爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒一體化工藝系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

1 引言

現(xiàn)階段，各類型燃煤手燒工業(yè)爐、0.5～2.0t/h手燒鍋爐、茶浴爐普遍存在于我國(guó)許多 城市及人口密集地區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于設(shè)備陳舊、燃燒方式落后，上述設(shè)施造成的煙塵污染 問(wèn)題十分嚴(yán)重。同時(shí)，總的熱能利用效率低下，能源浪費(fèi)現(xiàn)象驚人。

國(guó)內(nèi)外眾多煙塵治理技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，工業(yè)爐、小鍋爐、茶浴爐等直接手燒燃煤設(shè)施的 根本出路在于改變?nèi)剂辖Y(jié)構(gòu)、提高技術(shù)裝備水平或改變?nèi)紵绞?，常?guī)辦法可以包括燃油、 燃?xì)猓ㄌ烊粴猓?、電加熱或結(jié)構(gòu)改造等實(shí)踐證明，依托儲(chǔ)量豐富的可氣化煤種資源，利用已經(jīng)成熟的移動(dòng)床（也稱固定床）煤炭氣化工藝，移動(dòng)床（moving bed）離子交換樹脂在交換器、再生器和清洗塔之間，周期性流動(dòng)的離子交換裝置，實(shí)現(xiàn)爐前制氣，并通過(guò)熱煤氣燃燒，來(lái)完成 工業(yè)爐、小鍋爐、茶浴爐等的燃料結(jié)構(gòu)及燃燒方式的改變是一種最有效、最有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的手段。借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換，以達(dá)到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作。離子交換是可逆的等當(dāng)量交換反應(yīng)。離子交換主要用于水處理（軟化和純化）；溶液（如糖液）的精制和脫色；從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬；從發(fā)酵液中提取抗生素以及從工業(yè)廢水中回收貴金屬等。

近年來(lái)，煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)研究所開發(fā)出可適合于小型、分散用戶使用的爐 前煤 炭氣化及熱煤氣燃燒聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)，并已在山西大同、江蘇丹陽(yáng)、浙江金華及湖南吉首等 地與小型鍋爐和工業(yè)窯爐的加熱過(guò)程配用，在減少污染物排放 、提高煤炭利用效率、改善操作條件等方面取得良好效果。

1移動(dòng)床氣化概述

1.1原理簡(jiǎn)介

混合發(fā)生爐熱煤氣是一種以一氧化碳（CO）、氫氣（H2）及甲烷（CH4）等可燃?xì)怏w為主要成分的工業(yè)熱燃料氣。QM型煤氣發(fā)生爐是為機(jī)械、冶金、建材、輕工、化工、耐材等行業(yè)熱加工車間提供混合發(fā)生爐煤氣的設(shè)備。煤氣發(fā)生爐配備單斗提升上煤機(jī)，采用雙密封鐘罩加煤箱自動(dòng)加煤，利用濕式灰盤自動(dòng)出渣。爐篦傳動(dòng)機(jī)械全部設(shè)計(jì)在爐體外，運(yùn)行可靠，便于安裝維修。發(fā)生爐水套和汽包系低承壓設(shè)備，均經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)制造要求嚴(yán)格，產(chǎn)品出廠前進(jìn)行周密檢驗(yàn)，確保質(zhì)量，發(fā)生爐生產(chǎn)的蒸汽供給爐底鼓風(fēng)和爐頂探火孔汽封使用，在生產(chǎn)中不需外來(lái)補(bǔ)充蒸汽，以減少熱能消耗。它是在特定結(jié)構(gòu)的裝置即移動(dòng)床發(fā)生爐內(nèi)，控制氣化條件，塊煤（或焦 炭）在空氣（富氧空氣或純氧氣）和蒸汽混合組成的氣化劑的作用下發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化 學(xué)變化而產(chǎn)生的。 混合發(fā)生爐熱煤氣熱值一般在4.6～7.5MJ/Nm3（1098～1790kcal/ Nm 3） 之間（上限為富氧鼓風(fēng)），若進(jìn)入燃燒器的助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，實(shí)際燃燒溫度最高可達(dá)1500 ℃以上。

