江華，陳佳麗，李勇強

（江西撫州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，江西 撫州 344000）

我國長期以煤炭作為首要能源，在大量利用煤炭的同時，也造成了較為嚴(yán)重的的環(huán)境污染問題。使用煤炭作為原材料存在諸多的不燃煤的能量利用率低，排放有毒有害物質(zhì)，如顆粒粉塵、二氧化硫以及氮氧化物等。為打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，全國各地陸續(xù)出臺了全面禁煤專項整治行動。各地將有大量35T/H以下燃煤鍋爐面臨強制淘汰或接受改造，強制淘汰現(xiàn)有燃煤鍋爐更換為燃氣鍋爐，企業(yè)不堪重負。因此，在滿足環(huán)保要求和不降低能效的前提下，積極推動將35T/H以下燃煤鍋爐改造成燃生物質(zhì)鍋爐是非常必要的。

1 燃煤鍋爐改造方式

目前，改造方式通常有三種做法：（1）淘汰原有35T/h以下燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐；（2）如果原有鍋爐接近35T/h，通過增加受熱面，給原有鍋爐增容以滿足要求；（3）將原有鍋爐改造成燃生物質(zhì)顆粒鍋爐。

燃煤鍋爐改燃氣鍋爐優(yōu)勢在于鍋爐效率可達85%～92%，清潔、熱效率高、無須脫硫脫硝除塵等，但該種方式存在最大的不足在于運行成本過高，比生物質(zhì)層燃鍋爐高出近1倍。

燃煤鍋爐改造為燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，具有明顯的經(jīng)濟成本優(yōu)勢，是目前較為理想的選擇。生物質(zhì)顆粒燃料容易獲取，熱值高，灰分小，基本無硫磷排放。且這種鍋爐可通過對現(xiàn)有的燃煤鍋爐改造獲得，有利于降低企業(yè)投資。所以生物質(zhì)顆粒燃料在目前是最佳的備用能源及過渡性能源。

2 燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒鍋爐現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)常見燃煤鍋爐改造主要有兩種方式：

第一種方式是改變層燃燃燒方式，取消鼓風(fēng)、爐排，在爐門前端設(shè)置生物質(zhì)燃燒機，將火焰直接噴入爐膛，同時為延長火焰在爐膛的留滯時間，在爐拱上方設(shè)置間隔不等的數(shù)堵?lián)跹鎵?，火焰在擋焰墻的作用下改變方向，其運行軌跡呈現(xiàn)出三級跳模式。這種改造方式在政策出臺初期被廣泛采用。但其微正壓的燃燒方式與燃煤鍋爐的爐墻系統(tǒng)嚴(yán)重不匹配，煙風(fēng)系統(tǒng)、熱力場不平衡，極易造成鍋爐受熱部件因熱應(yīng)力不均而產(chǎn)生缺陷，現(xiàn)被果斷“叫?！?。

另一種方式是保持原有的層燃方式不變，通過在煤斗中下部加裝壓料喂料機，在兩側(cè)水冷壁護坡內(nèi)埋設(shè)二次風(fēng)管，或在爐拱前端增加二次風(fēng)管設(shè)置。這種方式，很大程度上改善了燃燒工況，但并不一定有效地提高能效。并且容易產(chǎn)生不利于鍋爐安全運行的副作用，破壞鍋爐受壓部件的熱平衡，其原因有三：（1）次風(fēng)量極難控制，在一次風(fēng)和引風(fēng)的共同作用下，二次風(fēng)在水冷壁兩側(cè)及爐拱運動軌跡呈曲線向上后方的，在水冷壁近表面易形成風(fēng)幕，雖不影響輻射傳熱，但對水冷壁表面和鍋筒底部后端卻存在持續(xù)冷卻作用，增加了熱應(yīng)力同時降低換熱效果；（2）降低爐溫，二次風(fēng)為冷風(fēng)，注入爐膛會降低爐溫影響熱效率；（3）因為二次風(fēng)的加入，改變了鍋爐整體的燃燒布局。隨著火焰溫度的提高，在引風(fēng)的作用下，火焰極易吸入煙管，增加鍋爐后部的熱載荷，提升了排煙溫度，加大了熱損失。基于第三點曹峰提出增設(shè)二次風(fēng)來保護后管板，雖然在一定程度上保護了后管板，也只是治標(biāo)不治本。

3 研究內(nèi)容

由上述分析，鍋爐要想提高效能的運行，應(yīng)解決生物質(zhì)顆粒燃燒工況控制和煙氣循環(huán)控制，關(guān)鍵在于提高爐膛容積率和適當(dāng)降低煙氣流速。由此，本文針對鍋爐本體爐拱設(shè)置方面改造進行了進一步研究，提出了雙層爐拱研究方案。

3.1 上層煙風(fēng)道

本研究內(nèi)容針對燃燒方式不改變的鍋爐進行改造，以一臺DZL2-125-AⅡ型鍋爐為例，去除傳統(tǒng)二次風(fēng)的設(shè)置，對鍋爐進行爐拱上層煙風(fēng)道設(shè)計，如下圖1所示。

