燃用无烟煤(难燃煤)链条炉的设计与运行.pdf

集 美 航 海 学 院 学 报 16 1 9～14, 1998 Journal of Jimei Navigation Institute a 燃用无烟煤 难燃煤 链条炉的设计与运行 王君儒 刘建华 季开明 集美航海学院航海科技研究所; 集美航海学院轮机系, 厦门 361021 厦门电化厂, 厦门 361006 摘要 根据无烟煤在链条炉燃烧过程中存在的问题, 分析了无烟煤燃烧机理; 结合多年设计、 运 行经验, 提出了燃用无烟煤链条炉设计与运行中的若干问题. 实践证明, 采用本设计方案可获 得较好的经济与社会效益. 关键词 链条炉; 无烟煤; 燃烧; 设计与运行 中图分类号 TK 229. 61 0 引言 我国经济发展中能源是最受关注的二大问题之一.中国工程院副院长潘家铮谈到今后 中国对能源的巨大需求和出路时认为最可能最现实的选择是一小半靠开发, 一大半靠节约, 他呼吁要象抓计划生育一样地把节约能源当作基本国策之一狠抓不放.中国能源再也经不 起挥霍浪费和低效率运行了. 工业锅炉 含窑炉 是我国耗能源最多的设备之一. 由于工 业生产发展, 造成供煤紧张, 燃煤质量下降. 我省市锅炉 窑炉 则需更多燃用无烟煤, 原 有锅炉燃烧系统已难适应,造成燃烧效率低、排烟温度高,锅炉热效率降低, 锅炉热效率 多在 50 ～60左右, 锅炉出力也降低, 无法适应生产发展的需要, 浪费了大量能源又增 加了环境污染. 如何确保 或增加 锅炉出力, 提高锅炉热效率、减少环境污染是当前锅炉 窑炉 的 主要难题. 经过多年的实践, 我们认为完全可以依靠科技进步,采用新技术, 解决好此类 难题. 1 链条炉的燃烧机理 链条炉是典型的前饲燃料式炉. 炉排自前向后缓慢移动, 燃料从煤斗下落到炉排上, 随 炉排一起前进. 空气从炉排下自下而上引入,与燃料的供给方向相交.链条炉排上,当煤 的低发热值确定时, 燃料燃烧出力 与锅炉出力相适应 取决于燃料层厚度、送风量和炉 排速度. a收稿日期 19971118 修改日期 19980220 链条炉排上煤层的燃烧过程分为四个区段进行, 如图 1 所示. 1 区段为燃料的的预热干燥区段, 燃料随炉排缓慢行进, 同时受炉烟直接加热为主, 炉 墙辐射为副, 使水分逐渐蒸发; 2 区段为挥发分析出并燃烧区段, 设计、 运行时应使这两区 段尽量缩短, 而使 3区段尽量可能提前, 这是非常重要的; 3 区段为焦炭燃烧区段, 这是燃 烧猛烈区, 温度很高, 可达 1200℃以上, 这区段是燃烧的主要区段, 除尽量争取提前外, 还 应在这区段有充分均匀的空气供应以实现猛烈地完全燃烧,这是设计与运行必须重点考虑 的问题; 4 区段则是燃尽区段, 燃料在此区段内基本为灰渣, 只需供少量空气则足够了. 链条炉沿炉排长度的烟气成份分布见图 2.由图可见链条炉排燃烧的特点是着火条件 差, 属单面点火, 且炉排在移动, 燃烧是沿炉排长度分区段进行, 因而可看到链条炉排. 着 火引燃、上下层强烈燃烧好坏的主要问题, 是提高燃烧效率, 确保并提高锅炉出力、提高 锅炉热效率的主攻方向. 图 1 链条炉燃烧区段分布图 图 2 链条炉沿炉排长度的烟气成份分布 2 燃用无烟煤 难燃煤 锅炉设计与运行中的若干问题 锅炉设计中,燃烧优劣是一个非常重要的指标. 燃烧现象复杂, 燃料、空气、燃烧气 体在有限空间中的混合机理的问题以及化学反应及热质流动同时发生. 在燃烧中, 燃料、 空 气、燃烧设备三者缺一不可, 这总称为燃烧技术, 这是一种综合技术, 也是一种经验技术. 燃用无烟煤特性见表 1,其锅炉的设计考虑如图 3 所示. 