李海鋒

【摘 要】結合棕櫚廢料燃燒的特點，通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，重點闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結構，解決了因燃料含水分大、著火燃燒困難、灰熔點低、易在爐膛結焦和NOX化物排放濃度高的問題。

【關鍵詞】棕櫚廢料鍋爐；燃燒方式；結構；設計

【中圖分類號】TK222 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0062-04

隨著社會的進步和發(fā)展，人們的節(jié)能意識和環(huán)保意識日益增強，國際社會對節(jié)能減排的要求標準越來越高，因此對清潔能源的開發(fā)和利用也逐步走上議事日程。生物質能源因廉價和可再生性而受到各國廣泛的關注。生物質燃料已成為世界各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，可以為政府提供多贏的能源解決方案，也降低了對遙遠的、政局不穩(wěn)甚至是危險國原油的依賴程度，有利于能源安全。對于實現全球的節(jié)能減排降碳排放的目標有著重大意義。

棕櫚廢料是生物質能源之一，棕櫚植物榨取油料后剩下了一種輕質高水分纖維燃料，這樣的廢料在東南亞國家的棕櫚油廠每天都會產生很多，目前還沒有得到較好的利用。它主要由3個部分組成：纖維，也就是棕櫚果榨好棕櫚油后的余料，低位熱值在12 556 kJ/kg；棕櫚果的殼，熱值很高，像煤一樣，價格也很貴；果串，低位熱值為7 600 kJ/kg。棕櫚的果串水分很高，天然未處理過的果串水分達70%，經過處理后的果串的水分也在50%以上，并且燃燒后的灰熔點低。因此，此種燃料運用于鍋爐上，含水分大、燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點低、易在爐膛結焦，NOX化物排放濃度高。

本文結合棕櫚廢料燃燒的特點，通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，實現棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運行，重點闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結構，解決因燃料含水分大，燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定；灰熔點低，易在爐膛結焦；NOX化物排放濃度高的問題。

1 鍋爐設計參數

鍋爐的額定蒸發(fā)量為45 t/h；過熱蒸汽出口壓力為5.3 MPa（表壓）；過熱蒸汽出口溫度為510 ℃；鍋筒壓力為5.8 MPa（表壓）；熱效率≥87%；排煙溫度為146 ℃；給水溫度為120 ℃。45 t/h棕櫚廢料鍋爐簡圖如圖1所示。

棕櫚廢料經破碎、脫水預處理后的主要特性數據見表1。

2 鍋爐的燃燒方式

目前，電站鍋爐使用的棕櫚廢料鍋爐絕大多數是采用整體布置的往復爐排，且沒有設置鍋爐尾部煙氣循環(huán)系統(tǒng)，導致燃料含水分大、著火燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點低、易在爐膛結焦，NOX化物排放濃度高的問題。

本文設計的鍋爐采用爐膛分段燃燒結構和尾部煙氣循環(huán)燃燒系統(tǒng)，可以解決上述難題。

通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛結構和采用煙氣循環(huán)系統(tǒng)，在爐膛設置烘干段往復爐排和燃燒段往復爐排，將含水分較大的棕櫚廢料送入爐膛烘干段往復爐排區(qū)域內進行前期烘干處理，再進入爐膛的燃燒段往復爐排區(qū)域，保證棕櫚廢料燃燼；通過從尾部煙道將含氧量較低的煙氣經凈化后，煙氣溫度達到300 ℃左右，分多路引入爐膛，根據爐膛各區(qū)域的氧濃度，利用自動化控制該區(qū)域的煙氣量和一次風量，控制爐膛燃燒溫度在850 ℃左右。烘干段往復爐排區(qū)域、燃燒段往復爐排區(qū)域、燃燼區(qū)的過量空氣系數分別控制在0.55～0.75、0.75～1.1、1.1～1.20。在烘干段往復爐排區(qū)域處于欠氧狀態(tài)，抑制燃燒過程，改善爐膛內溫度分布，此過程可有效地制止燃料中的N轉化為NOX化物，然后進入燃燒區(qū)域迅速、完全燃燒。以上措施解決了爐膛燃燒不穩(wěn)定和結焦的問題，實現棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運行。設置送料風管使棕櫚廢料在爐膛內懸浮燃燒，避免棕櫚廢料在爐排面堆積，影響燃燒效果。后拱和爐膛出煙口下部分別設置二次風管、三次風管，可補充棕櫚廢料在爐膛內懸浮燃燒所需要的氧，并對燃燒區(qū)域和烘干區(qū)域內的煙氣產生擾動，增加煙氣的停留時間，保證棕櫚廢料在爐膛內烘干和燃燼達到最佳的效果，避免未燃盡棕櫚廢料進入鍋爐的尾部受熱面產生二次燃燒，從而保證鍋爐的安全運行。

