臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料后燃燒系統(tǒng)的改造

臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料后燃燒系統(tǒng)的改造

徐連榮 ， 王宏 ， 周雪峰 ， 施沈科

(湖州市特種設(shè)備檢測中心, 浙江　湖州　313000)

摘要：針對臥式燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料后出現(xiàn)的效率低等問題，通過對一臺DZL4-1.25-AⅡ鍋爐的燃燒系統(tǒng)進行改造，采取增加預(yù)燃室、設(shè)計二次通風(fēng)系統(tǒng)和加裝熱管式空氣預(yù)熱器等措施，使其燃燒系統(tǒng)適于燃燒生物質(zhì)燃料。改造后鍋爐熱效率從改造前的61 %提高到73 %，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：臥式燃煤鍋爐；生物質(zhì)燃料；燃燒系統(tǒng)

收稿日期：2014-04-15

基金項目：湖州市2011年度科技攻關(guān)項目“工業(yè)鍋爐改用生物質(zhì)燃料的改造應(yīng)用與研究(2011GG56)”

作者簡介：徐連榮(1963-)，男，浙江湖州人，高級工程師，主要從事鍋爐節(jié)能與燃燒優(yōu)化技術(shù)研究；王宏(1970-)，男，浙江湖州人，高級工程師，主要從事鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進研究；周雪峰(1971-)，男，浙江湖州人，工程師，主要從事鍋爐節(jié)能技術(shù)研究；施沈科(1981-)，男，浙江湖州人，工程師，主要從事鍋爐質(zhì)量檢驗與管理研究。

中圖分類號：TK411+.2

Research on System Transformation of Biomass Fueled

XU Lian-rong , WANGHong , ZHOU Xue-feng , SHI Shen-ke

(Huzhou Special Equipment Inspection Center, Huzhou313000,China)

Abstract:Aiming to the problem of low effciency of changing the fuel of horizontal coal-fired boilers into biomass, the research team makes a system reform to a DZL4-1.25-A Ⅱ boiler, which comprises to add the pre-combustion chamber, design the secondary air systems install the heat pipe air preheated for combustion systems and other methods. After reform, the boiler thermal efficiency is improved from 61% to 79.7% and energy saving effect is remarkable.

Key words:horizontal coal-fired boilers; biomass fuel; combustion system

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，近年來在湖州市的中小型企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，湖州市又是國內(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)濟實惠的燃料資源，因此，湖州市大部分企業(yè)的生產(chǎn)鍋爐基本上都以木屑為主要燃料。目前國內(nèi)尚沒有針對木屑燃料專門設(shè)計的鍋爐，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[1-3]。

1　木屑的燃燒特性

木屑的燃燒過程是強烈的化學(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)份析出和焦炭(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)份，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。焦碳被揮發(fā)分包圍，燃燒室中氧氣不易滲透到焦碳表面，只有當(dāng)揮發(fā)分的燃燒快要終了時，焦碳及其周圍溫度已很高，空氣中的氧氣也有可能接觸到焦碳表面，焦碳開始燃燒，并不斷產(chǎn)生灰燼[4]。由圖1木屑微粒在不同階段的燃燒過程可知，揮發(fā)份析出燃燒時間較短，約占20 %時間，而焦炭完全燃燒需要80 %時間，焦炭的熱值高，所以在燃燒系統(tǒng)的設(shè)計時需要充分考慮木屑在爐內(nèi)的停留時間，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，也會導(dǎo)致焦炭的不完全燃燒，所以在增加停留時間的同時增加爐內(nèi)氣流的擾動也是提高木屑燃燒效率的有效方法[5]。

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湖州市某廠一臺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嚴重，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)沒有良好的空氣動力工況，無法有效地組織爐膛空間的有效燃燒，也會使木屑在爐內(nèi)的停留時間過短，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荷的推薦范圍，上限值為523 kW/m3，木屑發(fā)熱量為17 000 kJ/kg，由公式1：