表 1 无烟煤特性 福建天湖山煤 应用基CarHarOarNarSarAarWar可燃基挥发分 Vdar应用基低发热值 Qnet 含量 74. 15 1. 190. 590. 140. 15 13. 989. 82. 8425435 kJ/ kg 根据燃料特性, 按图 3 诸因素对目前生产中使用的锅炉进行分析 1 正在使用的锅炉一般较难改动成完全燃烧所需的空间. 2 提高燃烧室气氛温度是可能的.这正好可使用新技术重水热管. 将旧式钢管 式空气预热器 或部分省煤器 改造为热管式空气预热器, 可以使空气温度达 100～150℃ 10 集 美 航 海 学 院 学 报 第 16 卷 图3燃用无烟煤锅炉设计考虑 完全燃烧所需空间燃烧室气氛温度停留时间高温烟气流动状况送风方法及风量 燃料与特性 无烟煤, 低挥发分 左右, 而使排烟温度从 220℃降到 150℃左右. 这有利于降低排烟温度、提高燃烧效率, 从 而提高锅炉热效率, 还可以防止并减轻锅炉尾部的腐蚀与堵灰,减少污染,获得一箭三雕 的作用. 热管是一种高效的传热元件. 热管就是把普通的钢管抽成真空, 注入工作质 液 体 , 加以密封, 就成了重力热管, 如图 4 所示. 工作质在输送热能之前要由液态变成汽态, 把热能从热管的一端送到另一端之后, 工作质重新凝成液态, 然后靠重力作用使变冷的工 作质 液态 从冷凝段流回蒸发段. 可见, 它是利用相变过程来传输热量, 故其热阻很小; 它又利用工作质传热,可将冷热流体的受热面分开, 便于在冷、热两侧分别装翅片来扩展 受热面, 并促使流体湍流增加, 增强传热. 最重要的是热管靠相变传输热量. 冷、热端管子的 壁温较高, 一般可超过130℃, 正好在低腐蚀区中运行, 如图 5 中第 I 安全区中运行. 因而解决 了锅炉尾部原钢管式空气预热器存在的老大难腐蚀与堵灰.我们设计安装了十余台热管式 预热器, 经过几年运行传热效果基本保持初始水平,腐蚀与堵灰现象大为减轻. 图 4 热管的工作原理 图 5 金属受热面低温的腐蚀曲线 3 燃料在炉排上停留时间主要取决于锅炉出力,它由炉排速度及炉排上煤层厚度决 定. 但如果把燃烧组织好,可尽量提前引燃,强烈燃烧. 这等于延长了燃烧停留时间, 这 在 4 中改造后得到效果. 4 改进炉拱结构可大大改善高温烟气流动状况.炉拱是链条炉等这类火床炉的关键 部件,它起着新燃料引燃和促进炉内烟气混合等作用.对于燃用无烟煤 难燃煤 的火床 炉而言, 炉拱的优劣对于锅炉的燃烧效率和出力有非常重要的影响. 实践证明,合理的炉 拱结构是提高燃烧效率和扩大燃用煤种范围的有效措施. 再辅以延迟配风法, 则效果更佳. 新型炉拱突破传统炉拱理论, 提出新的工作机理炉拱 含侧墙 以再辐射为主, 镜 反射为辅的方式,将燃烧区火床面的辐射热和部分火墙的辐射热传到新燃料的着火区, 用 11 第 1 期 王君儒等 燃用无烟煤 难燃煤 链条炉的设计与运行 于引燃, 而且依靠燃烧区火床面辐射也可促进燃烬. 就是说, 煤引燃的主要热源来自后拱 中燃烧生产的高温烟气和炽热炭粒送到燃烧区, 从而促进燃烧区的高温, 而使燃烧区燃烧 强化,析出更多的热量, 并且形成较高温烟气. 当它被引到前拱区后,通过烟气的辐射和 对流传热, 加上由此而使前拱温度升高产生的再辐射,使新煤着火. 显然,决定新煤引燃 快慢的主要因素是前拱区的温度水平, 而不是前拱的几何型线和光洁度. 同时燃烧区的燃 烧强化对引燃以及以后的燃烬也有重要作用. 要确保前拱区的温度水平以及燃烧区的强化燃烧,必须选择低而长的前拱及其合适的 长度,并要配以低而长的后拱,以使前拱区火焰充满度好,拱区壁面积大.