)進(jìn)行了大量研究，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，解決了10多項(xiàng)技術(shù)難題，掌握了一種鍋爐清潔燃燒技術(shù)—煤氣化分相燃燒技術(shù)，并利用該技術(shù)研制出一種由煤轉(zhuǎn)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(diǎn)是無需爐外除塵系統(tǒng)，經(jīng)過爐內(nèi)全新的燃燒、氣固分離及換熱機(jī)理，實(shí)現(xiàn)“爐內(nèi)消煙、除塵”，使其排煙無色—俗稱無煙。煙塵、S0₂, NO_X排放濃度符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且熱效率高達(dá)80%--85%。這種鍋爐根據(jù)氣固分相燃燒理論，把互補(bǔ)控制技術(shù)、氣固分相燃燒技術(shù)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(shí)現(xiàn)了原煤的連續(xù)燃燒與潔凈燃燒。 
        2   煤氣化分相燃燒技術(shù) 
        煙塵的主要污染物是炭黑，它是不完全燃燒的產(chǎn)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?xì)浠衔锖碗y燃的重碳?xì)浠衔锛坝坞x碳粒。這些難燃的重碳?xì)浠衔铩⒂坞x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(gè)裝置內(nèi)分解成氣相態(tài)的燃料和固相態(tài)的燃料，并使其按照各自的燃燒特點(diǎn)和與此相適應(yīng)的燃燒方式，在同一個(gè)裝置內(nèi)有聯(lián)系地、互相依托地、相互促進(jìn)地燃燒，從而達(dá)到完全燃燒或接近完全燃燒的目的。 
        煤氣化分相燃燒技術(shù)是根據(jù)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?zé)峤獾臏睾蜌饣衙阂桩a(chǎn)生黑煙的可燃性揮發(fā)分中的
碳?xì)浠衔锵绒D(zhuǎn)化為煤氣，與脫去揮發(fā)分的煤焦一同在燃燒室進(jìn)行燃燒。這樣在同一個(gè)燃燒室內(nèi)氣態(tài)燃料與固態(tài)燃料有聯(lián)系地、互相依托地、相互促進(jìn)地按照各自的燃燒規(guī)律和特點(diǎn)分別燃燒，消除了黑煙，提高了燃燒效率，并且在整個(gè)燃燒過程中，有利于降低NOx和SO₂：的生成，進(jìn)而達(dá)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(shù)在鍋爐上的應(yīng)用，使 固體燃料的干燥、干餾、氣化以及由此產(chǎn)生的氣相態(tài)的煤氣和固相態(tài)的煤焦在同一爐內(nèi)同時(shí)燃燒。并使鍋爐在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)一體化，即煤氣發(fā)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(shè)煤氣發(fā)生爐便實(shí)現(xiàn)了煤的氣化燃燒；也無需爐外除塵器，就可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)消煙除塵，鍋爐排煙無色。其燃燒機(jī)理如圖1所示，雙點(diǎn)劃線框內(nèi)表示固相煤和煤焦的燃燒過程，單點(diǎn)劃線框內(nèi)表示氣相煤氣的燃燒過程，實(shí)線框內(nèi)表示煤的干餾過程，虛線框內(nèi)表示煤焦的氣化過程。

圖1燃燒機(jī)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(jié)構(gòu)。其中氧化層和還原層組成氣化層，氣化過程的主要反應(yīng)在這里進(jìn)行。以空氣為主的氣化劑從氣化室底部進(jìn)入，使底部煤層氧化燃燒，生成的吹風(fēng)氣中含有一定量的CO，此高溫鼓風(fēng)氣流經(jīng)干餾層對(duì)煤料進(jìn)行干燥、預(yù)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(jìn)行，逐漸析出揮發(fā)分，形成干餾煤氣。其成分主要是水分、輕油和煤中揮發(fā)物。
        原煤經(jīng)干餾后形成熱煤焦進(jìn)入到還原層，靠下層部分煤焦的氧化反應(yīng)熱進(jìn)行氣化反應(yīng)。同時(shí)可注入適量的水蒸氣促使發(fā)生水煤氣反應(yīng)，這樣以空氣和水蒸氣的混合物為氣化劑，在氣化室內(nèi)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(chǎn)物、產(chǎn)物與產(chǎn)物之間反應(yīng)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(jìn)入干餾層的氣化煤氣混合，由煤氣出口排出。氣化室內(nèi)各層的作用及主要化學(xué)反應(yīng)見表1。

