1 引言
現階段，各類型燃煤手燒工業爐、0.5～2.0t/h手燒鍋爐、茶浴爐普遍存在于我國許多 城市及人口密集地區。長期以來，由于設備陳舊、燃燒方式落后，上述設施造成的煙塵污染 問題十分嚴重。同時，總的熱能利用效率低下，能源浪費現象驚人。
國內外眾多煙塵治理技術的實踐經驗表明，工業爐、小鍋爐、茶浴爐等直接手燒燃煤設施的 根本出路在于改變燃料結構、提高技術裝備水平或改變燃燒方式，常規辦法可以包括燃油、 燃氣（天然氣）、電加熱或結構改造等。根據我國現階段的基本國情，普遍地推廣燃油、燃 氣或"燃電"在能源供應和經濟承受能力方面都存在較大難度，除少數城市或經濟發達地區外 ，以煤為主要燃料的局面將長期存在。實踐證明，依托儲量豐富的可氣化煤種資源，利用已 經成熟的移動床（也稱固定床）煤炭氣化工藝，實現爐前制氣，并通過熱煤氣燃燒，來完成 工業爐、小鍋爐、茶浴爐等的燃料結構及燃燒方式的改變是一種最有效、最有經濟競爭力的 手段。調研及資料研究結果顯示，我國生產全機械化固定床煤氣發生爐的廠家并不少，但產 品基本上是生產能力較大、負荷要求相對穩定的大型工業用發生爐，用戶主要是：大型熱處 理廠、大型玻璃廠、大型陶瓷廠及煤氣廠等，發生爐的特點是規格較大、結構復雜、造價較 高、操作技能要求也較高等。顯然，這種發生爐對上述點多面廣、用氣量小且負荷波動幅度 大、安全使用要求高的小型用戶不適應。
近年來，煤炭科學研究總院北京煤化學研究所開發出可適合于小型、分散用戶使用的爐 前煤 炭氣化及熱煤氣燃燒聯鎖一體化系統，并已在山西大同、江蘇丹陽、浙江金華及湖南吉首等 地與小型鍋爐和工業窯爐的加熱過程配用，在減少污染物排放 、提高煤炭利用效率、改善操作條件等方面取得良好效果。
1 移動床氣化概述
1.1 原理簡介
混合發生爐熱煤氣是一種以一氧化碳(CO)、氫氣(H2)及甲烷(CH4)等可燃氣體為主 要成 分的工業熱燃料氣。它是在特定結構的裝置即移動床發生爐內，控制氣化條件，塊煤(或焦 炭)在空氣(富氧空氣或純氧氣)和蒸汽混合組成的氣化劑的作用下發生一系列復雜的物理化 學變化而產生的。 混合發生爐熱煤氣熱值一般在4.6～7.5MJ/Nm3(1098～1790kcal/ Nm 3) 之間(上限為富氧鼓風)，若進入燃燒器的助燃空氣進行預熱，實際燃燒溫度最高可達1500 ℃以上。由于混合發生爐熱煤氣氣化方法簡單、流程短、熱效率高，因此，氣化工藝及熱煤 氣在機械、冶金、建材、陶瓷、化工、食品等行業和部門都得到廣泛應用。
1.2 化學反應
混合發生爐熱煤氣生產過程可能發生的化學反應包括以下化學反應。
C＋O2＝CO2-394.1kJ/mol
2C＋O2＝2CO-220.8kJ/mol
C＋CO2＝2CO+173.3kJ/mol
C＋H2O＝CO＋H2+135.0kJ/mol
C＋2H2＝CH4－84.3kJ/mol
2H2＋O2＝2H2O-490.6kJ/mol
2CO＋O2＝2CO2-567.4kJ/mol
CO＋H2O＝H2+CO2-38.4kJ/mol
CO＋3H2＝CH4+H2O-219.3kJ/mol
上述各反應進行的程度取決于發生爐的操作條件，即氣化溫度、壓力、氣化劑的組成和 流速、氣化劑與燃料的接觸時間以及燃料的反應性、表面性質等。
1.3 氣化過程
發生爐在生產操作過程中，氣化劑自爐底進風管進入爐內床層，氣化生成的粗煤氣從頂 部輸出。爐內物料分布自下而上可以描述為灰渣層、氧化層、還原層、干餾層、干燥層和空 層。
(1)灰渣層，厚度約為100～200mm，氣化劑在灰渣層中不發生化學變化，只與灰渣進行熱交 換，氣化劑吸收熱量升溫預熱，灰渣釋放熱量被冷卻，同時對爐箅起保護作用。
(2)氧化層，即有O2存在的燃料層，煤中固定碳與氣化劑中的氧氣發生強烈氧化反應，放 出大量的熱，使床層內保持足夠高的溫度。
(3)還原層，從氧化層上來的高溫CO2和水蒸氣與熾熱的碳發生還原反應，吸收床層蓄 積的熱量，生成CO和H2。氧化層與還原層統稱發生爐火層。
(4)干餾層，煤炭受熱干餾，釋放出揮發分。揮發分進一步受熱分解或加氫得到CH4、 CnHm、焦油蒸汽等氣態烴類物質及其它氣體成分。
(5)干燥層，入爐煤炭在該層內脫除外在水分。
(6)空層，料層上部的氣相空間，各種氣體在此會合形成出爐煤氣。
2 爐前制氣及燃燒聯鎖一體化系統
完整的爐前制氣及熱煤氣燃燒聯鎖一體化工藝系統主要包括高度集成化的煤氣發生爐裝置、 自動控制子系統及燃燒器，工藝流程如圖1所示。
圖1 爐前制氣及熱煤氣燃燒聯鎖一體化系統（略）
2.1 集成化煤氣發生爐
