對45t/h棕櫚廢料鍋爐的改進設計

李海鋒

【摘 要】結合棕櫚廢料燃燒的特點，通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，重點闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結構，解決了因燃料含水分大、著火燃燒困難、灰熔點低、易在爐膛結焦和NOX化物排放濃度高的問題。

【關鍵詞】棕櫚廢料鍋爐；燃燒方式；結構；設計

【中圖分類號】TK222 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0062-04

隨著社會的進步和發(fā)展，人們的節(jié)能意識和環(huán)保意識日益增強，國際社會對節(jié)能減排的要求標準越來越高，因此對清潔能源的開發(fā)和利用也逐步走上議事日程。生物質能源因廉價和可再生性而受到各國廣泛的關注。生物質燃料已成為世界各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，可以為政府提供多贏的能源解決方案，也降低了對遙遠的、政局不穩(wěn)甚至是危險國原油的依賴程度，有利于能源安全。對于實現(xiàn)全球的節(jié)能減排降碳排放的目標有著重大意義。

棕櫚廢料是生物質能源之一，棕櫚植物榨取油料后剩下了一種輕質高水分纖維燃料，這樣的廢料在東南亞國家的棕櫚油廠每天都會產(chǎn)生很多，目前還沒有得到較好的利用。它主要由3個部分組成：纖維，也就是棕櫚果榨好棕櫚油后的余料，低位熱值在12 556 kJ/kg；棕櫚果的殼，熱值很高，像煤一樣，價格也很貴；果串，低位熱值為7 600 kJ/kg。棕櫚的果串水分很高，天然未處理過的果串水分達70%，經(jīng)過處理后的果串的水分也在50%以上，并且燃燒后的灰熔點低。因此，此種燃料運用于鍋爐上，含水分大、燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點低、易在爐膛結焦，NOX化物排放濃度高。

本文結合棕櫚廢料燃燒的特點，通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，實現(xiàn)棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運行，重點闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結構，解決因燃料含水分大，燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定；灰熔點低，易在爐膛結焦；NOX化物排放濃度高的問題。

1 鍋爐設計參數(shù)

鍋爐的額定蒸發(fā)量為45 t/h；過熱蒸汽出口壓力為5.3 MPa（表壓）；過熱蒸汽出口溫度為510 ℃；鍋筒壓力為5.8 MPa（表壓）；熱效率≥87%；排煙溫度為146 ℃；給水溫度為120 ℃。45 t/h棕櫚廢料鍋爐簡圖如圖1所示。

棕櫚廢料經(jīng)破碎、脫水預處理后的主要特性數(shù)據(jù)見表1。

2 鍋爐的燃燒方式

目前，電站鍋爐使用的棕櫚廢料鍋爐絕大多數(shù)是采用整體布置的往復爐排，且沒有設置鍋爐尾部煙氣循環(huán)系統(tǒng)，導致燃料含水分大、著火燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點低、易在爐膛結焦，NOX化物排放濃度高的問題。

本文設計的鍋爐采用爐膛分段燃燒結構和尾部煙氣循環(huán)燃燒系統(tǒng)，可以解決上述難題。

通過改變傳統(tǒng)生物質蒸汽鍋爐的爐膛結構和采用煙氣循環(huán)系統(tǒng)，在爐膛設置烘干段往復爐排和燃燒段往復爐排，將含水分較大的棕櫚廢料送入爐膛烘干段往復爐排區(qū)域內(nèi)進行前期烘干處理，再進入爐膛的燃燒段往復爐排區(qū)域，保證棕櫚廢料燃燼；通過從尾部煙道將含氧量較低的煙氣經(jīng)凈化后，煙氣溫度達到300 ℃左右，分多路引入爐膛，根據(jù)爐膛各區(qū)域的氧濃度，利用自動化控制該區(qū)域的煙氣量和一次風量，控制爐膛燃燒溫度在850 ℃左右。烘干段往復爐排區(qū)域、燃燒段往復爐排區(qū)域、燃燼區(qū)的過量空氣系數(shù)分別控制在0.55～0.75、0.75～1.1、1.1～1.20。在烘干段往復爐排區(qū)域處于欠氧狀態(tài)，抑制燃燒過程，改善爐膛內(nèi)溫度分布，此過程可有效地制止燃料中的N轉化為NOX化物，然后進入燃燒區(qū)域迅速、完全燃燒。以上措施解決了爐膛燃燒不穩(wěn)定和結焦的問題，實現(xiàn)棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運行。設置送料風管使棕櫚廢料在爐膛內(nèi)懸浮燃燒，避免棕櫚廢料在爐排面堆積，影響燃燒效果。后拱和爐膛出煙口下部分別設置二次風管、三次風管，可補充棕櫚廢料在爐膛內(nèi)懸浮燃燒所需要的氧，并對燃燒區(qū)域和烘干區(qū)域內(nèi)的煙氣產(chǎn)生擾動，增加煙氣的停留時間，保證棕櫚廢料在爐膛內(nèi)烘干和燃燼達到最佳的效果，避免未燃盡棕櫚廢料進入鍋爐的尾部受熱面產(chǎn)生二次燃燒，從而保證鍋爐的安全運行。

