提高鏈條鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

文_劉曉波 中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司

燃煤鏈條鍋爐因其爐排類似于鏈條式履帶而得名，屬層狀燃燒。由于燃煤鏈條鍋爐燃燒的固有特性，煤炭在爐排上著火燃燒速度緩慢、飛灰燃燼困難，其本身設(shè)計熱效率偏低。鏈條鍋爐燃燒過程對煤種和顆粒度有一定的要求，而市場上煤的供應(yīng)難以滿足設(shè)計要求。因而鏈條鍋爐實際運(yùn)行熱效率往往比設(shè)計值更低，節(jié)能潛力非常大。

1 燃煤鏈條鍋爐燃燒特點

1.1 燃燒工作過程

鏈條鍋爐爐膛由前拱、后拱、鏈條爐排、水冷壁包覆而成。其燃燒工作過程是鏈條爐排在電機(jī)的帶動下，爐排面自前向后緩慢移動。落煤斗中的煤下落到爐排上，以一定的厚度平鋪于爐排面，煤層與爐排面相對靜止隨爐排緩慢移動一起帶入爐膛。燃燒所需的空氣從爐排下風(fēng)箱向上連續(xù)送入，自下而上與移動著的煤層垂直相交。煤炭在爐排上著火燃燒，燃燒所產(chǎn)生的煙氣向上流動，煙氣在爐內(nèi)完成換熱后通過煙道排出鍋爐。在爐排后部，燃燒形成的灰渣從落渣口掉入灰渣斗排出。

1.2 燃燒特性

鏈條鍋爐燃燒工作過程決定了爐排上煤炭的固有燃燒特性。隨爐排移動的煤層，依次完成新煤的預(yù)熱干躁和加熱、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭著火燃燒直至燃盡等過程，爐排中部焦炭燃燒區(qū)域溫度最高，火焰明亮。燃燒所需的空氣從爐排煤層下送入，從煤層中的縫隙穿過參與燃燒，詳見圖1。煤層中的較大顆粒在爐排上移動燃燒，煤層中的細(xì)粉被煙氣攜帶在爐膛中懸浮燃燒。

爐排面自爐前向爐后緩慢移動，但煤層與爐排面相對靜止。空氣從煤層下送入，在煤粒縫隙中向上流動，提供煤顆粒燃燒所需的氧氣。煤層的上表層受熱強(qiáng)且溫度高、下底層空氣供給充足，燃燒相對較快，較早形成灰渣層。煤層的中間層被上下層的灰渣所夾，阻礙焦炭的燃燼，相對燃燒緩慢，未燃燼炭含量高。每個煤顆粒的燃燒都是由表及里進(jìn)行，當(dāng)燃燒經(jīng)過一段時間后，顆粒外面形成一層“灰衣”，且越來越厚，并在高溫條件下熔化后形成一層硬殼，阻止顆粒核心與空氣接觸，使燃燒過程變得緩慢。同時，在高溫下“灰衣”熔化使煤顆粒之間的縫隙變小，煤層易板結(jié)，阻止空氣穿過、混合，焦炭不能燃燼，導(dǎo)致爐渣中可燃物含量較高。

鏈條鍋爐對燃煤顆粒度有一定要求，顆粒尺寸一般要求小于3mm不超過10%，大于40mm不超過10%，在6～40mm為宜。顆粒過大，空氣與顆粒內(nèi)部焦炭不易混合，燃燒速度慢，焦炭燃燼困難，增加了爐渣中含碳量；煤層燃燒所產(chǎn)生的煙氣向上流動，并攜帶有大量細(xì)小顆粒及部分可燃?xì)怏w，這些可燃物在爐膛中呈懸浮狀態(tài)繼續(xù)燃燒。煤層中細(xì)顆粒越多，會增加飛灰份額。飛灰細(xì)顆粒在爐膛中停留時間短，爐膛上部的溫度相對降低，飛灰細(xì)顆粒燃燼困難，最后隨煙氣一起排出鍋爐，增加了飛灰可燃物含量。

1.3 鏈條鍋爐燃燒存在的問題

對鏈條鍋爐煤炭燃燒特點分析可知，這種燃燒方式存在3方面缺點：①煤顆粒較大，燃燒速度慢；②煤顆粒燃燼時間長，燃燼困難；③細(xì)顆粒隨煙氣帶走，在爐膛中停留時間短，不能完全燃燒。