1.2化學(xué)反應(yīng)

混合發(fā)生爐熱煤氣生產(chǎn)過(guò)程可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括以下化學(xué)反應(yīng)。

C＋O2＝CO2-394.1kJ/mol

2C＋O2＝2CO-220.8kJ/mol

C＋CO2＝2CO+173.3kJ/mol

C＋H2O＝CO＋H2+135.0kJ/mol

C＋2H2＝CH4－84.3kJ/mol

2H2＋O2＝2H2O-490.6kJ/mol

2CO＋O2＝2CO2-567.4kJ/mol

CO＋H2O＝H2+CO2-38.4kJ/mol

CO＋3H2＝CH4+H2O-219.3kJ/mol

上述各反應(yīng)進(jìn)行的程度取決于發(fā)生爐的操作條件，即氣化溫度、壓力、氣化劑的組成和 流速、氣化劑與燃料的接觸時(shí)間以及燃料的反應(yīng)性、表面性質(zhì)等。

1.3氣化過(guò)程

發(fā)生爐在生產(chǎn)操作過(guò)程中，氣化劑自爐底進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入爐內(nèi)床層，氣化生成的粗煤氣從頂 部輸出。爐內(nèi)物料分布自下而上可以描述為灰渣層、氧化層、還原層、干餾層、干燥層和空層。

（1）灰渣層，厚度約為100～200mm，氣化劑在灰渣層中不發(fā)生化學(xué)變化，只與灰渣進(jìn)行熱交 換，氣化劑吸收熱量升溫預(yù)熱，灰渣釋放熱量被冷卻，同時(shí)對(duì)爐箅起保護(hù)作用。

（2）氧化層，黏粒的陽(yáng)離子交換量低，50─200μm粒級(jí)中可風(fēng)化礦物含量＜10%的土層。使床層內(nèi)保持足夠高的溫度。

（3）還原層，從氧化層上來(lái)的高溫CO2和水蒸氣與熾熱的碳發(fā)生還原反應(yīng)，吸收床層蓄 積的熱量，生成CO和H2。氧化層與還原層統(tǒng)稱發(fā)生爐火層。

（4）干餾層，煤炭受熱干餾，釋放出揮發(fā)分。揮發(fā)分進(jìn)一步受熱分解或加氫得到CH4、 CnHm、焦油蒸汽等氣態(tài)烴類物質(zhì)及其它氣體成分。

（5）干燥層，入爐煤炭在該層內(nèi)脫除外在水分。

（6）空層，料層上部的氣相空間，各種氣體在此會(huì)合形成出爐煤氣。

2爐前制氣及燃燒聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

完整的爐前制氣及熱煤氣燃燒聯(lián)鎖一體化工藝系統(tǒng)主要包括高度集成化的煤氣發(fā)生爐裝置、 自動(dòng)控制子系統(tǒng)及燃燒器，工藝流程如圖1所示。

