臥式燃煤鍋爐改燒木屑燃料的燃燒系統(tǒng)改造

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(1.湖南城市學(xué)院 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.湖州市特種設(shè)備檢測中心，浙江 湖州 313000)

臥式燃煤鍋爐改燒木屑燃料的燃燒系統(tǒng)改造

向夏楠1，方永蘭2，欽峰2

(1.湖南城市學(xué)院 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.湖州市特種設(shè)備檢測中心，浙江 湖州 313000)

本文針對臥式燃煤鍋爐改燒木屑燃料后出現(xiàn)的鍋爐效率低等一系列問題，通過對一臺DZL4-1.25-AⅡ鍋爐的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加預(yù)燃室、設(shè)計(jì)二次風(fēng)系統(tǒng)和加裝熱管式空氣預(yù)熱器等方法使其燃燒系統(tǒng)適于燃燒木屑燃料。改造后鍋爐熱效率從改造前的61%提高到73%，節(jié)能效果顯著。

臥式燃煤鍋爐；生物質(zhì)燃料；燃燒系統(tǒng)；改造

0 前言

由于臥式燃煤蒸汽鍋爐具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝快捷、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我市的中小型企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，我市又是國內(nèi)竹、木地板的主要生產(chǎn)基地，地板加工過程中產(chǎn)生的大量木屑是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的燃料資源，因此，我市大部分企業(yè)的生產(chǎn)鍋爐基本上都以木屑為主要燃料。目前我國尚沒有針對木屑燃料專門設(shè)計(jì)的鍋爐，因此，絕大部分企業(yè)都是采用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐改燒木屑燃料以滿足生產(chǎn)要求。由于燃料與爐型不匹配，因此帶來了許多鍋爐自身難以克服的問題[1-6]。

1 木屑的燃燒特性

木屑的燃燒過程是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過程，也是與空氣間的傳熱傳質(zhì)過程，主要可以分為預(yù)熱、干燥、揮發(fā)分析出和焦炭(固定碳)燃燒等過程。在燃燒室中，木屑首先被加熱和析出水分，隨著溫度繼續(xù)升高，約250℃左右，熱分解開始，析出揮發(fā)分，并形成焦炭。氣態(tài)的揮發(fā)分和周圍高溫空氣摻混首先被引燃。焦炭被揮發(fā)分包圍，燃燒室中氧氣不易滲透到焦炭表面，只有當(dāng)揮發(fā)分的燃燒快要終了時(shí)，焦炭及其周圍溫度已很高，空氣中的氧氣也有可能接觸到焦炭表面，焦炭開始燃燒，并不斷產(chǎn)生灰燼[7-8]。由圖1木屑微粒在不同階段的燃燒過程可知，揮發(fā)分析出燃燒時(shí)間較短，約占20%時(shí)間，而焦炭完全燃燒需要80%時(shí)間，焦炭的熱值高，所以在燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮木屑在爐內(nèi)的停留時(shí)間，以保證焦炭部分能完全燃盡；另一方面，焦炭燃燒受到灰燼的包裹和空氣接觸困難，也會(huì)導(dǎo)致焦炭的不完全燃燒，所以在增加停留時(shí)間的同時(shí)增加爐內(nèi)氣流的擾動(dòng)也是提高木屑燃燒效率的有效方法[9]。

圖1 木屑微粒在不同階段的燃燒過程

2 鍋爐概況以及存在的主要問題

本次改造中選用的是我市某廠一臺DZL4-1.25-AⅡ型單鍋筒縱置式鏈條爐排蒸汽鍋爐，設(shè)計(jì)額定蒸發(fā)量4 t/h，蒸汽壓力1.25 MPa，蒸汽溫度194℃，給水溫度20℃，受熱面積127 m2，爐排面積5.4 m2，設(shè)計(jì)燃料為二類煙煤。目前使用熱值約為17 000 kJ/kg的木屑作為燃料，鍋爐熱效率約為61%。該鍋爐在改燒木屑后，主要存在以下問題：

(1)爐膛空間小，致使木屑中焦炭部分不能完全燃燒即離開爐膛，一方面造成燃料浪費(fèi)嚴(yán)重，另一方面爐膛內(nèi)未燃盡的焦炭可能在鍋爐后管板處產(chǎn)生二次燃燒引發(fā)安全事故；

