大型堿回收爐燃燒供風(fēng)系統(tǒng)

曹春華

(中國(guó)中輕國(guó)際有限公司，北京，100026)

制漿造紙的業(yè)內(nèi)人士都知道，大型堿回收爐的燃燒供風(fēng)系統(tǒng)通常包括一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)。一次風(fēng)氧化墊層中的碳，釋放熱量，還原芒硝并使墊層保持合理形狀;二次風(fēng)補(bǔ)充氧氣，燃燒從墊層上揮發(fā)的可燃物，在爐膛焙燒區(qū)產(chǎn)生高溫，維持爐內(nèi)適合的干燥和燃燒;三次風(fēng)封閉爐膛上部，控制飛失及燃盡煙氣，減少臭氣的排放。燃燒供風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于堿回收爐非常重要，直接影響鍋爐的燃燒情況，進(jìn)而會(huì)影響煙氣排放、鍋爐效率、過(guò)熱蒸汽量、熔融物的芒硝還原率、燃燒飛失及過(guò)熱器掛灰等［1-2］。

如何保證堿回收爐擁有高效的燃燒供風(fēng)系統(tǒng)，這需要堿回收爐燃燒供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)操作者正確的操作運(yùn)行，以獲得合適的工藝參數(shù)，使堿回收爐正常高效燃燒。這些工藝參數(shù)包括:與燃料匹配的總風(fēng)量，各次風(fēng)的比例和風(fēng)壓，而這些參數(shù)又會(huì)對(duì)墊層燃燒產(chǎn)生影響。筆者通過(guò)分析目前我國(guó)運(yùn)行的主要堿回收爐，尤其是大型堿回收爐，以分析燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和趨勢(shì)，獲得良好的運(yùn)行參數(shù)。

1 燃燒供風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

堿回收爐燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和操作規(guī)程是:在堿回收爐適合的干燥燃燒區(qū)域，提供數(shù)量、溫度和壓力都適合的空氣，并能獲得適合的風(fēng)吹入方式(即有的風(fēng)需要必要的擾動(dòng)或湍流，而有的風(fēng)則不需要太大的擾動(dòng))。為達(dá)到這些要求，需要風(fēng)機(jī)吸入口(含消音器、風(fēng)流量測(cè)量裝置)、送風(fēng)機(jī)、風(fēng)加熱器、輸送風(fēng)道、堿回收爐環(huán)形風(fēng)道、堿回收爐入風(fēng)口、風(fēng)流量調(diào)節(jié)擋板和風(fēng)壓調(diào)節(jié)擋板等設(shè)備和元器件之間的合理設(shè)計(jì)配合。

1.1 一次風(fēng)系統(tǒng)

一次風(fēng)通常位于爐底以上0.9～1.2 m、黑液噴槍以下，并在墊層附近從四壁送入堿回收爐，采用熱風(fēng)、適度風(fēng)壓。其作用是提供用以部分氧化墊層中碳的氧氣，釋放熱量還原芒硝并保持爐底墊層合理的大小、形狀，維持堿回收爐燃燒所需的溫度。

一次風(fēng)要求有相對(duì)準(zhǔn)確的流量，溫度不能過(guò)低，氣流平穩(wěn)，既要跟墊層表面產(chǎn)生有效的接觸，維持墊層燃燒所需的氧氣，與墊層表面的黑灰發(fā)生反應(yīng);但又不能對(duì)墊層產(chǎn)生擾動(dòng)，影響到墊層的形狀。因此，一次風(fēng)系統(tǒng)的控制是在保證風(fēng)量的同時(shí)，合理調(diào)節(jié)一次風(fēng)的風(fēng)壓和溫度。典型的一次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)嘴是數(shù)量很多、尺寸較小的風(fēng)嘴，緊密地布置在堿回收爐爐膛的四面墻上。

1.2 二次風(fēng)系統(tǒng)

二次風(fēng)位于爐底以上2.5～4.5 m，通常分高位(上)二次風(fēng)和低位 (下)二次風(fēng)進(jìn)入，在黑液噴槍以下，墊層上方，從前后墻送入堿回收爐，采用熱風(fēng)、高風(fēng)壓。低位二次風(fēng)的作用是在墊層上方補(bǔ)充氧氣，燃燒墊層中的揮發(fā)可燃物，起到控制墊層高度的作用;高位二次風(fēng)的作用是維持焙爐區(qū)域燃燒所需要的高溫區(qū)，利于下降黑液的干燥。

二次風(fēng)也要求有相對(duì)準(zhǔn)確的流量，溫度不能過(guò)低，氣流平穩(wěn)，既要穿透爐膛，與爐膛中的全部可燃物接觸，充分混合促進(jìn)化學(xué)反應(yīng);又不能擾動(dòng)墊層或大量增加墊層表面局部的氧氣濃度。因此，二次風(fēng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)避免在爐膛中心形成高速上升的煙氣溝流，以避免產(chǎn)生飛灰。典型的二次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)嘴是數(shù)量比較少、尺寸比較大的風(fēng)嘴，布置在爐膛的前后墻上。

