一臺(tái)180蒸噸甘蔗渣鍋爐的設(shè)計(jì)

冼劍明

【摘 要】因甘蔗渣鍋爐具備降低成本、節(jié)省投資且滿足企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展對(duì)動(dòng)力的需求的特點(diǎn)，所以一直是制糖企業(yè)不可或缺的設(shè)備之一。文章結(jié)合甘蔗渣的綜合利用現(xiàn)狀和燃燒特性，就鍋爐的燃燒特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩大部分，對(duì)一臺(tái)180蒸噸中壓蔗渣鍋爐的部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃燒方式進(jìn)行專業(yè)性的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到環(huán)保、提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本的目的。

【關(guān)鍵詞】甘蔗渣鍋爐；設(shè)計(jì)；燃燒；結(jié)構(gòu)

【中圖分類號(hào)】TK229.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）01-0025-03

廣西是我國糖類生產(chǎn)大省之一，也是全國主要的蔗糖生產(chǎn)基地。甘蔗種植面積占全國的56%，總產(chǎn)量占全國的63%，在全國蔗糖生產(chǎn)格局中占據(jù)重要地位，蔗糖產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為廣西國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和富民產(chǎn)業(yè)。廣西制糖企業(yè)正是利用了這個(gè)地理優(yōu)勢(shì)、生產(chǎn)效率優(yōu)勢(shì)、生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)而發(fā)展起來的。在制糖生產(chǎn)工藝中，工廠每生產(chǎn)1 t白砂糖，大概能產(chǎn)生2 t的甘蔗渣。而甘蔗渣中包含有32%～48%的纖維素、19%～24%的半纖維素、23%～32%的木質(zhì)素及約4%的灰分。甘蔗渣中的纖維素是一種十分重要的可再生資源，甘蔗糖廠可直接把其作為鍋爐燃料，用于燃燒產(chǎn)生蒸汽投入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，作為制糖的能源供應(yīng)。但是，甘蔗渣作為一種含碳類燃料，燃燒過程若不理想則會(huì)產(chǎn)生大量煙塵造成環(huán)境污染和能源的浪費(fèi)。因此，我們需要對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃燒方式進(jìn)行專業(yè)性的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到環(huán)保、提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本的目的。

廣西梧鍋鍋爐制造有限公司從事甘蔗渣鍋爐研究和制造已有多年，產(chǎn)品技術(shù)已趨于成熟，在國內(nèi)、東南亞一帶具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，該公司已研制出75蒸噸、90蒸噸、130蒸噸、150蒸噸和180蒸噸等系列甘蔗渣鍋爐，且運(yùn)行記錄良好。公司新近開發(fā)了一臺(tái)180蒸噸中壓甘蔗渣鍋爐，正是針對(duì)廣西地區(qū)的甘蔗渣燃料特性參數(shù)設(shè)計(jì)的，下面就該爐結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開闡述。

鍋爐的主要技術(shù)指標(biāo)見表1；鍋爐的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 鍋爐的燃燒特點(diǎn)

本鍋爐設(shè)計(jì)的燃料為甘蔗渣，所在地區(qū)使用的蔗渣的元素組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳22.05%、氫3.05%、氧23.9%、氮0.1%、硫0%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%，揮發(fā)分為50%，水分為44.4%，蔗渣的低位發(fā)熱值為7 536 kJ/kg。針對(duì)這種高水分、高揮發(fā)分、低發(fā)熱值的生物質(zhì)燃料，本鍋爐采用室燃層燃雙重燃燒方式。

