燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的設(shè)計(jì)開發(fā)

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心）（常州焦化廠)

生物質(zhì)固硫型煤屬于干式冷態(tài)成型煤，其內(nèi)部加入了纖維狀態(tài)的生物質(zhì)，如稻草、玉米稈、秸稈等。生物質(zhì)不僅具有粘結(jié)作用，而且還有助燃作用。生物質(zhì)固硫型煤進(jìn)入導(dǎo)熱油爐爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質(zhì)首先燃燒，型煤表面形成蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進(jìn)入型煤內(nèi)部，同時(shí)增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒充分而完全。供熱系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱油由循環(huán)油泵送入熱油爐中吸收熱量后，被送至用熱設(shè)備內(nèi)釋放熱量。然后，導(dǎo)熱油再經(jīng)油氣分離器和導(dǎo)熱油過濾器進(jìn)行分離，去除導(dǎo)熱油中的氣體和雜質(zhì)。最后，導(dǎo)熱油經(jīng)循環(huán)油泵送回?zé)嵊蜖t，實(shí)現(xiàn)供熱循環(huán)。

生物質(zhì)固硫型煤采用干式工藝生產(chǎn)，煤料干度必須達(dá)到含水＜4%，生物質(zhì)含水＜7%。生物質(zhì)固硫型煤在導(dǎo)熱油爐中燃燒效果很好，爐渣含碳量可達(dá)8%～10%，同時(shí)通過加入消煙固硫劑，還可達(dá)到較好的消煙、固硫效果，脫硫率最高可達(dá)71.9%。

1 生物質(zhì)固硫型煤的生產(chǎn)工藝過程

生物質(zhì)固硫型煤的生產(chǎn)工藝主要包括煤料處理、生物質(zhì)處理、成型系統(tǒng)、型煤規(guī)格等幾個(gè)方面，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)固硫型煤的生產(chǎn)工藝流程

1.1 煤料處理

煤料處理包括貯煤、配煤、干燥、粉碎等加工工藝。原料煤進(jìn)場(chǎng)后卸至貯煤場(chǎng)，各種原料煤經(jīng)配合后進(jìn)行干燥。配合后的煤進(jìn)入干燥機(jī)時(shí)水分≤10%，干燥后水分≤4%。干煤送至碎煤機(jī)粉碎，使煤粉近100%達(dá)到粒度≤3 mm。粉碎后的干煤粉由密閉的輸送機(jī)送到成型系統(tǒng)的配料斗上。

1.2 生物質(zhì)處理

生物質(zhì)處理包括生物質(zhì)堆貯場(chǎng)及烘干、粉碎等加工工藝。將稻草或玉米稈切割到長(zhǎng)度≤30 mm后進(jìn)行烘干，使其水分由17%降到7%以下。然后再將其粉碎，使其粒度近100%達(dá)到≤3 mm。最后由氣力輸送機(jī)將其輸送到成型系統(tǒng)的生物質(zhì)倉(cāng)中。

1.3 成型系統(tǒng)

成型系統(tǒng)工藝過程包括配料、混合、成型、篩分等加工工藝，其裝備還包括成品庫(kù)等。制備好的原料煤、生物質(zhì)和需要添加的固硫劑以及化學(xué)添加劑都在分貯料倉(cāng)內(nèi)分別貯存。貯料倉(cāng)下設(shè)置定量給料裝置，將三種物料按比例配合，經(jīng)混合后予以成型。成型后的型煤進(jìn)行篩分，篩下的碎型煤則返回生產(chǎn)系統(tǒng)重新成型。成型煤進(jìn)入成品庫(kù)貯存。

1.4 型煤規(guī)格

原料煤配制既要考慮煤質(zhì)特性及價(jià)格高低，又要考慮加工成型要求。若采用中質(zhì)動(dòng)力煤作為原料，再加上加工費(fèi)，其成本較高。工業(yè)上通常采用煤泥、煤粉、無(wú)煙煤等低質(zhì)原料進(jìn)行混配，利用破碎后的稻草纖維或玉米稈纖維等生物質(zhì)作為膠粘劑。這些生物質(zhì)來(lái)源廣、價(jià)格低、強(qiáng)度高、易著火。加工出的生物質(zhì)固硫型煤主要分為蜂窩塊狀和顆粒球狀兩類，其規(guī)格型式如表1所示。生物質(zhì)固硫型煤的各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到Ⅱ類煙煤的標(biāo)準(zhǔn)，而原料的成本可降低50%。