(2)沒有良好的空氣動(dòng)力工況，無法有效地組織爐膛空間的有效燃燒，也會(huì)使木屑在爐內(nèi)的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致燃燒不完全；

(3)排煙溫度過高，熱能未能充分利用。

3 改造方案

針對鍋爐存在的以上問題，提出以下改造方案。

3.1 增設(shè)木屑預(yù)燃室

本鍋爐現(xiàn)有的燃燒空間約為5.5 m3，按照層燃鍋爐容積熱負(fù)荷qv的推薦范圍，上限值為523 kW/m3，木屑發(fā)熱量為17 000 kJ/kg，由公式(1)[10]

(1)

式中qv——鍋爐容積熱負(fù)荷/W·m-3；

B——鍋爐燃料消耗量/kg·h-1；

V1——爐膛容積/m3。

可計(jì)算出燃料量B為608 kg/h，飽和蒸汽按壓力按0.5 MPa(表壓)計(jì)算、給水溫度20℃，鍋爐效率按設(shè)計(jì)值76%，由公式(2)[7]

(2)

式中η——鍋爐熱效率；

Q1——鍋爐有效利用熱，kJ；

Q2——消耗燃料的輸入熱量，kJ；

D——鍋爐出力/t·h-1；

ΔH——介質(zhì)焓值的變化。

可推算出鍋爐的最大產(chǎn)汽量為2.95 t/h。這一結(jié)果說明了就目前的爐膛容積，是無法滿足燃料完全燃燒的要求的，因此，必須增大燃燒空間，以使燃料能夠完全燃燒。

設(shè)計(jì)預(yù)燃室過程按以下參數(shù)選取或計(jì)算：鍋爐蒸發(fā)量4 t/h，蒸汽壓力0.5 Mpa(絕對壓力)，容積熱負(fù)荷選為500 kW/m3，鍋爐效率按75%計(jì)算，給水溫度25℃。由式(1)、式(2)，可以計(jì)算出需要增大的爐膛容積為：2.4 m3。預(yù)燃室結(jié)構(gòu)如圖2所示，該預(yù)燃室設(shè)計(jì)成長方體，寬1.0 m，高1.0 m，深2.4 m，采用耐高溫達(dá)1300℃的lz-55型高鋁磚砌筑。圖3為預(yù)燃室實(shí)物照片。

圖2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 預(yù)燃室實(shí)物照片

3.2 增設(shè)二次風(fēng)系統(tǒng)

由于木屑的揮發(fā)分較高， 需要加大供風(fēng)量來滿足需求， 但是對于木屑來說揮發(fā)分短時(shí)間內(nèi)的析出與此時(shí)按理論空氣系數(shù)供應(yīng)的空氣并不能充分反應(yīng)，而造成燃燒前期空氣不足和后期過剩；同時(shí)大量冷空氣的一次性供給不僅會(huì)降低爐膛溫度使燃燒狀況惡化， 同時(shí)燃煤鍋爐爐膛較小， 迅猛的空氣供給還會(huì)將未完全燃燒的可燃?xì)夥针S煙氣一起排出， 造成熱量浪費(fèi)。而二次風(fēng)系統(tǒng)能夠增加爐內(nèi)氣流的擾動(dòng)，延長燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，減少不完全燃燒熱損失，通過增設(shè)空氣預(yù)熱器能夠提高二次風(fēng)溫度，盡可能避免降低爐膛溫度，能有效的提高鍋爐熱效率。

在本爐改造中，二次風(fēng)率取為0.3，一次風(fēng)率為0.7。二次風(fēng)在90℃工況下風(fēng)量為1423 m3/h。由爐膛兩側(cè)噴入，每側(cè)設(shè)4個(gè)噴口，共8個(gè)，二次風(fēng)速選為30 m/s,噴口角度與爐拱呈25°，則噴口面積為0.0016 m2，噴口設(shè)計(jì)為矩形，長80 mm，寬20 mm。圖4為二次風(fēng)系統(tǒng)圖。

圖4 二次風(fēng)系統(tǒng)圖

3.3 加裝熱管式空氣預(yù)熱器

為了進(jìn)一步降低排煙溫度，有效利用煙氣余熱，提高燃料利用率，并為一二次風(fēng)系統(tǒng)提供熱空氣，在尾部煙道省煤器后加裝一組空氣預(yù)熱器。

