汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設計開發(fā)中心 （上海 200042）

熱管式熱風爐燃燒生物質固硫型煤，生成的高溫煙氣先經過煙氣沉降室，再經過熱管式換熱器，從而使得其溫度降至150℃左右；然后抽取一部分排出熱風爐外的煙氣，使其進入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，由循環(huán)風機加壓后送到爐膛內和高溫煙氣均勻混合，使之成為溫度約為900℃的中溫煙氣，再次進入熱管式換熱器；剩余的煙氣由煙囪排出。而通過鼓風機送入的常溫空氣，在熱管式換熱器中與煙氣逆流換熱，換熱后清潔空氣的溫度可升至100～550℃，然后進入用熱設備供生產加工使用。燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐以高溫熱管作為傳熱元件，而由熱管元件組成的熱管式換熱器產生的清潔熱風的最高溫度可達到550℃，并且熱管式熱風爐的熱效率較高、生產運行安全可靠、使用壽命長、檢修維護方便。

1 生物質固硫型煤及其燃燒、成型

⒈1 生物質固硫型煤

生物質固硫型煤是含有纖維狀的生物質，屬于干式冷態(tài)成型煤，生物質不僅起黏結作用，而且有助燃作用。生物質固硫型煤進入爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質首先燃燒，型煤表面形成蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進入型煤內部，同時增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒更加充分，直至燃盡[1]。

加入固硫劑的型煤稱為固硫型煤，它可以使燃燒過程中產生的SO2與固硫劑發(fā)生化學作用，生成硫酸鹽，而且被固定在灰渣中，從而可減少SO2的排放量。生物質固硫型煤的固硫劑可采用石灰石粉，生物質可選用稻草或稻殼；生物質的質量分數一般在15%左右，粉碎后的稻草(或稻殼)和細煤粉、石灰石粉、添加劑需充分混合。生物質固硫型煤的成型工藝是：石灰石粉和添加劑先混合好，再與已經制備好的細煤粉進行混合，最后與粉碎制備好的稻草(或稻殼)互相混合，然后進行型煤成型加工[2]。這種成型工藝過程具有成型輪的軋輥直徑較小、成型壓力較低、原料粒度與水分要求相對較低的特點。

1.2 生物質固硫型煤的爐內燃燒過程

生物質固硫型煤隨著鏈條爐排向前移動進入爐膛后，在爐排上燃燒。生物質固硫型煤受到爐拱和爐膛內高溫煙氣的熱輻射，以及相鄰熾熱燃燒層的直接熱傳導，進行預熱干燥、熱分解（析出揮發(fā)物），揮發(fā)物與由下而上穿過煤層的一次風進行充分混合，然后穿出煤層向上流動進入爐膛，在高溫作用下著火，揮發(fā)物的燃燒熱又使析出揮發(fā)物后的焦炭激烈燃燒，這就是生物質固硫型煤層在爐膛內的主要燃燒階段[3]。當一次風流體由下而上穿過熾熱的焦炭層時，空氣中的氧氣便與焦炭中的碳原子進行氧化反應生成二氧化碳，并且產生大量的熱。經過氧化反應后的一次風混合流體繼續(xù)往上穿越爐排上熾熱的焦炭層時，由于空氣中的氧氣在氧化反應中已經基本耗盡，剩余的主要氣體是二氧化碳，所以二氧化碳中的氧原子便會被焦炭中的碳原子所奪取，發(fā)生還原反應，將二氧化碳還原為一氧化碳，一氧化碳穿出焦炭層向上流動后在爐膛內繼續(xù)燃燒。隨著燃燒的進行，焦炭層已基本燃盡，隨著鏈條爐排的繼續(xù)移動，焦炭層進入爐膛后部的燃盡區(qū)，最后，爐渣落入灰斗內排出爐外[4]。