1.3 三次風(fēng)系統(tǒng)

三次風(fēng)通常位于黑液噴槍以上2～3.5 m，采用冷風(fēng)，高風(fēng)壓，其氣流必須有強(qiáng)烈的湍流，使空氣與爐膛下部產(chǎn)生的煙氣密切混合。作用是提供充足的氧氣去燃燒上升煙氣中殘余的可燃有機(jī)物 (包括可燃?xì)怏w及未燃盡黑灰);并燒掉總還原硫化物 (TRS)，減少臭氣排放。三次風(fēng)氣流，要控制有少量的過(guò)?？諝猓员ＷC煙氣中的可燃物 (CO和TRS)完全燒掉;并可控制堿回收爐爐膛出口的煙氣溫度。

典型的三次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)嘴也是數(shù)量比較少、尺寸較大的風(fēng)嘴，布置在爐膛的前后墻上。

圖1所示為堿回收爐爐膛示意圖。

2 燃燒供風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量比例分配

2.1 初期的堿回收爐風(fēng)量配比

堿回收爐采用三次供風(fēng)系統(tǒng)，一次、二次風(fēng)風(fēng)嘴是四面墻布置，并位于黑液噴槍以下的焙爐區(qū)，三次風(fēng)采用兩側(cè)墻或前后墻布置，這種方式被堿回收爐的供貨商普遍采用。最初的堿回收爐供風(fēng)比例分配

中，堿回收爐設(shè)計(jì)者普遍認(rèn)可采用大風(fēng)量、低墊層燃燒，即一次風(fēng)風(fēng)量大。20世紀(jì)七八十年代，國(guó)內(nèi)外的資料認(rèn)為［3］，一次風(fēng)量占燃燒總風(fēng)量60%～70%，二次、三次風(fēng)風(fēng)量占30%～40%，來(lái)滿足大風(fēng)量、低墊層的燃燒。武漢鍋爐廠設(shè)計(jì)的50～300 t/d(風(fēng)干)的中小型堿回收爐 (即絕干黑液固形物大約75～450 t/d)時(shí)，一次、二次、三次風(fēng)的比例分配是:一次風(fēng)占50%，二次風(fēng)占35%，三次風(fēng)占15%。對(duì)于當(dāng)時(shí)的條件，堿回收爐規(guī)模較小，爐膛的爐底面積小，這種風(fēng)的配比基本上能滿足要求［4］。例如吉林造紙廠于1983年12月投入運(yùn)行的WGZ75/39-9(武漢鍋爐廠生產(chǎn))堿回收爐，其配風(fēng)比例就是按此設(shè)計(jì)。

隨著堿回收爐的生產(chǎn)運(yùn)行，業(yè)內(nèi)人士逐漸發(fā)現(xiàn)，一次風(fēng)風(fēng)量太大時(shí)，會(huì)使墊層不穩(wěn)定，并導(dǎo)致飛灰增加，尤其是當(dāng)堿回收爐負(fù)荷比較大時(shí)。因此，堿回收爐供貨商在設(shè)計(jì)堿回收爐時(shí)，逐漸把風(fēng)的比例分配調(diào)整為典型的4∶5∶1的方式，即一次風(fēng)占燃燒總風(fēng)量40%，二次風(fēng)量占50%，三次風(fēng)量占10%。例如:武漢鍋爐廠在2000年以后供貨的300～350 t/d(絕干)緬甸項(xiàng)目和廣寧項(xiàng)目，都是采用的這種典型的風(fēng)分配方式。

2.2 目前的堿回收爐風(fēng)量配比

2.2.1 一次風(fēng)

圖1 堿回收爐爐膛示意圖

近年來(lái)，隨著制漿造紙單條生產(chǎn)線規(guī)模的加大，很多大型堿回收爐 (進(jìn)口和國(guó)產(chǎn))也隨之被建立起來(lái)。當(dāng)業(yè)內(nèi)的堿回收爐設(shè)計(jì)者試圖將中小型堿回收爐的風(fēng)比例分配方式模型用于大型堿回收爐時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種方式已經(jīng)不適用。這是因?yàn)橹行⌒蛪A回收爐的一次風(fēng)比例較大，一次風(fēng)在墊層附近送入，風(fēng)量過(guò)大，擾動(dòng)墊層，引起墊層物質(zhì)的飛濺和飛失過(guò)多，在煙氣中形成大量飛灰，進(jìn)而使過(guò)熱器、省煤器積灰嚴(yán)重，加劇尾部飛失。合理的一次風(fēng)比例對(duì)堿回收爐的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

進(jìn)一步可解釋為，一次風(fēng)是在黑液噴槍下方進(jìn)入爐膛，并發(fā)生氧化還原反應(yīng)，然后會(huì)在爐膛內(nèi)形成一個(gè)上升的煙氣溝流，這個(gè)煙氣溝流在上升過(guò)程中帶著大量黑液顆粒一起上升。如果上升的煙氣流的速度適中時(shí)，黑液顆粒在上升過(guò)程中會(huì)被完全燃燒掉;但如果上升的煙氣流速度較快時(shí)，就會(huì)在煙氣中形成大量飛灰。而導(dǎo)致上升煙氣流的速度快的主要原因是一次風(fēng)風(fēng)量偏大。

