120t/h甘蔗渣鍋爐爐膛的設計與布置

李　璐（中工國際工程股份有限公司，北京　100080）

120t/h甘蔗渣鍋爐爐膛的設計與布置

李璐
（中工國際工程股份有限公司，北京100080）

甘蔗渣的特點是熱量低、水分高（含量一般50%左右，超過50%的話，燃燒將會非常困難）、難著火，所以甘蔗渣鍋爐的設計特別是爐膛部分的設計與布置顯得尤為重要。

甘蔗渣；鍋爐；爐膛

1　甘蔗渣鍋爐結構特點

甘蔗渣是糖廠將甘蔗壓榨提取糖分后剩余的纖維狀的殘渣，作為一種生物質燃料，甘蔗渣可以作為鍋爐燃料，從而發揮它的最大利用價值，甘蔗渣鍋爐送出的蒸汽除了一部分能供汽輪機發電，解決全廠用電問題，而且能為糖廠提供生產所需的蒸汽，因此它已經成為現代糖廠的重要設備。

甘蔗渣的特點是熱量低、水分高（含量一般50%左右，超過50%的話，燃燒將會非常困難）、難著火，所以甘蔗渣鍋爐的設計特別是爐膛部分的設計與布置顯得尤為重要。圖1為120t/h甘蔗渣鍋爐立面圖，該鍋爐采用雙鍋筒、集中下降管、自然循環∏型布置，爐膛部分采用全鋼膜式水冷壁結構，與以往爐膛下部采用重型爐墻及通過巨大的膨脹節來吸收膨脹差相比，該結構更加簡單，且性能可靠，爐膛底部布置了固定水冷爐排用于燃燒甘蔗渣。區別于風冷爐排，水冷爐排可以保證爐排片不會因為局部過熱或者風量、風溫控制不好造成而燒壞。

圖1

此時，爐排的傾角和開孔率是關鍵。爐排傾角與爐排上的蒸汽清灰裝置相互配合，定期將爐排上積存的灰、砂吹掃至爐前出灰處，實踐表明此值在8～10°合適。爐排開孔率國內外爐型差別較大，國內糖廠用固定針孔爐排開孔率約在20%左右，原因是國內甘蔗含砂、夾雜很少，對蔗渣的半懸浮燃燒要求不高，此種爐排不適合國外機收甘蔗糖廠。為適應高含砂、高夾雜工況，實現蔗渣的半懸浮燃燒，提高鍋爐的燃燒效率，建議此值1.5%～3%。

2　甘蔗渣鍋爐燃料燃燒分析

甘蔗渣的典型元素分析如表1。

表1

本鍋爐主要參數：連續蒸發量120t/h，額定蒸發壓力4.3Mpa。

對于此類低參數的鍋爐，將給水加熱到飽和蒸汽所需的熱量較大，占所有熱量的比例達到70%～75%。一般情況下，此參數鍋爐的省煤器吸熱量在13%左右，設計為非沸騰式省煤器，省煤器出口水溫比飽和溫度要低，爐膛的大小決定了爐膛的吸熱量，也就決定了爐膛出口的煙溫，因為爐膛主要以輻射傳熱為主，煙氣溫度越高，輻射特性最佳，所以爐膛出口煙溫不能無限制的低，正常情況下比燃料的灰熔點低并留有一定的余量即可。根據甘蔗渣灰的特性及已投產鍋爐的運行經驗，爐膛出口煙溫在850℃以上時，將會出現嚴重的結渣，因此我們選取了835℃的爐膛出口煙溫來進行計算，排煙溫度選取135℃，另外根據燃料灰熔點低、難著火等特點，爐膛斷面熱負荷和容積熱負荷都不宜過高，從而計算確定了爐膛的尺寸。因為甘蔗渣的熱值低，經過計算可知爐膛和省煤器的吸熱滿足不了給水的蒸發所需要的熱量，所以需要在過熱器之后布置對流管束。