表1氣化室內(nèi)各層的作用及主要化學(xué)反應(yīng)

        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(jìn)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(yù)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(jīng)過高溫區(qū)裂解，使氣化煤氣的熱值有所提高。 
        原煤經(jīng)溫和氣化低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的煤氣，在經(jīng)過上部干餾層后，通過氣化室的煤氣出口進(jìn)入燃燒室，與充足的二次風(fēng)充分混合，在燃燒室的高溫條件下自行點(diǎn)燃，并與進(jìn)入燃燒室爐排上煤焦向上的火焰相交，這樣在燃燒室內(nèi)煤氣與煤焦分別按照氣相和固相的燃燒特點(diǎn)和燃燒方式分別燃燒，又相互聯(lián)系、相互促進(jìn)，使CO和煙黑燃盡，達(dá)到或接近完全燃燒。 
        3  煤氣化分相燃燒鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其應(yīng)用 
        鍋爐在發(fā)展過程中一直重視提高鍋爐熱效率和煙塵排放達(dá)標(biāo)這兩大問題。傳統(tǒng)的鍋爐解決這兩大問題，基本上是靠強(qiáng)化燃燒和傳熱來提高鍋爐熱效率和設(shè)置爐外除塵器。強(qiáng)化燃燒往往會(huì)導(dǎo)致鍋爐煙塵初始排放濃度加大，增大除塵器的負(fù)擔(dān)，在發(fā)達(dá)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(jīng)濟(jì)條件的原因，只能使用價(jià)格相對(duì)低廉的機(jī)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(dá)不到國家的環(huán)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(fēng)機(jī)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(tǒng)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(chǎn)生黑煙的可燃性揮發(fā)分中的碳?xì)浠衔锵绒D(zhuǎn)化為可燃煤氣，與脫去揮發(fā)分的煤焦一同在燃燒室進(jìn)行燃燒。由于燃燒室溫度高達(dá)1000℃以上，煙霧得以充分分解，解決了煤直接燃燒產(chǎn)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(dá)到了消煙除塵的作用，使鍋爐各項(xiàng)環(huán)保及節(jié)能指標(biāo)大大優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。 
        煤氣化分相燃燒技術(shù)在鍋爐上的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)鍋爐加除塵器的模式，創(chuàng)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(jī)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(dú)特的結(jié)構(gòu)，它將后兩者有機(jī)結(jié)合，主要由前部的煤氣化室，中部的燃燒室和尾部的對(duì)流受熱面三大部分組成（如圖2所示）。 
        氣化室是鍋爐的技術(shù)核心部分，它看上去像是一個(gè)開放式的煤氣發(fā)生爐，其主要功能：一是將煤中的可燃揮發(fā)分和煤的氣化反應(yīng)生成氣，以煤氣的形式排入到燃燒室進(jìn)行燃燒；二是將釋放出揮發(fā)分的半焦煤輸送到燃燒室繼續(xù)進(jìn)行燃燒；三是控制氣化室內(nèi)的反應(yīng)溫度和煤焦層厚度。實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵：一是要保證一定的原煤層；二是要合理配置送風(fēng)和氣化劑，提高煤炭氣化率和氣化室的氣化強(qiáng)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(jìn)煤裝置、爐柵、氣化劑進(jìn)口、煤氣出口和煤焦出口等部分組成。

