燃煤气化型的有机热载体炉结构设计开发

汪琦，俞红啸，张慧芬，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心  上海  200042）

摘  要：分析了燃煤气化型有机热载体炉的气化过程和结构型式，研究了手动型和连续型的常压式燃煤气化炉的主要构件，讨论了燃煤气化型有机导热载体炉体内的辐射室与对流室的设计方法，给出了安全保护措施和余热回收利用。

关键词：燃煤气化；有机热载体炉；结构型式；设计方法；安全保护措施；余热回收利用

一、 前言

锅炉作为一种能源转化装置，在提供能源的同时也是在大量的消耗能源，同时也是重要的大气污染源。工业生产上的燃煤会导致各种污染排放物进入大气环境中，这些污染物可分为以下四种：

（一）颗粒：飞灰，碳（煤焦或煤烟）；

（二）气体：SO2，SO3，NOX，CO；

（三）有机物：碳氢化合物，POM（多环有机物质）；

（四） 微量元素。

这些污染物主要来源于工业生产中，而前三者主要来源于燃煤或燃油的工业锅炉和电站锅炉。所以，为了减少燃煤对大气环境的污染，提高煤炭的利用率，必须大力发展燃煤气化型有机热载体炉的新技术和新装备。

该项技术和装备是采用低温、常压气化方法，以煤为气化原料，以空气和水为气化剂，采用了双钟罩加煤，湿式自动除渣，将粒度不同的原煤加入不同规格的煤气发生炉中，再经过氧化、还原反应，产生出热煤气直接经过燃烧器喷嘴喷入燃气有机热载体炉中燃烧，加热有机热载体进行循环供热，并将热量传递给工业用热设备，从而解决了有机热载体炉的直接燃烧煤炭给大气造成的环境污染，随着国家“双碳”目标的实施，有机热载体炉绿色低碳高质量发展的重要性也日益显现，燃煤气化型有机热载体炉的使用企业也会越来越多，因此需要对其结构进行设计研究开发。

二、燃煤常压气化炉的主要构件设计准则

燃煤气化炉通常是由加料装置、炉体和排渣装置等主要构件组成，整个气化炉内的料层自下而上可以大致分为灰渣层、氧化层、还原层、干馏层和干燥层。燃煤气化炉的气化过程是煤炭原料从炉子上方投入炉内，全部燃料层由炉箅托住，气化剂从炉箅下方进入，经过炉箅均匀分配，与煤炭燃料层相互接触而发生气化反应。生成的煤气从燃料层上方引出，残留的灰渣是通过炉箅下方排出。

气固两相逆流操作的煤气发生炉可充分利用灰渣的热量来将气化剂预热，还可以充分利用从气化层上面升出的煤气显热来加热煤炭燃料，使煤炭燃料干燥和热解，从而可以提高炉子的热效率，并且煤炭原料中的挥发分不会经过高温裂解，进而使煤气的发热量增高。实际上排出气化炉的煤气中包含了CO、H2、CO2、N2、CH4、C2H4、H2S、H2O、NOx和煤焦油等。为了保障安全高效地气化过程需要考虑以下几个设计准则：

（一）连续加料和排渣

为了保持气化操作的稳定性，一般燃煤气化炉通常是采用连续加料和排渣装置，这样就保证了炉内气化温度的稳定，不至于出现不稳定或周期性的波动；而生产中排渣速度连续调控环境加上气化剂送入量大小的配合，可以适当调整气化炉的气化能力，影响气化过程。

（二）入炉煤均匀分布

气化炉内的入炉煤分布装置称为均布伞，其采用了360°的连续转动，使得来自气化炉上部中央加料装置的气化原料均匀分布在气化炉内的料层上，从而保证了料层高度的一致性，这样就避免了气流向上运动的不均匀性，平衡了炉内的温度，稳定气化操作条件。

（三）炉内煤可及时破粘

当气化弱粘结烟煤时，煤在干馏层有一定的粘结性，这种粘结会破坏煤料正常的向下运动。故在气化弱粘结烟煤的气化炉内部中央设置搅动棒，并在上部干馏层处配置搅拌耙，这样就能及时破除煤的粘结，从而顺畅了煤料向下运动的动力，确保安全气化操作。

（四）炉栅均匀气化剂

气化剂通常采用空气和水蒸气，当气化剂从燃煤气化炉底部进入炉内时，炉栅的栅格缝隙和炉栅的顶部小风帽会均匀地将气化剂分配到灰渣层各处，气化剂先与灰渣热交换，而后进入氧化层。所以，平均分配好氧化剂是关系到炉内气化的均衡性，是气化过程中极为重要的影响因素。

