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中国煤炭报 | 让小小的兰炭粉发光发热
发布时间:2020/09/10


前不久,中国煤炭科工集团下属煤科院节能技术有限公司(简称科工节能)研发的一项兰炭粉燃烧新技术,应用于济南热力集团浆水泉热源厂70兆瓦热水锅炉系统中,实现了兰炭粉燃料无助燃稳定运行。
    “我们研发的兰炭粉燃烧新技术,不仅解决了部分受煤炭指标限制的城市区域供暖问题,还解决了一些偏远分散、经济欠发达、能源资源分布不均的农村燃烧散煤供暖造成的环境污染问题。”科工节能党总支书记、执行董事王翰锋说,“这项技术为国内首创,填补了国内兰炭粉燃烧的技术空白。”

需求牵引,开始研究兰炭粉燃烧技术

“兰炭又称半焦,原料主要来自陕北、内蒙古西部和新疆等地,是低阶煤分质利用过程中的固体产物,产出率约占原料煤的50%至70%,就像做豆腐剩下的豆腐渣,受生产工艺及下游产业影响应用市场较小。近几年,随着兰炭产量不断增加,传统行业需求量有限,其利用问题日益突出。”科工节能分管科研的副总经理王乃继说。
    王乃继介绍,当时,兰炭处于过剩状态,但由于兰炭的挥发分较低,燃烧困难,一直没有理想的燃烧技术。有些企业将兰炭掺入煤炭中燃烧,效果并不理想。有些企业将块状兰炭作为煤球和型煤的原料使用,或者冶炼金属时使用,而兰炭粉末则被遗弃,不仅浪费资源,还污染环境。
    在这种背景下,科工节能组建了一支研发团队,重点攻关兰炭粉燃烧关键技术。他们通过对兰炭粉燃烧规律进行研究分析后发现,兰炭粉并没有想象中的那么难燃,其孔隙结构比较发达,只要能稳定点燃,就能持续释放大量热能,而且燃烧效能甚至好于无烟煤和焦煤。在低温干馏过程中,低阶煤的一部分污染物已被“剔除”,其产物兰炭的燃烧比较清洁。
    “作为一种高热值、低污染的优质燃料,兰炭具有较高的利用价值,而兰炭粉的燃烧是最佳利用途径。”科工节能分管市场经营的副总经理纪任山告诉记者,“2014年,国家出台了新的大气排放标准,对燃煤的环保指标要求更高了。为了将兰炭作为环保燃料利用起来,陕西省政府提出‘用陕北的兰炭换河北的蓝天’的想法,并委托我们针对陕北兰炭的清洁燃烧利用,开展工业及民用研究。”
    随后,研发团队在其研发的煤粉燃烧设备和技术的基础上进行改进,开始研究兰炭粉燃烧。

阶段性试验,让燃烧技术更加成熟

“攻关兰炭粉燃烧关键技术,并没有我们想象得那么简单。兰炭粉和煤粉性质不一样,如何巧妙点燃兰炭粉,成为我们急需解决的难题。”纪任山说。
    经过实验室研究,研发团队开始在北京大兴区一个7兆瓦燃烧热态台架上开展实验。
    “寒冬时节进行这样的试验,我们记忆犹新。”王乃继说,“根据实验室里的操作步骤,我们点燃了兰炭粉。看着炉子里的兰炭粉燃烧起来,我们非常高兴,但是不知道为什么,兰炭粉烧着烧着就慢慢熄灭了,没有达到预定的燃烧时间。当时,我们心里挺不是滋味儿的。”
    究竟哪里出了问题?研究团队通过仔细研究分析发现,解决兰炭粉燃烧问题的关键在于着火点及其自维持稳燃过程。他们采用中心逆喷技术,使兰炭粉可在线预热,预热温度最高可达1000摄氏度,有效解决了兰炭着火难的问题;利用浓相着火技术,使高浓度兰炭粉减少了着火热需求;通过强旋流配风设计,增加燃烧室内烟气回流量,使其稳定燃烧;通过强化燃烧后锥设计,进一步增加回流烟气量;经过局部合理的绝热处理,维持着火区域温度……经过半年时间及一系列改进后,兰炭粉燃烧终于达到了试验要求。
    随后,研究团队来到神东矿区,找到由他们负责建设运营煤粉工业锅炉系统的企业,在保证不耽误该企业正常运营的情况下,利用空隙时间进行了14兆瓦兰炭粉燃烧工业性试验。然而,14兆瓦的工业性试验与之前存在差别,经过一次次试验、改进,最终还是没有达到要求。
    “当时,我们还不死心,打算最后试一次,如果还不成功,就放弃工业性试验,继续回实验室里研究。”纪任山说,“没想到的是,最后一次试验竟然成功了。究其原因,我们发现,前几次试验让炉膛余温尚存,而我们进行试验时,刚好达到一个温度拐点,使得兰炭粉能够稳定燃烧并达到最终的试验要求。”
    这一次工业性试验,让研究团队进一步了解了兰炭粉燃烧的特性和环境,从而对试验数据等进行了完善,最终明确了兰炭粉燃烧系统的结构及运行参数。

总结推广,将兰炭用于工业和新农村建设

2020年,受济南热力集团委托,研究团队在该集团进行了兰炭粉燃烧工业示范。这是兰炭粉燃烧新技术从成熟走向推广的关键阶段。他们在该集团70兆瓦锅炉系统中进行了40个小时的兰炭粉燃烧试验。
    “当时,受疫情影响,我们一部分研究人员无法到济南热力集团现场操控和观察,只能通过视频连线的方式与试验现场的研究人员开展远程协同工作。”纪任山说,“为了能够连续观察试验数据和现场设备状况,我们每天都在会议室边吃饭边观察。”
    王乃继介绍,试验期间,锅炉最高负荷出力74兆瓦,测算系统热效率达到91.2%。在满负荷工况下,氮氧化物初始超低排放值为250毫克/标准立方米至350毫克/标准立方米,成功实现了兰炭粉的高效、清洁、稳定燃烧。目前,他们双方合作的2×70兆瓦天然气/兰炭粉两用的锅炉系统工程正在建设中。
    “我们的技术成熟了,但遇到了一些新的瓶颈问题。现在兰炭已变成炙手可热的畅销品,会出现供不应求的情况。到时候,我们的设备和技术也就无用武之地了。”王乃继说,“我们根据实地考察发现,农村很多居民受燃烧散煤限制,会烧秸秆等生物质燃料进行取暖和生活。为此,我们提出设想,将生物质燃料与兰炭混合,开发生物质兰炭粉燃烧系统,提出‘二元低碳粉’概念,解决燃料来源单一的问题。”

“在农村区域以兰炭替代散煤,结合农村生物质资源,并辅以集中供热改造,可以很好的解决北方农村民用散煤治理工程中燃料供应与投入成本两大难题。”纪任山补充到,“除此之外,在城镇集中供热、热电联产以及部分工业生产领域,利用兰炭粉作为传统煤炭替代燃料,配合我们的新技术,可以更有效地控制煤炭消费总量。”
    “以济南热力集团项目为开端,我们已经收到多个省市的邀请函。随后,我们将会与他们合作,继续推广兰炭粉燃烧新技术。”王翰锋说,“下一步,我们将从多个角度研发兰炭清洁高效利用技术,让小小的兰炭粉发光发热,让我们的天空更蓝更美。”