談燃煤加熱爐的燃燒過程與減少煙塵污染
多數加熱爐以煤為燃料，由于煤的燃燒產生大量煙塵，污染大氣，本文分析了煤的燃燒過程，提出怎樣使煤充分合理地燃燒，提高煤的熱效率，減少煙塵對大氣的污染，并介紹了如何去除二氧化硫和氮氧化物。
1引言
目前，國內使用的鍛壓加熱爐、熱浸鋅爐、水暖爐、蒸汽爐等多種形式的加熱爐，大多數是火焰爐。火焰爐中的熱能主要來自燃料的燃燒。在我國的能源結構中煤占首位。而上述加熱爐燃料多數是以煤為主，因為煤的價格便宜，運輸貯藏簡便，燃燒方法簡單。在我國各行業中燃煤加熱爐已有相當長的歷史，直到目前在我國使用燃煤加熱爐仍相當普遍，燃煤爐造成的大氣污染引起了全社會的關注。人們不斷地研究探討采用新材料、新工藝、新方法，達到提高熱效率、節約能源、減少污染、保護環境的目的。
本文介紹煤的燃燒過程，怎樣提高煤的熱效率，降低煤的消耗，減少煤燃燒時產生的大氣污染，用低成本、小投入增加企業經濟效益和社會效益。
2燃煤爐的優缺點
①具有單獨的燃燒室，爐體結構較復雜，占地面積大，但附屬設備少，建爐速度快。
②與燃油、燃氣爐相比，無需建立煤氣站或油庫，無需鋪設廠區管道，無需對燃料進行加熱，因而爐子的基建投資少。
③具有生產操作的獨立性，能因地制宜，分散建爐。
④除機械化煤爐和煤氣爐外，普通煤爐在每一加煤間隔時間內，爐溫波動較大;空氣過剩系數大、金屬氧化損失多、加熱質量差、煤耗高。
⑤煤爐的操作條件差，加煤除渣的勞動強度大，造成的污染嚴重。
3燃煤爐內煤的燃燒過程
①煤塊的燃燒過程，當煤塊受熱后溫度達100℃時，煤中水分就逐漸被烘干。煤中水分愈多，加熱干燥的階段就愈長。當煤塊溫度繼續升高時，在煤尚未與空氣作用的條件下，煤開始干餾出碳氫化合物及少量的氫和一氧化碳，這些氣體的混合物叫揮發物(著火溫度250°-700℃)。當溫度不斷升高，揮發物逸出的量不斷增多，煤粒周圍的揮發物在一定的溫度條件下，遇到空氣中的氧就開始著火燃燒，在煤粒外層形成黃色明亮的火焰。揮發物愈多愈易著火。煤中的揮發物全部逸出后，所剩下的固態物質就是焦炭，焦炭中除了灰粉外，全部是固定碳。當煤塊周圍的揮發物燃燒時，放出大量的熱將焦炭加熱到紅熱狀態，為焦炭的燃燒創造了條件。焦炭是煤中主要的可燃物，它的燃燒是固體與氣體間進行的化學反應，它比揮發物難燃燒，如何創造焦炭燃燼的條件，關系到煤塊燃燒程度。焦炭開始燃燒后，在其外表面逐漸形成灰層，灰層包圍了未著火的焦炭表面，阻礙著空氣中的氧向焦炭內部滲透，影響了焦炭的燃燼。
綜上所述，固體燃料的燃燒都包括加熱干燥、干餾析出揮發物、形成焦炭燃燒和燃燼形成灰渣等四個階段。從燃燒的角度來看，煤中的水分不利于著火，可是適當(10%)的水分有利于減少細煤粒被風帶走的損失，而且煤中的水分在烘干后，能使煤層中的空隙率增大，通風性能變好。煤中揮發物含量的增多，有利于煤的著火燃燒。所以褐煤、煙煤比無煙煤易燃。煤中灰分對煤的燃燼是不利的。
②煤層的燃燒和周期加煤時黑煙的的形成。當煤在固定的水平爐柵上作層狀燃燒時，空氣自下而上穿過爐柵而遇到最下層灼熱的煤塊(底火)時，就形成了一氧化碳，C+O2→CO。CO在煤層間隙中又與過剩的氧作用燃燒，生成二氧化碳，即CO+O→CO2，這一層叫氧化層。在氧化層中由于燃燒反應是放熱反應，所以溫度最高、CO2含量也愈來愈多、氧消耗量最大。氧化層厚度一般為煤粒尺寸的3-4倍。
當形成的CO2繼續向上移動，與上層的焦炭粒作用后又被還原成CO，即CO2+C→2CO，這是個吸熱反應。吸熱反應的結果使溫度下降、CO含量增加，這一層叫還原層。
在還原層以上是煤的干餾層。在這一層，煤受熱后，有揮發物逸出，剩下的焦炭進入還原層。
最上面是干燥層。在這一層，煤不僅受到來自下面的熱氣體的加熱，同時受到煤層上部空間熱輻射的作用而受到烘干。
實際上是，爐子點火后，首先在爐柵灰層上形成一個已經紅熱的底火，新煤加在底火上，當空氣從爐柵下進入并上升時，就在燃燒層中形成氧化帶、還原帶和干餾、干燥帶。從還原帶析出的一氧化碳與從干餾、干燥帶中逸出的揮發物一同進入煤層上部空間與空氣混合燃燒。對揮發物較多的煤，這部分可燃氣燃燒時的釋放熱量約占煤的熱值的一半左右。因此，組織好這部分可燃氣的燃燒具有重大的意義。在煤層較厚時，二氧化碳的還原反應進行得比較充分，燃燒室上部空間內的可燃氣增多，這就有必要送入二次風，將它完全燃燒。否則就會造成不完全燃燒損失。