三、燃煤常压气化型有机热载体炉的主要结构设计方法

燃煤常压气化炉通常可分为以下几个主要构件：加煤装置、炉体、有机热载体流动螺旋夹套、炉栅和排灰装置。

（一）加煤装置

加煤装置有连续性和非连续型两种方式，其中连续加煤方式是双滚筒的结构形式，而非连续型加煤方式则是双钟罩的结构形式，以及落料管上部中间煤仓圆盘阀连锁的结构形式，更为简易的非连续加煤方式是在生产过程中间隙短暂停炉、手动打开盖进行加煤的方式。

（二）炉壳和有机热载体流动螺旋夹套

炉壳和有机热载体流动螺旋夹套、破渣圈构成了燃煤常压气化炉的炉体部分，有机热载体流动螺旋夹套的主要作用是形成循环流动热载体的冷却壁，从而保护反应区的炉膛钢板，同时防止熔渣块粘附在炉壁上，影响气化进程，而在炉体夹套内的有机热载体被加热后用于循环供热系统。另外，有机热载体流动螺旋夹套也降低了炉膛内的上部煤气温度，提高了煤气质量。破渣圈设置在炉膛内侧的下部，和旋转炉箅等部件配合，形成强有力的破渣机构装置，使灰渣在挤压、碾磨下变成碎渣后顺利排除炉体外。

（三）炉栅及其排灰装置

炉栅及其排灰装置主要有旋转炉箅、排灰刀、落灰盘等组成，旋转炉箅主要的功能是支撑炉内煤料层、均匀分布气化剂、挤压破碎灰渣。炉箅一般是呈塔型，安装在灰盘上，圆锥塔型的炉箅安装中心是偏心的。这样当炉箅旋转时对炉底灰渣层有松落、挤压作用，加上炉箅上的突条，能很好地将炉渣破碎排出。落灰盘承接炉箅排下来的灰渣，湿式落灰盘还构成了良好的水封体系，从而保证固定炉体和旋转炉箅之间的密封。

四、燃煤常压气化型有机热载体炉的结构设计开发

（一）手动式燃煤常压气化型有机热载体炉的结构设计

手动式常压燃煤气化型有机热载体炉是由煤气发生室和有机热载体炉体构成，可做成外置式、内置式或下置式。煤气发生室为圆筒形结构，圆筒的外层为有机热载体流动螺旋夹套，夹套内流动的有机热载体用于冷却煤气发生室内燃烧的煤层、防止煤层的结渣。在煤气发生室的圆筒顶盖上开有一个快速开启闭合的炉门盖用于添加煤料，在圆筒下部侧壁开一个炉门用于排除灰渣。

螺旋夹套中流动的有机热载体与炉本体内的有机热载体管束连通，并采用高温循环泵强制有机热载体循环流动，煤气发生室的内部采用固定炉排，其下部为水封防爆池，空气经鼓风机通过一次风管送入炉排下部，再通过炉排进入煤层，煤料经气化成煤气后，从上部的煤气出口送到有机热载体炉内的煤气燃烧室中点火燃烧用于加热有机热载体，并向循环供热系统供给热量。

手动式燃煤常压气化炉通常是采用一次添加煤料，周期运行，因这种简易式煤气发生室具有较强的周期性，需要设计安置两台煤气发生室共同供应一台有机热载体炉，以稳定有机热载体炉的供热负荷。手动式燃煤常压气化型有机热载体炉的结构简单、价格较低、操作容易，能有效地解决消烟除尘问题，炉子热效率一般大于65%。

（二）连续式燃煤常压气化型有机热载体炉的结构设计

连续式燃煤常压气化型有机热载体炉的煤气发生室设置双滚筒式机械加煤装置，通过计量给煤器和镇流器两个滚筒的旋转，加上蒸汽的气封，保证气化用煤的连续加料，而煤气发生室炉膛内煤气又不发生外逸。燃煤常压气化炉通常配备破粘搅拌机构，能气化弱粘结性煤，搅拌耙通常是由电动机通过蜗轮、蜗杆等搅拌机传动机构带动。

搅拌耙根据受力，可以在煤料层上部区间上下移动一定距离，同时为了防止搅拌耙烧坏，在蜗杆内部通入循环水冷却。另外，在煤气发生室的顶盖上设置4个观测探火孔，用于测量炉膛内的温度、压力，以及检查气化层的分布情况，同时也可实施人工捣炉操作。

煤气发生室为圆筒形结构，圆筒的外层为有机热载体流动螺旋夹套，夹套内流动的有机热载体用于冷却圆筒钢板，因为煤气发生室下半部分正处在还原区和氧化区，温度较高，其中氧化区的温度可达到1500℃。在煤气发生炉底部设置均匀布风的旋转炉箅、炉盘传动机构、破渣装置和水封等部件。

