“大象抽屜”原理在蔗渣鍋爐風室清灰的可行性研究

林松海，唐斌兵

（1.廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102；2.廣西東糖投資有限公司，廣西 南寧 530007）

0 前言

廣西糖企中使用的鍋爐大部分為蔗渣沸騰爐，容量在35～150 t/h之間，爐排的標高在+1000～+1500 mm之間，鍋爐爐底風室進風采用“田”字送風及分段送風兩種。“田”字送風是將整個爐底風室分隔為4個相同大小的小風室；分段送風是將爐底風室分隔為前、中、后三段。廣西各糖企對爐底風室的積灰清理主要采用干、濕兩種清理方式，其中大部分糖企主要采用人工干式清灰，小部分糖企是在風室加裝螺旋采用機械清灰；濕式清理方式主要利用水力將風室內積灰沖走。本文僅討論“大象抽屜”原理在爐底風室干式清灰中的應用。

廣西糖企大部分建廠較早，這些糖廠鍋爐原設計時一般采用人工干式清灰，且當地多為人工砍蔗、裝車，甘蔗夾帶泥沙較少，故鍋爐風室內積灰也較少，3～5天人工清理一次，工作量較少。隨著科學技術的發展，2012年開始普及甘蔗機械化收割和裝車，入廠甘蔗中不可避免的夾帶有較多的泥沙，部分泥沙跟隨蔗渣進入鍋爐燃燒，造成風室內積砂量大幅度增長，而積砂太多時，風室空間減少，壓縮了熱風進入風室的風量，因此，在入爐蔗渣燃燒時，因爐底風風量不足，造成燃燒工況惡化，燃燒不完全；爐排上的積渣積垢硬化快，爐排因無爐底風冷卻而損壞；煙氣中顆粒物含量高，大于2000 mg/Nm3，超出了除塵器的最大除塵能力，造成煙氣排放不達標。部分糖企為保護鍋爐，在甘蔗進入榨機前先經過除雜系統，降低入榨原料蔗的含泥砂量，但大部分糖企因場地受限，無法安裝除雜系統，且隨著人力資源的緊缺及制糖生產的季節性特點，招聘鍋爐清灰人員難度加大。因此，如何快速減少風室清灰的工作量，保證鍋爐的正常燃燒，是擺在廣西大部分糖企面前的重要難題。

1 風室清灰

1.1 使用現狀

廣西來賓東糖鳳凰有限公司日榨量11000 t，有2臺75 t/h和1臺50 t/h的鍋爐。其中2005年投運的1臺75 t/h的蔗渣爐，采用“田”字送風風室，原設計采用斜坡爐排，水冷爐梁采用q235A材質，爐排面布置有蒸汽吹掃器。使用后發現水冷爐梁容易泄漏變形，且當蔗渣不完全燃燒時，爐膛內堆積有較多未燃燒的蔗渣，無法靠蒸汽吹掃器清理，其爐排的斜坡設計，人工清理難度更大。2009年對這臺蔗渣鍋爐進行技術改造，取消蒸汽吹掃器，將斜坡爐排改為標高+1100 mm的水平爐排，水冷爐梁更換為材質RQTSi5.5的耐熱爐梁，人工清理爐排、風室內的積渣。另外1臺75 t/h的鍋爐原為煤粉爐，2004年投運，因原煤價格問題，2008年被更改為蔗渣煤粉爐，增設了采用前中后三段送風的前置爐膛，設計為水平爐排，采用人工清理爐排面的積渣，采用水力沖灰模式清理風室內的積灰。在運行中發現，風室水力沖灰時不僅將積渣沖出，還帶出較多未燃燒的蔗渣和爐膛的熱量。因此，2011年糖廠將水力沖灰更改為人工清灰。50 t/h的鍋爐送風采用前后兩段送風方式，人工清灰。

2015年后廣西大力發展甘蔗機械裝車，該廠蔗區也開始使用機械裝車，當時壓榨工段沒有安裝除泥裝置。在2018年檢修期，該廠在甘蔗入喂蔗臺前，增設了甘蔗的除泥裝置，并統計了增設除泥裝置前后鍋爐清灰的數據對比，如表1所示。

