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炉前煤炭气化及热煤气燃烧系统
王乃计 纪任山 徐振刚
（煤炭科学研究总院北京煤化学研究所，北京，100013）

摘 要 发展投资小、见效快、建设灵活、结构相对简单、操作简便、运行安全可靠、尤其适合于与小型锅炉及茶浴炉配合使用的中小型炉前煤炭气化及热煤气燃烧联锁系统，对于解决数以万计小型用户普遍存在的燃煤效率低与烟尘污染重的问题，保护生态环境，促进地区经济发展具有十分重要的意义。
关键词 炉前气化 热煤气 燃烧 联锁
1 引言
现阶段，各类型燃煤手烧工业炉、0.5～2.0t/h手烧锅炉、茶浴炉普遍存在于我国许多城市及人口密集地区。长期以来，由于设备陈旧、燃烧方式落后，上述设施造成的烟尘污染问题十分严重。同时，总的热能利用效率低下，能源浪费现象惊人。
国内外众多烟尘治理技术的实践经验表明，工业炉、小锅炉、茶浴炉等直接手烧燃煤设施的根本出路在于改变燃料结构、提高技术装备水平或改变燃烧方式，常规办法可以包括燃油、燃气（天然气）、电加热或结构改造等。根据我国现阶段的基本国情，普遍地推广燃油、燃气或“燃电”在能源供应和经济承受能力方面都存在较大难度，除少数城市或经济发达地区外，以煤为主要燃料的局面将长期存在。实践证明，依托储量丰富的可气化煤种资源，利用已经成熟的移动床（也称固定床）煤炭气化工艺，实现炉前制气，并通过热煤气燃烧，来完成工业炉、小锅炉、茶浴炉等的燃料结构及燃烧方式的改变是一种最有效、最有经济竞争力的手段。调研及资料研究结果显示，我国生产全机械化固定床煤气发生炉的厂家并不少，但产品基本上是生产能力较大、负荷要求相对稳定的大型工业用发生炉，用户主要是：大型热处理厂、大型玻璃厂、大型陶瓷厂及煤气厂等，发生炉的特点是规格较大、结构复杂、造价较高、操作技能要求也较高等。显然，这种发生炉对上述点多面广、用气量小且负荷波动幅度大、安全使用要求高的小型用户不适应。
近年来，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所开发出可适合于小型、分散用户使用的炉前煤炭气化及热煤气燃烧联锁一体化系统，并已在山西大同、江苏丹阳、浙江金华及湖南吉首等地与小型锅炉和工业窑炉的加热过程配用，混合发生炉热煤气直接供燃，在减少污染物排放、提高煤炭利用效率、改善操作条件等方面取得良好效果。
2 移动床气化概述
2.1原理简介
混合发生炉热煤气是一种以一氧化碳(CO)、氢气(H2)及甲烷(CH4)等可燃气体为主要成分的工业热燃料气。它是在特定结构的装置即移动床发生炉内，控制气化条件，块煤(或焦炭)在空气(富氧空气或纯氧气)和蒸汽混合组成的气化剂的作用下发生一系列复杂的物理化学变化而产生的。 混合发生炉热煤气热值一般在4.6～7.5MJ/Nm3(或1098～1790kcal/ Nm3)之间(上限为富氧鼓风)，若进入燃烧器的助燃空气进行预热，实际燃烧温度最高可达到1500℃以上。由于混合发生炉热煤气气化方法简单、流程短、热效率高，因此，气化工艺及热煤气在机械、冶金、建材、陶瓷、化工、食品等行业和部门得到广泛应用。
2.2化学反应
混合发生炉热煤气生产过程可能发生的化学反应包括：
① C＋O2＝CO2-394.1kJ/mol
② 2C＋O2＝2CO-220.8kJ/mol
③                         C＋CO2＝2CO+173.3kJ/mol
④ C＋H2O＝CO＋H2+135.0kJ/mol
⑤ C＋2H2＝CH4－84.3kJ/mol
⑥                            2H2＋O2＝2H2O-490.6kJ/mol
⑦                            2CO＋O2＝2CO2-567.4kJ/mol
⑧                            CO＋H2O＝H2+CO2-38.4kJ/mol
⑨                            CO＋3H2＝CH4+H2O-219.3kJ/mol
上述各反应进行的程度取决于发生炉的操作条件，即气化温度、压力、气化剂的组成和流速、气化剂与燃料的接触时间以及燃料的反应性、表面性质等。
2.3生产方式
发生炉在生产操作过程中，气化剂自炉底进风管进入炉内床层，气化生成的粗煤气从顶部输出。炉内物料分布自下而上可以描述为灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层和空层。
(1)灰渣层，厚度约为100～200mm，气化剂在灰渣层中不发生化学变化，只与灰渣进行热交换，气化剂吸收热量升温预热，灰渣释放热量被冷却，同时对炉箅起保护作用。
(2)氧化层，即有O2存在的燃料层，煤中固定碳与气化剂中的氧气发生强烈氧化反应，放出大量的热，使床层内保持足够高的温度。
(3)还原层，从氧化层上来的高温CO2和水蒸气与炽热的碳发生还原反应，吸收床层蓄积的热量，生成CO和H2。
(4)干馏层，煤炭受热干馏，释放出挥发分。挥发分进一步受热分解或加氢得到CH4、CnHm、焦油蒸汽等气态烃类物质及其它气体成分。
(5)干燥层，入炉煤炭在该层内脱除外在水分。
(6)空层，料层上部的气相空间，各种气体在此会合形成出炉煤气。
氧化层与还原层又统称发生炉火层。
3 炉前制气及燃烧联锁一体化系统
完整的炉前制气及热煤气燃烧联锁一体化工艺系统主要包括高度集成化的煤气发生炉装置、自动控制子系统及燃烧器，工艺流程如图1所示：