筆者列舉2臺(tái)武漢特鍋廠生產(chǎn)的堿回收爐來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

緬甸大巴漿廠堿回收爐，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力360 t/d(絕干)，理論燃燒空氣量69000 m3/h，按照4∶5∶1的空氣配比方式，可計(jì)算一次風(fēng)量為19.2 m3/s，爐膛尺寸5.2 m ×5.2 m;赤天化漿廠堿回收爐［5］，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500 t/d(絕干)，理論燃燒空氣量323000 m3/h，按照4∶5∶1的空氣配比方式，可計(jì)算一次風(fēng)量為59.7 m3/s，爐膛尺寸9.76 m ×9.76 m。

計(jì)算的假設(shè)模型:2臺(tái)堿回收爐正常燃燒，在爐膛中形成理想墊層，并距水冷壁約1 m，一次風(fēng)沒(méi)有擾動(dòng)墊層，到達(dá)墊層后即形成上升的煙氣流柱，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果表明，緬甸大巴漿廠一次風(fēng)處煙氣流速是4.9 m/s，而同樣方式計(jì)算的赤天化項(xiàng)目一次風(fēng)處煙氣流速則高達(dá)7.3 m/s。這個(gè)計(jì)算數(shù)值非常大，從理論假設(shè)模型計(jì)算肯定會(huì)導(dǎo)致飛灰嚴(yán)重，而赤天化漿廠剛開(kāi)機(jī)時(shí)也確實(shí)如此，后來(lái)生產(chǎn)操作調(diào)整供風(fēng)比例為35%左右。這說(shuō)明一次風(fēng)量偏大確實(shí)是導(dǎo)致飛灰嚴(yán)重的重要原因之一。

表1 堿回收爐正常燃燒一次風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

究其原因，是因?yàn)榇笮蛪A回收爐爐膛截面固形物負(fù)荷和爐膛截面熱負(fù)荷要遠(yuǎn)大于中小型堿回收爐。本案例中赤天化漿廠的堿回收爐設(shè)計(jì)者還比較保守，爐膛截面固形物負(fù)荷和爐膛截面熱負(fù)荷分別為 15.7 t/(m2·d)(絕干)和 2.5 MW/m2。對(duì)于國(guó)外供貨商的大型堿回收爐，爐膛截面固形物負(fù)荷和爐膛截面熱負(fù)荷分別達(dá)到達(dá)到19 t/(m2·d)(絕干)和3 MW/m2，如果按照這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算，一次風(fēng)量將會(huì)進(jìn)一步降低。

表2為我國(guó)近年進(jìn)口的大型堿回收爐風(fēng)配比情況。

表2 我國(guó)近年進(jìn)口的大型堿回收爐風(fēng)配比情況

2.2.2 二次風(fēng)

近些年來(lái)，大型堿回收爐并沒(méi)有對(duì)二次風(fēng)的比例做出什么調(diào)整，二次風(fēng)所占燃燒空氣的比例基本上維持在45%～50%的水平上。這是因?yàn)槎物L(fēng)要保證與可燃物充分接觸，使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)有比較充足的氧氣供應(yīng)，要保證一定的流量，所以流量不能少;同時(shí)二次風(fēng)要求必須穿透爐膛，與全部可燃物及煙氣接觸混合，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，二次風(fēng)采用45%～50%的設(shè)計(jì)比例是合適的。但是大型堿回收爐二次風(fēng)布置由四面墻改為前后墻，減少風(fēng)嘴數(shù)量，采用大風(fēng)嘴噴口、高風(fēng)壓，且分為上下層進(jìn)風(fēng)，增加了供風(fēng)與煙氣的混合，降低爐膛煙氣上升煙氣速度，提高了焙爐區(qū)水冷壁的傳熱系數(shù)。

