燃生物质固硫型煤导热油炉的设计开发

2014-04-12俞红啸张慧芬

化工装备技术 2014年6期

汪琦俞红啸张慧芬

（上海热油炉设计开发中心）（常州焦化厂)

生物质固硫型煤属于干式冷态成型煤，其内部加入了纤维状态的生物质，如稻草、玉米秆、秸秆等。生物质不仅具有粘结作用，而且还有助燃作用。生物质固硫型煤进入导热油炉炉膛后，由于炉膛的高温辐射，生物质首先燃烧，型煤表面形成蜂窝状，使氧气能够逐渐进入型煤内部，同时增大了燃烧面积，加快了燃烧速度，使燃烧充分而完全。供热系统内导热油由循环油泵送入热油炉中吸收热量后，被送至用热设备内释放热量。然后，导热油再经油气分离器和导热油过滤器进行分离，去除导热油中的气体和杂质。最后，导热油经循环油泵送回热油炉，实现供热循环。

生物质固硫型煤采用干式工艺生产，煤料干度必须达到含水＜4%，生物质含水＜7%。生物质固硫型煤在导热油炉中燃烧效果很好，炉渣含碳量可达8%～10%，同时通过加入消烟固硫剂，还可达到较好的消烟、固硫效果，脱硫率最高可达71.9%。

1 生物质固硫型煤的生产工艺过程

生物质固硫型煤的生产工艺主要包括煤料处理、生物质处理、成型系统、型煤规格等几个方面，其生产工艺流程如图1所示。

图1 生物质固硫型煤的生产工艺流程

1.1 煤料处理

煤料处理包括贮煤、配煤、干燥、粉碎等加工工艺。原料煤进场后卸至贮煤场，各种原料煤经配合后进行干燥。配合后的煤进入干燥机时水分≤10%，干燥后水分≤4%。干煤送至碎煤机粉碎，使煤粉近100%达到粒度≤3 mm。粉碎后的干煤粉由密闭的输送机送到成型系统的配料斗上。

1.2 生物质处理

生物质处理包括生物质堆贮场及烘干、粉碎等加工工艺。将稻草或玉米秆切割到长度≤30 mm后进行烘干，使其水分由17%降到7%以下。然后再将其粉碎，使其粒度近100%达到≤3 mm。最后由气力输送机将其输送到成型系统的生物质仓中。

1.3 成型系统

成型系统工艺过程包括配料、混合、成型、筛分等加工工艺，其装备还包括成品库等。制备好的原料煤、生物质和需要添加的固硫剂以及化学添加剂都在分贮料仓内分别贮存。贮料仓下设置定量给料装置，将三种物料按比例配合，经混合后予以成型。成型后的型煤进行筛分，筛下的碎型煤则返回生产系统重新成型。成型煤进入成品库贮存。

1.4 型煤规格

原料煤配制既要考虑煤质特性及价格高低，又要考虑加工成型要求。若采用中质动力煤作为原料，再加上加工费，其成本较高。工业上通常采用煤泥、煤粉、无烟煤等低质原料进行混配，利用破碎后的稻草纤维或玉米秆纤维等生物质作为胶粘剂。这些生物质来源广、价格低、强度高、易着火。加工出的生物质固硫型煤主要分为蜂窝块状和颗粒球状两类，其规格型式如表1所示。生物质固硫型煤的各项指标可达到Ⅱ类烟煤的标准，而原料的成本可降低50%。

表1 生物质固硫型煤的规格型式

2 导热油炉的结构设计

燃生物质固硫型煤导热油炉有固定炉排和链条炉排两种燃烧方式，炉体结构有方箱式和管架式两种结构形式[1]。但由于管架式结构的进出口集箱上并联多根炉壁管，造成在炉壁管中导热油流量不均匀，并导致部分炉管内导热油流量过小，从而该部分炉管内存在导热油流速偏低的问题，流过这些炉管的导热油将发生过热超温现象。如果其超温问题严重，或者流量偏低的问题长时间未能得到解决，则会发生导热油在炉管内局部结焦，甚至阻塞部分炉管、影响导热油流动，从而发生导热油过热和炉管过烧的现象，严重时还会造成部分炉管爆裂的燃烧事故。所以管架式结构在大中型导热油炉的结构设计中采用得比较少。