表1 生物質(zhì)固硫型煤的規(guī)格型式

2 導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐有固定爐排和鏈條爐排兩種燃燒方式，爐體結(jié)構(gòu)有方箱式和管架式兩種結(jié)構(gòu)形式[1]。但由于管架式結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口集箱上并聯(lián)多根爐壁管，造成在爐壁管中導(dǎo)熱油流量不均勻，并導(dǎo)致部分爐管內(nèi)導(dǎo)熱油流量過小，從而該部分爐管內(nèi)存在導(dǎo)熱油流速偏低的問題，流過這些爐管的導(dǎo)熱油將發(fā)生過熱超溫現(xiàn)象。如果其超溫問題嚴(yán)重，或者流量偏低的問題長(zhǎng)時(shí)間未能得到解決，則會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱油在爐管內(nèi)局部結(jié)焦，甚至阻塞部分爐管、影響導(dǎo)熱油流動(dòng)，從而發(fā)生導(dǎo)熱油過熱和爐管過燒的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成部分爐管爆裂的燃燒事故。所以管架式結(jié)構(gòu)在大中型導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用得比較少。

燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的方箱式結(jié)構(gòu)是爐體輻射室和對(duì)流室結(jié)合在一起作為上部大件，而燃燒室和爐排組裝在一起作為下部大件。上部大件和下部大件均可分別在加熱爐制造廠加工完成，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)將其組裝在一起，且安裝簡(jiǎn)便。方箱式結(jié)構(gòu)的輻射室是將直徑相同的數(shù)根爐管密集地沿爐身盤卷而成螺旋長(zhǎng)方形盤管，即彼此緊密相排成長(zhǎng)方形螺旋繞制而成。對(duì)流室是一個(gè)蛇形管式熱交換器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口集箱分別匯集了多根蛇形管進(jìn)出口。同時(shí)為了降低爐頂壁溫，在爐頂部位布置了多根爐頂管，促使?fàn)t膛溫度在爐墻處和爐頂部降至900℃以下。這樣爐墻就可采用輕質(zhì)的耐高溫硅酸鋁保溫板、耐火纖維、巖棉組成輕型耐火隔熱保溫材料，減輕了輻射室和對(duì)流室的重量，并且減少了爐體鋼架結(jié)構(gòu)的用鋼量，降低了制造成本。

對(duì)于方箱式結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱油爐的輻射方盤管，內(nèi)表面半圓周受輻射熱，外表面半圓周不受熱；對(duì)于對(duì)流室內(nèi)的對(duì)流蛇形管，管子的整個(gè)圓周都受對(duì)流熱；對(duì)于輻射室內(nèi)的爐頂管，管子的整個(gè)圓周也都受輻射熱；對(duì)于對(duì)流室內(nèi)的爐頂管，管子的整個(gè)圓周都受對(duì)流熱。另外，對(duì)流室中的折煙隔墻改用不銹鋼隔板，從而降低了爐體的重量。燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的特點(diǎn)有下述幾個(gè)方面。

（1）易點(diǎn)燃，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，燃盡率高，熱值高。

（2）有明顯的固硫、固塵效果，固硫率可達(dá)50%～70%。燃燒過程中，SO2排放可減少60%以上，煙塵排放可減少90%以上，減排效果明顯。

（3）采用煤泥、煤粉、無(wú)煙煤等低質(zhì)原料混配，總節(jié)煤率可達(dá)30%以上，節(jié)能效果明顯。

表2所示為筆者設(shè)計(jì)開發(fā)的固定爐排燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的性能參數(shù)；表3所示為設(shè)計(jì)開發(fā)的鏈條爐排燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的性能參數(shù)。

表2 固定爐排燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的性能參數(shù)

表3 鏈條爐排燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的性能參數(shù)

3 最高油膜溫度計(jì)算

導(dǎo)熱油最高工作溫度不應(yīng)高于其自燃點(diǎn)溫度。如果導(dǎo)熱油最高工作溫度高于其自燃點(diǎn)，則在導(dǎo)熱油供熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生泄漏的時(shí)候，泄漏出來(lái)的導(dǎo)熱油容易發(fā)生自燃，并可能引發(fā)火災(zāi)。對(duì)于燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐而言，由于爐膛輻射受熱面的熱偏差較大，造成熱油爐內(nèi)部導(dǎo)熱油溫度分布不均勻，故導(dǎo)熱油最高工作溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀趯?dǎo)熱油最高允許使用溫度減去20℃。導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其工作溫度每上升10℃，由于熱裂解原因造成的導(dǎo)熱油變質(zhì)率會(huì)在其原來(lái)變質(zhì)率的基礎(chǔ)上增加1倍。所以將導(dǎo)熱油的溫度安全裕量定為20℃是相對(duì)安全合理的[2]。

