新型高溫蓄熱燃燒煤渣焚燒爐的設(shè)計(jì)

劉效洲

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)在用的工業(yè)鍋爐有50多萬(wàn)臺(tái)，絕大多數(shù)采用鏈條爐排[1]的燃燒方式，設(shè)計(jì)熱效率為72% ～80%，實(shí)際運(yùn)行熱效率60%以下。由于近些年來(lái)煤炭?jī)r(jià)格飛長(zhǎng)，許多單位被迫燃用價(jià)格便宜的劣質(zhì)煤，結(jié)果導(dǎo)致鏈條鍋爐排出煤渣的含碳量一般都在20%左右[2]，大量的殘余熱值被白白丟棄，甚為可惜。因此，開(kāi)發(fā)出一種適合我國(guó)國(guó)情的煤渣焚燒技術(shù)是十分必要的。

煤渣焚燒處理的難點(diǎn)在于煤渣熱值相對(duì)較低，一般在5 024～8 374 kJ/kg之間，如此低的熱值難以滿(mǎn)足鏈條鍋爐的燃燒需求。而高溫蓄熱燃燒技術(shù)[3]的出現(xiàn)為煤渣焚燒處理帶來(lái)了福音。它采用蓄熱體極限回收煙氣余熱并將助燃空氣預(yù)熱到800～1 000℃。這樣，即使是熱值很低的煤渣也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒。同時(shí)由于與煤渣接觸的空氣溫度較高，使得煤渣的燃燒全過(guò)程都得以加速進(jìn)行，減少了不完全燃燒損失，保證了燃燒效率，確保煤渣熱值可以充分回收。

1 新型高溫蓄熱燃燒煤渣焚燒爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)了一種新?tīng)t型:即旋風(fēng)爐與鏈條爐排相結(jié)合的兩段式煤渣焚燒爐，爐體基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 高溫蓄熱燃燒煤渣焚燒爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本焚燒爐分為兩部分。第一部分為鏈條爐排(采用高鉻耐熱鑄鐵制造)焚燒爐，也叫主燃燒室。高溫空氣由下部風(fēng)箱進(jìn)入爐排爐，與煤渣接觸后高溫燃燒，燃燒后的煙氣切向高速進(jìn)入副燃燒室(旋風(fēng)爐)。在旋風(fēng)爐中補(bǔ)充部分高溫空氣和煤粉，使副燃燒室的溫度維持在1 300℃以上，確保有害物質(zhì)分解，并將飛灰徹底熔化，實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣[4]。從旋風(fēng)爐中出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽降溫后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)蓄熱室產(chǎn)生800℃以上的高溫空氣供燃燒之用。目前小型風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)已經(jīng)在鏈條鍋爐節(jié)能改造中獲得了廣泛應(yīng)用，造價(jià)極低，有興趣的讀者可參閱文獻(xiàn)[5－7]。本焚燒爐各部分具體設(shè)計(jì)詳述如下。

1.1 主燃燒室

主燃燒室四壁和頂部由耐火磚砌筑而成，底部運(yùn)行鏈條爐排。爐排作用有二:一是利用800℃以上的熱空氣使煤渣在爐排上快速燃盡;二是順利排出爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的灰渣。爐排采用高鉻耐熱鑄鐵制造的鏈條爐排，使其可以在800℃以上熱空氣助燃的情況下不至于燒壞。爐排下鼓入800℃以上的熱空氣，確保煤渣快速著火，燃盡。燃盡后的灰渣落入水封渣坑，再由除渣機(jī)撈出。

1.2 副燃燒室

如圖1所示，副燃燒室呈圓筒狀，助燃空氣(800℃以上)高速切向供入，供風(fēng)口在圓筒中上部，沿爐壁圓周有4～8個(gè)供風(fēng)口，切向風(fēng)速在100 m/s以上。由主燃燒室流出的煙氣由副燃燒室上部進(jìn)入副燃燒室，在爐內(nèi)強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)燃燒。停留相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。在此期間，由副燃燒室頂部噴入煤粉助燃，使副燃燒室的溫度始終保持在1 300℃以上。不但可以使煙氣中的殘余可燃物完全燃盡，還可以使煙氣中的有害氣體完全分解，滿(mǎn)足環(huán)保要求。煙氣中的飛灰在高溫下熔化，其有害成分被分解，最后形成液態(tài)渣流入渣坑。液態(tài)排渣是十分成熟的技術(shù)，已在旋風(fēng)爐上獲得了廣泛應(yīng)用，有興趣的讀者可參閱文獻(xiàn)[8]。

1.3 空氣預(yù)熱系統(tǒng)

普通蓄熱燃燒技術(shù)通過(guò)兩個(gè)蓄熱室交替切換工作狀態(tài)來(lái)回收煙氣中的余熱。工作狀態(tài)是左(右)側(cè)蓄熱體放熱，加熱通過(guò)左(右)側(cè)蓄熱體的空氣;右(左)側(cè)蓄熱體吸熱，回收通過(guò)右(左)側(cè)蓄熱體的煙氣的顯熱。通過(guò)不斷地切換工作狀態(tài)，左右兩側(cè)的蓄熱體可以把煙氣中的顯熱傳遞給空氣，使進(jìn)入爐內(nèi)的助燃空氣達(dá)到很高溫度，創(chuàng)造了一個(gè)良好的燃燒環(huán)境，使熱值很低的燃料也很容易著火和穩(wěn)定燃燒。

但是這種產(chǎn)生高溫空氣的方法不適用于煤渣焚燒爐。如果使用常規(guī)的兩個(gè)蓄熱室分置就需要多個(gè)換向閥。但是，換向閥動(dòng)作頻繁，極易損壞，而且換向閥不允許高溫空氣或煙氣通過(guò)，無(wú)法完成余熱回收。

