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          燃煤氣化型的有機熱載體爐結構設計開發

          汪琦,俞紅嘯,張慧芬,汪育佑

          (上海熱油爐設計開發中心  上海  200042)

          摘  要:分析了燃煤氣化型有機熱載體爐的氣化過程和結構型式,研究了手動型和連續型的常壓式燃煤氣化爐的主要構件,討論了燃煤氣化型有機導熱載體爐體內的輻射室與對流室的設計方法,給出了安全保護措施和余熱回收利用。

          關鍵詞:燃煤氣化;有機熱載體爐;結構型式;設計方法;安全保護措施;余熱回收利用


          一、 前言

          鍋爐作為一種能源轉化裝置,在提供能源的同時也是在大量的消耗能源,同時也是重要的大氣污染源。工業生產上的燃煤會導致各種污染排放物進入大氣環境中,這些污染物可分為以下四種:

          (一)顆粒:飛灰,碳(煤焦或煤煙);

          (二)氣體:SO2,SO3,NOX,CO;

          (三)有機物:碳氫化合物,POM(多環有機物質);

          (四) 微量元素。

          這些污染物主要來源于工業生產中,而前三者主要來源于燃煤或燃油的工業鍋爐和電站鍋爐。所以,為了減少燃煤對大氣環境的污染,提高煤炭的利用率,必須大力發展燃煤氣化型有機熱載體爐的新技術和新裝備。

          該項技術和裝備是采用低溫、常壓氣化方法,以煤為氣化原料,以空氣和水為氣化劑,采用了雙鐘罩加煤,濕式自動除渣,將粒度不同的原煤加入不同規格的煤氣發生爐中,再經過氧化、還原反應,產生出熱煤氣直接經過燃燒器噴嘴噴入燃氣有機熱載體爐中燃燒,加熱有機熱載體進行循環供熱,并將熱量傳遞給工業用熱設備,從而解決了有機熱載體爐的直接燃燒煤炭給大氣造成的環境污染,隨著國家“雙碳”目標的實施,有機熱載體爐綠色低碳高質量發展的重要性也日益顯現,燃煤氣化型有機熱載體爐的使用企業也會越來越多,因此需要對其結構進行設計研究開發。

          二、燃煤常壓氣化爐的主要構件設計準則

          燃煤氣化爐通常是由加料裝置、爐體和排渣裝置等主要構件組成,整個氣化爐內的料層自下而上可以大致分為灰渣層、氧化層、還原層、干餾層和干燥層。燃煤氣化爐的氣化過程是煤炭原料從爐子上方投入爐內,全部燃料層由爐箅托住,氣化劑從爐箅下方進入,經過爐箅均勻分配,與煤炭燃料層相互接觸而發生氣化反應。生成的煤氣從燃料層上方引出,殘留的灰渣是通過爐箅下方排出。

          氣固兩相逆流操作的煤氣發生爐可充分利用灰渣的熱量來將氣化劑預熱,還可以充分利用從氣化層上面升出的煤氣顯熱來加熱煤炭燃料,使煤炭燃料干燥和熱解,從而可以提高爐子的熱效率,并且煤炭原料中的揮發分不會經過高溫裂解,進而使煤氣的發熱量增高。實際上排出氣化爐的煤氣中包含了CO、H2、CO2、N2、CH4、C2H4、H2S、H2O、NOx和煤焦油等。為了保障安全高效地氣化過程需要考慮以下幾個設計準則:

          (一)連續加料和排渣

          為了保持氣化操作的穩定性,一般燃煤氣化爐通常是采用連續加料和排渣裝置,這樣就保證了爐內氣化溫度的穩定,不至于出現不穩定或周期性的波動;而生產中排渣速度連續調控環境加上氣化劑送入量大小的配合,可以適當調整氣化爐的氣化能力,影響氣化過程。

          (二)入爐煤均勻分布

          氣化爐內的入爐煤分布裝置稱為均布傘,其采用了360°的連續轉動,使得來自氣化爐上部中央加料裝置的氣化原料均勻分布在氣化爐內的料層上,從而保證了料層高度的一致性,這樣就避免了氣流向上運動的不均勻性,平衡了爐內的溫度,穩定氣化操作條件。

