燃煤氣化導熱油爐的結構設計

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設計開發中心 （上海 200042）

工業生產上的燃煤會導致各種污染排放物進入大氣環境中，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，多環有機物質（POM）；（4）微量元素。

這些污染物主要來源于工業生產，而前三者主要來源于燃煤或燃油的工業鍋爐和電站鍋爐。所以，為了減少燃煤對大氣環境的污染、提高煤炭的利用率，必須大力發展燃煤氣化導熱油爐的使用，不斷開發新技術和新裝備。該項技術采用低溫、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格的煤氣發生爐中，經過氧化、還原反應產生的熱煤氣直接經燃燒頭噴入燃氣導熱油爐中燃燒，加熱導熱油循環供熱，并將熱量傳遞給工業用熱設備，從而解決了導熱油爐直接燒煤造成的大氣環境污染問題。

1 常壓燃煤氣化爐主要構件的設計準則

燃煤氣化爐主要由加料裝置、爐體和排渣裝置等構件組成，整個氣化爐內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計準則。

1.1 連續加料和排渣

為了保持氣化操作的穩定性，燃煤氣化爐通常采用連續加料和排渣裝置。這保證了爐內氣化溫度的穩定，使其不至于出現不穩定或周期性的波動，生產中排渣速度、環境及氣化劑送入量大小的配合，可以適當調整氣化爐的氣化能力，影響氣化過程。

1.2 入爐煤均勻分布

氣化爐內的入爐煤分布裝置稱為均布傘，其360°的連續轉動，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，平衡了爐內溫度，穩定了氣化操作。

1.3 爐內煤及時破黏

當氣化弱黏結煙煤時，由于煤在干餾層有一定的黏結性，會阻礙煤料正常地向下運動，所以在氣化爐內部中央設置攪動棒，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，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時，爐柵的柵格縫隙和爐柵頂部的小風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系到爐內氣化的均衡性，是氣化過程中極為重要的影響因素。

2 常壓燃煤氣化導熱油爐主要結構的設計方法

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

2.1 加煤裝置

加煤裝置有連續性和非連續性兩種方式，其中：連續加煤裝置是雙滾筒的結構型式；而非連續性加煤裝置是雙鐘罩的結構型式或者落料管上部中間煤倉圓盤閥聯鎖的結構型式，更為簡易的非連續加煤裝置是在生產過程中短暫停爐、手動開蓋加煤。

2.2 爐體及導熱油螺旋夾套

爐殼、導熱油螺旋夾套、破渣圈構成了常壓燃煤氣化爐的爐體部分。導熱油螺旋夾套的主要作用是形成循環油冷卻壁，保護反應區的爐膛鋼板，同時防止熔渣塊黏附在爐壁上，影響氣化進程，而在爐體夾套內的導熱油被加熱后用于循環供熱系統。另外，導熱油螺旋夾套也降低了爐膛內上部煤氣的溫度，提高了煤氣質量。破渣圈設置在爐膛內側的下部，和旋轉爐箅等部件配合，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爐箅、排灰刀、灰盤等組成。旋轉爐箅的主要功能是支撐爐內煤料層，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。灰盤承接爐箅排下來的灰渣，濕式灰盤還構成了良好的水封體系，保證固定爐體和旋轉爐箅之間的密封性良好。

3 常壓燃煤氣化導熱油爐的結構設計

3.1 手動式常壓燃煤氣化導熱油爐的結構設計

手動式常壓燃煤氣化導熱油爐由煤氣發生室和導熱油爐體構成，可做成外置式、內置式或下置式。煤氣發生室為圓筒形結構，圓筒的外層為導熱油螺旋夾套，夾套內流動的導熱油用于冷卻煤氣發生室內燃燒的煤層，防止煤層結渣。在煤氣發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，在圓筒下部側壁開有一個爐門用于排出灰渣。螺旋夾套中的導熱油與爐本體內的導熱油管束連通，采用熱油泵進行強制循環；煤氣發生室的內部采用固定爐排，其下部為水封防爆池，空氣經鼓風機通過一次風管送入爐排下部，再通過爐排進入煤層，煤料經氣化成煤氣后，從上部的煤氣出口送到導熱油爐內的煤氣燃燒室中點火燃燒，用于加熱導熱油并向循環供熱系統供熱[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生室具有較強的周期性，因而需要設計兩臺煤氣發生室供應同一臺導熱油爐，以穩定熱油爐的供熱負荷。手動式常壓燃煤氣化導熱油爐的結構簡單、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 連續式常壓燃煤氣化導熱油爐的結構設計