從表2二次風(fēng)占總風(fēng)量設(shè)計(jì)比例中可以看出，大型堿回收爐二次風(fēng)的比例沒(méi)有什么變化。雖然比例不變，但這些堿回收爐都在設(shè)計(jì)上把二次風(fēng)分成了兩層來(lái)供風(fēng)，分別是高位 (上)二次風(fēng)和低位 (下)二次風(fēng)，兩層風(fēng)之間相距1～1.5 m。這種設(shè)計(jì)的好處是，首先，堿回收爐的規(guī)模增加，二次風(fēng)維持在50%的燃燒空氣比例，總的二次風(fēng)流量會(huì)比較大，如果做到燃燒空氣穿透爐膛，而又不擾動(dòng)墊層的話，就會(huì)要求二次風(fēng)環(huán)形風(fēng)道噴嘴做的非常大，這樣兩層進(jìn)風(fēng)就解決了這一問(wèn)題。其次，堿回收爐規(guī)模增加，爐膛相對(duì)比較高，二次風(fēng)用一層來(lái)供風(fēng)時(shí)，堿回收爐的穩(wěn)定燃燒對(duì)二次風(fēng)很敏感，調(diào)節(jié)起來(lái)不方便。如果采用高位、低位二次風(fēng)來(lái)控制時(shí)，就能有效解決這一問(wèn)題。高位、低位二次風(fēng)系統(tǒng)分別采用單獨(dú)的風(fēng)機(jī)、加熱器、測(cè)風(fēng)裝置和調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)等設(shè)備和元器件，所以是相對(duì)獨(dú)立的供風(fēng)系統(tǒng)。每一層供風(fēng)可根據(jù)堿回收爐燃燒的設(shè)計(jì)理念和燃料情況，單獨(dú)調(diào)節(jié)風(fēng)的流量、風(fēng)壓、風(fēng)溫，進(jìn)而獲得期望的風(fēng)速和射流距離等參數(shù)，維持堿回收爐良好的燃燒狀況。之所以把這兩層相對(duì)獨(dú)立的供風(fēng)系統(tǒng)都稱為二次風(fēng)，是因?yàn)檫@兩層風(fēng)對(duì)于堿回收爐燃燒的基本功能都是一致的。在目前的大型堿回收爐中，制漿造紙廠的低濃臭氣還作為一部分補(bǔ)充空氣混入到高位二次風(fēng)系統(tǒng)，一起送到堿回收爐燃燒;而高濃臭氣送入設(shè)在低位二次風(fēng)標(biāo)高的專(zhuān)用燃燒器中燒掉。

2.2.3 三次風(fēng)

三次風(fēng)的主要功能是以增加氣流的湍動(dòng)性，促進(jìn)空氣與上升煙氣及未燃盡黑灰的混合，這與一次風(fēng)和二次風(fēng)的作用不同。一次風(fēng)到達(dá)墊層邊緣，避免產(chǎn)生擾動(dòng)墊層的氣流;低位二次風(fēng)穿透爐膛，避免產(chǎn)生擾動(dòng)墊層的氣流。而目前三次風(fēng)普遍采用前后墻，風(fēng)嘴錯(cuò)列布置;這種布置會(huì)使三次風(fēng)形成多個(gè)旋轉(zhuǎn)氣流，布滿整個(gè)爐膛;其風(fēng)力可達(dá)到對(duì)面爐墻的水冷壁，三次風(fēng)氣流的湍動(dòng)對(duì)上升的煙氣流產(chǎn)生足夠的擾動(dòng)，達(dá)到充分混合，以至于完全燃燒。這層湍動(dòng)氣流會(huì)在爐膛截面中形成比較嚴(yán)密的“氣幕”，阻止煙氣的飛灰和未燃盡可燃物 (CO，TRS)等排放，真正對(duì)堿回收爐的燃燒起到“氣封”的作用。為達(dá)到這些作用，三次風(fēng)比例分配要加大，才能獲得足夠風(fēng)壓、風(fēng)速和射流距離。

海南金海1#堿回收爐、泰格駿泰和湛江晨鳴的堿回收爐的數(shù)據(jù) (見(jiàn)表2)，其三次風(fēng)比例已經(jīng)從傳統(tǒng)的10%～15%增加到22%～27%，等于甚至超過(guò)一次風(fēng)的比例，這已經(jīng)與原來(lái)認(rèn)知的三次風(fēng)比例大不相同。

為保證充分、完全的燃燒，堿回收爐內(nèi)空氣的供給要多于燃料燃燒所需要的氧氣量。因此需要有過(guò)?？諝?，而這部分的空氣是通過(guò)三次風(fēng)系統(tǒng)來(lái)輸送的。概括地說(shuō)，三次風(fēng)系統(tǒng)主要有兩大作用，一是供給充足氧氣，保證完全燃燒;二是“氣封”，降低堿灰及CO、TRS和氮氧化物的排放，并減少飛失，控制爐膛出口煙氣溫度等。

2.3 未來(lái)堿回收爐供風(fēng)比例的發(fā)展

三次供風(fēng)對(duì)堿回收爐的燃燒已經(jīng)比較完善，但對(duì)于煙氣中污染物的排放指標(biāo)卻不是非常的嚴(yán)格，如氮氧化物就是這樣。對(duì)于通常的大型堿回收爐，當(dāng)黑液中的N≤0.10%，其煙氣中的NOx排放濃度約為300 mg/m3;當(dāng)黑液中的N=0.20%，其煙氣中的NOx排放濃度約為500 mg/m3。目前GB13271鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中，NOx排放濃度為400 mg/m3。

大氣氮氧化物的排放會(huì)造成多種環(huán)境影響，主要表現(xiàn)在5個(gè)方面:氮氧化物自身的污染、臭氧污染、酸沉降、顆粒物污染等問(wèn)題。燃煤鍋爐通常采用多種爐內(nèi)和爐外脫硝的方法來(lái)減少氮氧化物的排放，對(duì)于堿回收爐，比較有效的手段之一是設(shè)計(jì)第四次供風(fēng)系統(tǒng)。