          (三)爐內煤可及時破粘

          當氣化弱粘結煙煤時,煤在干餾層有一定的粘結性,這種粘結會破壞煤料正常的向下運動。故在氣化弱粘結煙煤的氣化爐內部中央設置攪動棒,并在上部干餾層處配置攪拌耙,這樣就能及時破除煤的粘結,從而順暢了煤料向下運動的動力,確保安全氣化操作。

          (四)爐柵均勻氣化劑

          氣化劑通常采用空氣和水蒸氣,當氣化劑從燃煤氣化爐底部進入爐內時,爐柵的柵格縫隙和爐柵的頂部小風帽會均勻地將氣化劑分配到灰渣層各處,氣化劑先與灰渣熱交換,而后進入氧化層。所以,平均分配好氧化劑是關系到爐內氣化的均衡性,是氣化過程中極為重要的影響因素。

          三、燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的主要結構設計方法

          燃煤常壓氣化爐通??煞譃橐韵聨讉€主要構件:加煤裝置、爐體、有機熱載體流動螺旋夾套、爐柵和排灰裝置。

          (一)加煤裝置

          加煤裝置有連續性和非連續型兩種方式,其中連續加煤方式是雙滾筒的結構形式,而非連續型加煤方式則是雙鐘罩的結構形式,以及落料管上部中間煤倉圓盤閥連鎖的結構形式,更為簡易的非連續加煤方式是在生產過程中間隙短暫停爐、手動打開蓋進行加煤的方式。

          (二)爐殼和有機熱載體流動螺旋夾套

          爐殼和有機熱載體流動螺旋夾套、破渣圈構成了燃煤常壓氣化爐的爐體部分,有機熱載體流動螺旋夾套的主要作用是形成循環流動熱載體的冷卻壁,從而保護反應區的爐膛鋼板,同時防止熔渣塊粘附在爐壁上,影響氣化進程,而在爐體夾套內的有機熱載體被加熱后用于循環供熱系統。另外,有機熱載體流動螺旋夾套也降低了爐膛內的上部煤氣溫度,提高了煤氣質量。破渣圈設置在爐膛內側的下部,和旋轉爐箅等部件配合,形成強有力的破渣機構裝置,使灰渣在擠壓、碾磨下變成碎渣后順利排除爐體外。

          (三)爐柵及其排灰裝置

          爐柵及其排灰裝置主要有旋轉爐箅、排灰刀、落灰盤等組成,旋轉爐箅主要的功能是支撐爐內煤料層、均勻分布氣化劑、擠壓破碎灰渣。爐箅一般是呈塔型,安裝在灰盤上,圓錐塔型的爐箅安裝中心是偏心的。這樣當爐箅旋轉時對爐底灰渣層有松落、擠壓作用,加上爐箅上的突條,能很好地將爐渣破碎排出。落灰盤承接爐箅排下來的灰渣,濕式落灰盤還構成了良好的水封體系,從而保證固定爐體和旋轉爐箅之間的密封。

          四、燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的結構設計開發

          (一)手動式燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的結構設計

          手動式常壓燃煤氣化型有機熱載體爐是由煤氣發生室和有機熱載體爐體構成,可做成外置式、內置式或下置式。煤氣發生室為圓筒形結構,圓筒的外層為有機熱載體流動螺旋夾套,夾套內流動的有機熱載體用于冷卻煤氣發生室內燃燒的煤層、防止煤層的結渣。在煤氣發生室的圓筒頂蓋上開有一個快速開啟閉合的爐門蓋用于添加煤料,在圓筒下部側壁開一個爐門用于排除灰渣。

