燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心 （上海 200042）

工業(yè)生產(chǎn)上的燃煤會導(dǎo)致各種污染排放物進入大氣環(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） 有機物，包括碳氫化合物，多環(huán)有機物質(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)燃燒頭噴入燃氣導(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。

1 常壓燃煤氣化爐主要構(gòu)件的設(shè)計準則

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，需要考慮以下幾個設(shè)計準則。

1.1 連續(xù)加料和排渣

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，生產(chǎn)中排渣速度、環(huán)境及氣化劑送入量大小的配合，可以適當調(diào)整氣化爐的氣化能力，影響氣化過程。

1.2 入爐煤均勻分布

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，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動的不均勻性，平衡了爐內(nèi)溫度，穩(wěn)定了氣化操作。

1.3 爐內(nèi)煤及時破黏

當氣化弱黏結(jié)煙煤時，由于煤在干餾層有一定的黏結(jié)性，會阻礙煤料正常地向下運動，所以在氣化爐內(nèi)部中央設(shè)置攪動棒，并在上部干餾層處配置攪拌耙，這樣就能及時破除煤的黏結(jié)，從而使煤料順暢地向下運動，確保氣化操作的安全。

1.4 爐柵均勻氣化劑

氣化劑通常采用空氣和水蒸氣，當氣化劑從燃煤氣化爐底部進入爐內(nèi)時，爐柵的柵格縫隙和爐柵頂部的小風(fēng)帽會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。

2 常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

常壓燃煤氣化爐一般可分為以下幾個主要構(gòu)件：加煤裝置、爐體及導(dǎo)熱油螺旋夾套、爐柵和排灰裝置。

2.1 加煤裝置

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、手動開蓋加煤。

2.2 爐體及導(dǎo)熱油螺旋夾套

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，保護反應(yīng)區(qū)的爐膛鋼板，同時防止熔渣塊黏附在爐壁上，影響氣化進程，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。

2.3 爐柵及其排灰裝置

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，均勻分布氣化劑，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，這樣當爐箅旋轉(zhuǎn)時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。

3 常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 手動式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

手動式常壓燃煤氣化導(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，采用熱油泵進行強制循環(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)機通過一次風(fēng)管送入爐排下部，再通過爐排進入煤層，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]。

手動式常壓燃煤氣化爐一般為一次添加煤料，周期運行，由于這種簡易式煤氣發(fā)生室具有較強的周期性，因而需要設(shè)計兩臺煤氣發(fā)生室供應(yīng)同一臺導(dǎo)熱油爐，以穩(wěn)定熱油爐的供熱負荷。手動式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、操作容易，能有效解決消煙除塵問題，熱效率一般大于65%。

3.2 連續(xù)式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

連續(xù)式常壓燃煤氣化導(dǎo)熱油爐的煤氣發(fā)生室設(shè)置雙滾筒式機械加煤裝置，通過計量給煤器和鎮(zhèn)流器兩個滾筒的旋轉(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，攪拌耙由電動機通過渦輪、渦桿等攪拌機傳動結(jié)構(gòu)帶動。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)水對其進行冷卻。另外，在煤氣發(fā)生室的頂蓋上設(shè)置4個觀測探火孔，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，同時也可實施人工搗爐操作。

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)流動的導(dǎo)熱油用于冷卻圓筒鋼板，因為煤氣發(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)、松動煤層和排出煤渣，旋轉(zhuǎn)爐箅通常支撐在轉(zhuǎn)動的灰盤上，煤氣發(fā)生爐的圓筒側(cè)壁一般是固定不動的，而底部的灰盤是轉(zhuǎn)動的，灰盤中的水封起到密封煤氣和保持爐內(nèi)壓力的作用?；冶P底部連接大齒輪，由電動機、減速器、渦輪、渦桿帶動，亦可由液壓傳動。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)動摩擦阻力。煤氣化用的氣化劑從最下面的爐底氣化劑進口進入煤氣發(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)動時，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個破渣凸塊，其在爐箅轉(zhuǎn)動時與爐裙內(nèi)壁堅硬的破渣圈配合進行破渣。爐裙外側(cè)固定連接一個犁形刮灰刀，當灰盤帶動落入水中的灰渣旋轉(zhuǎn)時，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。

3.3 導(dǎo)熱油爐爐體內(nèi)輻射室和對流室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，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入到導(dǎo)熱油爐爐體中的煤氣燃燒室點火并燃燒，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，當輻射室溫度下降至煙灰熔點以下時，可使已熔化的煙灰凝結(jié)下來，這樣煙灰不僅不會黏在爐膛內(nèi)，也不會進入到對流室內(nèi)黏結(jié)在爐管上。另外，氣化后的煤氣在進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)面進出口接管位置。設(shè)計時應(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)計對流室時，為了減少煙氣沿爐壁短路，應(yīng)設(shè)置折流板。但當每排對流管超過8根爐管時，因為短路煙氣所占的比例較少，可以不設(shè)置折流板。設(shè)計時為了提高傳熱效率，對流管可以采用翅片管，以便擴大傳熱面積，提高爐管的表面熱強度，從而降低對流室的高度。

設(shè)計導(dǎo)熱油爐爐體中的輻射室和對流室時，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與變形的管架）。因為都要承受高溫，因此管架要和爐管一樣考慮其強度和各種化學(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，上掛式使爐體重心上移，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，但是當管壁溫度很高而爐管剛度不夠時，會產(chǎn)生彎曲變形。

4 結(jié)語

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，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)機容量減少25%，節(jié)能效果顯著。燃煤氣化導(dǎo)熱油爐啟動快、調(diào)整靈活，可以隨時啟、停，操作非常方便，降低了司爐工的勞動強度，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。