兰炭燃烧特性及燃兰炭锅炉设计分析

2018-03-25陈曦

能源研究与信息 2018年4期

陈曦

（上海兴海陆锅炉有限公司，上海 200060）

燃煤会产生粉尘、致癌物有机碳、致霾物元素碳等污染环境的物质。工业用煤和民用煤炭的粉尘排放是造成雾霾的主要原因之一［1］。然而，受到我国能源结构制约，目前不可能大量供应除煤炭以外的化石燃料。2017年冬季，由于气源供应不足，北方取暖普遍受到影响。因此，在无法改变能源供应状况的情况下，只能寻求煤炭洁净利用的方法。将煤炭进行洁净化处理，在原产地集中清除可能造成环境污染的各类物质，对外提供不造成污染的清洁能源，并确保煤炭使用地的环境不受或少受污染。

在原产地将煤经低温干馏热解后，再经脱水、干馏、裂解等一系列反应，去除大部分灰分、水分、活性硫等，产生兰炭、煤焦油和焦炉煤气，使处理后的固体物成为热值高、有害物质少、灰分少、比电阻高、表面空隙率高的洁净能源，避免造成使用地的环境污染。处理后的煤炭固体物因其表面呈兰黑色，燃烧时火焰也呈蓝色，故称兰炭。

各级政府逐渐认识到兰炭在大气污染防治中的重要性，纷纷出台政策鼓励使用兰炭替代原煤。国家也支持原煤兰炭化，为了规范兰炭的生产和质量，国家出台了一系列有关兰炭制作、质量控制等的技术规范［2-3］。目前，兰炭的主要产地在陕西省榆林地区，其生产的兰炭基本上符合国家和地方标准的质量要求。兰炭的低位发热值在24.5 MJ·kg−1以上，固定炭的质量分数在85%以上，水分、灰分、硫分的含量都很低，燃料品质已接近燃油。唯一不足是由于干馏热解后，挥发分较低，着火相对困难。

将煤制作成兰炭，需要投入相当的设备，包括密闭的干馏炭化炉、回收兰炭成品的物理显热的余热锅炉等。由于兰炭成品的显热温度为500～600 ℃，从热量利用的角度来看，需要进行干法熄焦并配置相应的余热回收装置，将兰炭最终温度控制在250 ℃以下。2017年，本公司为陕西榆林地区某企业提供一台以神木兰炭为燃料的58 MW热水锅炉。为此，本文对神木兰炭的燃料特性等进行了系列研究。

1 兰炭的燃料特性

1.1 神木兰炭的燃料品质

神木兰炭与原煤的元素分析和燃料特性［4］比较分别如表1、2所示。

表1 神木兰炭与原煤的元素分析Tab. 1 Ultimate analysis of Shenmu blue-coke and its original coal

表2 神木兰炭与原煤的燃料特性Tab. 2 Fuel properties of Shenmu blue-coke and its original coal

从表1、2中可以看出，神木兰炭的发热值虽然比神木原煤的低，但是总体热值仍然很高，不会影响正常燃烧。而灰分和含硫量都低于神木烟煤，挥发分虽然只有12.38%，但着火和燃烧不存在任何问题。

由于兰炭比表面积是原煤的2倍，兰炭燃烧、燃尽更加容易。因为燃料的燃烧是一个复杂的物理化学过程，这些过程都是在燃料表面和空隙中进行，空隙率增大使燃料的可燃质与空气的接触面增大，热转化过程更加迅速、便捷。

兰炭的低位发热量与无烟煤的相当，但高于贫煤。兰炭的挥发分与无烟煤和贫煤的接近，兰炭的着火温度为526 ℃，无烟煤的着火温度为1 000 ℃，因此，兰炭比无烟煤、贫煤更易燃。此外，兰炭的残炭率是无烟煤的1/10，说明由于其比表面积增大、空隙率提高，兰炭的燃尽率更高［5］。

