燃生物質固硫型煤導熱油爐的設計開發

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

（上海熱油爐設計開發中心）（常州焦化廠)

生物質固硫型煤屬于干式冷態成型煤，其內部加入了纖維狀態的生物質，如稻草、玉米稈、秸稈等。生物質不僅具有粘結作用，而且還有助燃作用。生物質固硫型煤進入導熱油爐爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質首先燃燒，型煤表面形成蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進入型煤內部，同時增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒充分而完全。供熱系統內導熱油由循環油泵送入熱油爐中吸收熱量后，被送至用熱設備內釋放熱量。然后，導熱油再經油氣分離器和導熱油過濾器進行分離，去除導熱油中的氣體和雜質。最后，導熱油經循環油泵送回熱油爐，實現供熱循環。

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

1 生物質固硫型煤的生產工藝過程

生物質固硫型煤的生產工藝主要包括煤料處理、生物質處理、成型系統、型煤規格等幾個方面，其生產工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質固硫型煤的生產工藝流程

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。原料煤進場后卸至貯煤場，各種原料煤經配合后進行干燥。配合后的煤進入干燥機時水分≤10%，干燥后水分≤4%。干煤送至碎煤機粉碎，使煤粉近100%達到粒度≤3 mm。粉碎后的干煤粉由密閉的輸送機送到成型系統的配料斗上。

1.2 生物質處理

生物質處理包括生物質堆貯場及烘干、粉碎等加工工藝。將稻草或玉米稈切割到長度≤30 mm后進行烘干，使其水分由17%降到7%以下。然后再將其粉碎，使其粒度近100%達到≤3 mm。最后由氣力輸送機將其輸送到成型系統的生物質倉中。

1.3 成型系統

成型系統工藝過程包括配料、混合、成型、篩分等加工工藝，其裝備還包括成品庫等。制備好的原料煤、生物質和需要添加的固硫劑以及化學添加劑都在分貯料倉內分別貯存。貯料倉下設置定量給料裝置，將三種物料按比例配合，經混合后予以成型。成型后的型煤進行篩分，篩下的碎型煤則返回生產系統重新成型。成型煤進入成品庫貯存。

1.4 型煤規格

原料煤配制既要考慮煤質特性及價格高低，又要考慮加工成型要求。若采用中質動力煤作為原料，再加上加工費，其成本較高。工業上通常采用煤泥、煤粉、無煙煤等低質原料進行混配，利用破碎后的稻草纖維或玉米稈纖維等生物質作為膠粘劑。這些生物質來源廣、價格低、強度高、易著火。加工出的生物質固硫型煤主要分為蜂窩塊狀和顆粒球狀兩類，其規格型式如表1所示。生物質固硫型煤的各項指標可達到Ⅱ類煙煤的標準，而原料的成本可降低50%。

表1 生物質固硫型煤的規格型式

2 導熱油爐的結構設計

燃生物質固硫型煤導熱油爐有固定爐排和鏈條爐排兩種燃燒方式，爐體結構有方箱式和管架式兩種結構形式[1]。但由于管架式結構的進出口集箱上并聯多根爐壁管，造成在爐壁管中導熱油流量不均勻，并導致部分爐管內導熱油流量過小，從而該部分爐管內存在導熱油流速偏低的問題，流過這些爐管的導熱油將發生過熱超溫現象。如果其超溫問題嚴重，或者流量偏低的問題長時間未能得到解決，則會發生導熱油在爐管內局部結焦，甚至阻塞部分爐管、影響導熱油流動，從而發生導熱油過熱和爐管過燒的現象，嚴重時還會造成部分爐管爆裂的燃燒事故。所以管架式結構在大中型導熱油爐的結構設計中采用得比較少。

燃生物質固硫型煤導熱油爐的方箱式結構是爐體輻射室和對流室結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，然后運輸到現場將其組裝在一起，且安裝簡便。方箱式結構的輻射室是將直徑相同的數根爐管密集地沿爐身盤卷而成螺旋長方形盤管，即彼此緊密相排成長方形螺旋繞制而成。對流室是一個蛇形管式熱交換器的結構，進出口集箱分別匯集了多根蛇形管進出口。同時為了降低爐頂壁溫，在爐頂部位布置了多根爐頂管，促使爐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，減輕了輻射室和對流室的重量，并且減少了爐體鋼架結構的用鋼量，降低了制造成本。