表1 增設除泥裝置前后鍋爐清灰的數據對比表

從表1可看出，爐排清灰時間基本沒有得到改善，而風室清灰采用機械收割及裝車后，灰渣的量明顯增多，清灰的時間較長。

1.2 清灰的工作

鍋爐清灰人員主要清理爐排面上產生的灰焦塊和掉入風室內較大且重的灰渣、燃料混合物。清灰時，為保證清灰人員的安全，防止爐內火焰噴出，爐膛負壓這一參數要從正常運行時保持的+10～-100 Pa調整至≥-150 Pa，為保證清灰時鍋爐的正常供汽，只能使用灰耙按順序清理后并關閉一個爐門，再進行下一個爐門灰渣的清理。清渣的順序為打開爐膛爐門，先清理爐排面的灰渣，再清理風室的。部分糖企使用蒸汽吹掃爐排面，減少清理爐排面灰渣的工作量，縮短打開爐門的時間。清理風室時，因風室爐門較小，安裝位置低，標高約為+100 mm，人工需彎腰進行清理，若風室內積渣較多，清理時間變長。

1.3 長時間清灰的危害

根據清灰運行操作程序中［1］，清灰作業時調整鍋爐鼓風和引風量，鍋爐爐膛負壓基本保持在-200 Pa左右，故人工對風室清灰時，從打開風室爐門開始，可視為一直負壓抽入冷風，按爐門大小為0.4×0.4 m，冷風微負壓流速為0.5 m/s，8小時風室爐門打開時長為60 min計，則一天24小時分3次打開爐門的時間為60min×60s×3=3600s×3=10800s，根據流體流量公式V總=A截面×W流速，則24小時的入爐冷風量如下。

V冷= 0.4×0.4×0.5×10800=864 m3

這部分冷風量入爐后，快速吸收了入爐燃料蔗渣的發熱量，使其溫度達到鍋爐熱風的風溫，按冷風風溫20 ℃，熱風風溫200 ℃計，查“空氣焓值表”［2］可知，20℃空氣焓值為57.78 kJ/kg，密度為1.205 kg/m3；200℃空氣焓值為627.15 kJ/kg，密度為1.165 kg/m3，根據流體質量公式M重量=V體積×ρ密度，熱量公式Q熱=M重量×H比焓，則冷空氣變成熱風所需要的熱值如下。

△Q=Q熱-Q冷=864×1.165×627.15-864×1.205×57.78=571108.19 kJ

按熱量公式4.1816 kJ=1kcal，冷空氣變熱風所需熱值換算為大卡則為571108.19 kJ÷4.1816 kJ/kcal=136576.48kcal。查“蔗渣低位發熱量表”［3］可知，蔗渣水份為48.5%時，其低位發熱量為1911 kcal/kg，則換算成蔗渣量為136576.48÷1911≈71.5 kg。

從計算結果得知，竄入的冷風量升溫所需熱量折算為蔗渣量并不多，但入爐冷風會降低爐膛的爐溫，延長了入爐蔗渣的著火時間，而蔗渣爐內燃燒設定的時間為0.3～0.4 s，因此，增加了蔗渣不完全燃燒的可能性。

綜上所述，改變傳統的蔗渣鍋爐風室的人工清灰方式，提高清灰效率，降低因長時間清灰帶入的冷風量的負面影響，已迫在眉睫。

2 “大象抽屜”原理的可行性方案

2.1 原理及理論可行性

“大象抽屜”原理主要是快速3步法將大象裝入冰箱內。第一步打開冰箱門；第二步將大象放入冰箱的抽屜內；第三步將冰箱門關上。該原理運用在鍋爐燃燒時，是將鍋爐風室視為冰箱，爐門視為冰箱門，當風室內加裝入“大象抽屜”時，清灰的步驟則變為簡單，打開爐門，取出“大象抽屜”，放入備用“大象抽屜”，關上爐門。從理論步驟來看，工作人員在鍋爐外給取出的“大象抽屜”清灰，將大大的減少風室的清灰時間，減輕人工勞動強度，減少人員被燙傷的可能性，同時減輕冷空氣對鍋爐的危害性。

2.2 理論改造方案

以圖1改造前的“田”字風室為例，根據爐門大小，可以在其風室內加裝50°的斜護板，形成每個爐門的落料斗，按落料斗下部長寬尺寸制作帶輪的“大象抽屜”，為保證能快速的清灰，每個爐門口都有備用“大象抽屜”，如圖2所示。