圖1 上層煙風(fēng)道改造及煙氣流通示意圖

爐拱改造方案：

（1）因生物質(zhì)顆粒特性揮發(fā)物揮發(fā)點較低，爐拱的作用弱化，在爐拱下方加裝了煙程隔板，將爐拱一分為二，適當(dāng)提高爐拱高度。目的是在爐拱作用弱化的前提下將一次風(fēng)阻斷為前后兩個部分，前部風(fēng)量小只起到點燃作用，爐膛后部一次風(fēng)在傳統(tǒng)二次風(fēng)爐膛改造中作用十分有限，且富氧及高溫的爐拱后補一次風(fēng)能效被損失掉了。

（2）將煤斗出口上方前拱高度下降并設(shè)置折焰角，目的是在原有的設(shè)計中火焰著火后直接沿著前拱后前墻快速到達鍋筒底部，這也就是二次風(fēng)設(shè)計中將火焰壓制住的原因，通過降低前拱和設(shè)置折焰角將火焰引導(dǎo)至爐膛前部的燃燒中心區(qū)，更有利于燃燒以及和后文所述的補風(fēng)進行對沖和混合。

（3）在爐拱隔板后部補風(fēng)區(qū)的頂部設(shè)置一個補風(fēng)孔，在補風(fēng)孔出口設(shè)置密閉的導(dǎo)流罩，在導(dǎo)流罩爐前方向引出數(shù)根管狀煙風(fēng)道敷設(shè)在爐拱上部，煙風(fēng)道出口與爐拱齊平，爐拱上部的煙風(fēng)道也可理解為源自一次風(fēng)的二次風(fēng)。其目的是將爐排后部的一次風(fēng)進行收集，這部分一次風(fēng)高溫且富氧，利于燃燒，收集后，通過補風(fēng)孔及煙風(fēng)道引導(dǎo)至爐前，與火焰進行對沖燃燒，其目的是針對爐排后部對鍋爐能效貢獻較小的一次風(fēng)引導(dǎo)至爐前對火焰進行補氧，同時相對壓制在火焰燃燒中心區(qū)避免火焰靠后，考慮到補風(fēng)流程較長，截面積較小，會導(dǎo)致爐拱后部風(fēng)壓過大，可以考慮在引流罩的上方再設(shè)置一密閉腔體，在腔體及引流罩中設(shè)置一同軸加速風(fēng)扇，腔體內(nèi)風(fēng)扇由爐外設(shè)置的風(fēng)機驅(qū)動，帶動腔體內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動并驅(qū)動引流罩加速風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，加快補風(fēng)，但在引流罩及煙流流道布置合理且風(fēng)速滿足的前提下，加速風(fēng)扇使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的設(shè)置不建議使用。

3.2 上煙風(fēng)道爐拱改造能效達到優(yōu)化

上煙風(fēng)道爐拱改造能效得到優(yōu)化的原理在于煙氣流通。從如圖1上煙風(fēng)道改造及煙氣流通示意圖1中，1為前墻（前拱），在前拱轉(zhuǎn)前處設(shè)置折焰角8，目的將火焰的運行方向由向上引導(dǎo)為向后，增加火焰滯留時間，利于與7補風(fēng)煙氣形成對沖，2為下拱，通過設(shè)置下拱煙道程隔板9將下拱一分為二，前半部分為一次燃燒區(qū)，該區(qū)為干餾燃燒區(qū)，耗氧量大，形成的一次煙氣6含有大量不完全燃燒產(chǎn)物一氧化碳等，后半部分補風(fēng)區(qū)3為盡燃區(qū)，該區(qū)燃料基本燃盡，耗氧量大，鍋爐鼓風(fēng)通過爐床進入補風(fēng)區(qū)3經(jīng)爐床加熱后的富氧熱風(fēng)通過補風(fēng)孔5進入上爐拱4，該補風(fēng)孔4內(nèi)部設(shè)置為蝸殼形狀，利于離心加速，補風(fēng)經(jīng)過上爐拱至前墻形成補風(fēng)煙氣7與一次煙氣6對沖混合，再次將火焰相對控制在爐膛前部，防止火焰進入對流換熱段，在此需要指出的是，圖中4即上爐拱雖名叫爐拱，但并不是按傳統(tǒng)鍋爐爐拱設(shè)計，煙氣自補風(fēng)孔5出口后拉稀為數(shù)根管狀導(dǎo)流管道，延伸至下爐拱邊緣。

通過雙層爐拱裝置設(shè)計，可解決傳統(tǒng)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐改造方法的不足之處，有效提高燃生物質(zhì)顆粒改造鍋爐的能效。首先，有效利用爐膛灰渣層的余溫，對送風(fēng)進行加溫處理，使二次送風(fēng)從傳統(tǒng)的冷風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊犸L(fēng)輸送，提高熱效率；第二，消除二次風(fēng)進入流換熱段的可能，而造成增加鍋爐本體的熱載荷，產(chǎn)生裂紋，埋下安全隱患的可能。

4 結(jié)語

通過本文改造燃煤鍋爐方式，使之可滿足環(huán)保要求和不降低能效的前提下，積極推動企業(yè)將35T/h以下燃煤鍋爐改造成燃生物質(zhì)鍋爐，避免大量燃煤鍋爐被當(dāng)作廢舊鋼材處理，造成社會經(jīng)濟的浪費。同時，充分利用生物顆粒這種可再生資源，減輕天然氣供給壓力。綜上所述，本文改造燃煤鍋爐方式完全符合我國能源政策和環(huán)保要求，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。