鏈條鍋爐燃用的是未經(jīng)洗選的原煤，而在我國目前市場上，煤的供應(yīng)不能滿足設(shè)計煤種特性和顆粒度的要求，不利于煤炭燃燼。導(dǎo)致其在實際運(yùn)行中普遍存在3方面問題：①在燃燒過程中煤顆粒與空氣混合條件較差，燃燒速度慢；②煤層易板結(jié)，阻止空氣穿過、混合，焦炭燃燼困難，排渣帶紅火，爐渣中含碳量高；③煙氣攜帶的懸浮顆粒燃燒時間短，燃燼困難，飛灰可燃物含量高。這些因素造成鍋爐燃燒效率低，固體未完全燃燒熱損失高，浪費(fèi)能源。

2 提高鏈條鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術(shù)研究

2.1 鏈條鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀研究

上述對鏈條鍋爐煤炭燃燒過程及燃燒機(jī)理研究分析發(fā)現(xiàn)，爐排上的煤層隨著燃燒的進(jìn)行，一方面煤顆粒內(nèi)焦炭被灰渣包裹，另一方面，煤層中部的氧氣濃度較低，中層焦炭被上下層的灰渣所夾，阻礙焦炭的燃燼。而煤層相對于爐排是靜止的，煤層燃燒過程中易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)一步增加焦炭燃燼難度，導(dǎo)致爐渣可燃物含量高。燃燒生成的煙氣攜帶大量細(xì)小顆粒，由于鏈條爐的爐膛高度不能讓飛灰顆粒停留足夠的時間、爐膛上部的溫度相對較低，導(dǎo)致飛灰可燃物不能完全燃燒，飛灰可燃物含量大。

鏈條鍋爐實際運(yùn)行過程中，爐渣、飛灰可燃物含量大，煤炭燃燒效率低。煤層燃燒易出現(xiàn)煤層板結(jié)、排渣帶紅火的現(xiàn)象，往往只能靠人工撥動煤層防止煤層結(jié)塊，俗稱“撥火”，以強(qiáng)化燃燒。一方面“撥火”過程中產(chǎn)生的飛灰顆粒被煙氣帶走，增加飛灰可燃物含量，燃燒效果不理想，另一方面勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣。

2.2 節(jié)能技術(shù)研究簡介

針對上述現(xiàn)狀和存在的問題，研發(fā)了提高鏈條鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術(shù)，并獲得一項國家發(fā)明專利——煤層強(qiáng)化燃燒器（ZL 201210560858.4）；一項實用新型專利——飛灰η型分離復(fù)燃裝置（ZL 201220712124.9）。該技術(shù)采用強(qiáng)化爐排上煤層燃燒、分離煙氣中飛灰顆粒并返回爐膛內(nèi)再燃燒等措施，降低爐渣、飛灰可燃物含量以有效提高煤炭燃燒效率，減少固體未完全燃燒熱損失，達(dá)到節(jié)能的目的。

煤層強(qiáng)化燃燒器固定布置在鏈條爐排上方，與爐排面保持一定間隙，不干涉爐排的移動。飛灰η型分離復(fù)燃裝置的分離元件垂直布置于鏈條鍋爐的爐膛出口處，分離出來的飛灰通過集灰斗、輸灰管穿過后拱送回下部爐膛內(nèi)，具體布置示意圖見圖2。

圖2 煤層強(qiáng)化燃燒器與飛灰η型分離復(fù)燃裝置布置示意圖

煤層強(qiáng)化燃燒器包括楔形架、犁煤片、空氣噴嘴和進(jìn)氣連接管，詳見圖3。爐排帶動煤層向爐后運(yùn)動，煤層在運(yùn)動中遇到固定的煤層強(qiáng)化燃燒器的楔形架，煤層被抬起，同時被犁煤片翻動，使煤層裂開縫隙和煤粒表面的裹灰剝落，實現(xiàn)防止煤層板結(jié)并有利于空氣與煤粒混合。當(dāng)煤層爬越楔形架后重新落回爐排，此時形成了一個煤層燃燒微小空間，若干空氣噴嘴噴出的少量助燃空氣與煤粒充分混合，提高煤層中部的氧氣濃度，促進(jìn)空氣向煤粒內(nèi)擴(kuò)散，實現(xiàn)強(qiáng)化煤層燃燒。進(jìn)氣連接管穿過鏈條鍋爐側(cè)墻接入助燃空氣。

圖3 煤層強(qiáng)化燃燒器示意圖

飛灰η型分離復(fù)燃裝置包括η型分離元件、支吊架、集灰斗和輸灰管。η型分離元件通過支吊架固定在鏈條鍋爐的頂棚，布置于鏈條鍋爐的爐膛出口后部。η型分離元件的底端與集灰斗相連，集灰斗的底部輸灰管穿過鏈條鍋爐后拱，進(jìn)入下部爐膛區(qū)域。η型分離元件錯列布置見圖4，攜帶細(xì)顆粒的煙氣流經(jīng)η型分離元件產(chǎn)生慣性分離，分離效率可達(dá)80%以上。分離下來的飛灰落入集灰斗，由輸灰管將飛灰送回爐膛重新燃燒。飛灰顆粒在爐膛內(nèi)多次分離、回送循環(huán)，大大延長細(xì)顆粒在爐噁的停留時間。

