旋轉移動爐排在甘蔗糖廠蔗渣鍋爐中的應用與分析

胡建諒

(中國成套設備進出口集團有限公司，北京100011)

0 前言

中國的甘蔗制糖工廠單體規模較小，原料的收割以人工砍蔗為主，去葉去梢，含土含雜量較少，潔凈的甘蔗經人工裝車再運至糖廠進行生產加工，因此，甘蔗壓榨后的蔗渣含泥沙量很少，這種燃料比較適合采用固定式爐排的蔗渣鍋爐。近些年隨著甘蔗糖廠向大型化發展，鍋爐的產能和壓力等級也在不斷加大，雖然很多糖廠對蔗渣鍋爐進行了技術改進，獲得了一定成效[1-2]，但固定式爐排結構上的缺陷已開始顯現，尤其是應對機械化收割含泥沙量大的甘蔗原料時，固定爐排極易產生底灰混合泥沙堆積在鍋爐底部，依賴人力排灰難以做到持續不斷、循環往復地排灰，鍋爐的燃燒效率低下，并時常出現風孔通道被泥沙堵住，以致鍋爐被迫頻繁停機。對此，業界開始研究非固定式爐排的應用[3]，而其中旋轉移動爐排由于其自身獨有的循環移動排灰特點，巧妙地避免了堆積、堵塞等問題，有利于糖廠的連續生產。本文以國外多個糖廠的建設和運營經驗為依據，分析和總結旋轉移動爐排相比固定爐排的優勢，提出旋轉移動爐排更適合大型化現代化甘蔗糖廠的蔗渣鍋爐。

1 埃塞俄比亞甘蔗原料特點所帶來的鍋爐爐排問題

近幾年，非洲國家尤其是埃塞俄比亞新建了多個大型現代化甘蔗糖廠，日處理甘蔗量普遍在6000～24000 t區間。由于糖廠規模大，而當地人力資源有限，難以組織大規模的勞動力進行甘蔗的人工砍收和除雜清理。因此，火燒蔗、抓斗裝車及機械收割就成為解決現實難題的途徑，具體操作及情況如下[4]：

(1)原料準備：砍蔗的前一天需要火燒甘蔗，燒掉茂密的蔗葉，以提高人工砍收速度，人均甘蔗砍收量可達到4～6 t/d；

(2)原料裝車：田間收蔗采用了機械抓蔗機，抓斗在推抓甘蔗時會連帶將一些泥沙、蔗頭蔗梢等一起裝進車箱；

(3)原料運輸：甘蔗運輸采用了投資相對節省的拖拉機拖掛方式，一臺拖拉機頭可以拖掛2～4節車箱；

(4)原料雜質分析：埃塞俄比亞東部地區多為沙質土，西南地區多為膨脹黑土。這些沙石泥土被夾帶裝入車箱中，其量約占甘蔗總量的8%～14%，運輸過程中車箱抖動通過格柵間隙散落其中的20%～40%，進廠甘蔗中仍存有約6.4%～8.4%的泥沙量。

根據上述操作，因人力資源短缺出現的砍、運、收問題雖然得到了解決，但卻帶來了新的問題：甘蔗原料中夾帶了大量灰塵、沙石等雜質，導致鍋爐燃燒時灰渣泥沙含量特別多，爐排風孔易堵塞；有膨脹土帶入時，需高壓蒸汽吹掃，但又造成了爐壁粘塵多、省煤器管容易堵塞，鍋爐熱效率下降較快。通常情況下，鍋爐在連續工作 2～3周后必須停機15～20個小時清理爐灰和泥沙，嚴重影響了甘蔗糖廠的經濟效益（詳見表1）。究其主要原因在于甘蔗泥沙含量較大的情況下，如果蔗渣鍋爐選用固定式爐排，人工清灰和蒸汽吹灰是難以在連續生產的情況下保證泥沙不堵住爐排風孔。

