“大象抽屜”原理在蔗渣鍋爐風(fēng)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(biāo)高在+1000～+1500 mm之間，鍋爐爐底風(fēng)室進(jìn)風(fēng)采用“田”字送風(fēng)及分段送風(fēng)兩種?！疤铩弊炙惋L(fēng)是將整個(gè)爐底風(fēng)室分隔為4個(gè)相同大小的小風(fēng)室；分段送風(fēng)是將爐底風(fēng)室分隔為前、中、后三段。廣西各糖企對爐底風(fēng)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(fēng)室加裝螺旋采用機(jī)械清灰；濕式清理方式主要利用水力將風(fēng)室內(nèi)積灰沖走。本文僅討論“大象抽屜”原理在爐底風(fēng)室干式清灰中的應(yīng)用。

廣西糖企大部分建廠較早，這些糖廠鍋爐原設(shè)計(jì)時(shí)一般采用人工干式清灰，且當(dāng)?shù)囟酁槿斯た痴?、裝車，甘蔗夾帶泥沙較少，故鍋爐風(fēng)室內(nèi)積灰也較少，3～5天人工清理一次，工作量較少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，2012年開始普及甘蔗機(jī)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(jìn)入鍋爐燃燒，造成風(fēng)室內(nèi)積砂量大幅度增長，而積砂太多時(shí)，風(fēng)室空間減少，壓縮了熱風(fēng)進(jìn)入風(fēng)室的風(fēng)量，因此，在入爐蔗渣燃燒時(shí)，因爐底風(fēng)風(fēng)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(fēng)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(dá)標(biāo)。部分糖企為保護(hù)鍋爐，在甘蔗進(jìn)入榨機(jī)前先經(jīng)過除雜系統(tǒng)，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(tǒng)，且隨著人力資源的緊缺及制糖生產(chǎn)的季節(jié)性特點(diǎn)，招聘鍋爐清灰人員難度加大。因此，如何快速減少風(fēng)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(fēng)室清灰

1.1 使用現(xiàn)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(yùn)的1臺75 t/h的蔗渣爐，采用“田”字送風(fēng)風(fēng)室，原設(shè)計(jì)采用斜坡爐排，水冷爐梁采用q235A材質(zhì)，爐排面布置有蒸汽吹掃器。使用后發(fā)現(xiàn)水冷爐梁容易泄漏變形，且當(dāng)蔗渣不完全燃燒時(shí)，爐膛內(nèi)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(shè)計(jì)，人工清理難度更大。2009年對這臺蔗渣鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，取消蒸汽吹掃器，將斜坡爐排改為標(biāo)高+1100 mm的水平爐排，水冷爐梁更換為材質(zhì)RQTSi5.5的耐熱爐梁，人工清理爐排、風(fēng)室內(nèi)的積渣。另外1臺75 t/h的鍋爐原為煤粉爐，2004年投運(yùn)，因原煤價(jià)格問題，2008年被更改為蔗渣煤粉爐，增設(shè)了采用前中后三段送風(fēng)的前置爐膛，設(shè)計(jì)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(fēng)室內(nèi)的積灰。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)室水力沖灰時(shí)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(fēng)采用前后兩段送風(fēng)方式，人工清灰。

2015年后廣西大力發(fā)展甘蔗機(jī)械裝車，該廠蔗區(qū)也開始使用機(jī)械裝車，當(dāng)時(shí)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(shè)了甘蔗的除泥裝置，并統(tǒng)計(jì)了增設(shè)除泥裝置前后鍋爐清灰的數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