圖1 改造前“田”字型爐膛風室俯視布置圖

圖2 改造后“田”字型爐膛風室俯視布置圖

2.3 改造難點

2.3.1 增大風室內斜護板的坡度

爐排面標高在+1000～+1100 mm之間，而要使爐排落到風室的積灰不堆積在斜護板上，斜護板的斜度應≥50°，但有的糖企鍋爐爐排面標高較低，風室爐門安裝較高，若灰斗斜度不足時，爐排落下的灰渣較難順利的集中到“大象抽屜”中。為保證斜護板坡度，則需將400×400 mm的正方形爐門更換為扁寬的長條形爐門，同時安裝斜護板制成的灰斗時，增加了因原入爐底低熱風進入爐排的阻力，為保證原熱風順利的通過爐排，在斜護板上開設部分長條狀孔縫。

2.3.2 “大象抽屜”的型式

受斜護板制成的灰斗落口截面影響，“大象抽屜”的型式為長條狀，長度為2200～3000 mm，寬度為400～800 mm。為保證“大象抽屜”強度，根據力學計算［4］在“大象抽屜”結構本身加布筋板，即在底盤長度方向每隔500～800 mm增設一段Q235材質，使用≥35#角鋼制成的U形筋，防止底盤受熱軟化。同時，為方便“大象抽屜”的安放和倒出，可在地基處按同尺寸安裝導軌，拖輪采用卡槽式，以方便定位，如圖3所示。

圖3 帶導軌的“大象抽屜”拖輪局部圖

2.3.3 材料的選型

因風室新加裝的斜護板，長時間與200℃熱風直接接觸及受熱幅射，根據材料的力學性能［5］，斜護板采用耐熱鑄鋼件；“抽屜”為間歇使用且受熱時間相對較短，可采用碳鋼或耐熱鑄鋼。

3 “大象抽屜”的應用

2020/2021 年榨季，廣西來賓東糖鳳凰有限公司曾制作兩個150×300×1800 mm的簡易無蓋箱體，箱體使用б=3 mmm的Q235-A鋼板。在未制作風室斜護板的前提下，以2個φ108的皮帶托輥作為箱體托架，放入一臺75 t/h“田”字風室蔗渣爐左后1、左后2的風室內，再放入無蓋箱體，右后1、右后2風室按原人工清灰方式清灰。運行8小時后，清灰人員開始對該爐風室進行清理作業，從“田”字后墻主燃燒區下風室的4個爐門開始進行作業計時，并對清灰數量進行過磅稱重。風室左后和右后4個爐門的清灰耗時及重量，如表2所示。

表2 “大象抽屜”清灰與人工清灰比對表

從表2看出，使用“大象抽屜”模式的風室清灰法，單個爐門的風室清灰時間約3分鐘，而人工清理時間約7分鐘，如風室內積砂較多時，則清灰時間更長。一臺鍋爐布置有8個風室爐門，人工清灰時間則為7×8 = 56分鐘，而將鍋爐風室全改造為“大象抽屜”模式，則需要的時間僅為3×8 = 24分鐘，由此可見，采用“大象抽屜”模式的風室清灰方法比傳統的人工清灰速度快一倍以上，且人工清灰時需用眼時時觀察風室內部積砂情況，打開爐門時，可能有部分較小的火星被爐底熱風正壓吹出，對工人存在安全隱患。而“大象抽屜”模式僅需要人員打開爐門，觀測爐內燃燒情況后，用鐵鉤鉤住“大象抽屜”的手柄，把“大象抽屜”拉出，再關上爐門，安全性高。所以“大象抽屜”原理在蔗渣鍋爐風室清灰的運用是可行的。

4 結語

隨著甘蔗機械收割和裝車的發展，大量泥砂跟著蔗渣進入糖企鍋爐，按照傳統的人工清灰方式，增加了工人的勞動強度，加大了對人力資源的需求，且清灰時間的延長，增加了鍋爐清灰時竄入爐的冷風量，降低了燃料的著火時間，燃料的不完全燃燒現象增多，鍋爐的熱效率進一步降低。本文利用“大象抽屜”原理對鍋爐進行改造后，減輕了勞動力需求，同時滿足了糖企鍋爐的生產。若場地條件許可，在風室清灰時使用備用“大象抽屜”，一進一出，配合使用叉車、卷揚機和鋼絲滑輪等吊具，提高了人員的勞動安全性。故“大象抽屜”原理是糖企鍋爐風室干式清灰的有效改進方法。