蘭炭燃燒特性及燃蘭炭鍋爐設計分析

陳 曦

（上海興海陸鍋爐有限公司，上海 200060）

燃煤會產生粉塵、致癌物有機碳、致霾物元素碳等污染環境的物質。工業用煤和民用煤炭的粉塵排放是造成霧霾的主要原因之一［1］。然而，受到我國能源結構制約，目前不可能大量供應除煤炭以外的化石燃料。2017年冬季，由于氣源供應不足，北方取暖普遍受到影響。因此，在無法改變能源供應狀況的情況下，只能尋求煤炭潔凈利用的方法。將煤炭進行潔凈化處理，在原產地集中清除可能造成環境污染的各類物質，對外提供不造成污染的清潔能源，并確保煤炭使用地的環境不受或少受污染。

在原產地將煤經低溫干餾熱解后，再經脫水、干餾、裂解等一系列反應，去除大部分灰分、水分、活性硫等，產生蘭炭、煤焦油和焦爐煤氣，使處理后的固體物成為熱值高、有害物質少、灰分少、比電阻高、表面空隙率高的潔凈能源，避免造成使用地的環境污染。處理后的煤炭固體物因其表面呈蘭黑色，燃燒時火焰也呈藍色，故稱蘭炭。

各級政府逐漸認識到蘭炭在大氣污染防治中的重要性，紛紛出臺政策鼓勵使用蘭炭替代原煤。國家也支持原煤蘭炭化，為了規范蘭炭的生產和質量，國家出臺了一系列有關蘭炭制作、質量控制等的技術規范［2-3］。目前，蘭炭的主要產地在陜西省榆林地區，其生產的蘭炭基本上符合國家和地方標準的質量要求。蘭炭的低位發熱值在24.5 MJ·kg?1以上，固定炭的質量分數在85%以上，水分、灰分、硫分的含量都很低，燃料品質已接近燃油。唯一不足是由于干餾熱解后，揮發分較低，著火相對困難。

將煤制作成蘭炭，需要投入相當的設備，包括密閉的干餾炭化爐、回收蘭炭成品的物理顯熱的余熱鍋爐等。由于蘭炭成品的顯熱溫度為500～600 ℃，從熱量利用的角度來看，需要進行干法熄焦并配置相應的余熱回收裝置，將蘭炭最終溫度控制在250 ℃以下。2017年，本公司為陜西榆林地區某企業提供一臺以神木蘭炭為燃料的58 MW熱水鍋爐。為此，本文對神木蘭炭的燃料特性等進行了系列研究。

1 蘭炭的燃料特性

1.1 神木蘭炭的燃料品質

神木蘭炭與原煤的元素分析和燃料特性［4］比較分別如表1、2所示。

表1 神木蘭炭與原煤的元素分析Tab. 1 Ultimate analysis of Shenmu blue-coke and its original coal

表2 神木蘭炭與原煤的燃料特性Tab. 2 Fuel properties of Shenmu blue-coke and its original coal

從表1、2中可以看出，神木蘭炭的發熱值雖然比神木原煤的低，但是總體熱值仍然很高，不會影響正常燃燒。而灰分和含硫量都低于神木煙煤，揮發分雖然只有12.38%，但著火和燃燒不存在任何問題。

由于蘭炭比表面積是原煤的2倍，蘭炭燃燒、燃盡更加容易。因為燃料的燃燒是一個復雜的物理化學過程，這些過程都是在燃料表面和空隙中進行，空隙率增大使燃料的可燃質與空氣的接觸面增大，熱轉化過程更加迅速、便捷。

蘭炭的低位發熱量與無煙煤的相當，但高于貧煤。蘭炭的揮發分與無煙煤和貧煤的接近，蘭炭的著火溫度為526 ℃，無煙煤的著火溫度為1 000 ℃，因此，蘭炭比無煙煤、貧煤更易燃。此外，蘭炭的殘炭率是無煙煤的1/10，說明由于其比表面積增大、空隙率提高，蘭炭的燃盡率更高［5］。

試驗研究［6］表明，蘭炭的著火性能和燃盡性能明顯優于無煙煤，低于原煤，而結渣性能、灰熔融性與原煤沒有明顯變化。

1.2 蘭炭燃燒后的排放物

由于蘭炭的比表面積增大，在燃燒過程中蘭炭自脫硫反應更易發生，更有利于N與其他自身含有的氧化物發生反應，在一定程度上減少了SO2和NOx的排放。同時，由于蘭炭表面空隙率增大，燃燒后的灰渣可以吸附更多的SO2和NOx［7］，加上蘭炭本身硫、氮含量很少，因此燃燒后有害物質的排放量明顯減少。

