煤炭的綜合高效利用與清潔轉(zhuǎn)化

張彬

[摘 ?要]隨著經(jīng)濟發(fā)展不斷帶來環(huán)境問題的增加，清潔生產(chǎn)越來越得到重視。本文主要介紹了企業(yè)鍋爐燃煤的高效率利用與尋找可代替的新能源。

[關(guān)鍵詞]清潔生產(chǎn);分相燃燒;鍋爐;高效率

中圖分類號：TG65 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）24-0318-01

近年來，人們已在潔凈煤燃燒技術(shù)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(jié)、借鑒、完善、發(fā)展國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們對原煤氣化和分相燃燒技術(shù)進行了大量探索，通過幾年來的大量實驗和工作實踐，解決了十多項技術(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、氣固分離及換熱機理，實現(xiàn)“爐內(nèi)消煙、除塵”，使其排煙無色——俗稱無煙。煙塵、SO2、NOX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80～85%。這種鍋爐根據(jù)氣固分相燃燒理論，把互補控制技術(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，從而實現(xiàn)了原煤的連續(xù)高效率燃燒與潔凈燃燒。

一、煤氣化分相燃燒技術(shù)

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)份中的碳?xì)浠衔锵绒D(zhuǎn)化為煤氣，與脫去揮發(fā)份的煤焦一同在燃燒室進行燃燒。這樣在同一個燃燒室內(nèi)氣態(tài)燃料與固態(tài)燃料有聯(lián)系地、互相依托地、相互促進地按照各自的燃燒規(guī)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，有利于降低氮氧化物和二氧化硫的生成，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(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)同時燃燒。并使鍋爐在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了兩個一體化，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)生爐便實現(xiàn)了煤的氣化燃燒;也無需爐外除塵器，就可實現(xiàn)爐內(nèi)消煙除塵，鍋爐排煙無色。

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(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。

二、煤氣化分相燃燒鍋爐的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用

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(jié)構(gòu)，它將后兩者有機結(jié)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。

氣化室是鍋爐的技術(shù)核心部分，它看上去象是一個開放式的煤氣發(fā)生爐，其主要功能，一是將煤中的可燃揮發(fā)份和煤的氣化反應(yīng)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(fā)份的半焦煤輸送到燃燒室繼續(xù)進行燃燒;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。氣化室產(chǎn)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。

在氣化室內(nèi)以煤炭為原料，采用空氣和水蒸汽為氣化劑，在常壓下進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)溫度達到設(shè)定條件時，將氣化室內(nèi)脫揮發(fā)份的高溫煤焦輸送到燃燒室的爐排上進行強化燃燒。

三、煤氣化分相燃燒鍋爐的特點

傳統(tǒng)的煤炭燃燒方式在煤的燃燒過程中會產(chǎn)生大量的污染物，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。煤氣化分相燃燒鍋爐將煤炭氣化、氣固分相燃燒集于一體，有效地解決環(huán)境污染問題，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，它有以下優(yōu)點：

（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，容易達到完全燃燒，使一氧化碳和煙黑燃燼。而從氣化室進入到燃燒室的熾熱煤焦，因大部分揮發(fā)份已被析出，避免了揮發(fā)物對固定碳燃燒的不良影響，剩余的揮發(fā)份在煤焦內(nèi)部進一步得到氧化，生成的一氧化碳和煙黑等可燃物在通過煤焦層表面時被燃燼。

（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、一氧化碳、二氧化碳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(fā)份，不僅有較高的溫度，而且具有內(nèi)部孔隙，能增強內(nèi)部和外部擴散氧化反應(yīng)，起到強化煤焦燃燒的作用，從而在降低過量空氣系數(shù)下，使一氧化碳和炭黑燃燼，燃燒更加充分，因而降低了化學(xué)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(jié)煤5-10%。

（3）氮氧化物的排放低

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。這為降低氮氧化物的排放提供了有利條件。煤中有機氮化學(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。煤中含有的氮氧化物，一部分在煤層半焦催化作用下反應(yīng)生成氮氣、水蒸汽和一氧化碳，還有一部分在穿過上部還原層時被還原成氮氣。而氣化室內(nèi)脫去絕大部分揮發(fā)份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(fā)份在半焦內(nèi)部進一步熱解氧化，氮氧化物在煤焦內(nèi)部被進一步還原，生成的煙黑可燃物在經(jīng)過焦層表面時被燃燼，從而控制和減少了氮氧化物的生成與排放。

（4）有一定的脫硫作用

煤中的硫主要以無機硫（FeS2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FeS2和有機硫在氣化室內(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)，使煤中的硫以硫化氫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二氧化硫的含量。

（5）操作和控制簡單易行

煤氣的發(fā)生和燃燒在同一設(shè)備的兩個裝置中進行，不用設(shè)置單獨的煤氣點火裝置，煤氣在燃燒室內(nèi)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，減輕司爐工勞動強度，改善鍋爐房衛(wèi)生條件，實現(xiàn)文明生產(chǎn)。

（6）燃燒穩(wěn)定，煤種適應(yīng)性強

煤在鍋爐氣化室的下部引燃，因而燃燒穩(wěn)定。可燃劣質(zhì)煤礦和燃點高的煤，其煤種適應(yīng)性較強，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、小球形型煤是比較理想的燃料。

四、結(jié)語

實踐證明，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)定性及先進性，克服了舊技術(shù)無法解決的浪費及污染的難題，獲得了明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，受到用戶青睞。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前景十分廣闊。