當在爐柵上采用人工加煤時，前后兩次加煤的時間間隔內，加入爐內的煤經歷了燃燒的各個階段形成一個周期。在一個周期中，爐柵上的煤層厚度由厚到薄，對空氣的阻力由大到小，使穿過爐柵的空氣量由少到多，造成燃燒過程中供求兩個方面很不協調。
由于空氣與可燃物的混合受擴散條件的限制，因此，只有一部分空氣能被利用，當新煤加入時，煤層厚，阻力大因而不能得到足夠的空氣量。而在加煤后不久，新煤中析出大量的揮發物(即可燃氣)，迫切需要大量的空氣，以滿足燃燒的需要。結果造成供風與燃燒所需的空氣量嚴重失調，揮發物在爐內熱分解，產生大量碳黑，形成黑煙。造成煙囪，爐門等處冒黑煙的狀況，隨著燃料的燃燒，煤層不斷變薄，通風阻力變小，這時通過煤層的空氣量愈來愈多，而在燃盡階段所需的空氣量較少，結果造成過剩空氣量很大，使爐溫下降。這就是周期性加煤難以克服的缺點。
4合理組織燃燒過程
①燃料燃燒是一個復雜的物理化學過程，這個過程是通過燃燒裝置來完成的。合理組織燃料的燃燒，對節能和消煙都是必不可少的。以手工加煤火焰爐為例，當煤被送入爐內，受燃燒室內高溫煙氣的加熱，使煤逐漸完成干燥、干餾、揮發物著火燃燒、焦炭燃燒、焦炭燃燼等幾個階段。為了加速燃燒過程，減少不完全燃燒損失，除了保證燃燒室有較高的溫度外，還必須有適當的空氣消耗系數和充裕的燃燒時間，這是保證燃燒過程順利進行的三個基本條件。
由于手工燃煤爐采用間歇加煤和除渣，煤層厚度和通風量發生周期性變化，使很小、很輕的碳黑來不及燃燒而隨煙氣流從煙囪排出，冒出一股一股的黑色濃煙。如果采用間斷二次送風和“薄燒勤加”的方法，可以降低空氣波動幅度，減輕燃燒周期性的影響，減少不完全燃燒損失和排煙損失，使煙囪少冒黑煙或不冒黑煙，從而達到提高煤的熱效率，節約能源、減少煙塵的目的。
②從理論和實踐得出，燃煤加熱爐要使煤充分燃燒，少(不)冒黑煙，必須滿足上述三個基本條件。為了達到這一目的，除了嚴格執行“薄燒勤加”和適當的間斷二次送風的操作工藝外，我們把原來的燃煤加熱爐(爐膛和煙道)進行了從新(砌)制做。把爐膛前后分為兩區，煤的預熱區和高溫區，再把爐內煙道由原來的單洞直通式，改為多洞螺旋向上式的煙道;這種煙道特點一是延長爐的加熱區，二是提高爐膛溫度和風速。爐膛高溫區溫度可達800℃，煤的揮發物主要是在爐膛高溫區進行燃燒。在高溫區內沒有燃燼的很少的揮發物(黑煙)，可在螺旋煙道中燃燼。因爐膛溫度的升高，爐膛火就旺，自燃通風流速就快。因為有了爐膛高溫區和多道向上的螺旋煙道，所以改造后的燃煤加熱爐，大大地減少了燃煤加熱爐煙囟冒黑煙現象。
5從排煙中去除二氧化硫(SO2)
從煙氣中去除SO2的技術，稱排煙脫硫。排煙脫硫的方法可分為濕法排煙脫硫和干法排煙脫硫兩種：
①濕法排煙脫硫，用水或水溶液作吸收劑吸收煙氣中SO2的方法稱為濕法脫硫。濕法中由于所使用的吸收劑不同，濕法脫硫又有氨法、鈉法、鈣法、鎂法和催化氧化法之分。如氨法就是用氨(NH3*H2O)為吸收劑吸收煙氣中的SO2，其中間產物為亞硫酸銨(NH4)2SO3和亞硫酸氫銨NH4HSO3。其反應如下：
2NH3H2O+SO2→(NH4)2SO3+H2O
(NH4)2SO3+SO2+H2O→2NH4HSO3
采用不同方法處理中間產物，還可回收硫酸銨(NH4)2SO4、石膏CASO42H2O和單體硫S等副產物。
②干法排煙脫硫是用固體吸收劑(或吸附劑)吸收(或吸附)煙氣中SO2的方法。干法中由于所使用的吸收劑(或吸附劑)不同，干法脫硫又有活性炭法、活性氧化錳法、接觸氧化法和還原法之分。如活性炭法就是利用活性炭的活性和較大的比表面積使煙氣中的SO2在活性炭表面上與水蒸汽反應生成硫酸的方法。即：SO2+O2+H2O→H2SO4
6從排煙中去除氮氧化物(NO2)
從煙氣中去除NO2的技術稱為“排煙脫氮”，也叫“排煙脫硝”。目前排煙脫氮的方法有選擇性催化還原法和吸收法等。如選擇性催化還原法就是以貴金屬鉑或銅、鉻、鐵、釩、鉬、鈷、鎳、等的氧化物(以鋁釩土為載體)為催化劑，以氨、硫化氫、氯-氨或一氧化碳為還原劑，選擇適宜的溫度進行催化還原反應。如氨選擇性催化還原法，就是以氨為還原劑，選用鉑為催化劑，當反應溫度控制在150℃-250℃時，不僅可去除煙氣中的氮氧化物，而且還可同時去除煙氣中的二氧化硫。
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