兰炭燃烧特性及燃兰炭锅炉设计分析

陈 曦

（上海兴海陆锅炉有限公司，上海 200060）

燃煤会产生粉尘、致癌物有机碳、致霾物元素碳等污染环境的物质。工业用煤和民用煤炭的粉尘排放是造成雾霾的主要原因之一［1］。然而，受到我国能源结构制约，目前不可能大量供应除煤炭以外的化石燃料。2017年冬季，由于气源供应不足，北方取暖普遍受到影响。因此，在无法改变能源供应状况的情况下，只能寻求煤炭洁净利用的方法。将煤炭进行洁净化处理，在原产地集中清除可能造成环境污染的各类物质，对外提供不造成污染的清洁能源，并确保煤炭使用地的环境不受或少受污染。

在原产地将煤经低温干馏热解后，再经脱水、干馏、裂解等一系列反应，去除大部分灰分、水分、活性硫等，产生兰炭、煤焦油和焦炉煤气，使处理后的固体物成为热值高、有害物质少、灰分少、比电阻高、表面空隙率高的洁净能源，避免造成使用地的环境污染。处理后的煤炭固体物因其表面呈兰黑色，燃烧时火焰也呈蓝色，故称兰炭。

各级政府逐渐认识到兰炭在大气污染防治中的重要性，纷纷出台政策鼓励使用兰炭替代原煤。国家也支持原煤兰炭化，为了规范兰炭的生产和质量，国家出台了一系列有关兰炭制作、质量控制等的技术规范［2-3］。目前，兰炭的主要产地在陕西省榆林地区，其生产的兰炭基本上符合国家和地方标准的质量要求。兰炭的低位发热值在24.5 MJ·kg−1以上，固定炭的质量分数在85%以上，水分、灰分、硫分的含量都很低，燃料品质已接近燃油。唯一不足是由于干馏热解后，挥发分较低，着火相对困难。

将煤制作成兰炭，需要投入相当的设备，包括密闭的干馏炭化炉、回收兰炭成品的物理显热的余热锅炉等。由于兰炭成品的显热温度为500～600 ℃，从热量利用的角度来看，需要进行干法熄焦并配置相应的余热回收装置，将兰炭最终温度控制在250 ℃以下。2017年，本公司为陕西榆林地区某企业提供一台以神木兰炭为燃料的58 MW热水锅炉。为此，本文对神木兰炭的燃料特性等进行了系列研究。

1 兰炭的燃料特性

1.1 神木兰炭的燃料品质

神木兰炭与原煤的元素分析和燃料特性［4］比较分别如表1、2所示。

表1 神木兰炭与原煤的元素分析Tab. 1 Ultimate analysis of Shenmu blue-coke and its original coal

表2 神木兰炭与原煤的燃料特性Tab. 2 Fuel properties of Shenmu blue-coke and its original coal

从表1、2中可以看出，神木兰炭的发热值虽然比神木原煤的低，但是总体热值仍然很高，不会影响正常燃烧。而灰分和含硫量都低于神木烟煤，挥发分虽然只有12.38%，但着火和燃烧不存在任何问题。

由于兰炭比表面积是原煤的2倍，兰炭燃烧、燃尽更加容易。因为燃料的燃烧是一个复杂的物理化学过程，这些过程都是在燃料表面和空隙中进行，空隙率增大使燃料的可燃质与空气的接触面增大，热转化过程更加迅速、便捷。

兰炭的低位发热量与无烟煤的相当，但高于贫煤。兰炭的挥发分与无烟煤和贫煤的接近，兰炭的着火温度为526 ℃，无烟煤的着火温度为1 000 ℃，因此，兰炭比无烟煤、贫煤更易燃。此外，兰炭的残炭率是无烟煤的1/10，说明由于其比表面积增大、空隙率提高，兰炭的燃尽率更高［5］。

试验研究［6］表明，兰炭的着火性能和燃尽性能明显优于无烟煤，低于原煤，而结渣性能、灰熔融性与原煤没有明显变化。

1.2 兰炭燃烧后的排放物

由于兰炭的比表面积增大，在燃烧过程中兰炭自脱硫反应更易发生，更有利于N与其他自身含有的氧化物发生反应，在一定程度上减少了SO2和NOx的排放。同时，由于兰炭表面空隙率增大，燃烧后的灰渣可以吸附更多的SO2和NOx［7］，加上兰炭本身硫、氮含量很少，因此燃烧后有害物质的排放量明显减少。