圖1爐前制氣及熱煤氣燃燒聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

2.1集成化煤氣發(fā)生爐

集成化煤氣發(fā)生爐包括單斗提升機(jī)自動(dòng)上煤機(jī)構(gòu)、水封加煤箱、杠桿加煤料鐘、發(fā)生爐主體 、杠桿搖臂卸灰爐箅、濕式出灰螺旋、放散鐘罩閥及水封除塵器等。與常規(guī)移動(dòng)床煤氣發(fā)生 爐相比，集成化發(fā)生爐具有以下一些技術(shù)特點(diǎn)：斗式提升機(jī)用來(lái)垂直提升經(jīng)過(guò)破碎機(jī)的石灰石、煤、石膏、熟料、干粘土等塊粒狀物料以及生料、水泥、煤粉等粉狀物料。根據(jù)料斗運(yùn)行速度的快慢不同，斗式提升機(jī)可分為：離心式卸料、重力式卸料和混合式卸料等三種形式。離心式卸料的斗速較快，適用于輸送粉狀、粒狀、小塊狀等磨琢性小的物料；重力式卸料的斗速較慢，適用于輸送塊狀的，比重較大的，磨琢性大的物料，如石灰石、熟料等。斗式提升機(jī)的牽引構(gòu)件有環(huán)鏈、板鏈和膠帶等幾種。①無(wú)大型專用機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備或部件，加工工 藝簡(jiǎn)單，成本低，制造周期短，“煤改氣”用戶初投資少，建設(shè)時(shí)間短，見效快；②帶凸 起的梁式爐箅采用杠桿搖臂機(jī)構(gòu)，不僅保證發(fā)生爐具有良好的破渣和卸灰能力，而且即使?fàn)t 膛橫截面較小時(shí)，也完全能夠?qū)崿F(xiàn)氣化劑均勻分布，不產(chǎn)生邊壁效應(yīng)，從而使發(fā)生爐能夠穩(wěn) 定生產(chǎn)，并保持較高的氣化強(qiáng)度；③單斗提升機(jī)自動(dòng)加煤機(jī)構(gòu)，煤斗在提升的過(guò)程中依靠機(jī) 械作用自動(dòng)打開水封加煤箱頂蓋，在返回的過(guò)程中加煤箱頂蓋依靠自身重力自動(dòng)關(guān)閉，從而 減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。④單汽幕低壓探火孔，煤氣無(wú)外泄，保證了發(fā)生爐連續(xù)生產(chǎn)。

2.2自動(dòng)控制子系統(tǒng)

自動(dòng)控制子系統(tǒng)主要由水夾套自動(dòng)上水、水夾套壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、氣化劑飽和溫度自動(dòng)調(diào) 節(jié)、點(diǎn)火熄火安全聯(lián)鎖及氣化—燃燒聯(lián)鎖負(fù)反饋等單元構(gòu)成。自動(dòng)控制系統(tǒng)（automatic control systems）是在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其他過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要手段。在工業(yè)方面，對(duì)于冶金、化工、機(jī)械制造等生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)采用數(shù)字計(jì)算機(jī)還建立起了控制性能更好和自動(dòng)化程度更高的數(shù)字控制系統(tǒng)，以及具有控制與管理雙重功能的過(guò)程控制系統(tǒng)。

（1）自動(dòng)上水單元。目的在于把水夾套內(nèi)的水位控制在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，從而保證發(fā)生 爐爐膛內(nèi)壁的冷卻效果及氣化用水蒸汽的穩(wěn)定供應(yīng)。

（2）水夾套壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)單元。目的在于使水夾套內(nèi)上部的蒸汽壓力穩(wěn)定在某一定值，一 方面起到安全的作用，另一方面也有利于氣化用蒸汽及探火用蒸汽的穩(wěn)定供應(yīng)。

（3）氣化劑飽和溫度調(diào)節(jié)單元。氣化劑中水蒸汽的多少直接影響到熱煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量， 氣 化劑飽和溫度調(diào)節(jié)單元的目的在于使入爐空氣和水蒸汽得到1個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔?，從而保證發(fā)生 爐穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)出高質(zhì)量的煤氣。

（4）自動(dòng)點(diǎn)火安全聯(lián)鎖單元。目的是為了使熱煤氣燃燒器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和熄火保護(hù)，防止用戶 終端爆燃（或爆炸）現(xiàn)象的發(fā)生。

（5）氣化—燃燒聯(lián)鎖負(fù)反饋單元。目的在于使發(fā)生爐的氣化過(guò)程和用戶的燃燒過(guò)程相匹 配 ，即在用戶的熱負(fù)荷波動(dòng)幅度較大時(shí)，采用比例調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)發(fā)生爐氣化負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

另外，自動(dòng)控制平臺(tái)還設(shè)置多路巡檢儀，目的是對(duì)各主要參數(shù)進(jìn)行集中顯示和報(bào)警，便于及 時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷生產(chǎn)故障。