燃燒系統(tǒng)由蔗渣給料器、全密封可調(diào)式鑄鐵蔗渣噴播器、帶蒸汽吹渣固定爐排組成。本鍋爐在爐膛前墻下部共布置了6臺(tái)寬度為600 mm的蔗渣噴播器。采用的蔗渣噴播器為全密封可調(diào)式蔗渣噴播器，噴播器關(guān)鍵部位采用耐熱鑄鐵鑄造，使用壽命得到延長(zhǎng)。同時(shí)，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)蔗渣噴播的角度，使蔗渣能均勻地分散在爐排上，減少蔗渣在爐排面上的堆積，有利于蔗渣在爐排面上的干燥與及時(shí)著火燃燒。為了大幅度地減少冷風(fēng)從落渣管大量進(jìn)入爐膛，避免降低爐膛溫度、惡化燃燒、增加電耗和降低鍋爐效率，在爐前落渣系統(tǒng)上需布置6臺(tái)蔗渣給料機(jī)。本鍋爐的爐排采用帶蒸汽吹渣系統(tǒng)的傾斜式固定爐排，從爐后面向爐前面傾斜5°。燃燒系統(tǒng)和底部燃燒室爐墻通過底部的9根鋼柱獨(dú)立支撐，與鍋爐構(gòu)架分開。爐排片通過緊固件固定在爐排構(gòu)架的橫梁上，爐排構(gòu)架上支持爐排片的連接均采用螺栓連接，可有效抵消受熱后的膨脹，減少爐排支架的變形，延長(zhǎng)部件的使用壽命。爐排底部用鋼板分隔成左、右各5個(gè)共10個(gè)風(fēng)室，可以根據(jù)爐排面上的燃燒工況調(diào)整各個(gè)燃燒區(qū)的進(jìn)風(fēng)量。吹渣系統(tǒng)的蒸汽采用減溫器后的過熱蒸汽。系統(tǒng)橫向分為6個(gè)區(qū)域，縱向分為3個(gè)區(qū)域，共分為18個(gè)區(qū)域。運(yùn)行中，每啟動(dòng)一個(gè)吹渣區(qū)域，只影響負(fù)荷的16%左右。因鍋爐的主要燃料為蔗渣，大顆粒較少，所以設(shè)計(jì)通過爐排的底風(fēng)量（熱風(fēng)）約55%，通過兩側(cè)進(jìn)風(fēng)的方式分別進(jìn)入爐排底部各個(gè)風(fēng)箱。設(shè)計(jì)提供給蔗渣噴播器的噴播風(fēng)量約4%，并采用熱風(fēng)噴播，采用2臺(tái)噴渣風(fēng)機(jī)，每臺(tái)噴渣風(fēng)機(jī)控制3臺(tái)蔗渣噴播器。爐底風(fēng)和噴渣風(fēng)主管均設(shè)計(jì)采用等壓風(fēng)管，提高了進(jìn)風(fēng)的均勻性。為了實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，減少CO、NOx的含量，提高燃燒效率，本鍋爐設(shè)計(jì)了4層二次風(fēng)，其中爐膛后墻下部布置3組，前墻上部布置1組。爐前二次風(fēng)風(fēng)量約8%，爐后各層二次風(fēng)風(fēng)量約11%。為了避免在爐膛出口后的水平對(duì)流煙道上積灰，在該部位設(shè)計(jì)布置了集灰裝置。同時(shí)，將該部分飛灰通過風(fēng)送的形式送回爐膛內(nèi)繼續(xù)燃燒，以減少燃料未完全燃燒的損失，提高鍋爐的燃燒效率。

2 鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本鍋爐為室外半露天布置、自然循環(huán)單鍋筒鍋爐，采用“∏”形布置鋼構(gòu)架，其鍋筒、膜式水冷壁爐膛、對(duì)流過熱器、頂棚過熱器、爐膛出口對(duì)流煙道、膜式壁轉(zhuǎn)向室均懸吊在頂板梁上，尾部煙道的省煤器和空氣預(yù)熱器支承于鋼架柱和梁上。爐膛前墻下部布置蔗渣噴播器，輔以帶蒸汽吹渣的傾斜固定爐排組織燃燒，利用蒸汽除渣。過熱器采用輻射、對(duì)流串聯(lián)布置，分三級(jí)布置，高溫對(duì)流過熱器與低溫對(duì)流過熱器之間布置噴水減溫器，省煤器和空氣預(yù)熱器布置在尾部豎井內(nèi)，交錯(cuò)布置。尾部豎井沿寬度方向分割成2個(gè)獨(dú)立豎井，一方面可縮短省煤器蛇形管的長(zhǎng)度，增強(qiáng)其剛性，同時(shí)有利于布置空氣預(yù)熱器管箱，以便與2臺(tái)風(fēng)機(jī)配合連接。

爐膛橫截面呈長(zhǎng)方形，四壁布滿膜式水冷壁，管子規(guī)格為φ60 mm×5 mm，膜式壁集箱規(guī)格為φ219 mm×16 mm。后墻水冷壁上部在爐膛出口處拉稀為4排凝渣管，可降低爐膛出口溫度，減輕后面過熱器的結(jié)焦、積灰現(xiàn)象。對(duì)流煙道的頂部為頂棚過熱器，采用膜式壁的形式。對(duì)流煙道的側(cè)墻為膜式水冷壁包墻。為了增加爐膛輻射受熱面積，降低爐膛出口溫度，避免在爐膛出口對(duì)流受熱面上產(chǎn)生大量的結(jié)焦、積灰現(xiàn)象，在爐膛前墻上部設(shè)計(jì)了8屏垂直于前墻的光管水冷屏。水冷屏管子的規(guī)格采用φ38 mm×3.5 mm。為了減少熱偏差，爐膛前、后水冷壁設(shè)計(jì)成各4個(gè)獨(dú)立循環(huán)回路，爐膛兩側(cè)水冷壁各設(shè)計(jì)成各3個(gè)獨(dú)立循環(huán)回路，對(duì)流煙道、轉(zhuǎn)向室兩側(cè)包墻膜式水冷壁各設(shè)計(jì)成各2個(gè)獨(dú)立循環(huán)回路，8個(gè)水冷屏各組成一個(gè)回路，水冷系統(tǒng)共有26個(gè)循環(huán)回路。水冷壁供水采用集中下降管的形式。從鍋筒引出4根φ377 mm×18 mm的集中下降管，從集中下降管再引出分散下降管，分別向各水冷壁及水冷屏供水。為了有利于著火和燃燒穩(wěn)定，燃燒區(qū)域的水冷壁上設(shè)計(jì)了合理的衛(wèi)燃帶區(qū)域。爐膛前膜式壁下部向后延伸形成前拱。該設(shè)計(jì)延緩了蔗渣尤其是蔗渣粉的上升時(shí)間，提高了火焰在爐膛內(nèi)的充滿度。

