白文凱

摘 要：目前我國每年消費煤炭約38億噸，其中民用煤炭3億多噸，基本上全部為分散式焚燒，沒有采取除塵、脫硫等環(huán)保措施，其對大氣污染的貢獻率占燃煤源的50%左右。本文對燃煤爐具解耦技術(shù)進行研究，開發(fā)低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐，大面積推廣使用對國家環(huán)境治理具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境污染;脫硫;解耦爐具;技術(shù)研究

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0095-02

0 引言

在我國農(nóng)村和城郊地區(qū)，至少有2億人采用相對分散的燃煤供熱方式，不僅效率低、污染嚴重，而且對環(huán)境的影響數(shù)倍于其燃料消耗所占的比例。

家用燃煤爐的燃燒過程都具有周期性。燃燒初期容易空氣不足，煤熱解氣化產(chǎn)生的煤氣不能充分燃燒，大量毒害和可燃成分隨煙氣排放，造成環(huán)境污染和能量損失;燃燒后期煤層減薄，過量的空氣又會降低爐溫和傳熱效率，并增大排煙熱損失。有的爐型僅通過高溫富氧的方式來提高煤的燃燒效率，但卻會加大氮氧化物（NOx）排放。另外，提高燃燒溫度還會增大固硫逆反應(yīng)，降低爐內(nèi)固硫效率。因此，解除煙黑、CO與NOx、SO2的耦合排放問題是燃燒技術(shù)上長期存在的技術(shù)難點。因此，對燃煤爐具解耦技術(shù)進行研究，開發(fā)低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐已經(jīng)迫在眉睫。

1 解耦燃燒技術(shù)原理

民用解耦燃煤爐是在“解耦燃燒技術(shù)”基礎(chǔ)上開發(fā)的系列節(jié)能環(huán)保爐具，它可有效降低燃煤氮氧化物、一氧化碳、煙黑等污染物的排放，并提高燃燒效率。

解耦燃燒技術(shù)通過使煤先后經(jīng)過低溫還原氣氛下低氮燃燒和高溫氧化條件下的可燃物燃盡兩個過程，實現(xiàn)煤炭自身產(chǎn)生的熱解氣和半焦的混合燃燒，從而使中小型燃煤設(shè)備充分實現(xiàn)了分級燃燒，有效抑制燃燒過程中的NOx生成。

解耦爐爐膛分為兩部分：高溫燃燒區(qū)和低溫熱解氣化區(qū)。原煤首先加入熱解氣化室中，煤炭經(jīng)干燥、在缺氧條件下熱解，析出揮發(fā)分變成焦炭，并在該室底部進行貧氧燃燒，以提供熱量完成熱解氣化室煤的氣化熱解過程。在燃燒期間加煤門關(guān)閉，因而從爐子底部進入的空氣不容易進入熱解區(qū)。煤在還原氣氛下熱解時，煤中的一部分氮將轉(zhuǎn)化為氮氣，另一部分氮以NH3、HCN形式釋放出來，同時形成一些還原性物質(zhì)如CO、H2、CH4等。在熱解氣化區(qū)形成的焦炭在重力作用下被移動到高溫燃燒區(qū)燃盡。熱解氣化室產(chǎn)生的還原性煙氣受到爐內(nèi)負壓的作用通過半焦層進入主燃燒室，并在煤層半焦催化作用下，還原性煙氣使得NOx還原，生成無害的N2、CO2和H2O。熱解氣中的還原性物質(zhì)如NH3、CO、CH4等在焦炭燃燒的同時也會與生成的NOx 反應(yīng)，將NOx還原成N2。這樣通過在還原性氣氛下熱解將揮發(fā)分中一部分氮轉(zhuǎn)化為氮氣，同時利用揮發(fā)分中還原性氣體將已生成的NOx還原，可以有效降低NOx的排放。在這一過程中的后期，借助高溫半焦的吸附功能及擾混作用，和充足的供風，以預混燃燒的方式使得CO和煙黑燃盡。由于N2在通過半焦層時不會再次生成NOx，從而完成了解耦燃燒，實現(xiàn)了同時降低NOx、CO和煙黑的排放目的。