这样才能尽可 能多地把高温烟气驱赶到前拱区, 并产生涡漩气流, 使高温烟气在前拱区充满并尽可能停 留长些, 以增强传热.设计时应注意确保燃烧区能强化燃烧, 以使烟气温度保持较高的水 图6改造前后的炉拱 改造后的拱改造前的拱 8 b a 平. 所设计的炉拱见图 6, 它表示改造前后的炉 拱. 这是按炉拱新机理设计的一种辐射对流拱, 是符合火床炉燃烧规律的炉拱形状、 结构和布置 的. 它使得前拱区空气动力状态较好, 高温烟气 流进容易, 火墙充满度提高; 带水平段的超低长 拱具有合理的出口端高度, 能逼迫高温烟气进入 前拱区; 设计时应注意使前拱出口端高于后拱出 口端, 并有合理的高度差, 这就保证高温烟气能 深入前拱区, 使之旋转, 且保证了足够的通道, 避 免拱区烟气闷塞; 设计时还应注意保证拱区有足 够大的覆盖率; 采用水平拱其水动力计算是安全 的. 由于省煤器出口均为未饱和水, 此类炉循环倍率一般大于20～100, 后拱水冷壁实际重 量流量一般大于 1000kg/ h, 即不会汽化, 故其水循环特性是安全的. 几年来的实践也证实 了这个分析. 5 采用推迟配风方法. 配风对链条炉而言也是一个十分重要的问题.合理的配风能 改善燃烧工况, 减少排烟热损失、化学不完全燃烧损失及机械不完全燃烧损失,可进一步 提高燃烧的经济性和运行的连续性与可靠性.所谓推迟配风法即对燃烧前期的火床层少量 通风或不通风, 仅靠漏风保持燃烧,以使部分燃煤气化, 从而消耗掉来自炉排后部的过剩 空气;对后拱下燃烧中期的火床层则加强送风, 使之形成一个强燃区,以使对前后拱两头 起引燃和促燃作用; 对尾部燃烬区送风量可大幅度减少, 以避免因过剩空气过多而增加排 烟热损失. 一般链条炉有6 个风室, 其实际的配风方式如表2 所示. 推迟配风法在各锅炉上 进行调试使用, 均达到令人满意的效果. 此外, 配风比应根据煤种与负荷的变化有所调整. 表 2 推迟配风法的风量分配 风室12345 6 状态关半开开开半开 关 风量比例约 5约 15约 25约 35约 15约 5 为确保推迟配风法实现, 必须注意炉排两侧的漏风问题. 常见为迷宫式侧密封,结构 12 集 美 航 海 学 院 学 报 第 16 卷 简单但密封效果差, 建议改为接触性侧密封,并用耐火灰浆充填侧密封下通道,可以有效 地阻止煤粒掉入,保护侧密封不致烧毁,而且可以减少风室的窜风; 此外应注意风室间隔 板与移动炉排之间的间隙,并在风室之间加装横、纵向耐热耐磨的密封板. 为使煤在炉排上充分燃烧,还要重视煤层的透气性. 目前为了改善炉排上煤的透气性 的方法颇多,例如型煤燃烧、新型给煤装置分层式给煤装置. 目前, 对于细煤屑较多 的无烟煤在链条炉上燃烧还采用松煤器及掺烧粗粒煤渣. 其中后一种最简便, 且更加适用 于煤粒细小较多的无烟煤. 3 应用实例及效果 云霄糖厂 SHL2025/ 400GAⅢ型锅炉 1995 年初调试使用, 该炉蒸发量由17t/ h 增 至 25t/ h, 运行时炉排后部高温烟气可强烈冲刷到前拱区及煤闸门处, 全炉燃烧状况较好, 点火提前至煤闸门处 比原来提前 1m , 燃烧稳定, 注意适时配风, 炉渣含碳量显著减少, 该炉经技术改造后, 性能稳定, 基本上达到技改的主要指标 以上摘自云霄糖厂 SHL20 25/ 400GAⅢ型炉节能技术改造验收会纪要 . 