爐管內(nèi)導(dǎo)熱油與管壁表面摩擦?xí)a(chǎn)生流體邊界層，邊界層內(nèi)存在一個(gè)溫度梯度，邊界層內(nèi)緊貼管壁表面的流體流速最低，而溫度最高，其溫度稱為油膜溫度。如果油膜溫度過高，對(duì)于導(dǎo)熱油而言，邊界層內(nèi)導(dǎo)熱油的熱裂解率就會(huì)過高；對(duì)于導(dǎo)熱油爐而言，爐管受熱面就會(huì)因?qū)嵊土呀夂蠼Y(jié)焦，導(dǎo)致爐管壁過熱現(xiàn)象。因此在導(dǎo)熱油爐設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定出最高油膜溫度產(chǎn)生的位置，并計(jì)算出最高油膜溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。通常邊界層中最高油膜溫度位于受熱面上熱流密度最大處，或者導(dǎo)熱油流動(dòng)中雷諾數(shù)Re最小處。

為了將爐管中導(dǎo)熱油邊界層內(nèi)的最高溫度控制在一個(gè)相對(duì)安全的范圍內(nèi)，并且使其變質(zhì)率處于可以被接受的允許條件下，就需要計(jì)算出導(dǎo)熱油最高允許油膜溫度。

燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐管內(nèi)最高油膜溫度計(jì)算公式如下：

式中t——爐管內(nèi)導(dǎo)熱油最高油膜溫度，℃；

ti——爐管內(nèi)導(dǎo)熱油平均溫度，℃；

Δt——爐管邊界層內(nèi)導(dǎo)熱油的溫升，℃。

式中q——輻射受熱面最大熱流密度，℃；

α——爐管內(nèi)對(duì)流傳熱膜系數(shù)，W/（m2·℃）；

do——爐管外徑，m;

di——爐管內(nèi)徑，m;

ψ——爐管壁切向輻射熱損失的修正系數(shù)。

為了保證燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的安全運(yùn)行，計(jì)算出的最高油膜溫度不得超過所選用的導(dǎo)熱油最高允許油膜溫度，即

式中T——導(dǎo)熱油最高允許油膜溫度，℃。

當(dāng)導(dǎo)熱油的最高允許使用溫度小于或等于320℃時(shí)，其導(dǎo)熱油最高允許油膜溫度應(yīng)當(dāng)不高于最高允許使用溫度加上20℃；當(dāng)導(dǎo)熱油的最高允許使用溫度高于320℃時(shí)，其導(dǎo)熱油最高允許油膜溫度應(yīng)當(dāng)不高于最高允許使用溫度加上30℃[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)固硫型煤使燃燒過程中產(chǎn)生的SO2與固硫劑作用，生成硫酸鹽而被固定在灰渣中，從而減少了SO2的排放量。常用的固硫劑可分為鈣系、鈉系及其他金屬氧化物三大類，鈣系固硫劑如石灰石（CaCO3）或消石灰 [Ca(OH)2]，因其來(lái)源廣、易取得、價(jià)格低，故成為工業(yè)加工中最常用的燃煤固硫劑。

目前，生物質(zhì)固硫型煤常采用石灰石粉作為固硫劑，生物質(zhì)選用破碎的稻草或玉米稈，生物質(zhì)與原料煤的質(zhì)量比通常為15%左右。這樣生產(chǎn)出來(lái)的生物質(zhì)固硫型煤具有高熱值、易點(diǎn)燃、不結(jié)焦、火焰較長(zhǎng)、煙塵量較低、環(huán)保效果較好等特點(diǎn)。

燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐是將一次能源 （煤炭）和可再生能源 （生物質(zhì)）結(jié)合在一起，是一種把節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能減排技術(shù)和潔凈生物質(zhì)型煤燃燒技術(shù)相結(jié)合的新能源產(chǎn)品。加快燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的產(chǎn)業(yè)化，為農(nóng)業(yè)和工業(yè)有機(jī)廢棄物資源化利用開辟了一條有效途徑，對(duì)節(jié)能減排及保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 汪琦.國(guó)外有機(jī)熱載體加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].化工裝備技術(shù)， 2007， 28 （1）： 33-37.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.TSG G 0001—2012.鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].2012.

[3] 郭元亮.鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程釋義 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.