圖2鍋爐結(jié)構(gòu)與燃燒示意圖

        在氣化室內(nèi)以煤炭為原料，采用空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下進(jìn)行煤的溫和氣化反應(yīng)，將煤在低溫?zé)岱纸猱a(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)從煤中趕出。當(dāng)氣化室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定條件時(shí)，將氣化室內(nèi)脫揮發(fā)分的高溫煤焦輸送到燃燒室的爐排上進(jìn)行強(qiáng)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(nèi)產(chǎn)生的煤氣經(jīng)煤氣出口噴入到燃燒室，在可控二次風(fēng)的擾動(dòng)下旋向下方，與由氣化室進(jìn)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(jié)合，強(qiáng)化了燃燒，達(dá)到了充分燃盡、潔凈燃燒的目的，提高了燃燒效率。并且因?yàn)樵跔t排上的燃燒是半焦化的煤焦，因此產(chǎn)生的飛灰量小，煙塵濃度、煙氣黑度都比較低。同時(shí)，在燃燒室上方設(shè)置了防爆門，確保了鍋爐的安全運(yùn)行。 
        對(duì)流受熱面的主要功能就是完成與煙氣的熱量交換，達(dá)到鍋爐額定出力，提高鍋爐換熱效率。其結(jié)構(gòu)形式可有多種，與普通鍋爐沒有太大的區(qū)別，因此對(duì)大多數(shù)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(jié)省鍋爐房總投資和占地面積。 
        設(shè)計(jì)煤氣化分相燃燒鍋爐時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

        (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(jìn)口和進(jìn)煤口； 
        (4)合理設(shè)置二次風(fēng)和防爆門； 
        (5)氣化室與燃燒室的水循環(huán)要合理。 
        由上述可知，煤氣化分相燃燒鍋爐的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，只需在傳統(tǒng)鍋爐的基礎(chǔ)上，在其前部加一個(gè)氣化室，在原爐膛上設(shè)置二次風(fēng)和防爆門，再結(jié)合一些控制技術(shù)即可。利用該原理可以設(shè)計(jì)出多種規(guī)格型號(hào)的鍋爐，類型主要為0.2一10t/h各參數(shù)的鍋爐。現(xiàn)僅在吉林市已有幾十臺(tái)此類型的鍋爐在運(yùn)行，廣泛用于洗浴、采暖、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域，并已經(jīng)利用該技術(shù)，改造了很多工業(yè)鍋爐，效果都非常好。
        此類型的鍋爐在運(yùn)行期間排煙無色，煙塵濃度比傳統(tǒng)鍋爐減少30%一50%，可達(dá)到I類地區(qū)的環(huán)保要求。而成本僅比傳統(tǒng)鍋爐增加不到一萬元，但卻省了一臺(tái)除塵器。下面以一臺(tái)DZL2t/h鍋爐為例，改造前后對(duì)比見表2。

        表2 DZL2t/h鍋爐改造前后對(duì)比 

       