表1 2012/13年榨季采用固定爐排形式的甘蔗糖廠堵塞停機時間統計表

2 旋轉移動爐排的技術研發背景和設計方案改進

結合實際調研和糖廠的強烈訴求，設計適應甘蔗機械化收割的鍋爐爐排成為新建糖廠項目必須攻克的技術難題。在經過大量的國內外技術調研和項目實地考察，技術成熟、可靠的層燃燃煤鍋爐爐排成為設計的重點參考對象。由于燃煤鍋爐生產時爐渣較多較大，為了處理好通風助燃，燃煤鍋爐的爐排間隙設計較大，而蔗渣燃燒很少存在爐渣情況。因此，在前期設計甘蔗蔗渣鍋爐爐排時，將鍋爐爐排的鏈條間隙在考慮熱膨脹的基礎上進行了適當縮小，爐排片設計寬度確定為23 mm，間隙2 mm，采用鑄鐵材質。而實際生產過程中，生產原料夾雜的泥沙與蔗渣堆場回送的蔗渣混雜大量的石子，在生產中不時砸壞爐排片，而且經常出現爐灰、泥沙混合石子后瞬時堆積量過大，影響鍋爐通風燃燒，在排灰過程中經常損毀擋渣板，堵塞落灰斗，并且間接導致爐排面被擋渣板鏟起，頻繁引起停機事故。所以在后續兩個新建糖廠項目加大了鍋爐爐排強度設計，爐排片采用耐高溫合金鋼，寬度經過重新設計計算調整為50 mm，加大了爐排間隙，同時在爐排片面板開了4個通風孔，解決了爐底風的吹風問題，經過2年生產實踐，安全率較高，整體效果較好。在其設計要點包括：爐排的面積及爐底通風量以鍋爐負荷為依據進行計算與設計；爐排片選用耐高溫高強度合金材質并加厚加寬，增加吹風孔數量以保證通風效果；堅持以燃料蔗渣懸浮燃燒為基本設計原則。

3 爐排在埃塞俄比亞的應用特點分析與綜合經濟效益比較

3.1 固定爐排的應用特點分析

圖1 固定爐排結構側視圖

表1中的埃塞俄比亞WS糖廠、MT糖廠、FC糖廠均采用固定式爐排，其結構特點是：在鍋爐燃燒室底部以眾多篩板拼接成一個整體的托渣板，傾斜安裝在底部的鑄鐵工型托架上，板上開有長條形或圓形的爐排孔，孔的直徑大約10 mm以下，形狀為上小下大呈錐形，板是固定的不可移動，其主要作用是托住燃料進行燃燒，燃燒后的灰渣通過爐排孔落到積灰斗。爐排上的孔，既有通風助燃作用，也有排灰作用。爐排面上安裝有蒸汽管吹灰器，用以對爐排上的積灰、結焦進行吹掃。當爐排面上結焦及積灰嚴重時，還需人工定期打開爐側人孔，用耙子進行人工清除。固定爐排的系統結構大致如圖1所示。

固定爐排的優點主要是結構簡單、投資少，但其缺點也很明顯：入榨原料甘蔗要求潔凈或無明顯的泥沙含量，一旦原料甘蔗帶入泥沙較多，被泥沙裹雜的蔗渣容易在爐排面上燃燒造成結塊結焦、篦子孔堵堵塞，影響燃燒，必須由人工定期進行蒸汽吹掃和人工清理積灰，勞動強度大并安全隱患高，尤其是在大型機械化收、運甘蔗的糖廠，特別是在埃塞俄比亞原有的甘蔗糖廠中，這些缺陷愈加突出。對此，本項目對旋轉移動爐排在當地糖廠的適用性展開了研究。

3.2 旋轉移動爐排的應用特點分析

3.2.1 旋轉移動爐排的工作原理

自2012年起，埃塞俄比亞新建的所有糖廠均采用了旋轉移動爐排，其工作原理是在鍋爐燃燒室底部設計了一個旋轉的回轉爐排鏈條。爐排是由許多爐排條用傳銷連接組成的移動床爐排，鏈條之間設計了一定縫隙的間隔。爐床在動力驅動下從前到后進行循環往復運動，爐床上燃燒后的殘渣被運動的爐床送往后部下落到積灰斗。上下爐排中間形成隔斷的風室，外部鼓風進入各風室通過上面爐排的鏈條縫隙對爐膛內部送入風量，保證鍋爐內的正常燃燒。

在鍋爐旋轉移動爐排運行過程中，根據爐排面上的燃燒情況，以不出現燃料堆積現象和出渣段完全燃燒為準，操作上通過變頻調速器控制驅動減速電機的運轉速度，通常的輸出轉速范圍為 0.0206～0.206 r/min。