厦门电化厂 SHL10 锅炉, 1996 年 12 月验收时指出 “ 达到预期技术改造目标”即提高 锅炉出力, 赶炉时可达到 12～13t/ h, 同时提高运行的稳定性, 能满足生产用汽要求; 采用 新型热管预热器, 使热风温度由 90℃以下提高到 130～142℃, 排烟温度降到 170℃, 改善 燃烧工况, 可节约能源, 同时堵灰与腐蚀现象减轻; 改进前后拱, 改善燃烧工况, 目前升 压快, 燃烧好, 煤渣含碳量由原来的 30 降到 15左右, 可以增大无烟煤的配额, 煤汽比 由原来 1∶5. 4～1∶5. 6 上升到 1∶6 左右, 锅炉热效率由 60 提高到 72 以上. 改造后, 每月节煤量 107. 93t, 全年可达 1295t, 按 280元/ t 计, 可节约 36. 26万元, 而且大大改善 司炉人员的劳动强度和劳动环境, 颇受司炉人员欢迎.这是一项厂校发挥各自优势,密切 配合, 发展生产力的范例, 也充分体现企业技术改造的重要性 以上摘自 1996 年 12 月 10 日厦门电化厂 SHL10锅炉技术改造验收会议纪要 .该项目 1997年获市技术革新二等奖. 4 结束语 多年来由于各种原因,特别是煤质下降,无烟煤 难燃煤 在炉上使用增加, 致使出 现锅炉效率下降、锅炉出力下降, 浪费了大量能源, 增加了污染, 而长期未能解决的尾部 腐蚀与堵灰问题困扰着用户. 近年来我们在工厂领导及操作人员的密切配合下,从燃烧理论、水循环理论出发, 采 用新的燃烧技术、热管技术等等, 并在实践中认真研究运行经验使原有链条炉的燃烧效率 提高,减轻和防止尾部腐蚀与堵灰现象,提高了锅炉热效率, 提高了锅炉出力. 综上所述, 采用国内外先进技术、立足稳妥可靠, 并注意到尽可能减少技术改造项目, 缩短工期, 节约资金, 厂校共同努力下, 可以取得较好的成果, 获得较好的经济社会效益. 13 第 1 期 王君儒等 燃用无烟煤 难燃煤 链条炉的设计与运行 参 考 文 献 1 王君儒等. 链条炉燃烧无烟煤的炉拱与配风研究. 节能, 1995 7 29～31 2 王君儒等. 锅炉节能技术改造. 福建轻纺信息, 1994 10 5～7 3 金定要等. 工业锅炉原理. 西安 西安交通大学学出版社, 1987. 78～84 A New Design of Roller Furnace burning Anthracite and Its Running Wang Junru Liu Jianhua Ji Kaiming Nautical Science and T echnology Research Inst. , JNI; Marine Engineering Dep t. , JNI, Xiamen 361021 Xiamen Electrochemical Plant, Xiamen 361006 Abstract Analyzes the combustion principles of anthracite for the solution of the prob- lems arising in the burning process in a roller furnace; puts forward a new design of roller furnace based on years of experience in its designing and running. It has proved to be a de- sign with better economic and social benefits. Key words roller furnace; anthracite; combustion; design and running 14 集 美 航 海 学 院 学 报 第 16 卷