臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料后燃燒系統(tǒng)的改造

徐連榮 ， 王宏 ， 周雪峰 ， 施沈科

(湖州市特種設(shè)備檢測(cè)中心, 浙江　湖州　313000)

摘要：針對(duì)臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料后出現(xiàn)的效率低等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)一臺(tái)DZL4-1.25-AⅡ鍋爐的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，采取增加預(yù)燃室、設(shè)計(jì)二次通風(fēng)系統(tǒng)和加裝熱管式空氣預(yù)熱器等措施，使其燃燒系統(tǒng)適于燃燒生物質(zhì)燃料。改造后鍋爐熱效率從改造前的61 %提高到73 %，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：臥式燃煤鍋爐；生物質(zhì)燃料；燃燒系統(tǒng)

收稿日期：2014-04-15

基金項(xiàng)目：湖州市2011年度科技攻關(guān)項(xiàng)目“工業(yè)鍋爐改用生物質(zhì)燃料的改造應(yīng)用與研究(2011GG56)”

作者簡(jiǎn)介：徐連榮(1963-)，男，浙江湖州人，高級(jí)工程師，主要從事鍋爐節(jié)能與燃燒優(yōu)化技術(shù)研究；王宏(1970-)，男，浙江湖州人，高級(jí)工程師，主要從事鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)研究；周雪峰(1971-)，男，浙江湖州人，工程師，主要從事鍋爐節(jié)能技術(shù)研究；施沈科(1981-)，男，浙江湖州人，工程師，主要從事鍋爐質(zhì)量檢驗(yàn)與管理研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK411+.2

Research on System Transformation of Biomass Fueled

XU Lian-rong , WANGHong , ZHOU Xue-feng , SHI Shen-ke

(Huzhou Special Equipment Inspection Center, Huzhou313000,China)

Abstract:Aiming to the problem of low effciency of changing the fuel of horizontal coal-fired boilers into biomass, the research team makes a system reform to a DZL4-1.25-A Ⅱ boiler, which comprises to add the pre-combustion chamber, design the secondary air systems install the heat pipe air preheated for combustion systems and other methods. After reform, the boiler thermal efficiency is improved from 61% to 79.7% and energy saving effect is remarkable.

Key words:horizontal coal-fired boilers; biomass fuel; combustion system

由于臥式燃煤蒸汽鍋爐具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝快捷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在湖州市的中小型企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，湖州市又是國(guó)內(nèi)竹、木地板的主要生產(chǎn)基地，地板加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量木屑是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的燃料資源，因此，湖州市大部分企業(yè)的生產(chǎn)鍋爐基本上都以木屑為主要燃料。目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有針對(duì)木屑燃料專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的鍋爐，因此，絕大部分企業(yè)都是采用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐改燒木屑燃料以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。由于燃料與爐型不匹配，因此帶來(lái)了許多鍋爐自身難以克服的問(wèn)題[1-3]。

1　木屑的燃燒特性

木屑的燃燒過(guò)程是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，也是與空氣間的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，主要可以分為預(yù)熱、干燥、揮發(fā)份析出和焦炭(固定碳)燃燒等過(guò)程。在燃燒室中，木屑首先被加熱和析出水分，隨著溫度繼續(xù)升高，約250 ℃左右，熱分解開(kāi)始，析出揮發(fā)份，并形成焦炭。氣態(tài)的揮發(fā)分和周?chē)邷乜諝鈸交焓紫缺灰肌＝固急粨]發(fā)分包圍，燃燒室中氧氣不易滲透到焦碳表面，只有當(dāng)揮發(fā)分的燃燒快要終了時(shí)，焦碳及其周?chē)鷾囟纫押芨?，空氣中的氧氣也有可能接觸到焦碳表面，焦碳開(kāi)始燃燒，并不斷產(chǎn)生灰燼[4]。由圖1木屑微粒在不同階段的燃燒過(guò)程可知，揮發(fā)份析出燃燒時(shí)間較短，約占20 %時(shí)間，而焦炭完全燃燒需要80 %時(shí)間，焦炭的熱值高，所以在燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮木屑在爐內(nèi)的停留時(shí)間，以保證焦炭部分能完全燃盡；另一方面，焦炭燃燒受到灰燼的包裹和空氣接觸困難，也會(huì)導(dǎo)致焦炭的不完全燃燒，所以在增加停留時(shí)間的同時(shí)增加爐內(nèi)氣流的擾動(dòng)也是提高木屑燃燒效率的有效方法[5]。