對(duì)于多層供風(fēng)系統(tǒng)中沒(méi)有四次風(fēng)的堿回收爐，三次風(fēng)系統(tǒng)既要保證完全燃燒，又要兼顧環(huán)保指標(biāo)，降低污染物氮氧化物的排放。當(dāng)環(huán)保指標(biāo)進(jìn)一步嚴(yán)格后，三次風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)保作用就有些力不從心了，這時(shí)堿回收爐的設(shè)計(jì)者引入了四次風(fēng)系統(tǒng) (也稱作雙層三次風(fēng))。四次風(fēng)在布置上位于三次風(fēng)之上，并于爐膛高度的1/3處引入燃燒空氣，其風(fēng)溫應(yīng)該采用冷風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)量應(yīng)該接近總風(fēng)量的10%左右。四次風(fēng)系統(tǒng)增加了整個(gè)多層供風(fēng)系統(tǒng)的級(jí)數(shù)，有利于氮氧化物的還原，從而降低煙氣中氮氧化物的含量。筆者認(rèn)為，四次風(fēng)是三次風(fēng)燃燒作用的補(bǔ)充，又是其環(huán)保作用的延展和加強(qiáng)，能有效降低污染物的排放。

3 燃燒供風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

圖2所示為典型的供風(fēng)系統(tǒng)圖。新鮮空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)輸送，通過(guò)空氣加熱器換熱到預(yù)期溫度，然后送到堿回收爐環(huán)形風(fēng)道;經(jīng)過(guò)每個(gè)風(fēng)口的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)分配到每個(gè)風(fēng)嘴進(jìn)入爐膛，完成整個(gè)送風(fēng)過(guò)程。從圖2可以看出，可通過(guò)測(cè)量?jī)x表來(lái)監(jiān)測(cè)供風(fēng)系統(tǒng)的流量、溫度，送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓、環(huán)形風(fēng)道風(fēng)壓等參數(shù)。但是風(fēng)嘴噴口處的流速ω3、壓力P3、溫度T3、射入爐膛距離，這些與堿回收爐燃燒直接相關(guān)的重要參數(shù)，卻不能直接從測(cè)量?jī)x表中得出。這些不能直接測(cè)量的參數(shù)，筆者稱其為“隱性參數(shù)”;能在系統(tǒng)直接顯示的參數(shù)，稱其為“顯性參數(shù)”。隱性參數(shù)和顯性參數(shù)究竟是怎樣的關(guān)系，當(dāng)DCS控制系統(tǒng)監(jiān)控到顯性參數(shù)變化時(shí)，會(huì)對(duì)隱性參數(shù)帶來(lái)哪些變化，并且對(duì)堿回收爐的燃燒又會(huì)帶來(lái)哪些影響，這是下面要討論的問(wèn)題。

圖2 典型的供風(fēng)系統(tǒng)圖

3.1 風(fēng)溫

3.1.1 傳統(tǒng)供風(fēng)溫度

最初的普遍共識(shí)是，一次風(fēng)和二次風(fēng)的入爐風(fēng)溫控制在150～200℃，三次風(fēng)的風(fēng)溫控制在30～150℃。這是因?yàn)橐淮物L(fēng)和二次風(fēng)不需要太高的流速和風(fēng)壓，不能對(duì)墊層產(chǎn)生擾動(dòng)，故要求用熱風(fēng)進(jìn)入爐膛，而三次風(fēng)恰恰相反，需要湍動(dòng)氣流和穿透力強(qiáng)的風(fēng)。

筆者認(rèn)為，對(duì)于同樣的風(fēng)量和風(fēng)壓，當(dāng)風(fēng)溫是常溫 (即是冷風(fēng))時(shí)，風(fēng)的入爐特性相對(duì)比較硬，具有剛性，進(jìn)入爐膛的流速和風(fēng)壓衰減的慢。所以冷風(fēng)的射流距離大，穿透力強(qiáng)，產(chǎn)生的效果是擾動(dòng)和湍流能力強(qiáng)。對(duì)于同樣的風(fēng)量和風(fēng)壓，當(dāng)風(fēng)溫是熱風(fēng) (約150℃)時(shí)，風(fēng)的入爐特性就相對(duì)比較軟，具有柔性，進(jìn)入爐膛的流速和風(fēng)壓衰減的快。所以熱風(fēng)的射流距離小，穿透力弱，因此也就不會(huì)產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。