鍋筒內(nèi)徑為φ1 600 mm，壁厚為42 mm，由Q345R鋼板制成。鍋筒內(nèi)設(shè)計(jì)了給水分配、蒸汽分離、連續(xù)排污、爐內(nèi)加藥等裝置。蒸汽一次分離系統(tǒng)采用60個(gè)φ290 mm旋風(fēng)分離器，二次分離器采用9層8目18#鍍鋅鋼絲網(wǎng)及一層多孔勻汽孔板組成的頂部分離器，可確保蒸汽品質(zhì)。

過熱器采用頂棚過熱器、對(duì)流過熱器、一級(jí)級(jí)噴水調(diào)溫的系統(tǒng)，由高、低溫兩級(jí)對(duì)流過熱器和頂棚過熱器組成，以便靈活地調(diào)整過熱器蒸汽的溫度，減少熱偏差。頂棚過熱器布置在爐膛出口的對(duì)流煙道頂部，一直延伸到轉(zhuǎn)向室后墻，為膜式壁結(jié)構(gòu)。高溫對(duì)流過熱器位于爐膛出口折焰角上部，低溫對(duì)流過熱器布置在爐膛出口后的水平煙道中。膜式壁頂棚過熱器管子的規(guī)格為φ51 mm×4 mm；低溫對(duì)流過熱器蛇形管規(guī)格采用雙管圈φ38 mm×3.5 mm；高溫對(duì)流過熱器蛇形管采用雙管圈φ42 mm×3.5 mm。高、低溫過熱器橫向節(jié)距均為100 mm。減溫系統(tǒng)采用一級(jí)中間噴水減溫器，減溫水為自制冷凝水，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)減溫水量的多少，可達(dá)到調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度的目的。

省煤器由高、低溫兩級(jí)組成。高溫省煤器由1組組成，布置在豎井的最上部，低溫省煤器3組布置在高溫空氣預(yù)熱器的下部，均由光管制成，采用雙管圈、雙側(cè)布置結(jié)構(gòu)，以降低水速，增強(qiáng)省煤器蛇形管的剛性。

空氣預(yù)熱器采用管箱式結(jié)構(gòu)，雙級(jí)布置。上級(jí)（高溫）空氣預(yù)熱器布置在高溫省煤器后面，下級(jí)（低溫）空氣預(yù)熱器布置在低溫省煤器后面。上級(jí)空氣預(yù)熱器分為2組，每組管箱由孔板與φ51 mm×2 mm的無縫鋼管制造成6個(gè)立式管箱。下級(jí)空氣預(yù)熱器采用空氣單回程結(jié)構(gòu)，管箱由孔板與φ60 mm×2 mm的考登管制造成6個(gè)立式管箱。煙氣在管內(nèi)縱向沖刷，空氣在管外橫向沖刷，為了防止空氣預(yù)熱器的振動(dòng)和噪音，在每個(gè)管箱中都裝有防震鋼板，每個(gè)管箱和連通罩均留有檢查孔方便檢查和清灰。

爐膛下部燃燒室周圍爐墻采用重型爐墻結(jié)構(gòu)，最外層為鋼制護(hù)板，具有良好的耐火性、保溫性、密封性。爐膛、對(duì)流煙道、尾部轉(zhuǎn)向室爐墻采用輕型爐墻結(jié)構(gòu)。

為了及時(shí)清除受熱面上的積灰，確保鍋爐安全運(yùn)行，本鍋爐在對(duì)流過熱器、高溫省煤器兩側(cè)均設(shè)計(jì)了脈沖吹灰器。爐排面上的大部分灰渣由蒸汽吹渣系統(tǒng)從爐排后部吹向前部，并進(jìn)入爐前的落渣斗，然后由水力沖渣裝置帶出。爐排下部設(shè)計(jì)了灰斗，落灰分別進(jìn)入其底部的沖灰溝，然后由水力沖渣裝置帶出。

3 結(jié)語

隨著制糖企業(yè)的大型化，人們對(duì)能源的利用率、產(chǎn)品生產(chǎn)成本等的要求逐漸提高，甘蔗渣鍋爐正是落實(shí)了國家節(jié)能降耗、減排的重要課題，其綜合利用了甘蔗渣這種再生資源，在滿足企業(yè)不斷發(fā)展擴(kuò)大對(duì)動(dòng)力的需求和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3]劉湘秋.常用壓力容器手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]孫濤.鍋爐工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].江蘇：科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]