連續式常壓燃煤氣化導熱油爐的煤氣發生室設置雙滾筒式機械加煤裝置，通過計量給煤器和鎮流器兩個滾筒的旋轉，以及蒸汽的氣封，保證氣化用煤的連續加料，且煤氣發生室爐膛內的煤氣不發生外逸。常壓燃煤氣化爐配備破黏攪拌部件，可以氣化弱黏結性煤，攪拌耙由電動機通過渦輪、渦桿等攪拌機傳動結構帶動。攪拌耙根據受力大小，可以在煤料層上部區間上下移動一定距離；為了防止攪拌耙燒壞，在蝸桿內部通入循環水對其進行冷卻。另外，在煤氣發生室的頂蓋上設置4個觀測探火孔，用于測量爐膛內的溫度、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。

煤氣發生室為圓筒形結構，圓筒的外層為導熱油螺旋夾套，夾套內流動的導熱油用于冷卻圓筒鋼板，因為煤氣發生室下半部分正處在還原區和氧化區，溫度較高，其中氧化區的溫度可達到1 500℃。在煤氣發生爐底部設置均勻布風的旋轉爐箅、爐盤傳動結構、破渣裝置和水封等部件。旋轉爐箅的作用是支撐煤料、分配氣化介質、松動煤層和排出煤渣，旋轉爐箅通常支撐在轉動的灰盤上，煤氣發生爐的圓筒側壁一般是固定不動的，而底部的灰盤是轉動的，灰盤中的水封起到密封煤氣和保持爐內壓力的作用。灰盤底部連接大齒輪，由電動機、減速器、渦輪、渦桿帶動，亦可由液壓傳動。大齒輪與地基基礎之間為滾珠或者滾柱支撐，以減少轉動摩擦阻力。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生室內，并由旋轉爐箅均勻分布后上升到煤料層中。爐底氣化劑的鼓風壓力影響氣化強度，而風壓的高低又受到水封高度的影響。

連續式煤氣發生爐的重要組件是旋轉爐箅：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，爐箅轉動時，灰渣沿肋條順利下滑而排渣。爐箅錐體支座沿外側均勻布置3個破渣凸塊，其在爐箅轉動時與爐裙內壁堅硬的破渣圈配合進行破渣。爐裙外側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 導熱油爐爐體內輻射室和對流室的結構設計

煤氣發生爐與導熱油爐爐體采用分離型的結構設計，爐子的氣化室和對流室是分開的[2]。煤氣發生爐為圓筒形結構，圓筒氣化燃燒室的外層為導熱油螺旋夾套，夾套內流動的導熱油吸收熱量，在煤氣發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熱油爐爐體中的煤氣燃燒室點火并燃燒，用于加熱導熱油，再向循環供熱系統供熱。

由于在輻射室內布置了爐管吸收熱量，所以爐膛內的溫度不高，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下來，這樣煙灰不僅不會黏在爐膛內，也不會進入到對流室內黏結在爐管上。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構[3]。對流室的設計尺寸一般是：長度大于高度，高度大于寬度。在輻射室的導熱油出口接管位置留出相應對流室側面進出口接管位置。設計時應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，降低循環導熱油泵的壓降，從而可降低電耗。

設計對流室時，為了減少煙氣沿爐壁短路，應設置折流板。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，可以不設置折流板。設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。

設計導熱油爐爐體中的輻射室和對流室時，應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穩定性問題。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，降低了整體穩定性。下坐式將彎曲爐管坐于爐底耐火混凝土的襯里內或支撐在圈梁上，上端有導向件，可以向上自由膨脹。這種結構型式較為簡單，但是當管壁溫度很高而爐管剛度不夠時，會產生彎曲變形。

4 結語

燃煤氣化導熱油爐采用了雙向連續氣化燃燒原理，一方面使煤的揮發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，所以不會發生經常冒黑煙的現象。燃煤氣化導熱油爐不需要安裝任何消煙、除塵、脫硫設備，經測試，其煙塵排放質量濃度小于100 mg/m3，林格曼黑度為D級，SO2排放質量濃度小于400 mg/m3。燃煤氣化導熱油爐既可氣化優質煤、焦炭，也可氣化劣質褐煤，與直接燃燒散煤的導熱油爐相比，熱效率提高了10%～15%，鼓、引風機容量減少25%，節能效果顯著。燃煤氣化導熱油爐啟動快、調整靈活，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的生產需求。

將煤炭氣化制成煤氣，煤氣燃燒加熱導熱油，供熱給循環加熱系統，并將熱量傳遞給工業用熱設備，這是一種潔凈煤燃燒技術，它可以減少對大氣環境的污染并提高煤炭的利用率，還可以緩解石油能源緊張。我國的工業生產仍將以煤炭為主，盡管煤炭的氣化燃燒是一種非常復雜的工藝技術，但是我國的煤炭資源豐富，所以，研究開發燃煤氣化導熱油爐的加熱技術和新型裝備，不僅具有廣泛的市場應用前景，而且符合工業發展方向。