分級熱解氣化技術在工業層燃爐中的應用

司 碩，譚 波，劉忠攀，王傳志，盧曉明，田原宇

(1.兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心，山東 濟寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100；3.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

我國每年能源消費40多億噸標準煤，煤炭能耗占比下降至60%左右，其中鍋爐用燃煤(含建材窯爐和供熱供暖鍋爐等)大約7.5億t[1]。工業層燃爐因技術成熟、造價低、運行穩定、操作簡單等優勢，廣泛應用于煤炭、化工、冶金、建材等行業，在供熱、供氣領域起著特別重要的作用[2]。工業層燃爐容量小，但數量多，污染物排放總量大，是造成大氣污染的重要因素之一。

為解決工業層燃爐污染物減排問題，賈靖華[3]等對熱解鏈條爐模擬計算的結果表明，在一定條件下熱解氣再燃燒可以使煙氣中的NOx排放降低約14.6%。中國科學院過程工程所提出的適用于中小型燃煤鍋爐低NOx排放的熱解氣化再燃燒技術，利用煤樣的熱解氣和部分氣化氣的還原性氣氛還原半焦燃燒過程中產生的NOx，以達到抑制NOx排放的目的[4-5]。王海苗[6]等研究了預燃低氮燃燒技術在工業鏈條排爐中的應用，結果顯示該技術可降低鍋爐原始NOx排放36.7%。劉忠攀[2]等開展了工業燃煤鏈條排爐煙氣凈化的實驗，結果顯示在120～135℃煙氣流經催化劑后，NOx脫除率大于80%，SO2脫除率大于95%，PM脫除率大于60%。

為探索工業層燃爐節能減排新路線，中國石油大學(華東)提出了分級熱解氣化技術，基于該技術路線，兗礦集團與中國石油大學(華東)合作，將該技術與工業層燃爐耦合。本文詳細介紹了分級熱解氣化燃燒技術耦合工業層燃爐實驗情況，驗證了該技術用于工業層燃爐的可行性。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

分級熱解氣化裝置原理示于圖1。由圖1可知，煤進入該裝置后，首先進行分級熱解，然后進行氧化，最后進行燃燒。煤通過干燥裂解層時進行分級熱解，釋放出大量揮發分氣體，煤炭變為半焦，并伴有NH3、HCN生成；通過氧化層時，半焦燃燒生成大量CO，同時部分NH3、HCN被氧化為NO，混合可燃煙氣經過燃燒層時，NO被CO等還原性氣體還原為N2，半焦燃燒剩余的殘炭在燃盡層燃盡后，氣化殘渣排出。

圖1 分級熱解氣化裝置原理

實驗用工業層燃爐型號DZL1.4-85/60-M，額定熱功率1.4 MW，設計熱效率79.13%，額定燃料消耗255 kg/h。實驗人員對該鍋爐給料系統進行了分級熱解氣化與工業層燃爐耦合技術改造。

1.2 工藝流程

潔凈型煤由煤倉給料裝置輸送至分級熱解氣化裝置后，在分級熱解區位置貧氧的環境下，進行分解熱解，熱解溫度分別控制在400～600 ℃和600～900 ℃；揮發分析出，釋放出大量還原性氣體，同時部分氮元素以NH3和HCN形式析出。熱解后的煤和釋放出的氣體同時向下進入氣化區，保持該區域溫度在1000～1100 ℃，向氣化區內通入氣化劑，使煤發生氣化反應，生成大量CO，在該區域形成還原性氛圍；NH3和HCN經過氣化區時，遇O2生成NO；NO在高溫煤焦的作用下，與CO、H2等還原性氣體發生反應，生成N2。熱解氣化氣進入爐膛燃燒，殘碳進入爐膛，在爐排上煅燒燃盡，同時為可燃氣體提供燃燒環境。

