陳 曦

（上海興海陸鍋爐有限公司，上海 200060）

燃煤會產(chǎn)生粉塵、致癌物有機碳、致霾物元素碳等污染環(huán)境的物質(zhì)。工業(yè)用煤和民用煤炭的粉塵排放是造成霧霾的主要原因之一［1］。然而，受到我國能源結(jié)構(gòu)制約，目前不可能大量供應(yīng)除煤炭以外的化石燃料。2017年冬季，由于氣源供應(yīng)不足，北方取暖普遍受到影響。因此，在無法改變能源供應(yīng)狀況的情況下，只能尋求煤炭潔凈利用的方法。將煤炭進行潔凈化處理，在原產(chǎn)地集中清除可能造成環(huán)境污染的各類物質(zhì)，對外提供不造成污染的清潔能源，并確保煤炭使用地的環(huán)境不受或少受污染。

在原產(chǎn)地將煤經(jīng)低溫干餾熱解后，再經(jīng)脫水、干餾、裂解等一系列反應(yīng)，去除大部分灰分、水分、活性硫等，產(chǎn)生蘭炭、煤焦油和焦?fàn)t煤氣，使處理后的固體物成為熱值高、有害物質(zhì)少、灰分少、比電阻高、表面空隙率高的潔凈能源，避免造成使用地的環(huán)境污染。處理后的煤炭固體物因其表面呈蘭黑色，燃燒時火焰也呈藍色，故稱蘭炭。

各級政府逐漸認識到蘭炭在大氣污染防治中的重要性，紛紛出臺政策鼓勵使用蘭炭替代原煤。國家也支持原煤蘭炭化，為了規(guī)范蘭炭的生產(chǎn)和質(zhì)量，國家出臺了一系列有關(guān)蘭炭制作、質(zhì)量控制等的技術(shù)規(guī)范［2-3］。目前，蘭炭的主要產(chǎn)地在陜西省榆林地區(qū)，其生產(chǎn)的蘭炭基本上符合國家和地方標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。蘭炭的低位發(fā)熱值在24.5 MJ·kg?1以上，固定炭的質(zhì)量分數(shù)在85%以上，水分、灰分、硫分的含量都很低，燃料品質(zhì)已接近燃油。唯一不足是由于干餾熱解后，揮發(fā)分較低，著火相對困難。

將煤制作成蘭炭，需要投入相當(dāng)?shù)脑O(shè)備，包括密閉的干餾炭化爐、回收蘭炭成品的物理顯熱的余熱鍋爐等。由于蘭炭成品的顯熱溫度為500～600 ℃，從熱量利用的角度來看，需要進行干法熄焦并配置相應(yīng)的余熱回收裝置，將蘭炭最終溫度控制在250 ℃以下。2017年，本公司為陜西榆林地區(qū)某企業(yè)提供一臺以神木蘭炭為燃料的58 MW熱水鍋爐。為此，本文對神木蘭炭的燃料特性等進行了系列研究。

1 蘭炭的燃料特性

1.1 神木蘭炭的燃料品質(zhì)

神木蘭炭與原煤的元素分析和燃料特性［4］比較分別如表1、2所示。

表1 神木蘭炭與原煤的元素分析Tab. 1 Ultimate analysis of Shenmu blue-coke and its original coal

表2 神木蘭炭與原煤的燃料特性Tab. 2 Fuel properties of Shenmu blue-coke and its original coal

從表1、2中可以看出，神木蘭炭的發(fā)熱值雖然比神木原煤的低，但是總體熱值仍然很高，不會影響正常燃燒。而灰分和含硫量都低于神木煙煤，揮發(fā)分雖然只有12.38%，但著火和燃燒不存在任何問題。

由于蘭炭比表面積是原煤的2倍，蘭炭燃燒、燃盡更加容易。因為燃料的燃燒是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，這些過程都是在燃料表面和空隙中進行，空隙率增大使燃料的可燃質(zhì)與空氣的接觸面增大，熱轉(zhuǎn)化過程更加迅速、便捷。

蘭炭的低位發(fā)熱量與無煙煤的相當(dāng)，但高于貧煤。蘭炭的揮發(fā)分與無煙煤和貧煤的接近，蘭炭的著火溫度為526 ℃，無煙煤的著火溫度為1 000 ℃，因此，蘭炭比無煙煤、貧煤更易燃。此外，蘭炭的殘?zhí)柯适菬o煙煤的1/10，說明由于其比表面積增大、空隙率提高，蘭炭的燃盡率更高［5］。

試驗研究［6］表明，蘭炭的著火性能和燃盡性能明顯優(yōu)于無煙煤，低于原煤，而結(jié)渣性能、灰熔融性與原煤沒有明顯變化。

1.2 蘭炭燃燒后的排放物

由于蘭炭的比表面積增大，在燃燒過程中蘭炭自脫硫反應(yīng)更易發(fā)生，更有利于N與其他自身含有的氧化物發(fā)生反應(yīng)，在一定程度上減少了SO2和NOx的排放。同時，由于蘭炭表面空隙率增大，燃燒后的灰渣可以吸附更多的SO2和NOx［7］，加上蘭炭本身硫、氮含量很少，因此燃燒后有害物質(zhì)的排放量明顯減少。