旋转炉箅的作用是支撑煤料、分配气化介质、松动煤层和排除煤渣，通常旋转炉箅是支撑在转动的灰盘上，一般煤气发生炉的圆筒侧壁是固定不动的，而底部的落灰盘是转动的，落灰盘中的水封起着密封煤气和保持炉内压力的作用。落灰盘底部连接大齿轮，由电动机、减速器、涡轮、涡杆带动，亦可由液压传动。

大齿轮与地基基础之间为滚珠或者滚柱支撑，以减少转动摩擦阻力。煤气化使用的气化剂从最下面的炉底气化剂进口进入煤气发生室内，并由旋转炉箅均匀分布后上升到煤料层中。炉底气化剂的鼓风压力影响气化强度，而风压的高低又受到水封高度的影响。

连续式煤气发生炉的重要组件是旋转炉箅，炉箅上部为偏心的锥顶，下部为底座，锥顶中部为鱼鳞状炉条叠落而成，中心加帽盖，炉条缝隙通入气化剂。炉箅锥体外圈是不透气8条均匀布置的犁刀，炉箅转动时，灰渣沿肋条顺利下滑而排渣。炉箅锥体支座沿外侧均匀布置3个破渣凸块，炉箅转动时与炉裙内壁坚硬的破渣圈配合进行破渣。炉裙外侧固定连接一个犁形刮灰刀，当落灰盘带动落入水中的灰渣旋转时，灰渣受到刮灰刀的阻挡而沿着其倾斜板面向上排出落灰盘外。

（三）有机热载体炉体内辐射室和对流室的结构设计

煤气发生炉与有机热载体炉体采用分离型的结构设计，炉子的气化室和对流室是单独分开的[1]。煤气发生炉为圆筒形结构，圆筒气化燃烧室的外层为有机热载体流动螺旋夹套，夹套内流动的有机热载体吸收热量，在煤气发生炉的炉箅上煤料经气化成高温煤气，从上部的煤气出口全部进入到有机热载体炉体中的煤气燃烧室内点火并燃烧后用于加热有机热载体，再向循环供热系统供给热量。

由于炉子在辐射室内布置了炉管吸收热量，所以，炉膛内的温度不高，当辐射室炉温下降至烟灰熔点以下，使得已熔化的烟灰凝结下来，这样烟灰不仅不会粘在炉膛内，也不会进入到对流室内粘结在炉管上。同时气化后的煤气内含尘量，在进入对流室之前已经大幅度降低，从而使得炉管外表面较为干净，进而提高了炉管的传热效率。

燃煤常压气化型有机热载体炉体的对流室一般是位于辐射室的烟气后部，小型炉体的对流室为圆筒形，其炉管排列为盘管形；大型炉体的对流室为方形或长方形，其炉管排列为横排型结构[2]。设计对流室的尺寸一般是：长度大于高度，高度大于宽度。在辐射室的有机热载体出口接管位置留出相应的对流室侧面进出口接管位置。设计时应尽可能加长对流管的直边长度，这样就可以减少180°弯头和焊接工作量，降低有机热载体循环泵的压降，从而可节省电费。

在设计对流室时，为了减少烟气沿炉壁短路，应设置折流板；但当每排对流管超过8根炉管时，因为短路烟气所占的比例较少，可以不设置折流板。设计时为了提高传热效果，对流管可以采用翅片管，以便扩大对流管的传热面积，提高炉管的表面热强度，从而降低了对流室的高度。

在设计有机热载体炉体中的辐射室和对流室时，应考虑支撑炉管的管架，通常有承重的管架和只控制炉管移动与变形的管架，因为都要承受高温，故要和炉管一样考虑其强度和各种化学稳定性问题。管架一般分为水平管架和垂直管架。水平管架为托架或刀形架，用螺栓安装在炉体框架上，以便支撑炉管。炉顶管通常是较多采用锚形的吊架。

垂直管架分为上挂式和下坐式两种，其中上挂式是将炉管悬挂起来，下端为自由端，并装有导向件，受热后向下膨胀。所以，如果仅考虑对炉管本身的影响，采用上挂式较好；但是，上挂式使炉体重心上移，降低了整体的稳定性。而下坐式是将弯曲炉管坐于炉底耐火混凝土的衬里内或支撑在圈梁上，上端有导向件，可以向上自由膨胀，这种结构形式较为简单；但是，在管壁温度很高的情况下，炉管刚度不够时，将会产生弯曲变形。