集成化煤氣發生爐包括單斗提升機自動上煤機構、水封加煤箱、杠桿加煤料鐘、發生爐主體 、杠桿搖臂卸灰爐箅、濕式出灰螺旋、放散鐘罩閥及水封除塵器等。與常規移動床煤氣發生 爐相比，集成化發生爐具有以下一些技術特點：①無大型專用機械傳動設備或部件，加工工 藝簡單，成本低，制造周期短，“煤改氣”用戶初投資少，建設時間短，見效快；②帶凸 起的梁式爐箅采用杠桿搖臂機構，不僅保證發生爐具有良好的破渣和卸灰能力，而且即使爐 膛橫截面較小時，也完全能夠實現氣化劑均勻分布，不產生邊壁效應，從而使發生爐能夠穩 定生產，并保持較高的氣化強度；③單斗提升機自動加煤機構，煤斗在提升的過程中依靠機 械作用自動打開水封加煤箱頂蓋，在返回的過程中加煤箱頂蓋依靠自身重力自動關閉，從而 減輕操作工人的勞動強度。④單汽幕低壓探火孔，煤氣無外泄，保證了發生爐連續生產。
2.2 自動控制子系統
自動控制子系統主要由水夾套自動上水、水夾套壓力自動調節、氣化劑飽和溫度自動調 節、點火熄火安全聯鎖及氣化—燃燒聯鎖負反饋等單元構成。
(1)自動上水單元。目的在于把水夾套內的水位控制在允許的波動范圍內，從而保證發生 爐爐膛內壁的冷卻效果及氣化用水蒸汽的穩定供應。
(2)水夾套壓力自動調節單元。目的在于使水夾套內上部的蒸汽壓力穩定在某一定值，一 方面起到安全的作用，另一方面也有利于氣化用蒸汽及探火用蒸汽的穩定供應。
(3)氣化劑飽和溫度調節單元。氣化劑中水蒸汽的多少直接影響到熱煤氣的產量和質量， 氣 化劑飽和溫度調節單元的目的在于使入爐空氣和水蒸汽得到1個適當的配比，從而保證發生 爐穩定運行，生產出高質量的煤氣。
(4)自動點火安全聯鎖單元。目的是為了使熱煤氣燃燒器實現點火和熄火保護，防止用戶 終端爆燃（或爆炸）現象的發生。
(5)氣化—燃燒聯鎖負反饋單元。目的在于使發生爐的氣化過程和用戶的燃燒過程相匹 配 ，即在用戶的熱負荷波動幅度較大時，采用比例調節器，實現發生爐氣化負荷的自動調節。
另外，自動控制平臺還設置多路巡檢儀，目的是對各主要參數進行集中顯示和報警，便于及 時發現和診斷生產故障。
2.3 熱煤氣燃燒器（燒嘴）
熱煤氣燃燒器是以熱煤氣為熱源的加熱設施（如鍋爐、工業爐等），用來實現熱煤氣燃 燒 過程的專用裝置。主要作用是按一定比例和一定混合條件將熱煤氣和助燃空氣引入加熱設施 內燃燒或在燒嘴內燃燒，并滿足加熱過程對火焰的方向、外形、剛性和鋪展性的要求。開發 的熱煤氣燃燒器包括燃燒器本體及點火機構 2部分。
非恒溫加熱設施（如鍋爐），由于熱負荷波動幅度大，燃燒器實現強制比例配風燃燒較 困難，因此，本體結構通常為自擴散式（或稱自由式），即熱煤氣不與助燃空氣提前混合（ 或只有在熱強度要求較高時進行部分混合），而是噴入爐內后，與爐膛內空氣邊混合邊燃燒 。自擴散式燃燒器的優點是不易回火，調節比大，結構簡單，燃燒負荷高，安全性能好；缺 點是空氣過剩系數大（通常為1.1～1.25），火焰強度低。恒溫加熱設施（如大部分密閉式 工業窯爐），由于爐膛內蓄熱溫度高，燃燒熱負荷波動幅度小，煤氣消耗量相對穩定，因此 ，燃燒器一般選擇預混比例式燃燒方法，即煤氣和助燃空氣在燃燒器內或噴口處已完成比例 預混，然后噴入爐內燃燒。預混燃燒器的優點是空氣過剩系數小（通常為1.03～1.05），火 焰強度高；缺點是易回火，調節比小。
煤科總院煤化所根據不同的使用場合，開發出高壓電脈沖式和柴油常明火式2種點火設施。 但無論形式如何，均能通過紫外光火焰檢測器實現自動點火、熄火安全聯鎖保護。
3 結論
(1)發展投資小、見效快、建設靈活、結構相對簡單、操作簡便、運行安全可靠、尤其 適合于與小型鍋爐及茶浴爐配合使用的中小型爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒聯鎖系統，對于解 決數以萬計小型用戶普遍存在的燃煤效率低與煙塵污染重的問題和保護生態環境，促進地區 經濟發展具有十分重要的意義。
(2)研制爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒系統的出發點在于通過使用高度集成化的氣化手段，來 解 決手燒窯爐及鍋爐等直接燃煤設施的燃燒問題，同時也使龐雜的氣化工程問題得以簡化。
(3)煤氣發生爐合理的結構配置、完善的自動控制操作平臺及較高的設備可靠性是爐前煤炭 氣化及熱煤氣燃燒系統的技術關鍵所在。
(4) 爐前煤炭氣化及熱煤氣燃燒系統的應用實踐表明，無論在能源利用效率方面、污染物排 放指標方面，還是在減輕司爐工人勞動強度方面，與直接手燒燃煤相比，均有顯著的技術進步意義。
參考文獻
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