此外，由于熱解氣化室下部在還原性氣氛、低溫下穩(wěn)定燃燒，上部進行氣化熱解，因而熱解氣化室維持在易于固硫的有利條件。由于解耦爐熱解氣化室存煤量較大，固硫時間較長，因而比傳統(tǒng)爐可提高固硫率。

解耦燃煤爐是在解耦燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的一款節(jié)能環(huán)保爐具，它可有效降低燃煤氮氧化物、一氧化碳、煙黑等污染物的排放，并提高燃燒效率。與傳統(tǒng)燃煤爐相比，中小型解耦燃煤爐NOx排放降低30%-45%，排煙林格曼黑度小于1，完全達到“無煙排放”標準。倘若使用優(yōu)質(zhì)煤并配套新型高效除塵固硫設(shè)備，中小型解耦燃煤鍋爐的NOx、SO2和煙塵等污染物排放指標可接近甚至達到燃氣排放標準。中小型解耦燃煤鍋爐燃燒穩(wěn)定，燃盡率高，排煙溫度和過量空氣系數(shù)低，相對傳統(tǒng)爐節(jié)煤量可達20%-30%。

解耦爐可直接連接自來水管道進行熱交換，具有熱水供給、做飯、取暖等功能。解耦爐具燃燒效率高，基本達到無煙排放標準。解耦爐設(shè)計采用具有知識產(chǎn)權(quán)的“解耦燃燒技術(shù)”，爐具燃燒熱效率可提高約20-30%，NOx和CO排放量分別降低約30%～40%和70%，煙氣林格曼黑度小于1。

2 技術(shù)要求

合理規(guī)劃工藝流程、設(shè)計合理工位、優(yōu)選相應(yīng)工藝裝備，設(shè)備技術(shù)參數(shù)、工作效率滿足工位布局、物流能力、系統(tǒng)工藝節(jié)拍要求。

2.1 備料單元工藝流程及設(shè)備

2.1.1 工藝流程

（1）型材：型料入廠存放→自動散捆上料→數(shù)控鋸床自動鋸切下料→檢驗識別打碼→機器人分揀→煙筒開孔（鉆床、數(shù)控切割相關(guān)線或激光切割相關(guān)線）→AGV配送→零件緩存區(qū)。

（2）板材：（鋼板卷料入廠存放→開卷校平→單面噴丸處理→定尺剪切→定尺板自動存放）→AGV配送→板材立體庫→機器人自動上料→數(shù)控激光切割→檢驗識別打碼→機器人分揀→數(shù)控折彎成型（機器人自動上下料）→零件緩存區(qū)。

（3）煙筒工藝：1）采用焊管數(shù)控鋸床鋸切下料，鉆床、數(shù)控等離子切割或激光切割開孔;2）用熱卷板卷圓焊接，鉆床、數(shù)控等離子切割或激光切割開孔。

（4）下料基本要求：切割精度高、切縫窄（0.1～0.2mm）、切割面光滑（Ra12.5以下）、速度滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求、切割質(zhì)量好等。

2.1.2 主要工藝設(shè)備

AGV運輸系統(tǒng)、助力搬運機械手系統(tǒng)、搬運機器人系統(tǒng)、開卷校平機、噴砂機、自動剪板機、鋼板專用自動料庫、數(shù)控激光切割機、自動散捆上料系統(tǒng)、數(shù)控折彎機、沖壓機、檢測識別打碼機、數(shù)控鋸床、折彎沖壓模具、煙筒卷圓機、煙筒焊機、數(shù)控等離子切割機等。

2.2 拼焊單元

（1）工藝布局：對焊裝車間進行合理規(guī)劃，利用機器人進行相關(guān)焊接工裝。整個爐具內(nèi)、外膽的拼焊、上下料及運輸過程實現(xiàn)自動化，設(shè)計合理的拼焊工裝夾具，滿焊率達到100%，同時配以煙塵凈化裝置，滿足環(huán)保要求，物流轉(zhuǎn)運系統(tǒng)需實現(xiàn)自動化要求。