1.3 生物質固硫型煤的爐前成型方法

生物質固硫型煤的爐前成型過程為：將煤炭全部粉碎成為細煤粉，先后加入石灰石粉和添加劑，并混合均勻，然后加入已經粉碎好的稻草 (或稻殼)原料，繼續(xù)攪拌使混合均勻，最后通過制作型煤的雙軋輥機械進行成型加工。雙軋輥是由2根直徑為200 mm、長度為2700 mm的實心鋼件組成，鋼件軋輥上有許多橢圓形小槽。2個軋輥都向內旋轉，混合均勻的稻草(或稻殼)、石灰石粉、添加劑、細煤粉燃料通過雙軋輥機械加工成型為橢圓形煤球，其尺寸以小于37 mm×21 mm×13 mm為宜。兩軋輥一個是主動輪，一個是從動輪，主動軋輥由電動機及減速機帶動。燃燒運行過程中，熱管式熱風爐供熱負荷的調整，不僅可以通過調節(jié)生物質固硫型煤的供給數量和爐排速度實現，還可以通過利用無級調速裝置調節(jié)軋輥的運轉速度來實現。

為了避免軋輥過長引起軋輥直徑增大，并進一步造成軋輥加工難度增大、制作成本增加，以及熱風爐前方安裝尺寸不夠等問題，可以將軋輥設計制作成2段，并在中間設計安裝約200 mm寬的支撐裝置，同時采用滾動軸承支撐。在中間支撐點的部位專門設有傾角為50°的溜落生物質固硫型煤滑道，以避免中間支撐對應部位的鏈條爐排上沒有生物質固硫型煤的供應輸送。

生物質固硫型煤成型的大規(guī)模生產線主要有對煤塊與生物質原料進行干燥、粉碎的加工設備，包括煤塊粉碎機、生物質原料粉碎機、煤粉與生物質原料的混合機、生物質固硫型煤的成型機等設備，以及相應的成型加工專用生產線。

2 熱管式熱風爐的結構及其控制

2.1 熱管式熱風爐的結構設計開發(fā)

燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐的主要部件為熱管及熱管式換熱器、鏈條爐排和爐膛、煙氣沉降室、鼓風機、引風機、電控柜等。對熱管式熱風爐的爐膛和熱管式換熱器進行結構設計開發(fā)時，可以采用兩個結構整體合并布置設計的結構方式，或者兩個結構分開布置設計的結構方式。用于高溫除塵預處理的煙氣沉降室布置在爐膛后的煙氣出口處，熱管式換熱器布置在煙氣沉降室的后段。

生物質固硫型煤在鏈條爐排上燃燒后形成高溫煙氣，通過沉降室重力除塵后進入熱管式換熱器的加熱段，熱量通過熱管上部的冷凝段加熱清潔空氣。在熱管式換熱器中把煙氣溫度降到其露點溫度以下后，將一部分煙氣通過循環(huán)風機加壓后送到爐膛的前部(或中部)與高溫煙氣均勻混合，使之成為900℃左右的中溫煙氣并再次進入換熱器中進行換熱。剩余的煙氣通過煙氣脫硫除塵裝置后經煙囪排出[5]。

由于燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐爐膛內的燃燒接近于絕熱燃燒，所以其爐膛溫度很高，在設計開發(fā)中需要采用耐熱鑄鐵和加厚爐排片的特殊結構，以保證鏈條爐排的安全穩(wěn)定運行和長久的使用壽命。熱管式熱風爐的熱管換熱器中，各個熱管元件互相獨立，即使某一根熱管因磨損、氧化、腐蝕、熱變形等原因而出現穿透，也僅僅是該根熱管發(fā)生失效，而不會造成煙氣貫通，從而可以保證熱風空氣與煙氣互不摻混。此外，即使數根熱管發(fā)生了失效，對整臺熱管式熱風爐額定供熱負荷的影響也不會太大。

燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐采用熱管作為傳熱元件。熱管是抽真空后充入工質的傳熱元件，工作時工質的蒸發(fā)-冷凝在管內反復循環(huán)，不斷將熱量從加熱段傳至冷凝段。由于熱管內部工質是以傳熱最強的相變過程工作，因此它幾乎是在等溫下傳遞極高的熱流密度。通過調節(jié)冷熱端的長度比和翅片間距可改變冷熱端的傳熱熱阻，從而提高熱風爐尾部熱管元件熱端管壁的壁溫，降低爐尾部受熱面的低溫腐蝕，使排煙溫度更低、爐的熱效率更高。

2.2 熱管式換熱器

熱管式換熱器由矩形外殼體和帶翅片的熱管束組成，許多單根帶翅片的熱管布滿于矩形殼體中，熱管的布置有錯列呈三角形的排列方式，也有順列呈正方形的排列方式，熱管數量的多少取決于換熱量的大小。在矩形殼體內部的中央有一塊隔板將殼體分成兩部分，形成煙氣通道與空氣通道，當煙氣與空氣同時在各自的通道中流過時，熱管就把高溫煙氣的熱量傳遞給低溫空氣，從而實現煙氣與空氣的熱量交換。

熱管式換熱器的優(yōu)點是：結構簡單、體積緊湊、換熱效率高、壓力降小。由于在熱管上附設了翅片，克服了氣體換熱系數小的缺點，使得所需傳熱的熱管數目大為減少，因此在傳遞相同熱量的條件下，制造熱管式換熱器的金屬消耗量要低于列管式換熱器。此外，煙氣與空氣通過熱管式換熱器時的壓力損失比列管式換熱器(或板翅式換熱器)要小得多，因而輸送風機的動力消耗也比較少。

熱管式換熱器具有獨特的結構形式：每根熱管采用彈簧壓緊或拉緊的方式固定，這樣既能保證中間管板的氣密性，又能使熱管在溫度較高時自由膨脹，不至于引起熱管和隔板的彎曲變形；采用了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，使進口煙溫大幅度降低，熱膨脹量進一步下降，從而較好地解決了受熱面的熱膨脹問題；熱管式換熱器采用純逆流式布置，可以提高傳熱平均溫差、減少傳熱面積、提高熱風空氣的出口溫度。

2.3 鏈條爐排與爐拱

生物質固硫型煤從煤斗內落在鏈條爐排上，并隨著爐排向爐膛內緩慢移動，助燃空氣從爐排下面吹入，與型煤的供給運行方向垂直相交。生物質固硫型煤的著火依靠爐膛內的熱煙氣和爐墻的熱輻射作用，型煤層的表面先被加熱發(fā)生燃燒，然后通過接觸傳熱、型煤空隙中的對流和輻射傳熱，將熱量向型煤內部進行傳遞，繼而發(fā)生內部燃燒；助燃空氣在鼓風機的作用下，經爐排下各個供風室均勻分配后，穿越爐排上的型煤層后到達爐膛內部，從而加快了型煤的燃燒過程[6]。

在助燃空氣的作用下，鏈條爐排可以分為如下幾個區(qū)域：燃料加熱和干燥區(qū)、揮發(fā)分析出區(qū)、主要燃燒區(qū)、灰渣燃盡區(qū)。其中：主要燃燒區(qū)又分為焦炭燃燒區(qū)和還原區(qū)，在揮發(fā)分析出區(qū)、焦炭燃燒區(qū)及還原區(qū)內所需要的空氣量最多，燃燒的高溫區(qū)也主要集中在該區(qū)域。充足的空氣是保證生物質固硫型煤燃燒完全的前提條件。揮發(fā)分析出區(qū)和主要燃燒區(qū)也是考驗鏈條爐排片質量優(yōu)劣的區(qū)域。由于炙熱的焦炭可能直接和爐排片接觸，如果此時沒有助燃空氣的冷卻作用，爐排片在有限的時間內可能會被燒壞，所以充足的助燃空氣供給不僅為燃燒提供足夠的氧氣，還可以冷卻鏈條爐排片。