3.2.2 旋轉移動爐排的結構特點

鍋爐旋轉移動爐排一般有5大類：橫梁式鏈條爐排、大鱗片式鏈條爐排、小鱗片式鏈條爐排、鏈帶式鏈條爐排(包括輕型鏈帶式、活芯式和大塊式)。目前新建糖廠項目上采用橫梁式旋轉移動爐排，該類型的爐排主要由7個主要部件組成（圖2），此外系統中還包括了爐排驅動減速電機及調速器，爐排轉動機構輔助潤滑系統等。

圖2 橫梁式旋轉移動爐排結構側視圖

選擇合適的爐排片是鍋爐安全運行的重要環節，而橫梁式鏈條爐排是一種相對機械化的、結構精巧、技術先進的層燃結構，廣泛用于大型層燃鍋爐中，適合以甘蔗渣、木柴、稻殼為燃料的燃燒設備。其技術特點包括：

(1)爐排片寬度為50 mm，每塊爐排片面上開有4個長形孔10 mm×6 mm，爐排片兩側邊緣有5個長形半邊孔10 mm×3 mm，錐形孔上小下大防止堵塞，爐排片開孔通風透氣率約為5%。爐排片的結構如圖3和圖4所示：

圖3 爐排片側視圖

圖4 爐排片俯視圖

(2)爐排結構緊湊、布局合理、剛性好，因此可以較傳統鱗片式爐排做得更寬。

(3)爐排鏈條在導軌上運動基本不承受過高的層燃傳熱，而只擔負使爐排運動的拉力；而由耐熱材料制成的爐排片穿連在橫梁上，擔負支撐燃料燃燒的功能，但不受拉力，從而發揮了鑄鐵的特長，使爐排使用壽命增長。

(4)爐排的主、從動軸都裝有鏈輪與鏈條嚙合，有效防止了爐排跑偏。

(5)鏈條以繃緊狀態行進，不易爬高、不易起拱，噪音較小。

(6)各風室的風量可獨立調節，方便準確。

(7)爐排面平整，爐排片彼此重疊，排列緊密，既不易漏料，也不會出現爐排片脫落。而且由于爐排片是穿連在橫梁上的，更換爐排片時不用停爐，在爐排后部就可快速進行更換。

(8)爐排片尺寸和間隔均勻準確，故整個爐排面布風非常均勻，大大改善了爐膛內的燃燒情況。

整體而言，旋轉移動爐排結構復雜，初期設備投資高，但后期故障少，運營成本低，運行過程對燃料含雜量要求低，可以實現DCS自動機械除灰，勞動強度小。非常適合燃料泥沙含量大、高溫高壓的蔗渣鍋爐。

3.3 旋轉移動爐排與固定爐排的綜合經濟效益比較

通過比較分析使用固定爐排與旋轉爐排的埃塞俄比亞糖廠 2015～2019年匯總統計數據(表2)，結果顯示，固定爐排一次性設備投入成本低，但運營費用及因堵塞造成的損失費用高。而旋轉移動爐排一次性設備投入成本高，但運營費用及因爐排故障造成的停機損失費用低。以2015～2019年發生的總成本及總損失為例進行比較，4年中固定爐排發生費用及損失總數271.24萬元人民幣，移動爐排發生費用及損失總數 262.7萬元人民幣。在此基礎上，忽略其他因素影響，簡單預計10年的使用成本，固定爐排為591.1萬元，旋轉移動爐排為335.75萬元。顯然，對比結果顯示，旋轉移動爐排的綜合經濟效益高于固定爐排。

表2 2015～2019年使用固定爐排與旋轉爐排的總成本比較分析表

4 結論

根據對比分析結果，綜合多年的海外制糖生產與運營經驗，本研究發現，對于那些采用大型化、自動化、高參數鍋爐同時配以機械化收割甘蔗的糖廠，采用旋轉移動爐排替代固定爐排，其技術上更為可靠、生產安全率更高、綜合經濟效益更好。該爐排結構是適應非洲目前采用火燒蔗配以機械抓斗裝車的甘蔗收獲方式的技術改造，今后國內發展機械化收割是大趨勢，可參考選擇更符合市場發展趨勢的旋轉移動爐排。

旋轉移動爐排的應用是國內甘蔗制糖在鍋爐設計上的一次創新實踐，又經過在非洲糖廠應用過程中得以不斷改進和完善，具有較大的應用潛力。本研究對旋轉爐排的應用技術和經驗進行了總結，以期對國內糖廠在相關的工藝裝備研究和糖廠改進決策方面有所啟發。