（2）主要工藝措施：1）拼焊工藝。根據(jù)后續(xù)拼焊工藝可采用機器人或人工配盤，配盤自動送料至拼焊工位，由機器人將工件移至變位機工裝平臺。針對產(chǎn)品特點，采用專用自動或半自動工裝裝夾（可人員適當輔助裝夾）。裝夾完成后一次性完成點焊、滿焊，焊縫均采用焊接機器人完成。滿焊后的工件自動卸料至運輸平臺，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)序。2）焊接工作站。采用機器人+變位機+焊接系統(tǒng)，可針對內(nèi)膽及合裝等工序進行無死角滿焊，焊縫滿焊率達100%。焊接過程采用激光（視覺）跟蹤技術(shù)，可對復雜焊縫軌跡自動掃描，即時生成焊接軌跡，節(jié)省編程時間。焊接機器人要配有適合產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝程序配備。3）焊縫檢測系統(tǒng)。為了檢測本項目產(chǎn)品的焊縫不漏水，需設(shè)計自動化檢測工作站，對爐具內(nèi)膽、整機分別進行兩次0.2MPa加壓試驗;對于不合格產(chǎn)品需設(shè)置試漏補焊區(qū)。爐體和底座合焊后需設(shè)置抽檢區(qū)域，以檢測合焊的焊縫質(zhì)量，同時需設(shè)置試漏補焊區(qū)。 試漏合格產(chǎn)品自動完成試漏、轉(zhuǎn)運過程，試漏不合格品可人工參與撿漏、補焊。4）煙塵凈化系統(tǒng)。為了確保加工過程的工藝清潔和焊接質(zhì)量，生產(chǎn)線集成了先進的工業(yè)煙塵凈化系統(tǒng)。該套系統(tǒng)能夠及時清除焊接加工過程中產(chǎn)生的非大氣成分的物質(zhì)，包括粉塵，懸浮顆粒，氣溶膠和廢尾氣體等。該煙塵凈化系統(tǒng)用于本套生產(chǎn)線長期運作場合，過濾后的空氣要滿足排放標準。該系統(tǒng)的所發(fā)出的噪聲須低于85dB（A）。

2.3 涂泥單元

（1）耐火材料。耐火材料選用耐火溫度不低于1580℃，與攪拌混合后可以滿足后續(xù)自動化生產(chǎn)線工藝要求;或者先預制成塊，然后裝入爐腔內(nèi)，需要自動化或者半自動化工裝人工參與輔助;材料成型時間要滿足中間立體庫庫位設(shè)計，材料自然冷凝時間滿足生產(chǎn)節(jié)拍。

（2）備料。原材料存放要符合防火材料存放標準要求（GB/T 15545-1995），按原材料輸送重量設(shè)計自動輸送方式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動輸送至原材料攪拌工序，按材料配比自動進行混合均勻攪拌，攪拌量要求精確計算不能使材料凝固;攪拌設(shè)備在運轉(zhuǎn)時噪音、粉塵等要滿足環(huán)保要求，必要時可以增加除塵、靜音設(shè)備;設(shè)備安裝要充分考慮場地位置環(huán)境以及物料運輸?shù)认嚓P(guān)環(huán)節(jié)。