五、安全保护措施和余热回收利用

燃煤气化型有机热载体炉的炉膛灭火装置可以按照TSG G0001-2013《锅炉安全技术监察规程》11.3.6.2条中明确规定的要求执行，直接承受火焰加热炉的炉膛中发生有机热载体泄漏，肯定会引发炉膛的火灾事故，甚至会导致炉膛发生爆炸。所以，在不能确保炉膛内有机热载体不会发生泄漏的条件下，应该在炉膛内设置一个惰性气体灭火装置，并且配置一个适当的惰性气体供应系统，从而可以在炉膛内发生了有机热载体泄漏的情况下，能够有效地阻止火灾的扩大和炉膛爆炸事故的发生，进而起到灭火防爆的作用和降低安全事故的危害程度。

燃煤气化炉的出炉煤气中存在的煤焦油是一种高芳香烃的碳氢化合物组成的复杂混合物，绝大部分为带侧链或不带侧链的多环、稠环化合物和含氧、硫、氮的杂环化合物，并含有少量脂肪烃、环烷烃和不饱和烃，还夹带有煤尘、焦尘和热解炭。由于有颗粒极细的热解炭存在，水分往往和油形成稳定的乳化液。

煤焦油的绝大多数组分熔点较高，但由于大量的单体化合物相互溶解而形成共溶混合物，使煤焦油在常温下仍呈现液体状态。煤焦油的许多组分还组成了大量多元共沸体系，给蒸馏分离带来了很大困难。高温的煤焦油甚至含有壹万多种化合物，按照化学性质煤焦油可分为中性的烃类、酸性的酚类和碱性的吡啶、喹啉类化合物。

由于出炉煤气中存在的煤焦油，就很容易跟随煤气一起进入有机热载体炉的辐射室和对流室内的耐火层和保温层，源源不断地渗透并进行燃烧，摧毁了脚钉、耐火材料和保温材料，并使炉子外壁温度显著上升，造成炉子外壳体异常发烫的事故。所以，应该考虑到出炉煤气中存在的煤焦油危害性，且需要从炉子的结构设计开发上采取有效措施，尽量延长炉子的使用寿命；并且每年炉子都要进行检修，必要时炉子需要大修，甚至更换部分损坏的构件；用户企业也可购买备用几个容易损坏的构件用于更换，从而可以极大缩短炉子的损坏修复时间。

由于生产企业的操作使用要求，燃煤气化型有机热载体炉的热载体出口温度一般都在200～320℃范围内，从而导致排烟温度较高，进而增加了炉子的散热损失，因此应该安装炉子尾部余热回收系统[3]，比如余热水箱等，可以将排烟温度降低到140℃以下，从而提高了炉子的热效率，达到节能减排的目的。

六、结束语

燃煤气化型有机热载体炉通常采用了双向连续气化燃烧原理，即一方面使煤的挥发分自上而下通过还原层到达炽热的氧化层，另一方面使未燃尽的煤粒通过自上而下的空气供氧进行燃烧。由于添入的原煤在燃烧室内形成了煤气，使燃煤烟气中的碳黑粒子充分燃烧，所以不会发生经常冒黑烟的现象。燃煤气化型有机热载体炉通常是不需要安装任何消烟、除尘、脱硫设备，经测试烟尘排放浓度＜100mg/m3，林格曼黑度为D级，SO2排放浓度＜400mg/m3。即可气化优质煤、焦碳，也可气化劣质褐煤，与直接燃烧散煤的有机热载体炉相比，热效率提高了10%～15%，鼓、引风机容量减少25%，节能效果显著。燃煤气化型有机热载体炉的燃烧方式是启动快、调整灵活，可以随时启动、停炉，操作非常方便，从而降低了司炉工的劳动强度，因此非常适合生产企业采用燃煤气化型有机热载体炉进行生产加工的需求。

将煤炭气化制成煤气，煤气燃烧再去加热循环流动的有机热载体，且供热给循环加热系统，并将热量传递给工业用热设备，这是一种洁净煤燃烧技术，它可以减少对大气环境的污染，并提高煤炭的利用率；同时，还可以避免石油能源紧张。而我国的一些工业生产仍将以煤炭为主，虽然煤炭的气化燃烧是一项非常复杂的工艺技术，但是我国的煤炭资源十分丰富，所以，研究开发燃煤气化型有机热载体炉的加热技术和新型装备，具有广泛的市场应用前景和工业发展方向。

参考文献：

[1]汪琦. 大型热载体加热炉的设计开发[J]. 化工装备技术,2002, 23(4):28-32.

[2]汪琦. 浅析导热油炉的设计[J]. 化工装备技术,2007, 28(5):49-51.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 热载体加热炉结构与节能减排措施的研究[J]. 上海节能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

作者简介：

汪琦，高级工程师，硕士，长期从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。

手  机：13311629783     13817605032

邮  箱：13817605032@163.com

地  址：上海市长宁支路237弄1号504室  上海热油炉设计开发中心