在考慮了二次風管、喂料器等的布置空間后，計算選取的爐膛斷面尺寸為7230（深度）×8070（寬度），高度26400左右，斷面熱負荷以及容積熱負荷分別為1.54×10^6kcal/h.m^2和67500kcal/h.m^3，保證了煙氣在爐內的停留時間不會過短，細小甘蔗渣顆粒不會未來得及燃燒就被帶出爐膛，確保了燃料的燃盡性。在燃燒初期，需要先加熱將燃料中的水分蒸發，得到干燥后的甘蔗渣才會開始燃燒，因為高達50%的水分，燃料帶入爐內的熱量有將近20%被用來加熱蒸發這部分水份，根據燃料的元素分析進行計算可知爐膛理論燃燒溫度1350℃左右，為保證燃燒區域的爐膛溫度以及燃料能穩定燃燒、不熄火，爐排中心上方高約5米部分的四周水冷壁敷設耐火澆鑄料，從而減少此區域的水冷壁吸熱量，保證了新入爐的燃料可以得到充分的熱量進行燃燒。

因為是自然循環鍋爐，水和汽水混合物的循環流動是依靠下降管中的水與受熱面上升管（水冷壁）中的汽水混合物的壓差來實現的，因為水比汽水混合物的密度大，所以存在重力壓差。水循環的安全性在自然循環鍋爐中很重要，下降管中的水能否及時將上升管中吸收的爐膛熱量帶走，關系到金屬管子壁溫是否在安全合理的范圍內，上升管是否安全工作的指標是循環流速。在穩定運行的情況下，循環回路的有效壓頭應該與下降管的阻力相等，通過選取合理的循環流速進行計算后，我們將整個水冷壁分成10個循環回路，前墻和兩側墻各由三個獨立的循環回路組成，后墻水冷壁單獨的1個回路。具體的回路特性如表2。

表2

集中下降管規格為φ377×16，共二根，其截面與上升管截面比：0.424。爐膛水冷壁采取節距100mm、φ51管子的膜式規格，該結構尺寸已經在多臺鍋爐上成功運行，安全可靠，保證鰭片可以得到很好的冷卻、不超溫。后墻水冷壁下部與水平成8度傾角延伸至前墻附近，針孔爐排片通過螺栓固定在該水冷壁區域內，通過水冷壁的吸熱可以有效降低爐排片的工作溫度，保護爐排片，爐排上裝有蒸汽吹灰裝置，避免泥沙堆積在爐排上而影響燃燒，后墻水冷壁的8度傾角也是為了便于清理燃燒后的積灰以及燃料中的泥沙。為了保證煙氣可以沖刷到所有水冷壁受熱面，不出現死角，使整個爐膛受熱均勻、不出現結渣、管壁不超溫，在爐膛前墻中部位置將水冷壁以一定角度向爐膛中心傾斜從而形成前拱，后墻上部將部分水冷壁管向爐前延伸形成折焰角。

3　甘蔗渣鍋爐配風分析

根據熱力計算，鍋爐計算燃料消耗量為49.3t/h，所以在前墻布置了6臺喂料能力在0～15t/h的蔗渣喂料器，保證了1臺出現故障時，另外5臺可以滿足鍋爐100%負荷運行。爐膛前后墻水冷壁各布置兩層二次風，前墻布置在距爐排最低點約3.3米和8.3米處，后墻布置在距爐排最低點約1.5米和6.6米處，一次風通過爐排下方的10個風室經爐排片上的開孔進入爐膛，根據一次風風速和風壓，爐排的開孔率選為3%。甘蔗渣經喂料器配以播料風送入爐膛，由于一、二次風的作用，被高溫煙氣加熱，不斷析出水分，干燥后的大部分燃料開始燃燒，部分未燃盡的較大顆粒落到爐排上后繼續燃燒，因為二次風采用了兩層供風的布置形式，而且前后墻二次風噴口錯開一定的高度，二次風與燃料可以得到充分的混合，加強了爐內燃燒，降低了不完全燃燒，同時，因為二次風和燃料混合充分，在保證穩定運行的情況下，可以最大限度的降低鍋爐煙氣的氧量，減少了氮氧化物的生成。

爐膛出口的折焰角將后墻水冷壁管拉稀，一部分直接向上引入鍋筒，一部分向爐前延伸后向上進入鍋筒，將水冷壁管作為捕渣管，可以有效的防止爐膛出口結渣，同時形成了水平煙道用于布置過熱器，這樣緊湊的結構極大的節約了空間，減少了成本。

爐膛是甘蔗渣鍋爐設計中重要的一個部分，根據燃料的特點，結合以往鍋爐的運行情況，必須經過認真、嚴謹的計算來確定爐膛的截面尺寸、容積，選取合理的結構和布置形式。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.051