汪 琦 俞紅嘯 張慧芬
上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心 (上海 200042)
工業(yè)生產(chǎn)上的燃煤會(huì)導(dǎo)致各種污染排放物進(jìn)入大氣環(huán)境中,這些污染物可分為以下4種:(1)顆粒,飛灰,炭(煤焦或煤煙);(2) 氣體,包括 SO2,SO3,NOx,CO;(3) 有機(jī)物,包括碳?xì)浠衔铮喹h(huán)有機(jī)物質(zhì)(POM);(4)微量元素。
這些污染物主要來源于工業(yè)生產(chǎn),而前三者主要來源于燃煤或燃油的工業(yè)鍋爐和電站鍋爐。所以,為了減少燃煤對大氣環(huán)境的污染、提高煤炭的利用率,必須大力發(fā)展燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的使用,不斷開發(fā)新技術(shù)和新裝備。該項(xiàng)技術(shù)采用低溫、常壓氣化方法,以煤炭為氣化原料,以空氣和水為氣化劑,采用雙鐘罩加煤及濕式自動(dòng)除渣的方式,將粒度不同的原煤加入不同規(guī)格的煤氣發(fā)生爐中,經(jīng)過氧化、還原反應(yīng)產(chǎn)生的熱煤氣直接經(jīng)燃燒頭噴入燃?xì)鈱?dǎo)熱油爐中燃燒,加熱導(dǎo)熱油循環(huán)供熱,并將熱量傳遞給工業(yè)用熱設(shè)備,從而解決了導(dǎo)熱油爐直接燒煤造成的大氣環(huán)境污染問題。
燃煤氣化爐主要由加料裝置、爐體和排渣裝置等構(gòu)件組成,整個(gè)氣化爐內(nèi)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。為了保障安全高效的氣化過程,需要考慮以下幾個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
為了保持氣化操作的穩(wěn)定性,燃煤氣化爐通常采用連續(xù)加料和排渣裝置。這保證了爐內(nèi)氣化溫度的穩(wěn)定,使其不至于出現(xiàn)不穩(wěn)定或周期性的波動(dòng),生產(chǎn)中排渣速度、環(huán)境及氣化劑送入量大小的配合,可以適當(dāng)調(diào)整氣化爐的氣化能力,影響氣化過程。
氣化爐內(nèi)的入爐煤分布裝置稱為均布傘,其360°的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),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(nèi)的料層上,從而保證料層高度的一致性,這樣就避免了氣流向上運(yùn)動(dòng)的不均勻性,平衡了爐內(nèi)溫度,穩(wěn)定了氣化操作。
當(dāng)氣化弱黏結(jié)煙煤時(shí),由于煤在干餾層有一定的黏結(jié)性,會(huì)阻礙煤料正常地向下運(yùn)動(dòng),所以在氣化爐內(nèi)部中央設(shè)置攪動(dòng)棒,并在上部干餾層處配置攪拌耙,這樣就能及時(shí)破除煤的黏結(jié),從而使煤料順暢地向下運(yùn)動(dòng),確保氣化操作的安全。
氣化劑通常采用空氣和水蒸氣,當(dāng)氣化劑從燃煤氣化爐底部進(jìn)入爐內(nèi)時(shí),爐柵的柵格縫隙和爐柵頂部的小風(fēng)帽會(huì)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(jìn)入氧化層。所以,平均分配氣化劑和氧化劑關(guān)系到爐內(nèi)氣化的均衡性,是氣化過程中極為重要的影響因素。
常壓燃煤氣化爐一般可分為以下幾個(gè)主要構(gòu)件:加煤裝置、爐體及導(dǎo)熱油螺旋夾套、爐柵和排灰裝置。
加煤裝置有連續(xù)性和非連續(xù)性兩種方式,其中:連續(xù)加煤裝置是雙滾筒的結(jié)構(gòu)型式;而非連續(xù)性加煤裝置是雙鐘罩的結(jié)構(gòu)型式或者落料管上部中間煤倉圓盤閥聯(lián)鎖的結(jié)構(gòu)型式,更為簡易的非連續(xù)加煤裝置是在生產(chǎn)過程中短暫停爐、手動(dòng)開蓋加煤。