圖1　木屑微粒在不同階段的燃燒過(guò)程

2　鍋爐概況以及存在的主要問(wèn)題

本次改造中選用的是湖州市某廠一臺(tái)DZL4-1.25-AⅡ型單鍋筒縱置式鏈條爐排蒸汽鍋爐，設(shè)計(jì)額定蒸發(fā)量4 t/h，蒸汽壓力1.25 MPa，蒸汽溫度194 ℃，給水溫度20 ℃，受熱面積127 m2，爐排面積5.4 m2，設(shè)計(jì)燃料為二類(lèi)煙煤。目前使用熱值約為17 000 kJ/kg的木屑作為燃料，鍋爐熱效率約為61 %。該鍋爐在改燒木屑后，主要存在以下問(wèn)題：(1)爐膛空間小，致使木屑中焦炭部分不能完全燃燒即離開(kāi)爐膛，一方面造成燃料浪費(fèi)嚴(yán)重，另一方面爐膛內(nèi)未燃盡的焦炭可能在鍋爐后管板處產(chǎn)生二次燃燒引發(fā)安全事故；(2)沒(méi)有良好的空氣動(dòng)力工況，無(wú)法有效地組織爐膛空間的有效燃燒，也會(huì)使木屑在爐內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致燃燒不完全；(3)排煙溫度過(guò)高，熱能未能充分利用。

3　改造方案

針對(duì)鍋爐存在的以上問(wèn)題，提出以下改造方案：

3.1增設(shè)木屑預(yù)燃室

本鍋爐現(xiàn)有的燃燒空間約為5.5 m3，按照層燃鍋爐容積熱負(fù)荷的推薦范圍，上限值為523 kW/m3，木屑發(fā)熱量為17 000 kJ/kg，由公式1：

(1)

可計(jì)算出燃料量B為608 kg/h，飽和蒸汽按壓力為6個(gè)絕對(duì)大氣壓計(jì)算、給水溫度20 ℃，鍋爐效率按設(shè)計(jì)值76 %，由公式2[7]：

解放戰(zhàn)爭(zhēng)前夕，中共七大在延安召開(kāi)，毛澤東在《論聯(lián)合政府》的政治報(bào)告中系統(tǒng)論述了黨的群眾觀點(diǎn)和群眾路線。他指出：“我們共產(chǎn)黨人區(qū)別于其他任何政黨的又一個(gè)顯著的標(biāo)志，就是和最廣大的人民群眾取得最密切的聯(lián)系。全心全意地為人民服務(wù)，一刻也不脫離群眾；一切從人民的利益出發(fā)，而不是從個(gè)人或小集團(tuán)的利益出發(fā)；向人民負(fù)責(zé)和向黨的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)負(fù)責(zé)的一致性；這些就是我們的出發(fā)點(diǎn)?！保?］1094

(2)

式中：η——鍋爐熱效率；Q1——鍋爐有效利用熱，kJ；Q2——消耗燃料的輸入熱量，kJ；D——鍋爐出力，t/h；ΔH——介質(zhì)焓值的變化。

可推算出鍋爐的最大產(chǎn)汽量為2.95 T/h。這一結(jié)果說(shuō)明了就目前的爐膛容積，是無(wú)法滿(mǎn)足燃料完全燃燒的要求的，因此，必須增大燃燒空間，以使燃料能夠完全燃燒。

設(shè)計(jì)預(yù)燃室過(guò)程按以下參數(shù)選取或計(jì)算：鍋爐蒸發(fā)量4 T/h，蒸汽壓力5 atm(絕對(duì)壓力)，容積熱負(fù)荷選為500 kW/m3，鍋爐效率按75 %計(jì)算，給水溫度25 ℃。由式1、式2，可以計(jì)算出需要增大的爐膛容積為：2.4 m3。預(yù)燃室結(jié)構(gòu)如圖2所示，該預(yù)燃室設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體，寬1.0 m，高1.0 m，深2.4 m，采用耐高溫達(dá)1 300 ℃的Lz-55型高鋁磚砌筑。圖3為預(yù)燃室實(shí)物照片。

圖2　預(yù)燃室結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　預(yù)燃室實(shí)物照片

3.2增設(shè)二次風(fēng)系統(tǒng)