表1 增設(shè)除泥裝置前后鍋爐清灰的數(shù)據(jù)對比表

從表1可看出，爐排清灰時(shí)間基本沒有得到改善，而風(fēng)室清灰采用機(jī)械收割及裝車后，灰渣的量明顯增多，清灰的時(shí)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(chǎn)生的灰焦塊和掉入風(fēng)室內(nèi)較大且重的灰渣、燃料混合物。清灰時(shí)，為保證清灰人員的安全，防止?fàn)t內(nèi)火焰噴出，爐膛負(fù)壓這一參數(shù)要從正常運(yùn)行時(shí)保持的+10～-100 Pa調(diào)整至≥-150 Pa，為保證清灰時(shí)鍋爐的正常供汽，只能使用灰耙按順序清理后并關(guān)閉一個(gè)爐門，再進(jìn)行下一個(gè)爐門灰渣的清理。清渣的順序?yàn)榇蜷_爐膛爐門，先清理爐排面的灰渣，再清理風(fēng)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(shí)間。清理風(fēng)室時(shí)，因風(fēng)室爐門較小，安裝位置低，標(biāo)高約為+100 mm，人工需彎腰進(jìn)行清理，若風(fēng)室內(nèi)積渣較多，清理時(shí)間變長。

1.3 長時(shí)間清灰的危害

根據(jù)清灰運(yùn)行操作程序中［1］，清灰作業(yè)時(shí)調(diào)整鍋爐鼓風(fēng)和引風(fēng)量，鍋爐爐膛負(fù)壓基本保持在-200 Pa左右，故人工對風(fēng)室清灰時(shí)，從打開風(fēng)室爐門開始，可視為一直負(fù)壓抽入冷風(fēng)，按爐門大小為0.4×0.4 m，冷風(fēng)微負(fù)壓流速為0.5 m/s，8小時(shí)風(fēng)室爐門打開時(shí)長為60 min計(jì)，則一天24小時(shí)分3次打開爐門的時(shí)間為60min×60s×3=3600s×3=10800s，根據(jù)流體流量公式V總=A截面×W流速，則24小時(shí)的入爐冷風(fēng)量如下。

V冷= 0.4×0.4×0.5×10800=864 m3

這部分冷風(fēng)量入爐后，快速吸收了入爐燃料蔗渣的發(fā)熱量，使其溫度達(dá)到鍋爐熱風(fēng)的風(fēng)溫，按冷風(fēng)風(fēng)溫20 ℃，熱風(fēng)風(fēng)溫200 ℃計(jì)，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(jù)流體質(zhì)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(fēng)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(fēng)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(fā)熱量表”［3］可知，蔗渣水份為48.5%時(shí)，其低位發(fā)熱量為1911 kcal/kg，則換算成蔗渣量為136576.48÷1911≈71.5 kg。

從計(jì)算結(jié)果得知，竄入的冷風(fēng)量升溫所需熱量折算為蔗渣量并不多，但入爐冷風(fēng)會降低爐膛的爐溫，延長了入爐蔗渣的著火時(shí)間，而蔗渣爐內(nèi)燃燒設(shè)定的時(shí)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(tǒng)的蔗渣鍋爐風(fēng)室的人工清灰方式，提高清灰效率，降低因長時(shí)間清灰?guī)氲睦滹L(fēng)量的負(fù)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(nèi)。第一步打開冰箱門；第二步將大象放入冰箱的抽屜內(nèi)；第三步將冰箱門關(guān)上。該原理運(yùn)用在鍋爐燃燒時(shí)，是將鍋爐風(fēng)室視為冰箱，爐門視為冰箱門，當(dāng)風(fēng)室內(nèi)加裝入“大象抽屜”時(shí)，清灰的步驟則變?yōu)楹唵?，打開爐門，取出“大象抽屜”，放入備用“大象抽屜”，關(guān)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(fēng)室的清灰時(shí)間，減輕人工勞動強(qiáng)度，減少人員被燙傷的可能性，同時(shí)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(fēng)室為例，根據(jù)爐門大小，可以在其風(fēng)室內(nèi)加裝50°的斜護(hù)板，形成每個(gè)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(gè)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(fēng)室俯視布置圖

圖2 改造后“田”字型爐膛風(fēng)室俯視布置圖

2.3 改造難點(diǎn)