爐殼、導(dǎo)熱油螺旋夾套、破渣圈構(gòu)成了常壓燃煤氣化爐的爐體部分。導(dǎo)熱油螺旋夾套的主要作用是形成循環(huán)油冷卻壁,保護(hù)反應(yīng)區(qū)的爐膛鋼板,同時(shí)防止熔渣塊黏附在爐壁上,影響氣化進(jìn)程,而在爐體夾套內(nèi)的導(dǎo)熱油被加熱后用于循環(huán)供熱系統(tǒng)。另外,導(dǎo)熱油螺旋夾套也降低了爐膛內(nèi)上部煤氣的溫度,提高了煤氣質(zhì)量。破渣圈設(shè)置在爐膛內(nèi)側(cè)的下部,和旋轉(zhuǎn)爐箅等部件配合,形成強(qiáng)有力的破渣裝置,使灰渣在擠壓、碾磨下變成碎渣并順利排出爐外。
爐柵及其排灰裝置主要由旋轉(zhuǎn)爐箅、排灰刀、灰盤等組成。旋轉(zhuǎn)爐箅的主要功能是支撐爐內(nèi)煤料層,均勻分布?xì)饣瘎?,擠壓破碎灰渣。爐箅一般呈塔型,安裝在灰盤上,圓錐塔型的爐箅安裝中心是偏心的,這樣當(dāng)爐箅旋轉(zhuǎn)時(shí)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?;冶P承接爐箅排下來的灰渣,濕式灰盤還構(gòu)成了良好的水封體系,保證固定爐體和旋轉(zhuǎn)爐箅之間的密封性良好。
手動(dòng)式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐由煤氣發(fā)生室和導(dǎo)熱油爐體構(gòu)成,可做成外置式、內(nèi)置式或下置式。煤氣發(fā)生室為圓筒形結(jié)構(gòu),圓筒的外層為導(dǎo)熱油螺旋夾套,夾套內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油用于冷卻煤氣發(fā)生室內(nèi)燃燒的煤層,防止煤層結(jié)渣。在煤氣發(fā)生室的圓筒頂蓋上開有一個(gè)可快速開啟閉合的爐門用于添加煤料,在圓筒下部側(cè)壁開有一個(gè)爐門用于排出灰渣。螺旋夾套中的導(dǎo)熱油與爐本體內(nèi)的導(dǎo)熱油管束連通,采用熱油泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán);煤氣發(fā)生室的內(nèi)部采用固定爐排,其下部為水封防爆池,空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)通過一次風(fēng)管送入爐排下部,再通過爐排進(jìn)入煤層,煤料經(jīng)氣化成煤氣后,從上部的煤氣出口送到導(dǎo)熱油爐內(nèi)的煤氣燃燒室中點(diǎn)火燃燒,用于加熱導(dǎo)熱油并向循環(huán)供熱系統(tǒng)供熱[1]。
手動(dòng)式常壓燃煤氣化爐一般為一次添加煤料,周期運(yùn)行,由于這種簡易式煤氣發(fā)生室具有較強(qiáng)的周期性,因而需要設(shè)計(jì)兩臺(tái)煤氣發(fā)生室供應(yīng)同一臺(tái)導(dǎo)熱油爐,以穩(wěn)定熱油爐的供熱負(fù)荷。手動(dòng)式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低、操作容易,能有效解決消煙除塵問題,熱效率一般大于65%。
連續(xù)式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的煤氣發(fā)生室設(shè)置雙滾筒式機(jī)械加煤裝置,通過計(jì)量給煤器和鎮(zhèn)流器兩個(gè)滾筒的旋轉(zhuǎn),以及蒸汽的氣封,保證氣化用煤的連續(xù)加料,且煤氣發(fā)生室爐膛內(nèi)的煤氣不發(fā)生外逸。常壓燃煤氣化爐配備破黏攪拌部件,可以氣化弱黏結(jié)性煤,攪拌耙由電動(dòng)機(jī)通過渦輪、渦桿等攪拌機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)。攪拌耙根據(jù)受力大小,可以在煤料層上部區(qū)間上下移動(dòng)一定距離;為了防止攪拌耙燒壞,在蝸桿內(nèi)部通入循環(huán)水對其進(jìn)行冷卻。另外,在煤氣發(fā)生室的頂蓋上設(shè)置4個(gè)觀測探火孔,用于測量爐膛內(nèi)的溫度、壓力以及檢查氣化層的分布情況,同時(shí)也可實(shí)施人工搗爐操作。