燃生物质固硫型煤导热油炉的方箱式结构是炉体辐射室和对流室结合在一起作为上部大件，而燃烧室和炉排组装在一起作为下部大件。上部大件和下部大件均可分别在加热炉制造厂加工完成，然后运输到现场将其组装在一起，且安装简便。方箱式结构的辐射室是将直径相同的数根炉管密集地沿炉身盘卷而成螺旋长方形盘管，即彼此紧密相排成长方形螺旋绕制而成。对流室是一个蛇形管式热交换器的结构，进出口集箱分别汇集了多根蛇形管进出口。同时为了降低炉顶壁温，在炉顶部位布置了多根炉顶管，促使炉膛温度在炉墙处和炉顶部降至900℃以下。这样炉墙就可采用轻质的耐高温硅酸铝保温板、耐火纤维、岩棉组成轻型耐火隔热保温材料，减轻了辐射室和对流室的重量，并且减少了炉体钢架结构的用钢量，降低了制造成本。

对于方箱式结构导热油炉的辐射方盘管，内表面半圆周受辐射热，外表面半圆周不受热；对于对流室内的对流蛇形管，管子的整个圆周都受对流热；对于辐射室内的炉顶管，管子的整个圆周也都受辐射热；对于对流室内的炉顶管，管子的整个圆周都受对流热。另外，对流室中的折烟隔墙改用不锈钢隔板，从而降低了炉体的重量。燃生物质固硫型煤导热油炉的特点有下述几个方面。

（1）易点燃，燃烧时间长，燃尽率高，热值高。

（2）有明显的固硫、固尘效果，固硫率可达50%～70%。燃烧过程中，SO2排放可减少60%以上，烟尘排放可减少90%以上，减排效果明显。

（3）采用煤泥、煤粉、无烟煤等低质原料混配，总节煤率可达30%以上，节能效果明显。

表2所示为笔者设计开发的固定炉排燃生物质固硫型煤导热油炉的性能参数；表3所示为设计开发的链条炉排燃生物质固硫型煤导热油炉的性能参数。

表2 固定炉排燃生物质固硫型煤导热油炉的性能参数

表3 链条炉排燃生物质固硫型煤导热油炉的性能参数

3 最高油膜温度计算

导热油最高工作温度不应高于其自燃点温度。如果导热油最高工作温度高于其自燃点，则在导热油供热循环系统运行中发生泄漏的时候，泄漏出来的导热油容易发生自燃，并可能引发火灾。对于燃生物质固硫型煤导热油炉而言，由于炉膛辐射受热面的热偏差较大，造成热油炉内部导热油温度分布不均匀，故导热油最高工作温度应当低于导热油最高允许使用温度减去20℃。导热油的热稳定性试验数据表明，其工作温度每上升10℃，由于热裂解原因造成的导热油变质率会在其原来变质率的基础上增加1倍。所以将导热油的温度安全裕量定为20℃是相对安全合理的[2]。

炉管内导热油与管壁表面摩擦会产生流体边界层，边界层内存在一个温度梯度，边界层内紧贴管壁表面的流体流速最低，而温度最高，其温度称为油膜温度。如果油膜温度过高，对于导热油而言，边界层内导热油的热裂解率就会过高；对于导热油炉而言，炉管受热面就会因导热油裂解后结焦，导致炉管壁过热现象。因此在导热油炉设计中，应确定出最高油膜温度产生的位置，并计算出最高油膜温度的准确数值。通常边界层中最高油膜温度位于受热面上热流密度最大处，或者导热油流动中雷诺数Re最小处。

为了将炉管中导热油边界层内的最高温度控制在一个相对安全的范围内，并且使其变质率处于可以被接受的允许条件下，就需要计算出导热油最高允许油膜温度。

燃生物质固硫型煤导热油炉管内最高油膜温度计算公式如下：