因此，目前一次風(fēng)和二次風(fēng)的溫度普遍都是用中壓蒸汽和低壓蒸汽兩段來(lái)加熱空氣到150℃作為入爐燃燒空氣。風(fēng)溫采用約200℃的入爐空氣通常是利用蒸汽和煙氣兩段來(lái)加熱，目前在堿回收爐設(shè)計(jì)中已經(jīng)基本不用了。現(xiàn)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行的堿回收爐三次風(fēng)，基本上都是采用常溫風(fēng)即冷風(fēng)，而不是熱風(fēng)，充分利用冷風(fēng)的特性，對(duì)堿回收爐的燃燒起到湍動(dòng)和氣封的作用。對(duì)于在設(shè)計(jì)中可能采用四次風(fēng)設(shè)計(jì)的堿回收爐，通常也會(huì)利用冷風(fēng)的特性而采用冷風(fēng)設(shè)計(jì)。

3.1.2 新型高溫供風(fēng)

一般的堿回收爐供風(fēng)系統(tǒng)中，黑液噴槍以下的燃燒空氣 (包括一次、二次風(fēng)和低濃臭氣)，溫度大約是150℃;黑液噴槍以上的燃燒空氣溫度大約是30℃。特大型堿回收爐中，新型供風(fēng)系統(tǒng)的高性能特征，促使設(shè)計(jì)者把各個(gè)層面的燃燒空氣溫度提高到185～190℃，其他相關(guān)參數(shù)也提高一個(gè)層次。例如，主蒸汽溫度490℃、壓力9.2 MPa的堿回收爐設(shè)計(jì)中，其鍋爐給水用中壓蒸汽加熱到140～160℃;入爐的燃燒空氣，包括一次、二次、三次風(fēng)，外網(wǎng)來(lái)低濃臭氣，溶解槽尾部洗滌器產(chǎn)生的尾氣在送入堿回收爐前，分別用低壓蒸汽LP(0.35 ～ 0.5 MPa)、中 壓 蒸 汽 MP1(0.85 ～1.2 MPa)、中壓蒸汽 MP2(2.5～3.5 MPa)三段加熱，使燃燒空氣溫度達(dá)到185～190℃入爐。這時(shí)，省煤器煙氣出口溫度約194℃。

3.2 風(fēng)壓和風(fēng)速

3.2.1 公式推導(dǎo)

在討論入爐空氣風(fēng)壓和風(fēng)速關(guān)系之前，筆者先按照?qǐng)D2設(shè)定幾個(gè)狀態(tài)和參數(shù):①風(fēng)機(jī)出口空氣:P1，T1，ω1，ρ1;②環(huán)形風(fēng)道 (入爐前)空氣:P2，T2，ω2，ρ2;③風(fēng)嘴噴口 (入爐處)空氣:P3，T3，ω3。

Q為工況下風(fēng)量，m3/s;Qs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)量，m3/s;ρ為工況下空氣密度，kg/m3;ρs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，ρs=1.293 kg/m3;T為空氣溫度，℃;ω為空氣速度，m/s;S為空氣流通截面，m2;P為空氣風(fēng)壓，Pa;F為風(fēng)門(mén)阻力，Pa。

根據(jù)有關(guān)公式，推導(dǎo)出風(fēng)門(mén)阻力與有關(guān)參數(shù)之間的相互關(guān)系為:

F正比于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)小流量的平方 (Qs2)

F反比于空氣流通截面的平方 (S2)

由推導(dǎo)可知，風(fēng)門(mén)阻力F與標(biāo)準(zhǔn)狀況流量Qs的平方成正比，與空氣流通截面S(即風(fēng)門(mén)總面積)的平方成反比，與環(huán)形風(fēng)道溫度T2成正向遞增關(guān)系，與環(huán)形風(fēng)道壓力P2成反向遞減關(guān)系。因?yàn)樗燥L(fēng)門(mén)阻力F與標(biāo)準(zhǔn)狀況下流速的平方成正比。

由此可知，風(fēng)門(mén)出口風(fēng)壓P3相對(duì)于環(huán)形風(fēng)道壓力P2、標(biāo)準(zhǔn)狀況流量Qs、空氣流通截面S、環(huán)形風(fēng)道溫度T2之間的相互關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)很容易畫(huà)出曲線。從上述的描述中，理論上解釋了本文3.1中的當(dāng)溫度增加時(shí)，其射入爐膛距離會(huì)減小，即冷風(fēng)比熱風(fēng)的穿透力強(qiáng)的緣故。

3.2.2 參數(shù)數(shù)值

良好的燃燒供風(fēng)系統(tǒng)，需要控制好環(huán)形風(fēng)道風(fēng)門(mén)入口的隱性參數(shù)，如流速ω、壓力P、溫度T、射流距離L。這些參數(shù)彼此之間存在著關(guān)聯(lián)，一個(gè)參數(shù)的調(diào)整和變化，可能會(huì)帶動(dòng)多個(gè)參數(shù)的改變，每個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)給堿回收爐的燃燒帶來(lái)不同程度的影響，因此鍋爐操作者必須要清楚，每個(gè)參數(shù)的調(diào)整將會(huì)帶來(lái)的變化。合適的參數(shù)設(shè)定，不但需要堿回收爐本體設(shè)計(jì)者考慮鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行的調(diào)整范圍，避免出現(xiàn)如風(fēng)道風(fēng)門(mén)和擋板已經(jīng)調(diào)整到最大幅度，仍然沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值;還需要燃燒系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)者與鍋爐設(shè)計(jì)者有效配合，通過(guò)不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分滿足鍋爐本體燃燒所需達(dá)到的參數(shù);需要堿回收爐的操作者多次調(diào)整運(yùn)行，找到最適合的設(shè)定參數(shù)。

