燃煤锅炉清洁燃烧技术的研究与探讨？
一.前言
众所周知，能源消耗是环境恶化的一个主要原因，特别是在直接以煤作为能源燃烧的过程中，存在效率低和污染严重的问题。统计显示，我国每年排入大气的污染物中，80%是煤烟，87%是SO2，67%是氮氧化合物，这些污染物都来自燃煤。中国的空气污染主要是锅炉和窑炉燃煤产生的烟气造成的煤烟型污染。目前，中国的能源仍以煤炭为主。改变能源结构，使用油气电等清洁能源，不适合中国国情。在未来很长一段时间内，煤炭在我国一次能源结构中的主体地位不会改变，这已成为不争的现实。因此，大力发展和应用洁净煤燃烧技术和设备是解决和控制大气污染的重要措施。
近年来，人们对洁净煤燃烧技术做了大量的研究和实践，但综合效果仍有待提高。在多年总结、借鉴、完善和发展国内外相关技术的基础上，我们对原料煤气化和分相燃烧技术做了大量的研究。通过近几年的大量试验和工作实践，我们解决了十余项技术难题，掌握了一项锅炉清洁燃烧技术——煤气化分相燃烧技术，并利用该技术开发了将煤转化为煤气的一体化锅炉，我们称之为煤气化分相燃烧锅炉。其突出特点是不需要炉外除尘系统，通过炉内全新的燃烧、气固分离、换热机制实现“炉内消烟除尘”，使其烟气无色——俗称无烟。烟尘、SO2、NOX排放浓度符合国家环保标准要求，热效率高达80 ~ 85%。该锅炉根据气固分相燃烧理论，集互补控制技术和气固分相燃烧技术于一炉，集煤气化和燃烧于一体，实现了原煤的连续燃烧和清洁燃烧。
二、煤气化分相燃烧技术
烟尘的主要污染物是炭黑，是不完全燃烧的产物。黑烟形成的主要原因是煤燃烧过程中形成可燃轻烃、难熔重烃和游离碳颗粒。这些难分解的重碳氢化合物和游离碳颗粒随烟气排出，可以看到浓浓的黑烟。
一般来说，煤的燃烧属于多相混合燃烧。燃烧过程中挥发分从煤中析出，制约了煤焦的燃烧，使得固体碳的燃烧过程复杂而困难。固体燃料氧化反应中的副反应，即一氧化碳和二氧化碳的生成、一氧化碳的氧化反应和二氧化碳的还原反应，不利于固体碳和天然矿物煤的燃烧，气固相分离燃烧可以有效解决上述问题。
气固分相燃烧是将固体燃料在同一装置中分解为气相燃料和固相燃料，并根据各自的燃烧特性和相应的燃烧方式，使它们在同一装置中以相关的方式燃烧，相互依赖，相互促进，从而达到完全燃烧或接近完全燃烧的目的。
根据气固分相燃烧理论，将煤气化和气固分相燃烧结合起来。以煤为原料，以空气和水蒸汽为气化剂，先将易产生黑烟的可燃挥发物中的烃类在低温下温和气化成气体，然后与脱除挥发物的煤焦一起在燃烧室中燃烧。这样，在同一个燃烧室内，气体燃料和固体燃料按照各自的燃烧规律和特性分别燃烧，相互依赖，相互促进，从而消除黑烟，提高燃烧效率。在整个燃烧过程中，有利于减少氮氧化物和二氧化硫的生成，从而达到清洁燃烧和提高锅炉热效率的双重效果。
煤气化和分相燃烧技术在锅炉中的应用，使固体燃料的干燥、干馏和气化，以及由此产生的气相气体和固相煤焦在同一锅炉中同时燃烧。该锅炉在结构上实现了两个一体化，即煤气发生炉与分层锅炉的一体化，分层锅炉与除尘器的一体化，因此无需另设煤气发生炉即可实现煤的气化和燃烧；炉外无除尘器，烟尘可在炉内消除，锅炉排出的烟气无色。燃烧机理如图1所示。双点划线框表示固体煤和煤焦的燃烧过程，单点划线框表示气体的燃烧过程，实线框表示煤的干馏过程，虚线框表示煤焦的气化过程。
首先，原煤在缺氧条件下在气化室中燃烧、气化和热解。煤料从顶部加入，煤层从底部点燃，自下而上形成氧化层、还原层、干馏层、干燥层的层状结构。其中，氧化层和还原层构成气化层，气化过程中的主要反应发生在这里。气化剂主要是空气，从气化室底部进入，使底部的煤层氧化燃烧，产生的喷吹空气含有一定量的一氧化碳。这种高温鼓风气流通过干馏层，对煤进行干燥、预热和干燥。煤从气化室的上部加入。随着煤下降吸热，低温干馏过程缓慢进行，挥发物逐渐析出，形成干馏气。其成分主要是煤中的水、轻油和挥发分。
