三廢流化混燃爐熱能利用分析及計算

管泓瑞　郭偉強　周維霞

摘 要：本文簡述了三廢混燃爐的基本結構和工作原理；根據熱量平衡原理，分析了三廢混燃爐的有效利用熱量、各種熱量損失和影響因素，給出了計算公式，概括了計算步驟。最后提出了進一步提高熱利用效率的技術措施；為運行廠家進行效率評估以及改進措施提供了指導方法。

關鍵詞：三廢混燃爐、熱平衡、效率

Abstract： This paper introduced the basic structure and working principle of three wastes fluidized mix combustion furnace.Then according to the principle of thermal equilibrium，it analyzed influence factors such as effective thermal and various heat loss existed in three wastes fluidized mix combustion furnace，provided the calculation formula of these losses，summarized the thermal equilibrium calculation steps.Finally，proposed further technical measures of improve thermal efficiency.Provided the guidance methods for the operator to evaluate and improve efficiency.

Keywords： Three Wastes Fluidized Mix Combustion Furnace，thermal equilibrium， efficiency

三廢流化混燃爐（第三代造氣吹風氣回收裝置），是將造氣生產過程產生的吹風氣、造氣爐渣、造氣除塵器細灰等，摻配入部分煤矸石、煙煤、無煙煤粉沫，在爐內流化燃燒，產生高溫煙氣集中熱量回收的裝置。目前造氣回收裝置經過三個發展時期：

第一代造氣吹風氣回收裝置，其燃燒形式是上燃蓄熱式，利用高熱值合成氣燃燒蓄熱后，來燃燒低熱值的造氣吹風氣，回收熱量、副產蒸汽，保護環境。

第二代造氣吹風氣回收裝置，其燃燒形式是上燃改進式或中燃式，在第一代的基礎上，增加了燃燒噴頭，減少了爐內格子磚，或者采用折流式煙氣拱型通道蓄熱，使爐內的阻力大為減小，減小了造氣爐送吹風階段的阻力，煙氣燃燒更為完全，使造氣系統蒸汽達到了自給。

第三代造氣吹風氣回收裝置，也就是造氣三廢流化混燃爐，其燃燒形式是混燃式，它和第二代相比又有了突破性的發展，設計更加合理，技術更為先進，使用更加可靠。它的設計，運用了沸騰床的燃燒特性，借用循環流化床鍋爐的返料回收技術，采用了吹風氣余熱鍋爐的模式，對造氣產生的廢氣、廢渣、廢灰能夠達到同時混燃，三廢流化混燃爐在燒吹風氣時，該爐將成為一臺吹風氣余熱鍋爐，單獨燒煤、煤矸石、煤渣等時將成為一臺流化床鍋爐，渣、氣、煤混燒將成為氣、固流化混燃爐[1]。

造氣三廢流化混燃爐系統，其綜合性能遠大于第一、二代造氣吹風氣回收裝置，是目前解決合成氨尿素甲醇生產系統，兩煤變一煤、兩爐變一爐的唯一方案。

一、三廢流化混燃爐的基本結構和工作原理

隨著“第三代造氣吹風回收裝置”技術的成熟，三廢流化混燃爐得到大力的發展。三廢流化混燃爐的主要結構與普通流化床鍋爐相近，由三廢流化混燃系統和余熱鍋爐兩個部分組成，其中三廢流化混燃系統是將造氣生產過程產生的吹風氣、造氣爐渣、造氣除塵器細灰等，摻配入部分煤矸石、煙煤、無煙煤粉沫，在爐內流化燃燒，產生高溫煙氣集中熱量回收的裝置。燃燒部分由兩臺設備組成，它由三廢流化混燃爐和組合式除塵器組成；余熱鍋爐由蒸汽過熱器、余熱鍋爐、省煤器、空氣預熱器、爐內水冷件組成；煙氣洗滌排放部分由水膜除塵器和煙囪組成。具有熱能回收合理、蒸汽量大、品位高、蒸汽成本低，運行安全性能高，操作穩定性好，一爐多用、減少投資、便于管理等諸多特點。

