分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术及其应用

分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术及其应用

徐雨贤

绿源能源环境科技集团有限公司 辽宁营口 115002

摘要：随着我国工业化、城镇化进程不断推进，能源需求量巨大，在未来一段时间内，我国的能源结构仍以煤为主，燃煤产生的高污染、高排放成为造成环境污染的主要因素，对人类健康产生极大的危害，当前状况下发展煤的清洁、高效利用技术对我国的可持续性发展战略具有重要的意义，分相气化燃烧煤粉锅炉技术在工业锅炉领域实现了煤炭的清洁、高效利用。

关键词：煤炭清洁、高效利用；煤粉工业锅炉

前言

我国一次能源消费结构中，煤炭占比约56%，富煤、贫油、少气的能源结构，使得煤在我国能源结构中的占比始终处于高位。

据统计我国在用燃煤工业锅炉达46.7万台，总容量达178万蒸吨，年消耗原煤约7亿吨，占全国煤炭消耗总量的18%以上。我国燃煤工业锅炉整体能效水平较低，具有较大的节能潜力。同时，燃煤工业锅炉污染物排放强度较大，是重要污染源，年排放烟尘、二氧化硫、氮氧化物分别约占全国排放总量的33%、27%、9%。我国出现的大范围、长时间严重雾霾天气，与燃煤工业锅炉区域高强度、低空排放的特点密切相关。煤炭的清洁高效利用技术成为能源领域应该发展的重要技术，工业领域的煤炭清洁高效利用技术的发展尤为重要。

煤粉工业锅炉简介

高效煤粉工业锅炉，是将煤研磨至200目细度的煤粉，通过管道将煤粉输送至燃烧器，经燃烧器将煤粉引燃后，送至炉膛内进行燃烧的一种锅炉设备，其目前已经在工业锅炉领域中进行了大规模的应用。

煤粉工业锅炉相比于传统的燃煤锅炉具有节能效果显著、污染物排放控制水平高、工作环境友好、操控简单和运行成本低等特点。新型高效煤粉工业锅炉的燃烧率达98%以上，锅炉的热效率达90%以上，采用新型高效煤粉工业锅炉技术比使用普通燃煤锅炉技术，可节约燃料20%以上，污染物排放满足国家最新的超净排放标准。

分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术原理

“分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术”是一种低温燃烧技术，其理论基础是基于煤粉的燃烧特性、温度场控制及炉内高浓度一氧化碳催化还原一氧化氮过程。煤粉颗粒的燃烧过程较为复杂，通常包含如下反应过程：

挥发份释放及燃烧约占总燃烧时间的十分之一，燃烧过程绝大部分时间为焦炭的燃烧。焦炭燃烧的反应大致分为几个串联环节：1、氧气扩散到焦炭表面；2、氧气被碳表面吸附；3、在焦炭表面化学反应；4、燃烧产物由焦炭表面解吸/脱附；5、二氧化碳向周围扩散；碳反应总体速度为1或3中较慢者所控制。

当温度约在800-1100℃时候，煤粉中焦炭与氧气的反应可分为两步反应。如反应式（1）所示，反应第一步形成碳氧络合物，即被焦炭所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧络合物。第二步是碳氧络合物的离解，即在高能量氧分子撞击下，炭氧络合物发生离解生成一氧化碳和二氧化碳（反应式2）。在缺氧状态下反应（3）受到抑制，因而在锅炉系统中会产生大量的一氧化碳。理论上，在合适的温度区间及缺氧状态下，一氧化碳的体积分数最大可达到10%。

3C+2O2→C3O4   ··········（1）

C3O4+C+O2→2CO2+2CO  ·······（2）

2CO+O2→2CO2  ··········（3）

从能量释放的角度看，通过调节氧气配比方式，在缺氧状态下，热能释放的可调节范围为焦炭完全燃烧时释放热量的35%。

 C+1/2O2→CO+115.7kJ/mol  ·····（4）

C+O2→CO2+393.8kJ/mol  ······（5）

CO+1/2O2→CO2+283.3kJ/mol ·····（6）[1]

炉内温度的高低一方面取决于燃料带入的热量和烟气的放热特性，另一方面则取决于炉内受热面的吸热情况（体现为炉膛出口烟温的高低）。正确调节炉内温度及其分布可以保证煤粉的正常着火、燃烧和燃烬，有效防止炉内煤粉结焦。在炉内温度的控制上，通过炉型设计及优化配风方式避免炉内的局部形成高温区域，从而避免热力型NO大量释放。

“分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术”通过调节煤粉燃烧过程中热量的释放来避免局部高温的形成。煤粉分相气化燃烧原理的核心是实现煤粉颗粒的可控分步燃烧，由传统的一步法变为两步法燃烧。通过在炉膛内部营造气化燃烧区和气相燃烬区实现煤粉的分控燃烧。

在气化燃烧区，固相碳在欠氧条件下燃烧转换为气相的一氧化碳，放出部分热量；由第一步燃烧产生的一氧化碳随气流进入到燃烬区后，在控氧情况下燃烬并释放出剩余热量。

分相气化过程是通过分级配风来实现的，分别为:一次风、二次风、循环风、三次风。其中一次风的作用主要是输送煤粉通过燃烧器送入炉膛，并能供给煤粉中的挥发分着火燃烧所需的氧气。二次风的作用是供给燃料气化燃烧所需的氧量，并能使空气和燃料充分混合，三次风是燃烬风将气相一氧化碳完全燃烬，循环风主要是抽取一部分锅炉排放的低温烟气送入到炉膛中，通过调整循环风量来控制燃烧速度及燃烧温度。

本技术在气化燃烧区采用欠氧燃烧方式，营造出具有一氧化碳的还原性气氛，抑制氮氧化物的生成；另外，煤粉气化燃烧，热量分布释放，使主燃区域炉温得以控制在950℃左右，加之欠氧燃烧造成的炉内氧气浓度较低，进一步抑制了热力型氮氧化物的生成。通过实际工程检验，分相气化燃烧方式能够显著抑制氮氧化物的生成，极大程度地降低氮氧化物原始生产量。

分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术应用

“分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术” 于2015年首次应用在河北省燕郊镇某热源厂的四台58MW煤粉锅炉上，目前已经稳定运行了六个采暖期，取得良好的运行效果。锅炉通过第三方的能效定型测试和污染物排放检测，结果显示锅炉具备连续稳定运行的能力，锅炉效率达到92.68%，污染物排放指标氮氧化物排放值为26mg/m3（原始排放值为87mg/m3）、二氧化硫排放低于仪器检测下限、粉尘排放为2.55mg/m3。根据对运行过程中追踪检测显示，灰渣含碳量均值低于0.6%，其燃烬率超过99.9%。

综合各项指标，“分相气化燃烧煤粉工业锅炉技术”已经达到国领先水平，在工业锅炉领域实现了煤的清洁、高效利用。

3 结语

在我国特有的能源结构以及当前能源供应形势下，经过煤改气、煤改电等技术改造替代路线的多次反复对比实践，清洁煤技术路线也得到政策的逐步认同。随着高效节能环保煤粉工业锅炉系统在全国范围内越来越普遍的应用，其技术优势和应用价值将不断得到体现，并可以承担起我国燃煤锅炉大气环境污染治理及老旧锅炉改造这一系统工程的主要任务，也是实现“双碳”战略目标的手段之一。

参考文献

[1] 林宗虎，徐通模. 锅炉实用手册（第二版）[M]. 北京：化学工业出版社，2009年