煤氣發(fā)生室為圓筒形結(jié)構(gòu),圓筒的外層為導(dǎo)熱油螺旋夾套,夾套內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油用于冷卻圓筒鋼板,因?yàn)槊簹獍l(fā)生室下半部分正處在還原區(qū)和氧化區(qū),溫度較高,其中氧化區(qū)的溫度可達(dá)到1 500℃。在煤氣發(fā)生爐底部設(shè)置均勻布風(fēng)的旋轉(zhuǎn)爐箅、爐盤傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、破渣裝置和水封等部件。旋轉(zhuǎn)爐箅的作用是支撐煤料、分配氣化介質(zhì)、松動(dòng)煤層和排出煤渣,旋轉(zhuǎn)爐箅通常支撐在轉(zhuǎn)動(dòng)的灰盤上,煤氣發(fā)生爐的圓筒側(cè)壁一般是固定不動(dòng)的,而底部的灰盤是轉(zhuǎn)動(dòng)的,灰盤中的水封起到密封煤氣和保持爐內(nèi)壓力的作用。灰盤底部連接大齒輪,由電動(dòng)機(jī)、減速器、渦輪、渦桿帶動(dòng),亦可由液壓傳動(dòng)。大齒輪與地基基礎(chǔ)之間為滾珠或者滾柱支撐,以減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力。煤氣化用的氣化劑從最下面的爐底氣化劑進(jìn)口進(jìn)入煤氣發(fā)生室內(nèi),并由旋轉(zhuǎn)爐箅均勻分布后上升到煤料層中。爐底氣化劑的鼓風(fēng)壓力影響氣化強(qiáng)度,而風(fēng)壓的高低又受到水封高度的影響。
連續(xù)式煤氣發(fā)生爐的重要組件是旋轉(zhuǎn)爐箅:爐箅上部為偏心的錐頂;下部為底座;錐頂中部由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的8條均勻布置的犁刀,爐箅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),灰渣沿肋條順利下滑而排渣。爐箅錐體支座沿外側(cè)均勻布置3個(gè)破渣凸塊,其在爐箅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與爐裙內(nèi)壁堅(jiān)硬的破渣圈配合進(jìn)行破渣。爐裙外側(cè)固定連接一個(gè)犁形刮灰刀,當(dāng)灰盤帶動(dòng)落入水中的灰渣旋轉(zhuǎn)時(shí),灰渣受到刮灰刀的阻擋而沿著其傾斜板面向上排出灰盤外。
煤氣發(fā)生爐與導(dǎo)熱油爐爐體采用分離型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),爐子的氣化室和對流室是分開的[2]。煤氣發(fā)生爐為圓筒形結(jié)構(gòu),圓筒氣化燃燒室的外層為導(dǎo)熱油螺旋夾套,夾套內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油吸收熱量,在煤氣發(fā)生爐的爐箅上煤料氣化成高溫煤氣,從上部的煤氣出口全部進(jìn)入到導(dǎo)熱油爐爐體中的煤氣燃燒室點(diǎn)火并燃燒,用于加熱導(dǎo)熱油,再向循環(huán)供熱系統(tǒng)供熱。
由于在輻射室內(nèi)布置了爐管吸收熱量,所以爐膛內(nèi)的溫度不高,當(dāng)輻射室溫度下降至煙灰熔點(diǎn)以下時(shí),可使已熔化的煙灰凝結(jié)下來,這樣煙灰不僅不會(huì)黏在爐膛內(nèi),也不會(huì)進(jìn)入到對流室內(nèi)黏結(jié)在爐管上。另外,氣化后的煤氣在進(jìn)入對流室之前含塵量已經(jīng)大幅度降低,從而使得爐管外表面較為干凈,進(jìn)而提高了爐管的傳熱效率。