          螺旋夾套中流動的有機熱載體與爐本體內的有機熱載體管束連通,并采用高溫循環泵強制有機熱載體循環流動,煤氣發生室的內部采用固定爐排,其下部為水封防爆池,空氣經鼓風機通過一次風管送入爐排下部,再通過爐排進入煤層,煤料經氣化成煤氣后,從上部的煤氣出口送到有機熱載體爐內的煤氣燃燒室中點火燃燒用于加熱有機熱載體,并向循環供熱系統供給熱量。

          手動式燃煤常壓氣化爐通常是采用一次添加煤料,周期運行,因這種簡易式煤氣發生室具有較強的周期性,需要設計安置兩臺煤氣發生室共同供應一臺有機熱載體爐,以穩定有機熱載體爐的供熱負荷。手動式燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的結構簡單、價格較低、操作容易,能有效地解決消煙除塵問題,爐子熱效率一般大于65%。

          (二)連續式燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的結構設計

          連續式燃煤常壓氣化型有機熱載體爐的煤氣發生室設置雙滾筒式機械加煤裝置,通過計量給煤器和鎮流器兩個滾筒的旋轉,加上蒸汽的氣封,保證氣化用煤的連續加料,而煤氣發生室爐膛內煤氣又不發生外逸。燃煤常壓氣化爐通常配備破粘攪拌機構,能氣化弱粘結性煤,攪拌耙通常是由電動機通過蝸輪、蝸桿等攪拌機傳動機構帶動。

          攪拌耙根據受力,可以在煤料層上部區間上下移動一定距離,同時為了防止攪拌耙燒壞,在蝸桿內部通入循環水冷卻。另外,在煤氣發生室的頂蓋上設置4個觀測探火孔,用于測量爐膛內的溫度、壓力,以及檢查氣化層的分布情況,同時也可實施人工搗爐操作。

          煤氣發生室為圓筒形結構,圓筒的外層為有機熱載體流動螺旋夾套,夾套內流動的有機熱載體用于冷卻圓筒鋼板,因為煤氣發生室下半部分正處在還原區和氧化區,溫度較高,其中氧化區的溫度可達到1500℃。在煤氣發生爐底部設置均勻布風的旋轉爐箅、爐盤傳動機構、破渣裝置和水封等部件。

          旋轉爐箅的作用是支撐煤料、分配氣化介質、松動煤層和排除煤渣,通常旋轉爐箅是支撐在轉動的灰盤上,一般煤氣發生爐的圓筒側壁是固定不動的,而底部的落灰盤是轉動的,落灰盤中的水封起著密封煤氣和保持爐內壓力的作用。落灰盤底部連接大齒輪,由電動機、減速器、渦輪、渦桿帶動,亦可由液壓傳動。

          大齒輪與地基基礎之間為滾珠或者滾柱支撐,以減少轉動摩擦阻力。煤氣化使用的氣化劑從最下面的爐底氣化劑進口進入煤氣發生室內,并由旋轉爐箅均勻分布后上升到煤料層中。爐底氣化劑的鼓風壓力影響氣化強度,而風壓的高低又受到水封高度的影響。

          連續式煤氣發生爐的重要組件是旋轉爐箅,爐箅上部為偏心的錐頂,下部為底座,錐頂中部為魚鱗狀爐條疊落而成,中心加帽蓋,爐條縫隙通入氣化劑。爐箅錐體外圈是不透氣8條均勻布置的犁刀,爐箅轉動時,灰渣沿肋條順利下滑而排渣。爐箅錐體支座沿外側均勻布置3個破渣凸塊,爐箅轉動時與爐裙內壁堅硬的破渣圈配合進行破渣。爐裙外側固定連接一個犁形刮灰刀,當落灰盤帶動落入水中的灰渣旋轉時,灰渣受到刮灰刀的阻擋而沿著其傾斜板面向上排出落灰盤外。

          (三)有機熱載體爐體內輻射室和對流室的結構設計

          煤氣發生爐與有機熱載體爐體采用分離型的結構設計,爐子的氣化室和對流室是單獨分開的[1]。煤氣發生爐為圓筒形結構,圓筒氣化燃燒室的外層為有機熱載體流動螺旋夾套,夾套內流動的有機熱載體吸收熱量,在煤氣發生爐的爐箅上煤料經氣化成高溫煤氣,從上部的煤氣出口全部進入到有機熱載體爐體中的煤氣燃燒室內點火并燃燒后用于加熱有機熱載體,再向循環供熱系統供給熱量。