3 鍋爐的結構

本文設計的鍋爐為室外布置，自然循環(huán)單鍋筒鍋爐，采用“∏”形布置，鋼構架，爐膛部分懸吊，尾部煙道支承。

各部分結構簡述如下。

（1）爐膛水冷壁為膜式壁結構，用φ60 mm×5 mm的管子和20 mm×4 mm的扁鋼組成，節(jié)距為80 mm。下部敷設衛(wèi)燃帶區(qū)域，實現強化燃燒。下降管系統(tǒng)用2條集中下降管，其規(guī)格為φ325 mm×16 mm，再分別用φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成分散下降管分別引入下集箱，兩側水冷壁的引出管由管徑為φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成；后水冷壁引出管由管徑為φ133 mm×6 mm的管子組成；前水冷壁由水冷壁管直接引入鍋筒，水冷系統(tǒng)集箱規(guī)格為φ219 mm×20 mm，水冷系統(tǒng)所用的材質均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。

整個水冷壁懸吊于爐頂鋼架上，鍋爐運行時整個爐膛一起向下膨脹，由于前水冷壁和后水冷壁支吊點低于側水冷壁支吊點，故前、后水冷壁采用彈簧吊架，安裝和運行時必須適當調整彈簧，避免膨脹不等造成過大的熱應力。為了保證爐膛的整體剛性，在水冷壁四周裝有強度足夠的剛性梁，以保證爐膛的整體性。爐膛開有必要的測量孔、看火孔、人孔和防爆門。點火方式為爐排上木柴點火。

（2）鍋筒及內部裝置。鍋筒內徑為1 400 mm，筒身壁厚50 mm，筒身由鋼板卷成，兩端球形封頭由鋼板沖壓而成，封頭壁厚50 mm，筒身和封頭材質均為Q345R，重量約18 t（包含鍋筒內部裝置）。鍋爐運行時，鍋筒正常水位在鍋筒中心線下50 mm，允許水位在0水位（±75 mm）范圍內波動。

鍋筒與水冷壁管、汽水連接管、蒸汽引出管、分散下降管均采用焊接結構，鍋筒由支座支承于頂板上。鍋筒內部裝有20個φ260 mm的旋風分離器。每個分離器的平均負荷為1.75 t/h，分離后的蒸汽經過鍋筒頂部的百葉窗和多孔板的再一步分離后，由蒸汽引出管引入過熱器，省煤器引出管用φ60 mm×4 mm的管子直接引入鍋筒，沿鍋筒全長均勻布置。鍋筒內還裝有連續(xù)排污管、緊急放水管和加藥管等裝置。鍋筒給水品質在符合中壓鍋爐水質標準的情況下，排污率為2%。

（3）過熱器系統(tǒng)和調溫方式。過熱器布置在水平煙道中，由頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器組成，鍋筒里的蒸汽由3條φ108 mm×4.5 mm的蒸汽連通管引入過熱器進口集箱，再由52根φ38 mm×4 mm的管子引出至爐內水平煙道部分組成頂棚過熱器，然后直接彎曲成后包墻過熱器，經由兩側包墻過熱器和底部包墻過熱器后進入低溫過熱器。

頂棚管過熱器管和包墻過熱器管為φ38 mm×4 mm鍋爐管，材質均為20 G（GB 5310—2008），低溫過熱器蛇形管和高溫過熱器蛇形管用φ38 mm×4 mm的管子，材質均為12 Cr1MoVG管。低溫過熱器內蒸汽與煙氣呈逆向流動，低溫過熱器出口引入減溫器，蒸汽經減溫后，引入高溫過熱器，高溫過熱器內蒸汽與煙氣呈逆順混合流動。過熱器出口集箱采用φ273 mm×16 mm，材質為15 CrMoG。

過熱蒸汽的調溫方式：采用噴水減溫器，減溫器位于低溫過熱器與高溫過熱器之間，筒身規(guī)格為φ325 mm×20 mm，材質為15 CrMoG鍋爐管，減溫水為鍋爐給水，通過調節(jié)減溫水量的流量，可達到調節(jié)過熱蒸汽溫度的目的。