2.3.1 增大風(fēng)室內(nèi)斜護(hù)板的坡度

爐排面標(biāo)高在+1000～+1100 mm之間，而要使?fàn)t排落到風(fēng)室的積灰不堆積在斜護(hù)板上，斜護(hù)板的斜度應(yīng)≥50°，但有的糖企鍋爐爐排面標(biāo)高較低，風(fēng)室爐門安裝較高，若灰斗斜度不足時(shí)，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(hù)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(shí)安裝斜護(hù)板制成的灰斗時(shí)，增加了因原入爐底低熱風(fēng)進(jìn)入爐排的阻力，為保證原熱風(fēng)順利的通過爐排，在斜護(hù)板上開設(shè)部分長條狀孔縫。

2.3.2 “大象抽屜”的型式

受斜護(hù)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(qiáng)度，根據(jù)力學(xué)計(jì)算［4］在“大象抽屜”結(jié)構(gòu)本身加布筋板，即在底盤長度方向每隔500～800 mm增設(shè)一段Q235材質(zhì)，使用≥35#角鋼制成的U形筋，防止底盤受熱軟化。同時(shí)，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(dǎo)軌，拖輪采用卡槽式，以方便定位，如圖3所示。

圖3 帶導(dǎo)軌的“大象抽屜”拖輪局部圖

2.3.3 材料的選型

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

3 “大象抽屜”的應(yīng)用

2020/2021 年榨季，廣西來賓東糖鳳凰有限公司曾制作兩個(gè)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(fēng)室斜護(hù)板的前提下，以2個(gè)φ108的皮帶托輥?zhàn)鳛橄潴w托架，放入一臺75 t/h“田”字風(fēng)室蔗渣爐左后1、左后2的風(fēng)室內(nèi)，再放入無蓋箱體，右后1、右后2風(fēng)室按原人工清灰方式清灰。運(yùn)行8小時(shí)后，清灰人員開始對該爐風(fēng)室進(jìn)行清理作業(yè)，從“田”字后墻主燃燒區(qū)下風(fēng)室的4個(gè)爐門開始進(jìn)行作業(yè)計(jì)時(shí)，并對清灰數(shù)量進(jìn)行過磅稱重。風(fēng)室左后和右后4個(gè)爐門的清灰耗時(shí)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(fēng)室清灰法，單個(gè)爐門的風(fēng)室清灰時(shí)間約3分鐘，而人工清理時(shí)間約7分鐘，如風(fēng)室內(nèi)積砂較多時(shí)，則清灰時(shí)間更長。一臺鍋爐布置有8個(gè)風(fēng)室爐門，人工清灰時(shí)間則為7×8 = 56分鐘，而將鍋爐風(fēng)室全改造為“大象抽屜”模式，則需要的時(shí)間僅為3×8 = 24分鐘，由此可見，采用“大象抽屜”模式的風(fēng)室清灰方法比傳統(tǒng)的人工清灰速度快一倍以上，且人工清灰時(shí)需用眼時(shí)時(shí)觀察風(fēng)室內(nèi)部積砂情況，打開爐門時(shí)，可能有部分較小的火星被爐底熱風(fēng)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(nèi)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(guān)上爐門，安全性高。所以“大象抽屜”原理在蔗渣鍋爐風(fēng)室清灰的運(yùn)用是可行的。

4 結(jié)語

隨著甘蔗機(jī)械收割和裝車的發(fā)展，大量泥砂跟著蔗渣進(jìn)入糖企鍋爐，按照傳統(tǒng)的人工清灰方式，增加了工人的勞動強(qiáng)度，加大了對人力資源的需求，且清灰時(shí)間的延長，增加了鍋爐清灰時(shí)竄入爐的冷風(fēng)量，降低了燃料的著火時(shí)間，燃料的不完全燃燒現(xiàn)象增多，鍋爐的熱效率進(jìn)一步降低。本文利用“大象抽屜”原理對鍋爐進(jìn)行改造后，減輕了勞動力需求，同時(shí)滿足了糖企鍋爐的生產(chǎn)。若場地條件許可，在風(fēng)室清灰時(shí)使用備用“大象抽屜”，一進(jìn)一出，配合使用叉車、卷揚(yáng)機(jī)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(fēng)室干式清灰的有效改進(jìn)方法。