對于方箱式結構導熱油爐的輻射方盤管，內表面半圓周受輻射熱，外表面半圓周不受熱；對于對流室內的對流蛇形管，管子的整個圓周都受對流熱；對于輻射室內的爐頂管，管子的整個圓周也都受輻射熱；對于對流室內的爐頂管，管子的整個圓周都受對流熱。另外，對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。燃生物質固硫型煤導熱油爐的特點有下述幾個方面。

（1）易點燃，燃燒時間長，燃盡率高，熱值高。

（2）有明顯的固硫、固塵效果，固硫率可達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、無煙煤等低質原料混配，總節煤率可達30%以上，節能效果明顯。

表2所示為筆者設計開發的固定爐排燃生物質固硫型煤導熱油爐的性能參數；表3所示為設計開發的鏈條爐排燃生物質固硫型煤導熱油爐的性能參數。

表2 固定爐排燃生物質固硫型煤導熱油爐的性能參數

表3 鏈條爐排燃生物質固硫型煤導熱油爐的性能參數

3 最高油膜溫度計算

導熱油最高工作溫度不應高于其自燃點溫度。如果導熱油最高工作溫度高于其自燃點，則在導熱油供熱循環系統運行中發生泄漏的時候，泄漏出來的導熱油容易發生自燃，并可能引發火災。對于燃生物質固硫型煤導熱油爐而言，由于爐膛輻射受熱面的熱偏差較大，造成熱油爐內部導熱油溫度分布不均勻，故導熱油最高工作溫度應當低于導熱油最高允許使用溫度減去20℃。導熱油的熱穩定性試驗數據表明，其工作溫度每上升10℃，由于熱裂解原因造成的導熱油變質率會在其原來變質率的基礎上增加1倍。所以將導熱油的溫度安全裕量定為20℃是相對安全合理的[2]。

爐管內導熱油與管壁表面摩擦會產生流體邊界層，邊界層內存在一個溫度梯度，邊界層內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，對于導熱油而言，邊界層內導熱油的熱裂解率就會過高；對于導熱油爐而言，爐管受熱面就會因導熱油裂解后結焦，導致爐管壁過熱現象。因此在導熱油爐設計中，應確定出最高油膜溫度產生的位置，并計算出最高油膜溫度的準確數值。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，或者導熱油流動中雷諾數Re最小處。

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

燃生物質固硫型煤導熱油爐管內最高油膜溫度計算公式如下：

式中t——爐管內導熱油最高油膜溫度，℃；

ti——爐管內導熱油平均溫度，℃；

Δt——爐管邊界層內導熱油的溫升，℃。

式中q——輻射受熱面最大熱流密度，℃；

α——爐管內對流傳熱膜系數，W/（m2·℃）；

do——爐管外徑，m;

di——爐管內徑，m;

ψ——爐管壁切向輻射熱損失的修正系數。

為了保證燃生物質固硫型煤導熱油爐的安全運行，計算出的最高油膜溫度不得超過所選用的導熱油最高允許油膜溫度，即

式中T——導熱油最高允許油膜溫度，℃。

當導熱油的最高允許使用溫度小于或等于320℃時，其導熱油最高允許油膜溫度應當不高于最高允許使用溫度加上20℃；當導熱油的最高允許使用溫度高于320℃時，其導熱油最高允許油膜溫度應當不高于最高允許使用溫度加上30℃[3]。

4 結束語

生物質固硫型煤使燃燒過程中產生的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]，因其來源廣、易取得、價格低，故成為工業加工中最常用的燃煤固硫劑。

目前，生物質固硫型煤常采用石灰石粉作為固硫劑，生物質選用破碎的稻草或玉米稈，生物質與原料煤的質量比通常為15%左右。這樣生產出來的生物質固硫型煤具有高熱值、易點燃、不結焦、火焰較長、煙塵量較低、環保效果較好等特點。

燃生物質固硫型煤導熱油爐是將一次能源 （煤炭）和可再生能源 （生物質）結合在一起，是一種把節水、節電、節能減排技術和潔凈生物質型煤燃燒技術相結合的新能源產品。加快燃生物質固硫型煤導熱油爐的產業化，為農業和工業有機廢棄物資源化利用開辟了一條有效途徑，對節能減排及保護生態環境具有十分重要的現實意義。

[1] 汪琦.國外有機熱載體加熱爐的結構設計 [J].化工裝備技術， 2007， 28 （1）： 33-37.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.TSG G 0001—2012.鍋爐安全技術監察規程 [S].2012.

[3] 郭元亮.鍋爐安全技術監察規程釋義 [M].北京：化學工業出版社，2013.