        該新型鍋爐綜合地應(yīng)用當(dāng)代高新技術(shù)和高效率傳熱技術(shù)，將煤氣發(fā)生爐與層燃鍋爐有機(jī)結(jié)合為一體，做到清潔燃燒，爐內(nèi)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(zhèn)100mg ≤Nm³ , SOx  濃度鎮(zhèn)1200mg/Nm³, NOx  < 400mg/Nm3，符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB13271一2001中I類地區(qū)的要求，同時(shí)，熱效率在82%以上。每小時(shí)加煤次數(shù)少，僅2--3次，并可實(shí)現(xiàn)機(jī)械上煤和除渣，因而大大減輕了司爐工的勞動(dòng)強(qiáng)度。 
        4   煤氣化分相燃燒鍋爐的特點(diǎn) 
        傳統(tǒng)的煤炭燃燒方式在煤的燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，造成嚴(yán)重的環(huán)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(duì)增加了污染排放； 
        (2)燃燒過程不易控制，例如揮發(fā)分大量析出時(shí)往往供氧不足，造成煙塵析出與冒黑煙； 
        (3)固體燃料燃燒時(shí)溫度難以均勻，形成局部高溫區(qū)，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(jīng)處理的固態(tài)煤炭直接燃燒時(shí)，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(huán)境污染間題，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)： 
        (1)煙塵濃度、煙氣黑度低，環(huán)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(nèi)與二次風(fēng)充分混合，因是氣態(tài)燃料，供氧充分，容易達(dá)到完全燃燒，使CO和煙黑燃盡。而從氣化室進(jìn)入到燃燒室的熾熱煤焦，因大部分揮發(fā)分已被析出，避免了揮發(fā)物對(duì)固定碳燃燒的不良影響，剩余的揮發(fā)分在煤焦內(nèi)部進(jìn)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(shí)被燃盡。另外煤焦在燃燒時(shí)產(chǎn)生的飛灰量小，同時(shí)在鍋爐內(nèi)采用除塵技術(shù)，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(jié)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(fā)物、CO,CO₂等對(duì)煤焦燃燒的不良影響，而且從氣化室進(jìn)入燃燒室的熱煤氣更容易燃燒，并對(duì)煤焦的燃燒有一定的促進(jìn)作用。進(jìn)入燃燒室的熾熱煤焦已脫去大部分揮發(fā)分，不僅有較高的溫度，而且具有內(nèi)部孔隙，能增強(qiáng)內(nèi)部和外部擴(kuò)散氧化反應(yīng)，起到強(qiáng)化煤焦燃燒的作用，從而在降低過量空氣系數(shù)下，使CO和炭黑燃盡，燃燒更加充分，因而降低了化學(xué)和機(jī)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(jié)能5%-10%。
        (3) NOx的排放低
在氣化室內(nèi)煤層從下部引燃，并在下部燃燒，總體上氣化室內(nèi)溫度比較低，屬低溫燃燒。而且在氣化室內(nèi)過量空氣系數(shù)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(jī)氮化學(xué)劑量小，并處在還原氣氛中，只轉(zhuǎn)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(yīng)生成N₂.水蒸氣和CO，還有一部分在穿過上部還原層時(shí)被還原成N₂。而氣化室內(nèi)脫去絕大部分揮發(fā)分的高溫煤焦在進(jìn)入燃燒室后，進(jìn)行充足供氧強(qiáng)化燃燒，其中剩余的少量揮發(fā)分在半焦內(nèi)部進(jìn)一步熱解氧化，NOx在煤焦內(nèi)部被進(jìn)一步還原，生成的煙黑可燃物在經(jīng)過焦層表面時(shí)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(jī)硫（Fe凡和硫酸鹽）和有機(jī)硫的形式存在，而硫酸鹽幾乎全部存留在灰渣中，不會(huì)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(jī)硫在氣化室內(nèi)發(fā)生熱分解反應(yīng)，以及與煤氣中的氫氣發(fā)生還原反應(yīng)，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(fā)揮作用的最佳反應(yīng)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(fā)生和燃燒在同一設(shè)備的兩個(gè)裝置中進(jìn)行，不用設(shè)置單獨(dú)的煤氣點(diǎn)火裝置，煤氣在燃燒室內(nèi)由高溫明火自行點(diǎn)燃，易于操作和控制，簡化了運(yùn)行管理，操作方便，減輕了司爐工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了鍋爐房衛(wèi)生條件，實(shí)現(xiàn)了文明生產(chǎn)。 
        (6)燃燒穩(wěn)定，煤種適應(yīng)性強(qiáng) 
        煤在鍋爐氣化室的下部引燃，因而燃燒穩(wěn)定。可燃劣質(zhì)煤和燃點(diǎn)高的煤，其煤種適應(yīng)性較強(qiáng)，在難熔區(qū)或中等結(jié)渣范圍以內(nèi)的煤種均適合。其中褐煤、長焰煤、不粘結(jié)或弱粘結(jié)煙煤、小球形型煤都是比較理想的燃料。 
        5  結(jié)束語 
        實(shí)踐證明，新的燃燒理論及多種專利組成的集成技術(shù)，保證了煤氣化分相燃燒鍋爐高效環(huán)保的穩(wěn)定性及先進(jìn)性，克服了舊技術(shù)無法解決的浪費(fèi)及污染的難題。獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)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(huán)境的要求越來越高，煤氣化分相燃燒鍋爐在我國市場(chǎng)前景十分廣闊。
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作者簡介：李玉靜（1974一），男，工程師，主要從事工業(yè)鍋爐
的開發(fā)設(shè)計(jì)及其技術(shù)支持方面的工作。