原煤干馏后，热煤焦进入还原层，利用下层煤焦的氧化反应热进行气化反应。同时，可以注入适量的水蒸气产生水煤气反应，使空气和水蒸气的混合物作为气化剂，在气化室内与热碳反应生成气化气体。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳，固体燃料中碳和水以及产物和产物之间反应生成的氢气和甲烷，以及50%以上的氮气。这样，由干馏层产生的干馏气体与进入干馏层的气化气体混合，并从出气口排出。气化室内各层的功能和主要化学反应见表1。
表1:气化室各层的功能和主要化学反应
区域名称的作用和工作过程中的主要化学反应
气化剂分布在灰层中，气化剂被灰的显热预热。
氧化层中的碳与气化剂中的氧反应放出热量，这是还原层和C+O2=CO2吸热反应放出热量所需要的。
2C+O2=2CO放热
在还原层，CO2被还原成CO，水蒸气和碳被分解成氢气，CO2+C=2CO放出热量。
H2O+C =一氧化碳+H2放热
一氧化碳+H2O =二氧化碳+H2吸收热量。
干馏层中的煤与热气体进行热交换进行热分解，干馏气体包括水、轻油和煤中的挥发物被分离出来。
干燥层干燥煤材料。
在锅炉的气化室内，煤料自上而下加入，在气化过程中逐渐下移，而气化剂从底部进入，产生的气体从燃料层顶部通过炉排自下而上导出。该过程属于逆流过程，可以充分利用煤气显热预热气化剂，从而提高锅炉热效率，而且由于干馏煤气在高温区不发生热解，气化煤气热值也有一定程度的提高。
原煤轻度气化和低温热解产生的气体经过上部干馏层后，从气化室的出气口进入燃烧室，与充足的二次空气充分混合，在燃烧室的高温条件下自燃，并与进入燃烧室炉排的煤焦向上的火焰相交。这样，煤气和煤焦分别按照气相和固相的燃烧特性和燃烧方式在燃烧室内燃烧，相互联系，相互促进，使一氧化碳和碳烟完全燃烧，达到或接近完全燃烧。
三、煤气化分相燃烧锅炉的结构特点及应用
在锅炉发展过程中，一直关注两大问题:提高锅炉热效率和烟尘排放达标。传统锅炉基本上是通过强化燃烧和传热，提高锅炉热效率，在炉外设置除尘器来解决这两个问题。强化燃烧往往导致锅炉烟尘初始排放浓度增加，增加了除尘器的负担。在发达国家，可采用除尘效率在99%以上的静电除尘器或布袋除尘器，将烟尘排放浓度控制在50mg/Nm3以下，而我国由于经济条件限制，只能采用价格相对低廉的机械式或湿式除尘器，除尘效率一般低于95%，使得烟尘排放浓度大于100-200 mg/Nm3。这种依靠炉外除尘器解决除尘的方法，不仅增加了锅炉房的占地面积和资金投入，还增加了引风机的耗电量，造成二次污染。由于煤气化分相燃烧锅炉彻底改变了传统锅炉的燃烧原理，利用气固分相燃烧理论，将煤燃烧过程中易产生黑烟的可燃挥发份中的碳氢化合物先转化为可燃气体，然后与脱除挥发份后的煤焦一起在燃烧室内燃烧。由于燃烧室温度高达1000℃，烟气可以充分分解，解决了煤直接燃烧产生黑烟的问题。这种锅炉不仅使原煤尽可能充分燃烧和高效利用，热效率高，还尽可能减少烟尘和SO2、NOX等有害气体的排放，从而达到消烟除尘的作用，使锅炉的环保节能指标大大优于国家标准。
煤气化和分相燃烧技术在锅炉中的应用，打破了传统的在锅炉上加装除尘器的模式，开创了一种无需外置除尘器的集成模式。这种集成并不是将除尘器机械地添加到锅炉上。与普通燃气锅炉和层燃锅炉相比，煤气化分相燃烧锅炉有其独特的结构，将后两者有机地结合起来，主要由前置煤气化室、中间燃烧室和尾部对流受热面三部分组成。(见图2:锅炉结构和燃烧示意图)