由于蘭炭的含灰量很少，煙塵的排放量也明顯減少。據(jù)統(tǒng)計［8］，每燃燒1 t蘭炭，可以減少向大氣中排放CO21.106 kg、SO26.1 kg、NOx5.1 kg。

2 蘭炭鍋爐設(shè)計

2.1 鍋爐基本參數(shù)

根據(jù)有關(guān)熱力標(biāo)準(zhǔn)［9］計算得出的鍋爐設(shè)計數(shù)據(jù)如表3所示。燃燒方式為層燃，適用燃料為蘭炭。

表3 58 MW 燃蘭炭熱水鍋爐設(shè)計數(shù)據(jù)Tab. 3 Design data of 58 MW blue-coke fired boiler

2.2 鍋爐結(jié)構(gòu)描述

本文以燃蘭炭熱水鍋爐為例，采用型號為DHL58?1.6/130/70?LT的角管式熱水鍋爐。鍋爐爐膛布置示意圖如圖1所示。該鍋爐結(jié)構(gòu)為外置式單鍋筒橫向布置，爐膛及尾部均采用全封閉膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，四周拐角處布置有下降管，無鋼架，整臺鍋爐由下降管及膜式壁支撐。鍋爐爐膛中燃燒后的煙氣經(jīng)尾部旗面管引出。鍋爐下部加煤機采用重型鱗片式鏈條爐排，傳動采用無級變速齒輪箱驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好。

圖1 燃蘭炭鍋爐爐膛布置示意圖Fig. 1 Layout of blue-coke fired boiler furnace

2.3 鍋爐設(shè)計特點

2.3.1 爐膛構(gòu)造

由于蘭炭的燃燒特性與無煙煤基本相近，因此，該鍋爐采用接近絕熱爐膛來確保爐內(nèi)溫度足夠高。因此，采用前拱高而長、后拱低而平，前后拱的覆蓋率大于100%，而爐膛燃燒區(qū)域的前后、兩側(cè)水冷壁砌筑耐火混凝土使?fàn)t膛成為一個相對密閉的燃燒室。這樣，高溫?zé)煔庥珊蠊耙龑?dǎo)沖刷前拱，加強前拱的蓄熱，加速入爐蘭炭的著火和快速穩(wěn)定燃燒。然后，高溫?zé)煔膺M入爐膛上部的輻射區(qū)。

2.3.2 燃燒送風(fēng)方式

有些廠家采用多風(fēng)機不同風(fēng)壓對蘭炭各燃燒階段進行配風(fēng)，筆者認為不同風(fēng)壓的配風(fēng)在爐膛內(nèi)會相互擠壓，造成爐內(nèi)氣流紊亂，不利于建立合理的爐內(nèi)空氣動力場。因此，本文仍采用等壓大風(fēng)倉的送風(fēng)形式，蘭炭燃燒各階段需要的風(fēng)量由調(diào)風(fēng)檔板調(diào)配。這樣，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪梢皂槙车貨_刷前拱，有利于爐膛內(nèi)的平衡通風(fēng)。

2.3.3 燃燒裝置

由于爐膛的溫度較高，因此高溫接觸面的材料應(yīng)選用耐熱鑄鐵。

2.3.4 煙氣速度選擇

由于燃料含灰渣量較小，在對流換熱階段可以選取較高的煙氣速度。通常在燃煤鍋爐的對流段煙速取為6 m·s?1左右，在蘭炭鍋爐中可以取為 8～10 m·s?1。

2.3.5 與原煤鍋爐比較

燃神木蘭炭鍋爐比燃原煤鍋爐在結(jié)構(gòu)上要緊湊得多，爐膛寬度、高度以及對流受熱面積都小，耗鋼量至少減少10%。

3 將燃煤鍋爐改造為燃蘭炭鍋爐的方法

我國北方地區(qū)有很多燃煤鍋爐用于冬季采暖，也有不少工業(yè)用的燃煤蒸汽鍋爐。這些鍋爐都可以改造成燃蘭炭鍋爐，改造的方法也很簡單，主要有：（1）局部更換前后水冷壁，使之提高燃煤鍋爐爐膛的絕熱能力和密封性能，大幅提高前拱的覆蓋率和后拱的前伸角度，便于蘭炭入爐后快速著火、完全燃燒和燃盡；（2）建立密封性能良好的等壓風(fēng)倉。

對燃用無煙煤或貧煤的鍋爐進行蘭炭化改造更加簡單，僅需提高鍋爐爐膛的密封性能。通過改造，除了可以改善鍋爐使用地的環(huán)境外，鍋爐的出力也能得到提高。

4 結(jié)束語

（1）將蘭炭作為原煤的替代品可實現(xiàn)煤炭的清潔利用，是防治大氣污染、治理霧霾的重要舉措?？梢酝ㄟ^簡單的方法將燃煤鍋爐改造成燃蘭炭鍋爐。

（2）應(yīng)重點研究蘭炭的生產(chǎn)工藝，注重蘭炭生產(chǎn)地的污染治理，避免惡化蘭炭生產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境。

（3）本文僅對本公司生產(chǎn)的以神木蘭炭為燃料的熱水鍋爐進行了鍋爐設(shè)計和專項研究，研究結(jié)果存在一定的局限性。建議對各種蘭炭的燃燒特性作深入研究，以便更加有效地推廣煤炭清潔利用技術(shù)。