（4）省煤器。省煤器布置在鍋爐尾部豎井中，分為兩級，上級有2組蛇形管束，下級有1組蛇形管束，共有3組蛇形管束，給水從省煤器進口集箱引入，經下級省煤器管束后引到中間集箱Ⅰ，再從中間集箱Ⅰ引入中間集箱Ⅱ和上級蛇形管，最后到省煤器出口集箱，用4根φ60 mm×4 mm的管子引入鍋筒，省煤器由單側引入、單側引出。

省煤器集箱共4只，均由φ159 mm×10 mm的管子組成，材質為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管，省煤器管由φ32 mm×4 mm的管子組成，上級2組省煤器的橫向節(jié)距為90 mm，縱向節(jié)距為60 mm，下級省煤器的橫向節(jié)距為72 mm，縱向節(jié)距為60 mm，材質均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。上、下級省煤器均采用支承結構，支承梁內部通風冷卻。

（5）空氣預熱器?？諝忸A熱器為兩級布置，上級管箱由φ51 mm×2.5 mm的鋼管制成立式管箱，下級管箱由φ60 mm×2.5 mm的考登管制成立式管箱，共有2組管箱，4個流程，每組管箱由3只小管箱組成。煙氣在管內縱向沖刷?？諝庠诠芡鈾M向沖刷，為了防止空氣預熱器的振動和噪音過大，在每級管箱中的中間管箱都裝有防震鋼板。

（6）鍋爐范圍內的管道。鍋爐范圍的內管道是從給水操作臺起到蒸汽出口集箱主蒸汽閥為止的管道、閥門、測量儀表等。給水操作臺共有3根并聯管道，主管道為DN80，裝有電動截止閥和調節(jié)閥，在50%～100%負荷時用主管道進行調節(jié)，旁路DN50的管道裝有截止閥，在低于50%負荷運行時使用。旁路DN50的管道可用于啟動時上水、升火及事故狀態(tài)下的調節(jié)，給水操作臺前分3路管道引出，一條DN50管道往過熱器反沖洗，2條DN50管道引入減溫器，管道上裝有調節(jié)閥和截止閥。鍋爐再循環(huán)管用DN50管道，再循環(huán)管道上裝有截止閥，在啟動過程中開啟再循環(huán)截止閥，正常運行時關閉再循環(huán)截止閥。

此外，鍋爐水冷壁下集箱、省煤器下集箱都裝有排污閥，過熱蒸汽出口集箱上裝有安全閥、壓力表、對空排氣管、反沖洗管、溫度計、熱電偶插座等，鍋筒上裝有安全閥、壓力表、各種水位表，以及自用蒸汽管、加藥管和緊急放水管等。為監(jiān)督汽水品質，還裝有給水、爐水、飽和蒸汽、過熱蒸汽取樣裝置。

（7）爐墻。鍋爐爐墻分2種形式，爐膛和過熱器部分為敷管爐墻，爐墻和膜式壁澆注成一體，通過管子吊在頂板上，其他區(qū)域為支承式輕型爐墻，重量由各橫梁支承。

（8）構架與平臺樓梯。鍋爐構架為全鋼結構，由10根立柱及頂板、橫梁組成。懸吊爐膛部分的6根立柱及尾部的4根立柱都放在標高為4 m運轉層上，為保證構架的整體性，鋼架上設有必要的斜拉條。鍋爐運轉層標高為4 m，地面標高設為0 m，在鍋爐運行時，需要操作和巡視檢修處，都設有平臺和樓梯。

4 結束語

我們對使用本文設計的鍋爐的單位進行調查發(fā)現，鍋爐試運行成功。高水分的燃料著火燃燒容易、爐膛燃燒溫度穩(wěn)定、爐膛和出煙口無結焦、NOX化物排放濃度符合標準負荷穩(wěn)定、燃燒良好，各項參數均符合設計要求，表明本設計是成功的，用戶十分滿意，實現了節(jié)能和環(huán)保的雙重效益。

參 考 文 獻

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].第2版.北京：科學出版社，1998.

[2]《工業(yè)鍋爐設計計算 標準方法》編委會.工業(yè)鍋爐設計計算 標準方法[M].北京：中國標準出版社，2003.

[3]林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].第2版.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4]胡蔭平.電站鍋爐手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[責任編輯：陳澤琦]