煙氣經防火裝置、凈化裝置處理后，由引風機抽至煙囪排出。工藝流程見圖2。

圖2 工業層燃爐實驗系統流程

1.3 實驗原料

實驗原料采用兗礦集團壓制的潔凈型煤，潔凈型煤工業分析見表1。

表1 潔凈型煤工業分析

1.4 煙氣監測方法

煙囪上裝有一套北京雪迪龍科技有限公司生產的CEMS，包括煙氣預處理系統、采樣分析系統、控制系統、數據采集系統等，可同時測量O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、煙塵等組分。為確保測試數據的準確性和可重復性，同時采用便攜式紅外煙氣分析儀對煙氣排放進行不定期監測。

2 結果及討論

2.1 增設分級熱解氣化裝置對NOx排放的影響

表2為安裝分級熱解氣化裝置前后層燃爐NOx排放質量濃度平均值。安裝熱解氣化裝置后，NOx平均排放質量濃度由274 mg/m3降至175 mg/m3，降低幅度達到36.1%。

表2 安裝熱解氣化裝置前后層燃爐排放NOx平均質量濃度

大量研究[7-8]已表明，熱解氣通過高溫煤焦層時，在還原性氛圍下，NOx能夠被還原劑(H2、CO等)還原為N2。可見，分級熱解氣化在煤燃燒過程中能夠從源頭上降低NOx的生成。

2.2 氣化風量占總風量比例對NOx排放指標的影響

圖3顯示氣化風量占總風量比例對NOx排放指標的影響。由圖3可知，氣化風量占總風量5%時，分級熱解氣化裝置降氮效果最佳。這與尚校[9]的研究結果一致，即合適的氧氣濃度可以獲得最佳的脫硝效果。氧含量較低時，氧化氣化區溫度較低，不利于氣化反應及焦油的二次裂解，且炭參加氣化的份額較低，故還原性氣體比例較低；若氧含量較高，氧化氣化區溫度高，氣化反應強烈且焦油裂解產生的還原性氣體(CO、H2、CH4等)量增加，但還原性氣體與O2反應生成CO2和H20，從而又降低了還原性氣體的比例。故氧含量過高或過低，均會降低脫硝效果。

圖3 不同氣化風量對NOx排放指標的影響

2.3 鍋爐負荷對NOx排放指標的影響

圖4顯示鍋爐負荷對NOx排放指標的影響。由圖4可知，層燃爐負荷越高，分級熱解氣化裝置降氮效果越好。原因分析為，爐具負荷越高，燃料煤在裝置內氣化燃燒越劇烈，煤焦層溫度越高，且生成的還原性氣體量越多，濃度越高，越有利于提高降氮效率。

圖4 層燃爐不同負荷對NOx排放指標的影響

2.4 分級熱解氣化裝置對燃盡率的影響

圖5為安裝分級熱解氣化裝置前后底渣燒失量對比。安裝分級熱解氣化裝置后，底渣燒失量平均值由22.23%降至3.81%，降幅達82.86%。未安裝分級熱解氣化前，爐門處觀測火勢，火焰位置在第二風室中部位置，第三風室處仍有大量紅炭存在；如提高負荷，火焰位置會隨之向后拱推移，紅炭在爐排上的停留時間縮短，造成底渣燒失量高。安裝分級熱解氣化裝置后，火焰位置在第一風室前端前拱處，煤在分級熱解氣化裝置內揮發分已析出進入爐膛燃燒，部分固定碳在該區域內氣化生成可燃氣體進入爐膛燃燒，剩余炭在爐排上燃盡，殘炭在爐排上的停留時間大大延長，是底渣燒損量低的主要原因。

圖5 安裝分級熱解氣化裝置前后層燃爐底渣燒失量

3 結 論

(1)分級熱解氣化技術應用于工業層燃爐，選擇合適的氣化風量，能達到最佳NOx排放效果，氣化風量增大或降低均會影響NOx排放效率；最佳時NOx原始排放對比改造前可降低36.1%。

(2)分級熱解氣化技術應用于工業層燃爐，可提高燃料煤燃盡率，相比改造前，底渣燒失量可降低82.86%，利用率更高，更經濟。