由于木屑的揮發(fā)份較高，需要加大供風(fēng)量來(lái)滿(mǎn)足需求，但是對(duì)于木屑來(lái)說(shuō)揮發(fā)份短時(shí)間內(nèi)的析出與此時(shí)按理論空氣系數(shù)供應(yīng)的空氣并不能充分反應(yīng)，而造成燃燒前期空氣不足和后期過(guò)剩；同時(shí)大量冷空氣的一次性供給不僅會(huì)降低爐膛溫度使燃燒狀況惡化，同時(shí)燃煤鍋爐爐膛較小，迅猛的空氣供給還會(huì)將未完全燃燒的可燃?xì)夥针S煙氣一起排出，造成熱量浪費(fèi)。而二次風(fēng)系統(tǒng)能夠增加爐內(nèi)氣流的擾動(dòng)，延長(zhǎng)燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，減少不完全燃燒熱損失，通過(guò)增設(shè)空氣預(yù)熱器能夠提高二次風(fēng)溫度，盡可能避免降低爐膛溫度，能有效的提高鍋爐熱效率。

圖4　二次風(fēng)系統(tǒng)圖

在本爐改造中，二次風(fēng)率取為0.3，一次風(fēng)率為0.7。二次風(fēng)在90 ℃工況下風(fēng)量為1 423 m3/h。由爐膛兩側(cè)噴入，每側(cè)射4個(gè)噴口，共8個(gè)，二次風(fēng)速選為30 m/s噴口角度與爐拱呈25 °，則噴口面積為0.001 6 m2，噴口設(shè)計(jì)為矩形，長(zhǎng)80 mm，寬20 mm。上圖4為二次風(fēng)系統(tǒng)圖。

為了進(jìn)一步降低排煙溫度，有效利用煙氣余熱，提高燃料利用率，并為一二次風(fēng)系統(tǒng)提供熱空氣，擬在尾部煙道省煤器后加裝一組空氣預(yù)熱器。

熱管是一種利用密閉管內(nèi)工質(zhì)相變來(lái)傳遞熱量的高效傳熱元件，由它組成的熱管式空氣預(yù)熱器相對(duì)于常見(jiàn)的列管式空氣預(yù)熱器有以下優(yōu)點(diǎn)：1.熱管式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，且使煙氣從管內(nèi)流動(dòng)改為管外流動(dòng)，利用安裝于預(yù)熱器內(nèi)的清灰器，可及時(shí)清除空氣預(yù)熱器的積灰減少了積灰，消除了列管式空氣預(yù)熱器的局部管束堵塞現(xiàn)象；2.消除了原列管式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量大的缺陷；3.傳熱效率高，換熱量大，可方便地布置成錯(cuò)列逆流換熱；4.系統(tǒng)布置簡(jiǎn)潔、利于維護(hù)。

綜上，在本次鍋爐改造中選用的熱管式空氣預(yù)熱器，熱管根數(shù)為173根，奇數(shù)排(12根)8排，偶數(shù)排(11根)7排，管子排列采用正三角錯(cuò)列，橫向節(jié)距s1=65 mm，縱向節(jié)距s2=56.3 mm，基管外徑d=25 mm；壁厚δ=2 mm，環(huán)形平翅片外徑df=50 mm，翅片高度H=12.5 mm，翅片厚度δf=1.0 mm，翅片間距Y=6 mm，熱管形式為碳鋼-水虹吸式加緩蝕劑。

4　改造效果驗(yàn)證

在鍋爐改造前和改造后分別進(jìn)行熱效率測(cè)試，對(duì)其關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1　鍋爐熱效率測(cè)試關(guān)鍵參數(shù)

由上表可以看出，通過(guò)改造鍋爐的出力提高了0.8 t/h，出口排煙溫度下降了36 ℃，而鍋爐熱效率提高了18.7 %，改造后，節(jié)能效果明顯。

5　結(jié)　論

本文針對(duì)小型臥式燃煤工業(yè)鍋爐改燃生物質(zhì)燃料的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行合理的改造以解決生物質(zhì)燃料燃燒不完全的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)尾部煙道的高溫余熱資源進(jìn)行回收利用，主要做了以下的兩方面研究，效果良好。

1)研究開(kāi)發(fā)采用分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)行改造的系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，包括預(yù)燃室的設(shè)計(jì)、配風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、二次風(fēng)壓火技術(shù)及運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、二次風(fēng)噴口的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。有效地解決了燃料燃燒不完全的問(wèn)題，使鍋爐熱效率由原來(lái)的61 %提高到了79.7 %。2)研究開(kāi)發(fā)適合該類(lèi)鍋爐的余熱利用裝置，具體內(nèi)容為：增設(shè)熱管式空氣預(yù)熱器，將煙氣余熱有效的回收，然后用熱空氣來(lái)對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)干燥并提供高溫二次風(fēng)，這樣將縮短燃料在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，提高燃燒效率，把排煙溫度從原來(lái)的190 ℃降低到154 ℃。

參考文獻(xiàn):

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