我國約有50萬臺工業鍋爐、近18萬座窯爐及不計其數的民用大灶，絕大部分是層燃鍋爐，以原煤燃燒方式消耗的煤炭達4億t。燃煤供應品種多，質量不均勻，不穩定，煤質不適應燃燒設備的要求是目前燃燒效率低，污染排放嚴重的重要原因之一。針對我國煤炭燃燒狀況，特別是層燃鍋爐原煤散燒現狀，解決煤炭燃燒熱效率低、污染大的社會問題，通過對層燃鍋爐結構、燃燒過程等方面的研究，分析層燃鍋爐燃燒機理，深入研究危及人類生存環境的燃煤煙氣產生的原因。在不改變鍋爐結構和操作條件下，對煤炭進行加工，使之成為與工業層燃鍋爐爐型相匹配的優質動力燃料，從而提高煤炭燃燒效率、減少對大氣環境的污染。
1、研究原理和研究過程
1.1 動力配煤的研究
動力配煤是基于各單煤的灰分、揮發分、發熱量、硫分、灰成分等在配制過程中存在著可加性。根據用戶對煤質的要求，將2~4種不同質量的煤按燃燒特性、揮發分、發熱量、灰分、結渣特性等指標綜合考慮，通過優化配方和控制給料量，配制出既符合燃燒要求，又減少污染物排放的動力配煤。工業鍋爐是按一定特性設計的，不同類別型號的鍋爐所適用的燃料性質不同，所產生的燃燒效果和環保效果不同，本著讓燃料適應爐具的基本原則，根據目前國內大量使用的層燃鍋爐對燃煤煤質及粒度的相應要求，結合層燃鍋爐的高效、潔凈顆粒燃料生產廠所在區域的原料煤特性進行多煤種優化配方和不同粒度級配，利用各種煤在性質上的差異，相互“取長補短”，使煤炭的綜合性能達到“最優狀態”，以滿足層燃鍋爐燃燒的需要。針對當前層燃鍋爐的特點和用戶的需要，選取氣煤、1/3焦煤和貧瘦煤等作為生產高效、潔凈顆粒燃料煤的原料煤，通過計算機優化，確定各種煤的配比。顆粒清潔煤的煤質指標與鍋爐等燃具性能結構相匹配，提高煤炭的燃燒效率和降低污染物排放量。
1.2煤炭分級燃燒
煤炭的燃燒過程是一個氣相、固相的多相燃燒過程。不同變質程度的煤，其分子結構不同，揮發分不同，揮發分充分裂解燃燒所需的溫度和時間也不同。不同粒度的煤在燃燒過程中，揮發分裂解速度與未分級散煤的裂解速度不同，影響其燃燒速度，粒度分布也影響層燃的燃燒狀況。因此，在顆粒清潔煤生產過程中，就要求根據煤種不同，控制不同煤質的粒度上限，從而保證在固定燃燒時間內的燃燒充分，提高燃燼率。
工業鍋爐用煤的粒度越小，比表面積越大，越有利于燃燒和提高燃燼率。但是對于1mm以下的細粒煤粉，在預熱段易被鼓風機吹起，導致煙塵排放量增加。細粒煤是產生煙塵的主要來源。因此，控制原料煤的粒度下限，可以減少燃燒排塵量，降低煙塵污染。經過試驗，顆粒清潔煤在3~25 mm粒級范圍內，不論燃燼率，還是煙塵排放量都是比較理想的。
1.3添加劑的研究
添加劑提供燃煤在不同階段所必須的部分活性氧，促進煤在燃煤過程中釋放的揮發分和固定碳的燃盡，相對減少了鼓風、引風量，控制了煙塵排放和減少了鍋爐熱損失，提高熱效率；添加劑也能催化C-C鍵的斷裂，減低燃煤的著火溫度，縮短預熱時間，相應延長燃燒時間，從而可提高煤炭的燃盡率，提高其能源利用率。同時添加劑中的固硫成分可以減少二氧化硫排放量，減少環境污染。通過添加劑在層燃鍋爐對燃煤燃燒性能系統研究，選擇具有助燃、催化、固硫、消煙降塵功能的添加劑成分和生產工藝。