          由于爐子在輻射室內布置了爐管吸收熱量,所以,爐膛內的溫度不高,當輻射室爐溫下降至煙灰熔點以下,使得已熔化的煙灰凝結下來,這樣煙灰不僅不會粘在爐膛內,也不會進入到對流室內粘結在爐管上。同時氣化后的煤氣內含塵量,在進入對流室之前已經大幅度降低,從而使得爐管外表面較為干凈,進而提高了爐管的傳熱效率。

          燃煤常壓氣化型有機熱載體爐體的對流室一般是位于輻射室的煙氣后部,小型爐體的對流室為圓筒形,其爐管排列為盤管形;大型爐體的對流室為方形或長方形,其爐管排列為橫排型結構[2]。設計對流室的尺寸一般是:長度大于高度,高度大于寬度。在輻射室的有機熱載體出口接管位置留出相應的對流室側面進出口接管位置。設計時應盡可能加長對流管的直邊長度,這樣就可以減少180°彎頭和焊接工作量,降低有機熱載體循環泵的壓降,從而可節省電費。

          在設計對流室時,為了減少煙氣沿爐壁短路,應設置折流板;但當每排對流管超過8根爐管時,因為短路煙氣所占的比例較少,可以不設置折流板。設計時為了提高傳熱效果,對流管可以采用翅片管,以便擴大對流管的傳熱面積,提高爐管的表面熱強度,從而降低了對流室的高度。

          在設計有機熱載體爐體中的輻射室和對流室時,應考慮支撐爐管的管架,通常有承重的管架和只控制爐管移動與變形的管架,因為都要承受高溫,故要和爐管一樣考慮其強度和各種化學穩定性問題。管架一般分為水平管架和垂直管架。水平管架為托架或刀形架,用螺栓安裝在爐體框架上,以便支撐爐管。爐頂管通常是較多采用錨形的吊架。

          垂直管架分為上掛式和下坐式兩種,其中上掛式是將爐管懸掛起來,下端為自由端,并裝有導向件,受熱后向下膨脹。所以,如果僅考慮對爐管本身的影響,采用上掛式較好;但是,上掛式使爐體重心上移,降低了整體的穩定性。而下坐式是將彎曲爐管坐于爐底耐火混凝土的襯里內或支撐在圈梁上,上端有導向件,可以向上自由膨脹,這種結構形式較為簡單;但是,在管壁溫度很高的情況下,爐管剛度不夠時,將會產生彎曲變形。

          五、安全保護措施和余熱回收利用

          燃煤氣化型有機熱載體爐的爐膛滅火裝置可以按照TSG G0001-2013《鍋爐安全技術監察規程》11.3.6.2條中明確規定的要求執行,直接承受火焰加熱爐的爐膛中發生有機熱載體泄漏,肯定會引發爐膛的火災事故,甚至會導致爐膛發生爆炸。所以,在不能確保爐膛內有機熱載體不會發生泄漏的條件下,應該在爐膛內設置一個惰性氣體滅火裝置,并且配置一個適當的惰性氣體供應系統,從而可以在爐膛內發生了有機熱載體泄漏的情況下,能夠有效地阻止火災的擴大和爐膛爆炸事故的發生,進而起到滅火防爆的作用和降低安全事故的危害程度。

          燃煤氣化爐的出爐煤氣中存在的煤焦油是一種高芳香烴的碳氫化合物組成的復雜混合物,絕大部分為帶側鏈或不帶側鏈的多環、稠環化合物和含氧、硫、氮的雜環化合物,并含有少量脂肪烴、環烷烴和不飽和烴,還夾帶有煤塵、焦塵和熱解炭。由于有顆粒極細的熱解炭存在,水分往往和油形成穩定的乳化液。