本文采用回轉(zhuǎn)式蓄熱室[9]來(lái)產(chǎn)生高溫空氣。在這種蓄熱器中，空氣與煙氣都有單一的通道，無(wú)需換向閥，換向過(guò)程通過(guò)蓄熱體的旋轉(zhuǎn)完成，無(wú)停火現(xiàn)象發(fā)生。這種空氣蓄熱器由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子蓄熱體(陶瓷蜂窩體)和固定的外殼組成。工作時(shí)轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，大約1.5 r/min。固定在外殼上的扇形頂板及底板把轉(zhuǎn)子的流通截面分隔成兩部分。一部分讓煙氣自上而下地流過(guò)，一部分讓空氣自下而上地流過(guò)。扇形頂板及底板分別與外殼上部及下部的煙道及風(fēng)道相接。這樣煙氣流過(guò)時(shí)把蓄熱體加熱，轉(zhuǎn)子蓄熱體轉(zhuǎn)到空氣流通部分時(shí)，蓄熱體被空氣冷卻，同時(shí)把空氣加熱。因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周完成一個(gè)傳熱過(guò)程。

轉(zhuǎn)子截面共分為三個(gè)部分:一是煙氣流通部分，二是空氣流通部分，另一個(gè)是由兩個(gè)扇形板封閉起來(lái)的密封區(qū)。由于設(shè)計(jì)中煙氣的體積比空氣的體積大，因而轉(zhuǎn)子中煙氣的流動(dòng)面積應(yīng)大于空氣的流動(dòng)面積。實(shí)際中煙氣的流通面積約占轉(zhuǎn)子流動(dòng)面積的50%，空氣流通面積約占40%，密封區(qū)占10%左右。

轉(zhuǎn)子蓄熱體中空氣側(cè)的壓力大于煙氣側(cè)壓力，兩側(cè)的壓差可高達(dá)2～3 kPa。轉(zhuǎn)子又要不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與外殼間必然有間隙。為了防止漏風(fēng)，在轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的交界部分采用壓縮空氣產(chǎn)生風(fēng)簾進(jìn)行密封。煙氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐放熱降溫到1000℃左右進(jìn)入回轉(zhuǎn)式蓄熱室，溫度下降到150℃后排出;空氣由20℃加熱到800℃后進(jìn)入焚燒爐助燃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在廣東茂名搭建了小型熱態(tài)試驗(yàn)爐，測(cè)試結(jié)果如下[10]:燃用煤渣:熱值 1 450 kJ/kg，含水量 ＜20%，固體物尺寸 ＜50 mm，余熱鍋爐蒸發(fā)量0.8 t/h，蒸汽壓力 1.25 MPa，蒸汽溫度 180℃，鍋爐效率72%，熱風(fēng)溫度820℃，排煙溫度170℃，爐排面積 2.4 m2，尾氣中:NOx:＜140 mg/m3，CO:＜150 mg/m3，滿(mǎn)足國(guó)家排放要求。

3 結(jié)論

(1)在高溫空氣助燃的環(huán)境下，低熱值、低揮發(fā)分的煤渣可以實(shí)現(xiàn)順利點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。

(2)采用兩級(jí)燃燒方式，爐內(nèi)燃燒溫度高，可以有效地分解煙氣中的有害成分，這將大大減輕對(duì)周?chē)h(huán)境的二次污染。

(3)高溫焚燒后的灰渣是很好的建筑材料，煤渣焚燒后的熱量可以產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)，能得到可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)蓄熱燃燒技術(shù)具有眾多常溫空氣燃燒所不具備的優(yōu)點(diǎn):燃料適應(yīng)性廣，燃燒穩(wěn)定，燃燒速度快，爐內(nèi)溫度分布均勻，可極大地降低NOx排放，并可方便地采用灰渣熔融技術(shù)。

(5)此種焚燒可以燃用極低熱值的煤渣，還可以進(jìn)行余熱利用產(chǎn)生蒸汽，因此在煤渣焚燒爐上應(yīng)用蓄熱燃燒技術(shù)值得開(kāi)發(fā)、利用和推廣。

(6)本焚燒爐雖然造價(jià)較高，但是煤渣是一種幾乎沒(méi)有成本的燃料，投資回收期不會(huì)超過(guò)一年，而且是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典范。

[1]馬利林.談鏈條鍋爐的節(jié)能改造[J].節(jié)能技術(shù)，1996(5):34－35.

[2]楊渝蘭.鏈條鍋爐存在的主要問(wèn)題與節(jié)能技術(shù)改造[J].節(jié)能技術(shù)，2002，20(3):22 －23.

[3]蔣紹堅(jiān)，等.高溫低氧燃燒技術(shù)與應(yīng)用[M].武漢:中南大學(xué)出版社，2010.

[4]王茂剛編.旋風(fēng)爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[5]許忠春，等.采用“復(fù)合燃燒裝置”改造舊鍋爐[J].節(jié)能技術(shù)，1999，17(5):29 －30.

[6]韓中合，等.拋煤機(jī)鏈條爐節(jié)能改造[J].節(jié)能技術(shù)，1994(2):32－33.

[7]王寶柱，等.拋煤機(jī)鏈條爐環(huán)保與節(jié)能綜合治理[J].節(jié)能技術(shù)，2001，19(5):32 －33，40.

[8]高俊如，等.立式旋風(fēng)爐三次風(fēng)口治理的研究[J].節(jié)能技術(shù)，2004，22(4):59 －60.

[9]沙拉，塞庫(kù)利克著.換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[10]西安熱工研究所，東北電力局技術(shù)改進(jìn)局.燃煤鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)方法[R].1974.