试验研究［6］表明，兰炭的着火性能和燃尽性能明显优于无烟煤，低于原煤，而结渣性能、灰熔融性与原煤没有明显变化。

1.2 兰炭燃烧后的排放物

由于兰炭的比表面积增大，在燃烧过程中兰炭自脱硫反应更易发生，更有利于N与其他自身含有的氧化物发生反应，在一定程度上减少了SO2和NOx的排放。同时，由于兰炭表面空隙率增大，燃烧后的灰渣可以吸附更多的SO2和NOx［7］，加上兰炭本身硫、氮含量很少，因此燃烧后有害物质的排放量明显减少。

由于兰炭的含灰量很少，烟尘的排放量也明显减少。据统计［8］，每燃烧1 t兰炭，可以减少向大气中排放CO21.106 kg、SO26.1 kg、NOx5.1 kg。

2 兰炭锅炉设计

2.1 锅炉基本参数

根据有关热力标准［9］计算得出的锅炉设计数据如表3所示。燃烧方式为层燃，适用燃料为兰炭。

表3 58 MW 燃兰炭热水锅炉设计数据Tab. 3 Design data of 58 MW blue-coke fired boiler

2.2 锅炉结构描述

本文以燃兰炭热水锅炉为例，采用型号为DHL58−1.6/130/70−LT的角管式热水锅炉。锅炉炉膛布置示意图如图1所示。该锅炉结构为外置式单锅筒横向布置，炉膛及尾部均采用全封闭膜式水冷壁结构，四周拐角处布置有下降管，无钢架，整台锅炉由下降管及膜式壁支撑。锅炉炉膛中燃烧后的烟气经尾部旗面管引出。锅炉下部加煤机采用重型鳞片式链条炉排，传动采用无级变速齿轮箱驱动，结构紧凑，密封性好。

图1 燃兰炭锅炉炉膛布置示意图Fig. 1 Layout of blue-coke fired boiler furnace

2.3 锅炉设计特点

2.3.1 炉膛构造

由于兰炭的燃烧特性与无烟煤基本相近，因此，该锅炉采用接近绝热炉膛来确保炉内温度足够高。因此，采用前拱高而长、后拱低而平，前后拱的覆盖率大于100%，而炉膛燃烧区域的前后、两侧水冷壁砌筑耐火混凝土使炉膛成为一个相对密闭的燃烧室。这样，高温烟气由后拱引导冲刷前拱，加强前拱的蓄热，加速入炉兰炭的着火和快速稳定燃烧。然后，高温烟气进入炉膛上部的辐射区。

2.3.2 燃烧送风方式

有些厂家采用多风机不同风压对兰炭各燃烧阶段进行配风，笔者认为不同风压的配风在炉膛内会相互挤压，造成炉内气流紊乱，不利于建立合理的炉内空气动力场。因此，本文仍采用等压大风仓的送风形式，兰炭燃烧各阶段需要的风量由调风档板调配。这样，燃烧产生的高温烟气可以顺畅地冲刷前拱，有利于炉膛内的平衡通风。

2.3.3 燃烧装置

由于炉膛的温度较高，因此高温接触面的材料应选用耐热铸铁。

2.3.4 烟气速度选择

由于燃料含灰渣量较小，在对流换热阶段可以选取较高的烟气速度。通常在燃煤锅炉的对流段烟速取为6 m·s−1左右，在兰炭锅炉中可以取为 8～10 m·s−1。

2.3.5 与原煤锅炉比较

燃神木兰炭锅炉比燃原煤锅炉在结构上要紧凑得多，炉膛宽度、高度以及对流受热面积都小，耗钢量至少减少10%。

3 将燃煤锅炉改造为燃兰炭锅炉的方法

我国北方地区有很多燃煤锅炉用于冬季采暖，也有不少工业用的燃煤蒸汽锅炉。这些锅炉都可以改造成燃兰炭锅炉，改造的方法也很简单，主要有：（1）局部更换前后水冷壁，使之提高燃煤锅炉炉膛的绝热能力和密封性能，大幅提高前拱的覆盖率和后拱的前伸角度，便于兰炭入炉后快速着火、完全燃烧和燃尽；（2）建立密封性能良好的等压风仓。

对燃用无烟煤或贫煤的锅炉进行兰炭化改造更加简单，仅需提高锅炉炉膛的密封性能。通过改造，除了可以改善锅炉使用地的环境外，锅炉的出力也能得到提高。