          煤焦油的絕大多數組分熔點較高,但由于大量的單體化合物相互溶解而形成共溶混合物,使煤焦油在常溫下仍呈現液體狀態。煤焦油的許多組分還組成了大量多元共沸體系,給蒸餾分離帶來了很大困難。高溫的煤焦油甚至含有壹萬多種化合物,按照化學性質煤焦油可分為中性的烴類、酸性的酚類和堿性的吡啶、喹啉類化合物。

          由于出爐煤氣中存在的煤焦油,就很容易跟隨煤氣一起進入有機熱載體爐的輻射室和對流室內的耐火層和保溫層,源源不斷地滲透并進行燃燒,摧毀了腳釘、耐火材料和保溫材料,并使爐子外壁溫度顯著上升,造成爐子外殼體異常發燙的事故。所以,應該考慮到出爐煤氣中存在的煤焦油危害性,且需要從爐子的結構設計開發上采取有效措施,盡量延長爐子的使用壽命;并且每年爐子都要進行檢修,必要時爐子需要大修,甚至更換部分損壞的構件;用戶企業也可購買備用幾個容易損壞的構件用于更換,從而可以極大縮短爐子的損壞修復時間。

          由于生產企業的操作使用要求,燃煤氣化型有機熱載體爐的熱載體出口溫度一般都在200~320℃范圍內,從而導致排煙溫度較高,進而增加了爐子的散熱損失,因此應該安裝爐子尾部余熱回收系統[3],比如余熱水箱等,可以將排煙溫度降低到140℃以下,從而提高了爐子的熱效率,達到節能減排的目的。

          六、結束語

          燃煤氣化型有機熱載體爐通常采用了雙向連續氣化燃燒原理,即一方面使煤的揮發分自上而下通過還原層到達熾熱的氧化層,另一方面使未燃盡的煤粒通過自上而下的空氣供氧進行燃燒。由于添入的原煤在燃燒室內形成了煤氣,使燃煤煙氣中的碳黑粒子充分燃燒,所以不會發生經常冒黑煙的現象。燃煤氣化型有機熱載體爐通常是不需要安裝任何消煙、除塵、脫硫設備,經測試煙塵排放濃度<100mg/m3,林格曼黑度為D級,SO2排放濃度<400mg/m3。即可氣化優質煤、焦碳,也可氣化劣質褐煤,與直接燃燒散煤的有機熱載體爐相比,熱效率提高了10%~15%,鼓、引風機容量減少25%,節能效果顯著。燃煤氣化型有機熱載體爐的燃燒方式是啟動快、調整靈活,可以隨時啟動、停爐,操作非常方便,從而降低了司爐工的勞動強度,因此非常適合生產企業采用燃煤氣化型有機熱載體爐進行生產加工的需求。

          將煤炭氣化制成煤氣,煤氣燃燒再去加熱循環流動的有機熱載體,且供熱給循環加熱系統,并將熱量傳遞給工業用熱設備,這是一種潔凈煤燃燒技術,它可以減少對大氣環境的污染,并提高煤炭的利用率;同時,還可以避免石油能源緊張。而我國的一些工業生產仍將以煤炭為主,雖然煤炭的氣化燃燒是一項非常復雜的工藝技術,但是我國的煤炭資源十分豐富,所以,研究開發燃煤氣化型有機熱載體爐的加熱技術和新型裝備,具有廣泛的市場應用前景和工業發展方向。

          參考文獻:

          [1]汪琦. 大型熱載體加熱爐的設計開發[J]. 化工裝備技術,2002, 23(4):28-32.

          [2]汪琦. 淺析導熱油爐的設計[J]. 化工裝備技術,2007, 28(5):49-51.

          [3]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等. 熱載體加熱爐結構與節能減排措施的研究[J]. 上海節能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

          作者簡介:

          汪琦,高級工程師,碩士,長期從事熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。

          手  機:13311629783     13817605032

          郵  箱:13817605032@163.com

          地  址:上海市長寧支路237弄1號504室  上海熱油爐設計開發中心




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