3 鍋爐的結構

本文設計的鍋爐為室外布置，自然循環(huán)單鍋筒鍋爐，采用“∏”形布置，鋼構架，爐膛部分懸吊，尾部煙道支承。

各部分結構簡述如下。

（1）爐膛水冷壁為膜式壁結構，用φ60 mm×5 mm的管子和20 mm×4 mm的扁鋼組成，節(jié)距為80 mm。下部敷設衛(wèi)燃帶區(qū)域，實現(xiàn)強化燃燒。下降管系統(tǒng)用2條集中下降管，其規(guī)格為φ325 mm×16 mm，再分別用φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成分散下降管分別引入下集箱，兩側水冷壁的引出管由管徑為φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成；后水冷壁引出管由管徑為φ133 mm×6 mm的管子組成；前水冷壁由水冷壁管直接引入鍋筒，水冷系統(tǒng)集箱規(guī)格為φ219 mm×20 mm，水冷系統(tǒng)所用的材質均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。

整個水冷壁懸吊于爐頂鋼架上，鍋爐運行時整個爐膛一起向下膨脹，由于前水冷壁和后水冷壁支吊點低于側水冷壁支吊點，故前、后水冷壁采用彈簧吊架，安裝和運行時必須適當調(diào)整彈簧，避免膨脹不等造成過大的熱應力。為了保證爐膛的整體剛性，在水冷壁四周裝有強度足夠的剛性梁，以保證爐膛的整體性。爐膛開有必要的測量孔、看火孔、人孔和防爆門。點火方式為爐排上木柴點火。

（2）鍋筒及內(nèi)部裝置。鍋筒內(nèi)徑為1 400 mm，筒身壁厚50 mm，筒身由鋼板卷成，兩端球形封頭由鋼板沖壓而成，封頭壁厚50 mm，筒身和封頭材質均為Q345R，重量約18 t（包含鍋筒內(nèi)部裝置）。鍋爐運行時，鍋筒正常水位在鍋筒中心線下50 mm，允許水位在0水位（±75 mm）范圍內(nèi)波動。

鍋筒與水冷壁管、汽水連接管、蒸汽引出管、分散下降管均采用焊接結構，鍋筒由支座支承于頂板上。鍋筒內(nèi)部裝有20個φ260 mm的旋風分離器。每個分離器的平均負荷為1.75 t/h，分離后的蒸汽經(jīng)過鍋筒頂部的百葉窗和多孔板的再一步分離后，由蒸汽引出管引入過熱器，省煤器引出管用φ60 mm×4 mm的管子直接引入鍋筒，沿鍋筒全長均勻布置。鍋筒內(nèi)還裝有連續(xù)排污管、緊急放水管和加藥管等裝置。鍋筒給水品質在符合中壓鍋爐水質標準的情況下，排污率為2%。

（3）過熱器系統(tǒng)和調(diào)溫方式。過熱器布置在水平煙道中，由頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器組成，鍋筒里的蒸汽由3條φ108 mm×4.5 mm的蒸汽連通管引入過熱器進口集箱，再由52根φ38 mm×4 mm的管子引出至爐內(nèi)水平煙道部分組成頂棚過熱器，然后直接彎曲成后包墻過熱器，經(jīng)由兩側包墻過熱器和底部包墻過熱器后進入低溫過熱器。

頂棚管過熱器管和包墻過熱器管為φ38 mm×4 mm鍋爐管，材質均為20 G（GB 5310—2008），低溫過熱器蛇形管和高溫過熱器蛇形管用φ38 mm×4 mm的管子，材質均為12 Cr1MoVG管。低溫過熱器內(nèi)蒸汽與煙氣呈逆向流動，低溫過熱器出口引入減溫器，蒸汽經(jīng)減溫后，引入高溫過熱器，高溫過熱器內(nèi)蒸汽與煙氣呈逆順混合流動。過熱器出口集箱采用φ273 mm×16 mm，材質為15 CrMoG。