圖4 η型分離元件及布置示意圖

3 實例應(yīng)用

3.1 鏈條鍋爐概況

某供熱鍋爐房燃煤鏈條熱水鍋爐型號為DZL4.2-1.0/115/70-AⅡ，鍋爐簡圖見圖5。為居民生活、冬季供暖提供熱源。鍋爐運(yùn)行中存在燃燒火焰不明亮，煤層板結(jié)、排渣帶紅火，灰渣燃燒不完全。煙管中飛灰易沉積，發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

圖5 鏈條鍋爐簡圖

按照《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》GB/T10180由專業(yè)試驗單位進(jìn)行了熱工測試，試驗報告部分?jǐn)?shù)據(jù)：飛灰可燃物含量Cfh=25.46%，爐渣可燃物含量Clz=37.90%，固體未完全燃燒熱損失q4=16.28%，熱效率η=65.34%。

飛灰、爐渣中可燃物含量非常高，煤炭燃燒效率低，鍋爐熱效率比較低。鍋爐節(jié)能改造潛力很大，迫切需要提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 技術(shù)改造工作內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，采用節(jié)能專利技術(shù)設(shè)計最優(yōu)的改造方案。在爐排中部靠后布置煤層強(qiáng)化燃燒器，進(jìn)氣連接管與鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道連接，通入助燃空氣。在對流管束入口管子上固定飛灰η型分離復(fù)燃裝置，分離下來的飛灰送回后拱下部爐膛重新燃燒，詳見圖5。

項目主要工作內(nèi)容：

①設(shè)計鍋爐節(jié)能技術(shù)改造圖紙，編制改造工藝、施工組織方案。

②加工制造煤層強(qiáng)化燃燒器、飛灰η型分離復(fù)燃裝置。

③按設(shè)計圖紙現(xiàn)場安裝設(shè)備。

④檢查風(fēng)室、調(diào)風(fēng)門、落灰門嚴(yán)密性，冷態(tài)調(diào)試。

⑤點火啟動、調(diào)試、生產(chǎn)運(yùn)行。

⑥配合熱工測試，項目驗收。

3.3 節(jié)能效果分析

完成節(jié)能技術(shù)改造鍋爐正常投入生產(chǎn)運(yùn)行后，由專業(yè)熱工試驗單位按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。對試驗報告中主要燃燒結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，詳見表1。節(jié)能技術(shù)改造后，飛灰、爐渣可燃物含量顯著降低，煤炭燃燒效率提高，鍋爐熱效率提高了16.22%，節(jié)能效果顯著。

表1 鍋爐部分?jǐn)?shù)據(jù)對比

通過長時間運(yùn)行觀察，相比節(jié)能改造前，爐排煤層燃燒穩(wěn)定，中部火焰明亮，對煤質(zhì)的適應(yīng)性提高。煙管中飛灰沉積、堵塞問題得到解決，主要原因是煙氣中的飛灰顆粒被高效分離，流經(jīng)煙管的煙氣中飛灰濃度大大降低所致。

4 結(jié)語

深入研究分析影響煤炭燃燒效率的主要因素，研發(fā)先進(jìn)節(jié)能專利技術(shù)，可以大大降低灰渣可燃物含量，顯著提高煤炭燃燒效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

提高煤炭燃燒效率的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)核心是，防止煤層板結(jié)，促使煤層裂開縫隙和煤粒表面的裹灰剝落，促進(jìn)焦炭與氧氣混合，通入的助燃空氣提高煤層中部的氧氣濃度，強(qiáng)化煤層燃燒。高效分離煙氣中的飛灰顆粒，并返回爐膛內(nèi)多次循環(huán)，大大延長其在爐內(nèi)停留時間。

改造前后的數(shù)據(jù)分析表明，節(jié)能專利技術(shù)應(yīng)用效果顯著。爐渣、飛灰可燃物含量降低明顯，大大提高了煤炭燃燒效率，鍋爐熱效率得以提高，取得了實實在在的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好推廣應(yīng)用前景。

節(jié)能專利技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，不涉及改動鍋爐本體受壓元件。因此，改造成本較低，現(xiàn)場改造工作量小、施工方便、改造周期短、見效快。