為了強化燃燒、提高爐子的熱效率，爐拱的結構設計也是十分重要的環(huán)節(jié)。前拱、后拱采用異型磚設計成弧形：爐前拱采用30°傾角，主要作用是合理組織煙氣流動，將燃燒火床面的輻射熱和部分火焰輻射熱傳遞到新進爐膛內生物質固硫型煤的著火區(qū)，從而有利于型煤的著火燃燒；爐后拱采用17°傾角，具有合理的長度和高度，目的是將大量的高溫煙氣和熾熱炭粒輸送到生物質固硫型煤的燃燒區(qū)，以保證燃燒區(qū)內的型煤處于高溫燃燒狀態(tài)。爐拱的另一作用是對燃盡區(qū)的保溫促燃，以便大幅度降低灰渣的熱量損失。

生物質固硫型煤在爐膛內隨鏈條爐排移動，燃燒過程是持續(xù)的，為了保持良好的消煙效果并抑制煙塵的生成量，應使鏈條爐排上的生物質固硫型煤層進行正常的燃燒，撥火時應盡量避免將燃燒帶層攪亂，人為地造成燃燒惡化現象，同時嚴禁直接往鏈條爐排上投入型煤進行燃燒，以避免產生周期性的排煙污染現象[7]。

2.4 自動控制系統(tǒng)

為了使進入爐膛內生物質固硫型煤的數量隨著供熱負荷變化得到平穩(wěn)調節(jié)，從而提高熱管式熱風爐的燃燒效率，應選用可控硅直流無級調速裝置，以帶動鏈條爐排的運行。該裝置的爐排運行速度調整范圍寬、調節(jié)性能好，在超負荷以及鏈條爐排卡死的情況下，由于有電子限流器和機械離合器的雙重保護作用，并配有手動機構裝置和正轉、反轉的功能，使得熱管式熱風爐的可控性能大為提高；如果將出口熱風溫度作為被調參數，而將進入爐膛的生物質固硫型煤的數量、引風量、鼓風量作為調節(jié)量，便可構成比值調節(jié)燃燒控制系統(tǒng)[8]。

3 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

3.1 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā)

燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐的爐膛煙氣溫度一般可達到1 300℃左右。高溫煙氣具有很強的輻射能力，如果直接進入熱管式換熱器，即使采用高溫耐熱管，并通過調節(jié)冷、熱端的長度和翅片間距等手段來降低冷端的換熱熱阻，煙氣進口處前面幾排的熱管元件仍有可能因為管壁溫度過高而產生氧化、熱變形、裂紋，從而使熱管壁開裂泄漏；或者由于熱管內部工質的壓力過高而產生超壓爆管事故。所以需要采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，把排出熱風爐外的煙氣通過循環(huán)風機加壓后，送到熱風爐的爐膛前部(或中部)位置，與爐膛內的高溫煙氣均勻混合，使其成為900℃左右的中溫煙氣，再次進入熱管式換熱器。這樣不僅可以使熱管元件的安全性和可靠性大為提高，確保熱管式熱風爐的正常運行，且不會降低熱管式熱風爐的熱效率。同時，因為降低了燃燒溫度和氧氣的濃度，還可以減少NOx的生成量，從而減少了氮氧化物的排放，起到保護大氣環(huán)境的作用。

在設計煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的方案時，如果再循環(huán)煙氣和爐膛內燃燒產生的高溫煙氣混合不均勻，局部高溫煙氣進入熱管式換熱器，將會導致局部熱管的超溫爆炸。所以，再循環(huán)煙氣與高溫煙氣的混合方式可以采用交叉混合方式或者旋轉混合方式。具體的設計方法是將再循環(huán)煙氣與高溫煙氣以一定的角度交叉混合；當煙氣量很大的時候，可以采用多股煙氣交叉混合方式，或者高溫煙氣在中間流動、再循環(huán)煙氣以旋轉的方式不斷卷吸高溫煙氣，以達到均勻混合的目的。