图1 炉前制气及热煤气燃烧连锁一体化系统
3.1 集成化煤气发生炉
集成化煤气发生炉包括单斗提升机自动上煤机构、水封加煤箱、杠杆加煤料钟、发生炉主体、杠杆摇臂卸灰炉箅、湿式出灰螺旋、放散钟罩阀及水封除尘器等。与常规移动床煤气发生炉相比，集成化发生炉具有以下一些技术特点：①无大型专用机械传动设备或部件，加工工艺简单，成本低，制造周期短，“煤改气”用户初投资节省，建设时间短，见效快；②带凸起的梁式炉箅采用杠杆摇臂机构，不仅保证发生炉具有良好的破渣和卸灰能力，而且即使炉膛横截面较小时，也完全能够实现气化剂均匀分布，不产生边壁效应，从而使发生炉能够稳定生产，并保持较高的气化强度；③单斗提升机自动加煤机构，煤斗在提升的过程中依靠机械作用自动打开水封加煤箱顶盖，在返回的过程中加煤箱顶盖依靠自身重力自动关闭，从而减轻操作工人的劳动强度。④单汽幕低压探火孔，煤气无外泄，保证了发生炉连续生产。
3.2 自动控制子系统
自动控制子系统主要由水夹套自动上水、水夹套压力自动调节、气化剂饱和温度自动调节、点火熄火安全联锁及气化－燃烧联锁负反馈等单元构成。
(1)自动上水单元 目的在于把水夹套内的水位控制在允许的波动范围内，从而保证发生炉炉膛内壁的冷却效果及气化用水蒸汽的稳定供应。
(2)水夹套压力自动调节单元 目的在于使水夹套内上部的蒸汽压力稳定在某一定值，一方面起到安全的作用，另一方面也有利于气化用蒸汽及探火用蒸汽的稳定供应；
(3)气化剂饱和温度调节单元 气化剂中水蒸汽的多少直接影响到热煤气的产量和质量，气化剂饱和温度调节单元的目的在于使入炉空气和水蒸气得到一个适当的配比，从而保证发生炉稳定运行，生产出高质量的煤气。
(4)自动点火安全联锁单元 目的是为了使热煤气燃烧器实现点火和熄火保护、防止用户终端爆燃（或爆炸）现象的发生。
(5)气化－燃烧联锁负反馈单元 目的是在于使发生炉的气化过程和用户的燃烧过程相匹配，即在用户的热负荷波动幅度较大时，采用比例调节器，实现发生炉气化负荷的自动调节。
另外，自动控制平台还设置多路巡检仪，目的是对各主要参数进行集中显示和报警，便于及时发现和诊断生产故障。
3.3 热煤气燃烧器（烧嘴）
热煤气燃烧器是以热煤气为热源的加热设施（如锅炉、工业炉等）用以实现热煤气燃烧过程的专用装置。主要作用是按一定比例和一定混合条件将热煤气和助燃空气引入加热设施内燃烧或在烧嘴内燃烧，并满足加热过程对火焰的方向、外形、刚性和铺展性的要求。开发的热煤气燃烧器包括燃烧器本体及点火机构两部分。
非恒温加热设施（如锅炉），由于热负荷波动幅度大，燃烧器实现强制比例配风燃烧较困难，因此，本体结构通常为自扩散式（或称自由式），即热煤气不与助燃空气提前混合（或只有在热强度要求较高时进行部分混合），而是喷入炉内后，与炉膛内空气边混合边燃烧。自扩散式燃烧器的优点是不易回火，调节比大，结构简单，燃烧负荷高，安全性能好；缺点是空气过剩系数大（通常为1.1～1.25），火焰强度低。恒温加热设施（如大部分密闭式工业窑炉），由于炉膛内蓄热温度高，燃烧热负荷波动幅度小，煤气消耗量相对稳定，因此，燃烧器一般选择预混比例式燃烧方法，即煤气和助燃空气在燃烧器内或喷口处已完成比例预混，然后喷入炉内燃烧。预混燃烧器的优点是空气过剩系数小（通常为1.03～1.05），火焰强度高；缺点是易回火，调节比小。
根据不同的使用场合，开发出高压电脉冲式和柴油常明火式两种点火机构。但无论形式如何，均通过紫外光火焰检测器，实现自动点火、熄火安全联锁保护。

4 结论

(1) 炉前煤炭气化及热煤气燃烧系统的出发点在于通过使用高度集成化的气化手段，来解决手烧窑炉及锅炉等直接燃煤设施的燃烧问题，同时也使庞杂的气化工程问题得以简化。
(2) 发生炉装置合理的结构配置、完善的自动控制操作平台及设备较高的可靠性是炉前煤炭气化及热煤气燃烧系统的技术关键所在。
(3) 炉前煤炭气化及热煤气燃烧系统的应用实践表明，无论在能源利用效率方面、污染物排放指标方面，还是在减轻司炉工人劳动强度方面，与直接手烧燃煤相比，均有显著的技术进步意义。

参考文献
1 寇公主编.煤炭气化工程.北京：机械工业出版社,1992,7
2 郭树才主编.煤化工工艺学.北京：化学工业出版社,1992,5
3 王秉铨主编.工业炉设计手册.北京：机械工业出版社,1996,8
4 韩昭沧主编.燃料及燃烧.北京：冶金工业出版社,1997,10