气化室是锅炉的技术核心部分，看起来像一个开放式的煤气发生炉。其主要作用是:首先，煤中的可燃挥发物与煤的气化反应生成气体，以气体的形式排入燃烧室进行燃烧；二是将带有挥发分的半焦煤输送到燃烧室进一步燃烧；第三是控制气化室内的反应温度和煤焦层厚度。实现上述功能的关键是:一是保证一定的原始煤层；二是要合理配置供气量和气化剂，提高煤的气化率和气化室的气化强度；第三，煤气出口和煤焦出口应合理布置在煤气化室和燃烧室的连接处。气化室主要由炉体、进煤装置、炉排、气化剂入口、煤气出口和煤焦出口组成。
在气化室内，以煤为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下进行煤的温和气化反应，从而将煤低温热解产生的挥发分赶出煤外。当气化室内的温度达到设定条件时，气化室内脱挥发分的高温煤焦被输送到燃烧室的炉排上进行强化燃烧。
燃烧室的主要作用是:一是使煤气和煤焦充分燃烧，提高燃烧效率；二是降低初始排烟量和烟气黑度。气化室内产生的煤气通过煤气出口喷入燃烧室，并在可控二次风的扰动下向下旋转，与从气化室进入燃烧室的煤焦火焰相交混合燃烧。煤气与固定碳(煤焦)燃烧相结合，强化燃烧，达到充分燃烧和清洁燃烧的目的，提高燃烧效率。并且由于炉排上燃烧的是半焦煤焦，产生的飞灰量少，烟气浓度和烟气黑度相对较低。同时在燃烧室上方设置防爆门，保证锅炉安全运行。
对流受热面的主要作用是完成与烟气的热交换，达到锅炉的额定出力，提高锅炉的换热效率。结构形式很多，和普通锅炉差别不大，所以大部分锅炉都可以改造成煤气化分相燃烧锅炉。并且锅炉不需要除尘器，大大节省了锅炉房的总投资和占地面积。
煤气化分相燃烧锅炉设计时应注意的几个问题:
1，合理布置煤气出口和煤焦出口的位置和尺寸；
2.煤焦温度控制；
3.气化剂入口和煤入口；
4.合理设置二次风门和防爆门；
5、气化室和燃烧室水循环应合理。
从上面可以看出，煤气化分相燃烧锅炉的结构并不复杂。只是在传统锅炉的前部增加一个气化室，在原炉膛上设置二次风和防爆门，结合一些控制技术。利用这一原理可以设计各种类型的锅炉，主要是各种参数从0.2t/h到10t/h的锅炉..目前，仅在东北地区就有几十台这种类型的锅炉在运行，广泛应用于洗浴、取暖、医药卫生等领域，许多工业锅炉都采用这种技术进行了改造，效果非常好。
以一台DZL2t/h锅炉为例。改造前后对比见表2。
表2:DZL2t/h锅炉改造前后对比
改造前后对比
热效率分别高出73%、78%和5%。
耗煤量(AII)为380千克/小时356千克/小时，节煤6.3%。
煤种适应性广褐煤石煤无烟煤煤种适应性广。
锅炉外部体积为5.4×2×3.2m 5.9×2×3.2m，锅炉长度增加了一米左右。
环保性能排放黑烟，环保不达标排放烟气无色，符合环保要求。
新型锅炉综合应用现代高科技、高效传热技术，将煤气发生炉和层燃锅炉有机地结合为一体，实现清洁燃烧，并能自行消除锅炉内的烟尘。锅炉运行过程中，烟气无色，烟气浓度≤ 100 mg/nm3，比传统锅炉降低30-50%，SO2浓度≤ 1200。氮氧化合物小于400 mg/nm3，符合国家环境保护标准GB13271-2001中I类地区要求，热效率在82%以上。成本只比传统锅炉高不到一万元，却省了一个除尘器。每小时给煤次数仅为2 ~ 3次，并可实现机械化给煤和排渣，大大降低了消防员的劳动强度。
四、煤气化分相燃烧锅炉的特点
传统的燃煤方式在燃煤过程中会产生大量的污染物，造成严重的环境污染。主要原因是:
(1)煤不易与氧气充分接触形成不完全燃烧，燃烧效率低，相对增加了污染排放；
(2)燃烧过程不易控制。比如大量挥发物析出时，往往供氧不足，导致烟雾析出，冒黑烟；