3.2 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設計計算

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是將熱管式熱風爐排出的煙氣抽取一部分，使其進入熱風爐的爐膛內與高溫煙氣均勻混合，混合后的煙氣溫度可降至900℃左右。該混合煙氣再次進入熱管式換熱器，與清潔空氣進行熱交換。所以，如果采用了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設計方案，需要對排煙系統(tǒng)進行詳細的熱平衡計算，最后根據熱平衡計算結果來確定合適的摻混煙量。

煙氣再循環(huán)系數的計算公式如下：

式中：r為煙氣再循環(huán)系數；Vr為再循環(huán)煙氣量，m3/h；Vh為燃燒產生的煙氣量，m3/h。

如果煙氣再循環(huán)系數r增大時，再循環(huán)煙氣量Vr增加，則高溫煙氣混合后的煙溫降低，傳熱溫差減小，換熱面積增大，投資成本增加。但如果煙氣再循環(huán)系數r變小，混合煙氣溫度將過高，使得熱管元件的工作可靠性和安全性降低，甚至引起熱管元件的過熱、超溫、超壓爆炸，從而使得熱管式熱風爐被迫停止運行，影響正常生產。因此，煙氣再循環(huán)系數r及混合煙氣溫度的選擇至關重要，通?？筛鶕峁茉褂玫墓べ|、管徑、管材壁厚、冷熱端長度、翅片間距、排列方式、縱向間距、橫向間距、煙氣速度、空氣進口速度等因素來決定。一般可根據其他約束條件先確定熱管式換熱器的結構尺寸和熱管元件的幾何尺寸，再假定一個混合煙氣溫度，然后進行熱力計算。計算出的熱管工質的最大工作溫度TVmax應小于熱管工質的最高允許溫度[TV]，管材的最大管壁溫度Tpmax應小于管材的最高允許溫度[Tp]。其計算公式如下：

式中：T1為煙氣的進口溫度，℃；T2為空氣的出口溫度，℃；Rt為第一排熱管的傳熱總熱阻，（m2·℃）/W；Re為蒸發(fā)段的熱阻（m2·℃）/W；R1為煙氣對翅片管對流換熱熱阻，（m2·℃）/W；TVmax為熱管的最大工作溫度，℃；Tpmax為熱管的最大管壁溫度，℃；[TV]為熱管工質的最高允許溫度(萘工質取400℃，水工質取300℃)；[Tp]為管材的最高允許溫度（碳鋼材料取420℃，不銹鋼材料取700℃）。

再循環(huán)煙氣的抽取位置最好選擇在引風機的出口側，這樣可使得再循環(huán)風機能夠按照實際需要的參數進行選取，節(jié)省部分電能。另外，在低負荷運行時也可以讓再循環(huán)風機停止運行，這樣既不會對爐體再循環(huán)煙氣管道有任何不利的影響，也不會出現負壓現象。

4 結語

燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐燃燒產生的熱量通過煙氣傳輸給清潔空氣，完全由熱管元件完成，并且熱管元件相互獨立，單根或數根熱管元件的損壞不會影響熱風爐的正常運行。熱管元件的管子可以拆卸，并且安裝維修方便，同時徹底解決了熱膨脹的問題。另外，煙氣與空氣是完全隔開的，從而避免了煙氣泄漏進入清潔空氣現象的發(fā)生。

燃生物質固硫型煤熱管式熱風爐采用了熱管這一高效導熱元件，再通過優(yōu)化設計調節(jié)各排熱管的加熱段和冷卻段的長度比、翅片螺距和高度、兩段傳熱面積，從而可以控制熱管壁溫，防止酸露點腐蝕。