(1)

可計算出燃料量B為608 kg/h，飽和蒸汽按壓力為6個絕對大氣壓計算、給水溫度20 ℃，鍋爐效率按設(shè)計值76 %，由公式2[7]：

解放戰(zhàn)爭前夕，中共七大在延安召開，毛澤東在《論聯(lián)合政府》的政治報告中系統(tǒng)論述了黨的群眾觀點和群眾路線。他指出：“我們共產(chǎn)黨人區(qū)別于其他任何政黨的又一個顯著的標(biāo)志，就是和最廣大的人民群眾取得最密切的聯(lián)系。全心全意地為人民服務(wù)，一刻也不脫離群眾；一切從人民的利益出發(fā)，而不是從個人或小集團的利益出發(fā)；向人民負責(zé)和向黨的領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)負責(zé)的一致性；這些就是我們的出發(fā)點?！保?］1094

(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；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)計預(yù)燃室過程按以下參數(shù)選取或計算：鍋爐蒸發(fā)量4 T/h，蒸汽壓力5 atm(絕對壓力)，容積熱負荷選為500 kW/m3，鍋爐效率按75 %計算，給水溫度25 ℃。由式1、式2，可以計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)計成長方體，寬1.0 m，高1.0 m，深2.4 m，采用耐高溫達1 300 ℃的Lz-55型高鋁磚砌筑。圖3為預(yù)燃室實物照片。

圖2　預(yù)燃室結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　預(yù)燃室實物照片

3.2增設(shè)二次風(fēng)系統(tǒng)

由于木屑的揮發(fā)份較高，需要加大供風(fēng)量來滿足需求，但是對于木屑來說揮發(fā)份短時間內(nèi)的析出與此時按理論空氣系數(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；同時大量冷空氣的一次性供給不僅會降低爐膛溫度使燃燒狀況惡化，同時燃煤鍋爐爐膛較小，迅猛的空氣供給還會將未完全燃燒的可燃氣氛隨煙氣一起排出，造成熱量浪費。而二次風(fēng)系統(tǒng)能夠增加爐內(nèi)氣流的擾動，延長燃料在爐內(nèi)的停留時間，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。

圖4　二次風(fēng)系統(tǒng)圖

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1 423 m3/h。由爐膛兩側(cè)噴入，每側(cè)射4個噴口，共8個，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0.001 6 m2，噴口設(shè)計為矩形，長80 mm，寬20 mm。上圖4為二次風(fēng)系統(tǒng)圖。

為了進一步降低排煙溫度，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，擬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：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)流動改為管外流動，利用安裝于預(yù)熱器內(nèi)的清灰器，可及時清除空氣預(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，可方便地布置成錯列逆流換熱；4.系統(tǒng)布置簡潔、利于維護。

綜上，在本次鍋爐改造中選用的熱管式空氣預(yù)熱器，熱管根數(shù)為173根，奇數(shù)排(12根)8排，偶數(shù)排(11根)7排，管子排列采用正三角錯列，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　改造效果驗證

在鍋爐改造前和改造后分別進行熱效率測試，對其關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行對比，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0.8 t/h，出口排煙溫度下降了36 ℃，而鍋爐熱效率提高了18.7 %，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)鍋爐改燃生物質(zhì)燃料的燃燒系統(tǒng)進行合理的改造以解決生物質(zhì)燃料燃燒不完全的問題，同時對尾部煙道的高溫余熱資源進行回收利用，主要做了以下的兩方面研究，效果良好。

1)研究開發(fā)采用分級燃燒技術(shù)進行改造的系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，包括預(yù)燃室的設(shè)計、配風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、二次風(fēng)壓火技術(shù)及運行參數(shù)設(shè)計、二次風(fēng)噴口的優(yōu)化設(shè)計等。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79.7 %。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)的燃燒時間，提高燃燒效率，把排煙溫度從原來的190 ℃降低到154 ℃。

參考文獻:

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