二、熱平衡的計算

三廢流化混燃爐的熱平衡與普通流化床鍋爐的熱平衡原理相同，燃料的熱量應等于有效吸收的熱量與各項損失的熱量之和，如圖1 所示。以單位時間消耗的煤、燃料氣和吹風氣為基礎，根據熱平衡原理可寫出

（1）

其中 Qar —煤的低位發熱量；Im —煤的物理顯熱；Qrlq —燃料氣的低位發熱量；Qcfq —吹風氣的低位發熱量；Qk —進入三廢流化混燃爐的空氣帶來的熱量；Qr —鍋爐輸入熱量；Qyx —有效吸收熱量；Qpy —排煙損失；Qsr —散熱損失；Qhz —灰渣損失；Qqt —氣體不完全燃燒熱損失；Qgt —固體不完全燃燒熱損失。

為了使各種熱量的大小更清楚，熱平衡式常用百分數表示，即以輸入熱量為100%，其余的熱量以q及適當的腳碼表示，即

（2）

有效吸收熱量是指三廢流化混燃爐產生的蒸汽含有的熱量。將有效吸收熱量化成百分比時，即是三廢流化混燃爐的正平衡效率

（3）

（4）

其中 D—單位時間內的蒸發量[kg/h]；h″ —過熱蒸汽焓[kJ/kg]；h —給水焓。

也可以先得出各種損失，再算出三廢流化混燃爐的反平衡效率η′ ，當η′≈η 時，計算結果可靠。

（5）

排煙損失是指爐內的煙氣離開煙氣出口進入下一個反應設備所帶走的熱量。計算這部分熱量時，首先要根據過剩空氣系數a求出煙氣中各種成分的體積或質量，然后再根據排煙溫度tpy 求出各種氣體的焓的總和[2]。

（6）

其中 LCO2 ，LN2 ，LH2O ，L′k 分別為煙氣中五氧化二磷氣體、氮氣和過剩空氣的量[kg/kg]；CCO2，CN2 ，CH2O ，Ck 為有關煙氣成份的由0℃到排煙溫度的平均熱容量[kJ/kg·℃]。

由于三廢流化混燃爐與中小型鍋爐結構相似，可按中小型鍋爐的方法確定其散熱損失。散熱損失是較難用實驗測定的。一般它所占百分比較小，因此按由實驗測定的曲線決定它，即已滿足精度。實際計算中是根據產汽量D，查中小型鍋爐從蒸發量決定外部冷卻損失的曲線得出qsr [2]。

三廢流化混燃爐的結構并非完全一模一樣，有的還會存在其他熱量損失，要根據具體情況而定。就本文采用的三廢流化混燃爐而言，基本不存在其他損失，可視qqt 的值為零。

3 進一步提高熱利用效率的措施

由熱平衡原理可知三廢流化混燃爐的各項損失極其所占比例。提高熱利用效率的措施就是根據參數間的關系以及結構特點設法減少各項損失。可從如下幾點考慮：

⑴排煙損失主要受到空氣過剩系數的影響，理論上，不采用空氣過量系數過高，但二次風不夠將影響吹風氣的燃燒。因此在保證設備能夠正常運行的情況下，盡可能減小空氣過量系數。

⑵增設圓盤冷渣機，用脫鹽水作為冷渣機的介質回收渣的熱量，以減少灰渣損失。

⑶增加設備的保溫性，比如加一定厚度的保溫層，以減少散熱損失。

4 結論

通過對特種三廢流化混燃爐熱量平衡的分析和計算，可以得出影響其效率的各種因素。從而提出進一步提高熱利用效率的技術措施。對運行廠家進行相關工作有參考作用。

參考文獻：

[1] 李軍.第二十二屆全國造氣技術年會論文集[C].全國造氣技術年會，2014

[2] 馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，1998