由圖2可知，對(duì)于參數(shù)溫度T，可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)加熱器的蒸汽量，進(jìn)而調(diào)整燃燒空氣溫度。對(duì)于流速ω，可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)入口擋板來(lái)控制流量，進(jìn)而調(diào)整流速;并且還可以通過(guò)調(diào)整環(huán)形風(fēng)道入口風(fēng)門(mén)來(lái)控制流速。通常環(huán)形風(fēng)道入口風(fēng)門(mén)為手動(dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)入口擋板可通過(guò)DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于參數(shù)壓力P，其壓力由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，減去消音器、加熱器、流量計(jì)、風(fēng)門(mén)等元件的壓力損失，即是進(jìn)入爐膛的風(fēng)壓。從系統(tǒng)中可以看出，最直觀監(jiān)測(cè)入爐風(fēng)壓數(shù)值就是環(huán)形風(fēng)道壓力計(jì)。對(duì)于射流距離L，可以定性地分析出入爐燃燒空氣的風(fēng)壓高、流速快、溫度低有利于風(fēng)的穿透性，射流距離L大，反之則小。

筆者通過(guò)國(guó)內(nèi)外運(yùn)行的大型堿回收爐的運(yùn)行情況和輔助的理論計(jì)算，得出燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的壓力和流速的數(shù)值，見(jiàn)表3(由于風(fēng)口的風(fēng)壓和流速受爐膛截面等很多的因素影響，因此表3中所列出的數(shù)據(jù)只是大概的范圍)。

3.2.3 變頻供風(fēng)機(jī)的利弊分析

目前運(yùn)行的大型堿回收爐中，有的供風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)控制，有的沒(méi)有采用變頻電機(jī)控制，筆者通過(guò)討論風(fēng)機(jī)的參數(shù)來(lái)分析。

風(fēng)機(jī)參數(shù):流量Q、轉(zhuǎn)速n、功率N、壓力P。

表3 燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的壓力和流速

風(fēng)機(jī)的比例定律:流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;風(fēng)壓P與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;功率N與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。即Q正比于n;P正比于n2;N正比于n3。

一次、二次、三次風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)控制設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)是從節(jié)能的角度上考慮。燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板截流過(guò)程中。根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí)，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率N將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板節(jié)能40%左右，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

但筆者卻對(duì)燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)采用變頻控制有不同意見(jiàn)，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)關(guān)注了能源的節(jié)約，但卻忽略了堿回收爐本體燃燒的復(fù)雜性。從上述的論述中，可以看出送風(fēng)系統(tǒng)的入爐風(fēng)壓對(duì)于堿回收爐燃燒是比較關(guān)鍵的參數(shù)，流量Q減少時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n降低，電動(dòng)機(jī)功率N下降，但也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓產(chǎn)生比較大的變化，增加了堿回收爐燃燒操作調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，風(fēng)機(jī)的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，壓力P與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，功率N與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。也就是說(shuō)流量的下降，使能量消耗按三次方關(guān)系下降，但也使風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓按照平方的關(guān)系下降。通常堿回收爐負(fù)荷降低時(shí)，燃燒空氣需要量下降，但不希望爐膛入口風(fēng)壓很大程度的下降，這勢(shì)必影響堿回收爐的燃燒。筆者認(rèn)為，當(dāng)考慮了由于堿回收爐負(fù)荷降低、風(fēng)流量下降，而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降來(lái)節(jié)能時(shí)，就已經(jīng)主觀地認(rèn)為堿回收爐長(zhǎng)期會(huì)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀況。近些年來(lái)，隨著大型制漿造紙廠的發(fā)展，堿回收爐發(fā)揮著越來(lái)越關(guān)鍵的作用。所以當(dāng)整個(gè)漿廠正常運(yùn)行后，不但很少遇到堿回收爐長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的情況，還經(jīng)常會(huì)面臨長(zhǎng)期高負(fù)荷、甚至短期超負(fù)荷運(yùn)行。這是因?yàn)閴A回收爐通常是整個(gè)漿廠提產(chǎn)的瓶頸之一。

例如，西南某漿廠的堿回收爐供風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)采用變頻控制，在初期的運(yùn)行時(shí)，由于各種原因其燃燒的負(fù)荷沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%，供風(fēng)量下降，變頻控制使供風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降以降低風(fēng)流量，相應(yīng)地風(fēng)壓呈平方下降，造成一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的環(huán)形風(fēng)道風(fēng)壓都無(wú)法滿足燃燒的正常要求。一次風(fēng)風(fēng)壓僅達(dá)到0.30 kPa左右，嚴(yán)重地影響墊層正常燃燒;低位二次風(fēng)風(fēng)壓1.40～1.52 kPa，風(fēng)壓太低，無(wú)法穿透爐墻，造成爐膛溝流，燃燒不完全，飛失增加;高位二次風(fēng)風(fēng)壓2.49～2.61 kPa，風(fēng)壓不足，無(wú)法穿透爐墻;三次風(fēng)風(fēng)壓偏低，又使氣封爐膛煙氣動(dòng)力不足，加重了煙氣飛失等。筆者建議燃燒供風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)可不必采用變頻控制。