(1)氧化劑有助于提供燃燒在預熱段，燃燒段和燃盡段所必須的活性氧，促進煤在燃燒過程中釋放的可燃性揮發分和固定碳的燃燼。顆粒清潔煤選用了多種氧化劑，每種氧化劑在不同溫度下產生分解，釋放活性氧。對添加劑作用作了對比試驗，添加氧化劑的顆粒清潔煤，其著火點降低，接火好，煙塵黑度顯著降低，爐膛溫度提高，火焰高度增加。
(2)煤炭燃燒過程并不是完全按簡單的化學方程式進行，有些反應過程的中間階段產生活性物。這些活性物能與原反應物發生反應，形成新的活性物，活性物的存在加速燃燒反應。堿金屬、堿土金屬以及3d電子層未填充滿的副族元素能夠促進活性物的產生，提高煤炭的燃燒效率。
(3)在燃燒過程中，控制二氧化硫的排放，鈣劑化合物( CBM)在800℃以下時，固硫效果顯著。而在工業鍋爐中，實際燃燒溫度常達1 200~1300℃以上，使固硫效果變差而達不到環保要求。但在使用鈣劑化合物固硫時，再添加少量的鈉、鐵、錳及稀土元素的化合物，可以提高固硫效果。為此，盡管黑龍江省的煤炭資源屬于低硫煤，但也應進一步降低硫的排放。通過試驗，確立了以鈣化合物為主，輔以少量其他化合物的固硫劑。
1.4生物質型煤的研究
煤炭分級后，煤粉經過調節煤質指標后成型。煤粉成型后，由于空隙率減少，揮發分在燃燒過程中釋放較慢，影響型煤的燃燒效果，特別是鏈條爐排鍋爐，往往造成接火困難、火焰短、燃燼率低等，嚴重影響工業型煤的推廣。為此，必須改變工業型煤的燃燒特性，降低型煤的著火溫度，加快揮發分的釋放速度。煤粉中加入一定量的生物質細末，在特定的黏結劑和工藝條件下，利用普通成型機壓制成型，形成生物質型煤。生物質型煤由于加入一定量的低著火點、燃燒速度快的生物質，在燃燒中型煤表面形成大量微孔，改善了燃燒條件，從而加快了型煤的燃燒，提高了型煤的燃燼率。
1.5混合燃燒性能的研究
為了改善塊煤和型煤的燃燒狀況，提高煤炭的利用效率，塊煤與生物質型煤進行混配燃燒。通過燃燒實驗和實際鍋爐燃燒，在滿足鍋爐燃燒要求、提高燃燼率的基礎上，調節型煤與塊煤混配比例，使燃燒產生的煙塵、二氧化硫排放量達到環保要求，成為層燃鍋爐高效、潔凈顆粒燃料。
2、燃燒試驗檢測結果
根據黑龍江地區煤炭資源特點，選用3種不同類別的煤，其煤質指標見表1。
3種煤分別篩分，大于25 mm粒級可以作為塊煤出售。根據用戶鍋爐的特點和對煤質的要求，利用上述3種3~ 25 mm粒級顆粒煤按一定的比例進行混配，再加入復合添加劑，研制出了適應普通工業鍋爐要求的顆粒潔凈煤。小于3 mm粒級的末煤經過配比與一定長度的生物質混合，在復合黏結劑作用下，用普通成型機成型。生物質型煤與顆粒配煤按一定比例混合，形成層燃鍋爐高效潔凈顆粒燃料。表2是送檢顆粒燃料的煤質指標，該煤在專用環保檢測鍋爐試燒，其環保熱工測試指標見表3。
3、結論
工業鍋爐燃用顆粒清潔煤，其煙塵初始排放量、二氧化硫排放量和林格曼黑度均達到了一類地區標準，而且鍋爐燃燒穩定，爐膛溫度高，熱效率高，爐渣含碳量低，具有顯著節能效果。
通過添加復合顆粒潔凈煤添加劑和混入一定量的生物質型煤，使顆粒配煤燃燒性能得到改善；同時添加劑減少了燃煤的煙塵和二氧化硫的排放，可以較廉價地實現動力煤的潔凈燃燒。所以層燃鍋爐高效、潔凈顆粒燃料是一種新型潔凈煤技術，具有較好的推廣前景。
三門峽富通新能源銷售生物質鍋爐以及銷售和生產生物質顆粒燃料的顆粒機、木屑顆粒機、秸稈壓塊機等機械設備。