常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐爐體的對流室位于輻射室的煙氣后部。小型爐體的對流室為圓筒形,其爐管排列為盤管型;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(jié)構(gòu)[3]。對流室的設(shè)計(jì)尺寸一般是:長度大于高度,高度大于寬度。在輻射室的導(dǎo)熱油出口接管位置留出相應(yīng)對流室側(cè)面進(jìn)出口接管位置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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,降低循環(huán)導(dǎo)熱油泵的壓降,從而可降低電耗。
設(shè)計(jì)對流室時(shí),為了減少煙氣沿爐壁短路,應(yīng)設(shè)置折流板。但當(dāng)每排對流管超過8根爐管時(shí),因?yàn)槎搪窡煔馑嫉谋壤^少,可以不設(shè)置折流板。設(shè)計(jì)時(shí)為了提高傳熱效率,對流管可以采用翅片管,以便擴(kuò)大傳熱面積,提高爐管的表面熱強(qiáng)度,從而降低對流室的高度。
設(shè)計(jì)導(dǎo)熱油爐爐體中的輻射室和對流室時(shí),應(yīng)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(dòng)與變形的管架)。因?yàn)槎家惺芨邷兀虼斯芗芤蜖t管一樣考慮其強(qiáng)度和各種化學(xué)穩(wěn)定性問題。管架一般分為水平管架和垂直管架[4]。水平管架為托架或刀型架,用螺栓安裝在爐體框架上,以便支撐爐管。爐頂管多用錨形的吊架。垂直管架分為上掛式和下坐式兩種。上掛式是將爐管懸掛起來,下端為自由端,并裝有導(dǎo)向件,其受熱后向下膨脹,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?fàn)t體重心上移,降低了整體穩(wěn)定性。下坐式將彎曲爐管坐于爐底耐火混凝土的襯里內(nèi)或支撐在圈梁上,上端有導(dǎo)向件,可以向上自由膨脹。這種結(jié)構(gòu)型式較為簡單,但是當(dāng)管壁溫度很高而爐管剛度不夠時(shí),會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。
燃煤氣化導(dǎo)熱油爐采用了雙向連續(xù)氣化燃燒原理,一方面使煤的揮發(fā)分自上而下通過還原層到達(dá)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(jìn)行燃燒。由于添入的原煤在燃燒室內(nèi)形成了煤氣,使燃煤煙氣中的碳黑粒子充分燃燒,所以不會(huì)發(fā)生經(jīng)常冒黑煙的現(xiàn)象。燃煤氣化導(dǎo)熱油爐不需要安裝任何消煙、除塵、脫硫設(shè)備,經(jīng)測試,其煙塵排放質(zhì)量濃度小于100 mg/m3,林格曼黑度為D級(jí),SO2排放質(zhì)量濃度小于400 mg/m3。燃煤氣化導(dǎo)熱油爐既可氣化優(yōu)質(zhì)煤、焦炭,也可氣化劣質(zhì)褐煤,與直接燃燒散煤的導(dǎo)熱油爐相比,熱效率提高了10%~15%,鼓、引風(fēng)機(jī)容量減少25%,節(jié)能效果顯著。燃煤氣化導(dǎo)熱油爐啟動(dòng)快、調(diào)整靈活,可以隨時(shí)啟、停,操作非常方便,降低了司爐工的勞動(dòng)強(qiáng)度,非常符合使用熱油爐的企業(yè)的生產(chǎn)需求。
將煤炭氣化制成煤氣,煤氣燃燒加熱導(dǎo)熱油,供熱給循環(huán)加熱系統(tǒng),并將熱量傳遞給工業(yè)用熱設(shè)備,這是一種潔凈煤燃燒技術(shù),它可以減少對大氣環(huán)境的污染并提高煤炭的利用率,還可以緩解石油能源緊張。我國的工業(yè)生產(chǎn)仍將以煤炭為主,盡管煤炭的氣化燃燒是一種非常復(fù)雜的工藝技術(shù),但是我國的煤炭資源豐富,所以,研究開發(fā)燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的加熱技術(shù)和新型裝備,不僅具有廣泛的市場應(yīng)用前景,而且符合工業(yè)發(fā)展方向。