由于蘭炭的含灰量很少，煙塵的排放量也明顯減少。據統計［8］，每燃燒1 t蘭炭，可以減少向大氣中排放CO21.106 kg、SO26.1 kg、NOx5.1 kg。

2 蘭炭鍋爐設計

2.1 鍋爐基本參數

根據有關熱力標準［9］計算得出的鍋爐設計數據如表3所示。燃燒方式為層燃，適用燃料為蘭炭。

表3 58 MW 燃蘭炭熱水鍋爐設計數據Tab. 3 Design data of 58 MW blue-coke fired boiler

2.2 鍋爐結構描述

本文以燃蘭炭熱水鍋爐為例，采用型號為DHL58?1.6/130/70?LT的角管式熱水鍋爐。鍋爐爐膛布置示意圖如圖1所示。該鍋爐結構為外置式單鍋筒橫向布置，爐膛及尾部均采用全封閉膜式水冷壁結構，四周拐角處布置有下降管，無鋼架，整臺鍋爐由下降管及膜式壁支撐。鍋爐爐膛中燃燒后的煙氣經尾部旗面管引出。鍋爐下部加煤機采用重型鱗片式鏈條爐排，傳動采用無級變速齒輪箱驅動，結構緊湊，密封性好。

圖1 燃蘭炭鍋爐爐膛布置示意圖Fig. 1 Layout of blue-coke fired boiler furnace

2.3 鍋爐設計特點

2.3.1 爐膛構造

由于蘭炭的燃燒特性與無煙煤基本相近，因此，該鍋爐采用接近絕熱爐膛來確保爐內溫度足夠高。因此，采用前拱高而長、后拱低而平，前后拱的覆蓋率大于100%，而爐膛燃燒區域的前后、兩側水冷壁砌筑耐火混凝土使爐膛成為一個相對密閉的燃燒室。這樣，高溫煙氣由后拱引導沖刷前拱，加強前拱的蓄熱，加速入爐蘭炭的著火和快速穩定燃燒。然后，高溫煙氣進入爐膛上部的輻射區。

2.3.2 燃燒送風方式

有些廠家采用多風機不同風壓對蘭炭各燃燒階段進行配風，筆者認為不同風壓的配風在爐膛內會相互擠壓，造成爐內氣流紊亂，不利于建立合理的爐內空氣動力場。因此，本文仍采用等壓大風倉的送風形式，蘭炭燃燒各階段需要的風量由調風檔板調配。這樣，燃燒產生的高溫煙氣可以順暢地沖刷前拱，有利于爐膛內的平衡通風。

2.3.3 燃燒裝置

由于爐膛的溫度較高，因此高溫接觸面的材料應選用耐熱鑄鐵。

2.3.4 煙氣速度選擇

由于燃料含灰渣量較小，在對流換熱階段可以選取較高的煙氣速度。通常在燃煤鍋爐的對流段煙速取為6 m·s?1左右，在蘭炭鍋爐中可以取為 8～10 m·s?1。

2.3.5 與原煤鍋爐比較

燃神木蘭炭鍋爐比燃原煤鍋爐在結構上要緊湊得多，爐膛寬度、高度以及對流受熱面積都小，耗鋼量至少減少10%。

3 將燃煤鍋爐改造為燃蘭炭鍋爐的方法

我國北方地區有很多燃煤鍋爐用于冬季采暖，也有不少工業用的燃煤蒸汽鍋爐。這些鍋爐都可以改造成燃蘭炭鍋爐，改造的方法也很簡單，主要有：（1）局部更換前后水冷壁，使之提高燃煤鍋爐爐膛的絕熱能力和密封性能，大幅提高前拱的覆蓋率和后拱的前伸角度，便于蘭炭入爐后快速著火、完全燃燒和燃盡；（2）建立密封性能良好的等壓風倉。

對燃用無煙煤或貧煤的鍋爐進行蘭炭化改造更加簡單，僅需提高鍋爐爐膛的密封性能。通過改造，除了可以改善鍋爐使用地的環境外，鍋爐的出力也能得到提高。

4 結束語

（1）將蘭炭作為原煤的替代品可實現煤炭的清潔利用，是防治大氣污染、治理霧霾的重要舉措。可以通過簡單的方法將燃煤鍋爐改造成燃蘭炭鍋爐。

（2）應重點研究蘭炭的生產工藝，注重蘭炭生產地的污染治理，避免惡化蘭炭生產地的生態環境。

（3）本文僅對本公司生產的以神木蘭炭為燃料的熱水鍋爐進行了鍋爐設計和專項研究，研究結果存在一定的局限性。建議對各種蘭炭的燃燒特性作深入研究，以便更加有效地推廣煤炭清潔利用技術。