熱管是一種利用密閉管內(nèi)工質(zhì)相變來傳遞熱量的高效傳熱元件，由它組成的熱管式空氣預(yù)熱器相對于常見的列管式空氣預(yù)熱器有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)熱管式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，且使煙氣從管內(nèi)流動(dòng)改為管外流動(dòng)，利用安裝于預(yù)熱器內(nèi)的清灰器，可及時(shí)清除空氣預(yù)熱器的積灰。減少了積灰，消除了列管式空氣預(yù)熱器的局部管束堵塞現(xiàn)象；

(2)消除了原列管式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量大的缺陷；

(3)傳熱效率高，換熱量大，可方便地布置成錯(cuò)列逆流換熱；

(4)系統(tǒng)布置簡潔、利于維護(hù)[11-12]。

綜上，在本爐改造中選用熱管式空氣預(yù)熱器，熱管根數(shù)為173根，偶數(shù)排(12根)8排，奇數(shù)排(11根)7排，管子排列采用正三角錯(cuò)列，橫向節(jié)距s1=65 mm，縱向節(jié)距s2=56.3 mm，基管外徑d=25 mm；壁厚δ=2 mm，環(huán)形平翅片外徑df=50 mm，翅片高度H=12.5 mm，翅片厚度δf=1.0 mm，翅片間距Y=6 mm，熱管形式為碳鋼-水虹吸式加緩蝕劑。

4 改造效果驗(yàn)證

在鍋爐改造前和改造后分別進(jìn)行熱效率測試，對其關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 鍋爐熱效率測試關(guān)鍵參數(shù)

由上表可以看出，通過改造鍋爐的出力提高了1.7 t/h，出口排煙溫度下降了80℃，而鍋爐熱效率提高了12%，改造后，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)論

本文針對小型臥式燃煤工業(yè)鍋爐改燃木屑燃料的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行合理的改造以解決木屑燃料燃燒不完全的問題，同時(shí)對尾部煙道的高溫余熱資源進(jìn)行回收利用。

(1)研究開發(fā)采用分級燃燒技術(shù)進(jìn)行改造的系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，包括預(yù)燃室的設(shè)計(jì)、配風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、二次風(fēng)壓火技術(shù)及運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、、二次風(fēng)噴口的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。有效地解決了燃料燃燒不完全的問題，使鍋爐熱效率由原來的61%提高到了73%。

(2)研究開發(fā)適合該類鍋爐的余熱利用裝置，具體內(nèi)容為：增設(shè)熱管式空氣預(yù)熱器，將煙氣余熱有效的回收，然后用熱空氣來對燃料進(jìn)行預(yù)干燥并提供高溫二次風(fēng)，這樣將縮短燃料在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，提高燃燒效率，把排煙溫度從原來的190℃降低到110℃。

綜上所述，該項(xiàng)改造技術(shù)是有極大推廣價(jià)值的節(jié)能技術(shù)。

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ResearchofHorizontalCoal-firedBoilerstoBurnBiomassFuelCombustionSystem

XIANG Xia-nan1,FANG Yong-lan2,QIN Feng2

(1.College of Municipal and Mapping Engineering , Hunan City University, Yiyang 413000,China;2.Huzhou Special Equipment Inspection Center, Huzhou 313000,China)

The problem that horizontal coal-fired boilers changed to burn biomass causes low efficiency to the boiler A DZL4-1.25-AⅡ boiler combustion system was reformed to fit for the biomass fuel, which includes increasing the pre-combustion chamber, secondary air systems and design installation of heat pipe air preheater for combustion systems. After refrom, the boiler thermal efficiency increases from 61% to 73%,and energy-saving effect is remarkable.

horizontal coal-fired boilers;biomass fuel;combustion system;transform

2013-12-23修訂稿日期2014-03-08

浙江省2011年特種設(shè)備節(jié)能計(jì)劃“小型臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料的燃燒系統(tǒng)改造及煙氣余熱利用裝置的開發(fā)”

向夏楠(1984～)，男，碩士，助教，主要進(jìn)行熱能工程方面研究。

TK229.91

A

1002-6339 (2014) 04-0359-03