2.3熱煤氣燃燒器（燒嘴）

熱煤氣燃燒器是以熱煤氣為熱源的加熱設(shè)施（如鍋爐、工業(yè)爐等），用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱煤氣燃 燒 過(guò)程的專用裝置。熱煤氣燃燒器是以熱煤氣為熱源的加熱設(shè)施（如鍋爐、工業(yè)爐等），用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱煤氣燃燒過(guò)程的專用裝置。主要作用是按一定比例和一定混合條件將熱煤氣和助燃空氣引入加熱設(shè)施 內(nèi)燃燒或在燒嘴內(nèi)燃燒，并滿足加熱過(guò)程對(duì)火焰的方向、外形、剛性和鋪展性的要求。開發(fā) 的熱煤氣燃燒器包括燃燒器本體及點(diǎn)火機(jī)構(gòu)2部分。

非恒溫加熱設(shè)施（如鍋爐），由于熱負(fù)荷波動(dòng)幅度大，燃燒器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制比例配風(fēng)燃燒較 困難，因此，本體結(jié)構(gòu)通常為自擴(kuò)散式（或稱自由式），即熱煤氣不與助燃空氣提前混合（ 或只有在熱強(qiáng)度要求較高時(shí)進(jìn)行部分混合），而是噴入爐內(nèi)后，與爐膛內(nèi)空氣邊混合邊燃燒 。

它包括：分配器裝置（50），該分配器裝置具有至少一個(gè)分配腔室，用于環(huán)繞所述分配器（50）分配空氣煤氣混合物，所述燃燒器（10）包括多個(gè)火焰口（72），所述空氣煤氣混合物能夠通過(guò)該火焰口并進(jìn)行點(diǎn)火；至少一個(gè)噴射器（39），該噴射器與所述分配器（50）連接，所述至少一個(gè)噴射器（39）定位成通過(guò)文氏管將氣體噴射至所述至少一個(gè)分配腔室中，該文氏管由垂直引導(dǎo)的通道、過(guò)渡口（64）以及至少一個(gè)文氏管延伸部分形成，該至少一個(gè)文氏管延伸部分離開所述過(guò)渡口（64）延伸。

煤科總院煤化所根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，開發(fā)出高壓電脈沖式和柴油常明火式2種點(diǎn)火設(shè)施。 但無(wú)論形式如何，均能通過(guò)紫外光火焰檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火、熄火安全聯(lián)鎖保護(hù)。檢測(cè)燃燒室或燃燒器火焰強(qiáng)度的裝置。主要由探頭和信號(hào)處理器兩部分組成，輸出表示火焰強(qiáng)度的模擬量信號(hào)、表示有無(wú)火焰的開關(guān)量信號(hào)和（或）表示火焰強(qiáng)度的視頻信號(hào)。

3結(jié)論

（1）發(fā)展投資小、見效快、建設(shè)靈活、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行安全可靠、尤其 適合于與小型鍋爐及茶浴爐配合使用的中小型爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒聯(lián)鎖系統(tǒng)，對(duì)于解 決數(shù)以萬(wàn)計(jì)小型用戶普遍存在的燃煤效率低與煙塵污染重的問(wèn)題和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)地區(qū) 經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

（2）研制爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)在于通過(guò)使用高度集成化的氣化手段，來(lái) 解 決手燒窯爐及鍋爐等直接燃煤設(shè)施的燃燒問(wèn)題，同時(shí)也使龐雜的氣化工程問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。

（3）煤氣發(fā)生爐合理的結(jié)構(gòu)配置、完善的自動(dòng)控制操作平臺(tái)及較高的設(shè)備可靠性是爐前煤炭 氣化及熱煤氣燃燒系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵所在。

（4） 爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐表明，無(wú)論在能源利用效率方面、污染物排 放指標(biāo)方面，還是在減輕司爐工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面，與直接手燒燃煤相比，均有顯著的技術(shù)進(jìn)步意義。