由于兰炭的含灰量很少，烟尘的排放量也明显减少。据统计［8］，每燃烧1 t兰炭，可以减少向大气中排放CO21.106 kg、SO26.1 kg、NOx5.1 kg。

2 兰炭锅炉设计

2.1 锅炉基本参数

根据有关热力标准［9］计算得出的锅炉设计数据如表3所示。燃烧方式为层燃，适用燃料为兰炭。

表3 58 MW 燃兰炭热水锅炉设计数据Tab. 3 Design data of 58 MW blue-coke fired boiler

2.2 锅炉结构描述

本文以燃兰炭热水锅炉为例，采用型号为DHL58−1.6/130/70−LT的角管式热水锅炉。锅炉炉膛布置示意图如图1所示。该锅炉结构为外置式单锅筒横向布置，炉膛及尾部均采用全封闭膜式水冷壁结构，四周拐角处布置有下降管，无钢架，整台锅炉由下降管及膜式壁支撑。锅炉炉膛中燃烧后的烟气经尾部旗面管引出。锅炉下部加煤机采用重型鳞片式链条炉排，传动采用无级变速齿轮箱驱动，结构紧凑，密封性好。

图1 燃兰炭锅炉炉膛布置示意图Fig. 1 Layout of blue-coke fired boiler furnace

2.3 锅炉设计特点

2.3.1 炉膛构造

由于兰炭的燃烧特性与无烟煤基本相近，因此，该锅炉采用接近绝热炉膛来确保炉内温度足够高。因此，采用前拱高而长、后拱低而平，前后拱的覆盖率大于100%，而炉膛燃烧区域的前后、两侧水冷壁砌筑耐火混凝土使炉膛成为一个相对密闭的燃烧室。这样，高温烟气由后拱引导冲刷前拱，加强前拱的蓄热，加速入炉兰炭的着火和快速稳定燃烧。然后，高温烟气进入炉膛上部的辐射区。

2.3.2 燃烧送风方式

有些厂家采用多风机不同风压对兰炭各燃烧阶段进行配风，笔者认为不同风压的配风在炉膛内会相互挤压，造成炉内气流紊乱，不利于建立合理的炉内空气动力场。因此，本文仍采用等压大风仓的送风形式，兰炭燃烧各阶段需要的风量由调风档板调配。这样，燃烧产生的高温烟气可以顺畅地冲刷前拱，有利于炉膛内的平衡通风。

2.3.3 燃烧装置

由于炉膛的温度较高，因此高温接触面的材料应选用耐热铸铁。

2.3.4 烟气速度选择

由于燃料含灰渣量较小，在对流换热阶段可以选取较高的烟气速度。通常在燃煤锅炉的对流段烟速取为6 m·s−1左右，在兰炭锅炉中可以取为 8～10 m·s−1。

2.3.5 与原煤锅炉比较

燃神木兰炭锅炉比燃原煤锅炉在结构上要紧凑得多，炉膛宽度、高度以及对流受热面积都小，耗钢量至少减少10%。

3 将燃煤锅炉改造为燃兰炭锅炉的方法

我国北方地区有很多燃煤锅炉用于冬季采暖，也有不少工业用的燃煤蒸汽锅炉。这些锅炉都可以改造成燃兰炭锅炉，改造的方法也很简单，主要有：（1）局部更换前后水冷壁，使之提高燃煤锅炉炉膛的绝热能力和密封性能，大幅提高前拱的覆盖率和后拱的前伸角度，便于兰炭入炉后快速着火、完全燃烧和燃尽；（2）建立密封性能良好的等压风仓。

对燃用无烟煤或贫煤的锅炉进行兰炭化改造更加简单，仅需提高锅炉炉膛的密封性能。通过改造，除了可以改善锅炉使用地的环境外，锅炉的出力也能得到提高。

4 结束语

（1）将兰炭作为原煤的替代品可实现煤炭的清洁利用，是防治大气污染、治理雾霾的重要举措。可以通过简单的方法将燃煤锅炉改造成燃兰炭锅炉。

（2）应重点研究兰炭的生产工艺，注重兰炭生产地的污染治理，避免恶化兰炭生产地的生态环境。

（3）本文仅对本公司生产的以神木兰炭为燃料的热水锅炉进行了锅炉设计和专项研究，研究结果存在一定的局限性。建议对各种兰炭的燃烧特性作深入研究，以便更加有效地推广煤炭清洁利用技术。