(3)固体燃料燃烧时温度难以均匀，形成局部高温区，促进大量氮氧化合物的形成；
(4)原煤中大部分硫被氧化成SO2燃烧期间；
(5)未经处理的固体煤直接燃烧时，会有大量粉尘随烟气排出，造成大量粉尘污染。
煤气化分相燃烧锅炉集煤气化和气固分相燃烧于一体，有效解决了环境污染问题。与传统的燃煤锅炉相比，它具有以下优点:
1，烟尘浓度和烟气黑度低，环保性能好。
气化层产生的气化气体和干馏层产生的干馏气体最终混合在一起，并在燃烧室内与二次空气充分混合。因为是气态燃料，供氧充足，容易实现完全燃烧，使一氧化碳和碳烟燃尽。而从气化室进入燃烧室的热煤焦被分离出来，避免了挥发分对固定碳燃烧的不利影响。剩余的挥发物在煤焦内部被进一步氧化，产生的可燃物质如一氧化碳和煤烟在通过煤焦层表面时被燃尽。此外，煤焦燃烧时产生的飞灰量少，锅炉采用了除尘技术，从根本上消除了“炭黑”，高效去除了烟气中的飞灰。
2、节能，热效率高。
煤在燃烧前在气化室内充分气化和热解，不仅避免了挥发物、一氧化碳、二氧化碳等的不利影响。对煤焦的燃烧，而且从气化室进入燃烧室的热气更容易燃烧，对煤焦的燃烧有一定的促进作用。进入燃烧室的热煤焦除去了大部分挥发分，不仅温度高，而且内部有孔隙，可以增强内外扩散氧化反应，起到强化煤焦燃烧的作用，从而使一氧化碳和炭黑在降低过量空气系数的情况下燃尽，燃烧更充分，从而减少化学和机械不完全燃烧的热损失，提高煤的燃烧热效率，比直接燃煤节煤5-10。
3、氮氧化物排放低。
在气化室中，煤层从下部被点燃并在下部燃烧。气化室内的温度一般比较低，属于低温燃烧。而且气化室内的过量空气系数很小，约为0.7-1.0，属于低氧燃烧。这为减少氮氧化物的排放提供了有利条件。煤中有机氮的化学剂量较小，且处于还原性气氛中，仅转化为不参与燃烧的无毒氮分子。煤中所含的氮氧化物，一部分在煤层半焦的催化下反应生成氮气、水蒸气和一氧化碳，一部分在通过上部还原层时被还原成氮气。而在气化室中脱除了大部分挥发份的高温煤焦进入燃烧室后会得到充分的供氧和强化燃烧，其中剩余的少量挥发份会在半焦中被进一步热解和氧化，煤焦中的氮氧化物会被进一步还原，产生的烟灰可燃物在经过焦层表面时会被燃尽，从而控制和减少氮氧化物的产生和排放。
4、具有一定的脱硫效果。
煤中的硫主要以无机硫(FeS2和硫酸盐)和有机硫的形式存在，而硫酸盐几乎全部残留在灰渣中，不会造成煤炭污染。在煤气化分相燃烧锅炉中，FeS2与煤中的有机硫在气化室内发生热分解反应，并与煤气中的氢气发生还原反应，从而将煤中的硫脱除，并以硫化氢气体的形式释放出来。而且在气化室的下部，温度一般在800℃左右，这正好是脱硫剂发挥作用的最佳反应温度。如果燃烧含硫量高的煤，只需在破碎的煤颗粒中加入适量的石灰石或白云石，就能获得良好的脱硫效果，从而大大降低烟气中的二氧化硫含量。
5、操作控制简单。
气体在同一设备的两个装置中产生和燃烧，不需要设置单独的气体点火装置。燃气由燃烧室内的高温明火自动点燃，易于操作和控制，简化了操作管理，操作方便，降低了消防人员的劳动强度，改善了锅炉房的卫生条件，实现了文明生产。
6.燃烧稳定，煤种适应性强。
煤在锅炉气化室的下部被点燃，所以燃烧稳定。可燃劣质煤矿和燃点高的煤，煤种适应性强，适用于耐火区或中等结渣范围的煤。其中，褐煤、长焰煤、未粘结或弱粘结烟煤和小球形型煤是理想的燃料。
动词 （verb的缩写）结论
实践证明，新的燃烧理论和由多项专利组成的集成技术保证了煤气化分相燃烧锅炉高效环保的稳定性和先进性，克服了旧技术无法解决的浪费和污染问题，取得了明显的经济效益和环境效益，受到了用户的青睐。中国有丰富的煤炭资源。随着能源政策和环境要求越来越高，煤气化分相燃烧锅炉在中国有着非常广阔的市场前景。