（3）耐火材料噴涂。根據(jù)噴涂需要設(shè)計工裝定位，保證工件耐火材料噴涂質(zhì)量。

1）爐體涂泥：①可采取直接噴涂，滿足耐火材料位置和厚度要求，不得有漏涂現(xiàn)象，材料噴涂要密實，不得脫落，成型完成后輸送至人工檢查工位，人工檢查涂泥效果并做局部修補;②可將耐火材料預制成型，利用自動工裝人工輔助，將預制塊放入爐腔內(nèi)，然后再將預制塊與爐腔一體化處理，爐腔與耐火材料間鏈接要緊實，接縫處涂抹耐火材料效果要達到與預制塊成型一致。預制塊制作要實現(xiàn)自動化或者采用自動工裝人工輔助的方式，盡量減少人員使用的數(shù)量，預制塊制作時間要滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要，預制塊要密實、均勻，厚度達到要求，預制塊不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法GB/T10326-2001（2004），根據(jù)產(chǎn)品需要選擇經(jīng)濟合理的設(shè)備，預制塊組裝后爐體耐火位置達到100%完全覆蓋，預制塊緩存量要滿足兩天的生產(chǎn)需要，預制塊存放要統(tǒng)籌考慮場地存放和現(xiàn)場使用以及運輸通道等問題。2）底座涂泥：底座需要先安裝爐排后再涂制耐火材料，爐排裝配、開口銷、爐排堵要滿足組對精度，不影響后續(xù)工序。①可采取直接噴涂，滿足耐火材料位置和厚度要求，不得有漏涂現(xiàn)象，材料噴涂要密實，不得脫落，成型完成后輸送至人工檢查工位，人工檢查涂泥效果并做局部修補;②可將耐火材料預制成型，利用自動工裝人工輔助，將預制塊放入底座內(nèi)，然后再將預制塊與底座一體化處理，底座與耐火材料間鏈接要緊實，接縫處涂抹耐火材料要與預制塊成型效果一致。預制塊制作要實現(xiàn)自動化或者采用自動工裝人工輔助的方式，盡量減少人員使用的數(shù)量，預制塊制作時間要滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要，預制塊要密實、均勻，厚度達到要求，預制塊不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法GB/T10326-2001（2004），根據(jù)產(chǎn)品需要選擇經(jīng)濟合理的設(shè)備，預制塊組裝后底座耐火位置達到100%完全覆蓋，預制塊緩存量要滿足兩天的生產(chǎn)需要，預制塊存放要統(tǒng)籌考慮場地存放和現(xiàn)場使用以及運輸通道等問題。

（4）冷凝成型。產(chǎn)品運輸?shù)街虚g緩存庫，自動碼放，自然干燥;耐火材料干燥速度不得過快，避免產(chǎn)生開裂和變形等產(chǎn)品缺陷，預制塊成型后不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法。

2.4 涂裝單元工藝流程

（1）前處理。前處理可采用噴砂或拋丸，工件的結(jié)構(gòu)形狀及表面狀態(tài)、表面污物的成分及清潔度、產(chǎn)量及質(zhì)量要求、與后道工序的配套性等應(yīng)滿足質(zhì)量要求。

（2）噴涂工藝及參數(shù)。廠家應(yīng)根據(jù)爐具外觀、耐磨性、耐酸堿、耐高溫等要求確定涂層質(zhì)量要求。同時，根據(jù)這些要求來確定滿足質(zhì)量保證的噴涂材料和工藝過程。自動噴涂線則必須按照這些要求和工藝過程來進行噴涂作業(yè)。1）根據(jù)涂層厚度和質(zhì)量要求決定噴涂次數(shù)。2）根據(jù)噴涂材料的流動性和鏈速確定。3）按照噴層光澤度要求和涂料物理性能（如粘度、電導率等）確定噴槍類型。

3 結(jié)語

通過對燃煤爐具解耦技術(shù)進行研究，開發(fā)出低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐具，采用自動化生產(chǎn)線進行批量生產(chǎn)，在民用采暖爐市場進行推廣，很大程度上提高了燃燒效率，對環(huán)境治理具有非常重要的意義。

參考文獻

[1] 司碩，等.新型多級清潔燃燒爐具在小區(qū)域集中供暖中的應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2018（08）：40-44+9.

[2] 鄒春蕾.民用燃煤取暖重點要抓“高效爐具”[N].中國電力報，2018-08-18（009）.

[3] 劉亞非.民用采暖爐具性能及污染減排效果評估分析[D].北京化工大學，2018.

[4] 張翼翔.民用爐具性能在線測試方法構(gòu)建及應(yīng)用研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學，2018.