3.3 墊層控制

堿回收爐芒硝還原需要有一個(gè)還原性氣氛，燃燒的放熱反應(yīng)可提供保持高溫的熱量。而墊層是硫酸鹽還原的區(qū)域，墊層控制的好壞直接影響了還原率。墊層表面的黑灰與一次風(fēng)和低位二次風(fēng)接觸發(fā)生燃燒的氧化反應(yīng)，墊層內(nèi)部的熔融物則是維持還原性的環(huán)境。因此，一次風(fēng)和二次風(fēng)不能產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)墊層作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)控制和調(diào)節(jié)一次風(fēng)和二次風(fēng)的流量和壓力來(lái)得到滿意的墊層形狀和高度。

例如，一次、二次風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓、風(fēng)溫等來(lái)維持墊層燃燒的形狀。墊層表面黑灰的形狀取決于黑灰表面的氧化燃燒速度和爐膛上面黑灰落入墊層的累積速度的差值。如果送風(fēng)量大、速度快、氧氣多，其墊層黑灰表面的燃燒速度大于黑灰累積速度時(shí)，墊層就會(huì)越來(lái)越小;反之送風(fēng)量不夠，氧氣量不足，墊層黑灰表面的燃燒速度小于黑灰累積速度時(shí)，墊層就會(huì)越來(lái)越大。因此，一次風(fēng)、低位二次風(fēng)對(duì)于控制墊層的形狀和大小非常重要。比較理想的墊層形狀是“窩窩頭”狀，墊層邊緣距水冷壁大約1 m左右，也就是一次風(fēng)風(fēng)壓和速度所能達(dá)到的地方。同樣低位二次風(fēng)的風(fēng)量和流速使黑灰燃燒速度累積速度保持平衡，墊層維持一定的高度。但是如果在生產(chǎn)上沒(méi)有控制好風(fēng)量和風(fēng)速時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些極端的狀況。低位二次風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓不夠時(shí)，黑灰墊層就會(huì)累積的越來(lái)越高，一次風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓比較大時(shí)，在一次風(fēng)封口附近的墊層就會(huì)向爐中心偏移，極端狀況時(shí)，就會(huì)向墊層中心凹陷，如風(fēng)量和風(fēng)壓沒(méi)有得到調(diào)節(jié)，這種狀況就不會(huì)緩解并加劇，進(jìn)而墊層頂部坍塌，而倒向一次風(fēng)口，導(dǎo)致一次風(fēng)口被熔融物堵塞。在實(shí)際堿回收爐生產(chǎn)操作中，風(fēng)口被熔融物堵塞是比較嚴(yán)重的事故，當(dāng)情況發(fā)生時(shí)，必須迅速處理。

4 燃燒供風(fēng)系統(tǒng)改善的效益

堿回收爐燃燒供風(fēng)系統(tǒng)非常重要。必須充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)大中型堿回收爐的燃燒供風(fēng)系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，將會(huì)獲得明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。改善供風(fēng)系統(tǒng)的成本較低，因?yàn)楣╋L(fēng)系統(tǒng)的技改和優(yōu)化，很少涉及到壓力部件的施工，停機(jī)時(shí)間短。但其獲得的效益卻是非常顯著，改善供風(fēng)系統(tǒng)能提高處理黑液固形物的能力，提高產(chǎn)汽量，以提高堿回收爐產(chǎn)能;多層次送風(fēng)系統(tǒng)顯著降低煙氣流速，消除爐膛煙氣上升的“溝流”，加強(qiáng)了風(fēng)與煙氣的混合，增加煙氣停留時(shí)間，從而使TRS排放減少，爐膛飛失減少;同時(shí)能改善過(guò)熱器的積灰情況，進(jìn)而減少堵灰和停機(jī)除灰的頻率，并節(jié)省吹灰蒸汽;能降低過(guò)熱器入口煙氣溫度，減少過(guò)熱器管結(jié)垢和腐蝕等。

5 結(jié)語(yǔ)

堿回收爐燃燒供風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，本文只是試圖分析燃燒供風(fēng)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的產(chǎn)生和對(duì)堿回收爐燃燒的影響。就系統(tǒng)本身而言，其會(huì)對(duì)堿回收爐的鍋爐效率、還原率和煙氣的排放等產(chǎn)生影響，不再贅述。有待于堿回收爐的設(shè)計(jì)者、操作者和其他從業(yè)者不斷地學(xué)習(xí)、摸索和總結(jié)，以逐漸提高堿回收爐的運(yùn)行性能。

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