過熱蒸汽的調(diào)溫方式：采用噴水減溫器，減溫器位于低溫過熱器與高溫過熱器之間，筒身規(guī)格為φ325 mm×20 mm，材質為15 CrMoG鍋爐管，減溫水為鍋爐給水，通過調(diào)節(jié)減溫水量的流量，可達到調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度的目的。

（4）省煤器。省煤器布置在鍋爐尾部豎井中，分為兩級，上級有2組蛇形管束，下級有1組蛇形管束，共有3組蛇形管束，給水從省煤器進口集箱引入，經(jīng)下級省煤器管束后引到中間集箱Ⅰ，再從中間集箱Ⅰ引入中間集箱Ⅱ和上級蛇形管，最后到省煤器出口集箱，用4根φ60 mm×4 mm的管子引入鍋筒，省煤器由單側引入、單側引出。

省煤器集箱共4只，均由φ159 mm×10 mm的管子組成，材質為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管，省煤器管由φ32 mm×4 mm的管子組成，上級2組省煤器的橫向節(jié)距為90 mm，縱向節(jié)距為60 mm，下級省煤器的橫向節(jié)距為72 mm，縱向節(jié)距為60 mm，材質均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。上、下級省煤器均采用支承結構，支承梁內(nèi)部通風冷卻。

（5）空氣預熱器?？諝忸A熱器為兩級布置，上級管箱由φ51 mm×2.5 mm的鋼管制成立式管箱，下級管箱由φ60 mm×2.5 mm的考登管制成立式管箱，共有2組管箱，4個流程，每組管箱由3只小管箱組成。煙氣在管內(nèi)縱向沖刷?？諝庠诠芡鈾M向沖刷，為了防止空氣預熱器的振動和噪音過大，在每級管箱中的中間管箱都裝有防震鋼板。

（6）鍋爐范圍內(nèi)的管道。鍋爐范圍的內(nèi)管道是從給水操作臺起到蒸汽出口集箱主蒸汽閥為止的管道、閥門、測量儀表等。給水操作臺共有3根并聯(lián)管道，主管道為DN80，裝有電動截止閥和調(diào)節(jié)閥，在50%～100%負荷時用主管道進行調(diào)節(jié)，旁路DN50的管道裝有截止閥，在低于50%負荷運行時使用。旁路DN50的管道可用于啟動時上水、升火及事故狀態(tài)下的調(diào)節(jié)，給水操作臺前分3路管道引出，一條DN50管道往過熱器反沖洗，2條DN50管道引入減溫器，管道上裝有調(diào)節(jié)閥和截止閥。鍋爐再循環(huán)管用DN50管道，再循環(huán)管道上裝有截止閥，在啟動過程中開啟再循環(huán)截止閥，正常運行時關閉再循環(huán)截止閥。

此外，鍋爐水冷壁下集箱、省煤器下集箱都裝有排污閥，過熱蒸汽出口集箱上裝有安全閥、壓力表、對空排氣管、反沖洗管、溫度計、熱電偶插座等，鍋筒上裝有安全閥、壓力表、各種水位表，以及自用蒸汽管、加藥管和緊急放水管等。為監(jiān)督汽水品質，還裝有給水、爐水、飽和蒸汽、過熱蒸汽取樣裝置。

（7）爐墻。鍋爐爐墻分2種形式，爐膛和過熱器部分為敷管爐墻，爐墻和膜式壁澆注成一體，通過管子吊在頂板上，其他區(qū)域為支承式輕型爐墻，重量由各橫梁支承。

（8）構架與平臺樓梯。鍋爐構架為全鋼結構，由10根立柱及頂板、橫梁組成。懸吊爐膛部分的6根立柱及尾部的4根立柱都放在標高為4 m運轉層上，為保證構架的整體性，鋼架上設有必要的斜拉條。鍋爐運轉層標高為4 m，地面標高設為0 m，在鍋爐運行時，需要操作和巡視檢修處，都設有平臺和樓梯。

4 結束語

我們對使用本文設計的鍋爐的單位進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鍋爐試運行成功。高水分的燃料著火燃燒容易、爐膛燃燒溫度穩(wěn)定、爐膛和出煙口無結焦、NOX化物排放濃度符合標準負荷穩(wěn)定、燃燒良好，各項參數(shù)均符合設計要求，表明本設計是成功的，用戶十分滿意，實現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的雙重效益。

參 考 文 獻

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].第2版.北京：科學出版社，1998.

[2]《工業(yè)鍋爐設計計算 標準方法》編委會.工業(yè)鍋爐設計計算 標準方法[M].北京：中國標準出版社，2003.

[3]林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].第2版.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4]胡蔭平.電站鍋爐手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[責任編輯：陳澤琦]