湍動流化床氣化焚燒爐供風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行振動的分析與處理

張召磊，趙增志，曹 劍

（北京一亞高科能源科技有限公司，北京100085）

由北京一亞高科能源科技有限公司與清華大學(xué)合作研發(fā)的湍動流化床焚燒技術(shù)，為世界首創(chuàng)“變截面”湍動式流化床，具有燃料適應(yīng)性廣[1]、鍋爐效率高、煙氣污染物排放低、系統(tǒng)穩(wěn)定的特性，創(chuàng)造性地解決了多元有機(jī)廢棄物同爐集中處理的問題， 為鍋爐節(jié)能環(huán)保改造開拓了嶄新的途徑。

臺灣正隆紙業(yè)有限公司于2017 年引入該技術(shù)，在越南平陽省投資承建了一套多元有機(jī)廢棄物焚燒爐，用于處理其造紙廠產(chǎn)生的紙渣、污泥和沼氣，不僅節(jié)省了造紙廠用于處理廢棄物的大量費(fèi)用， 而且焚燒爐產(chǎn)生的蒸汽可以用于造紙廠車間的工藝生產(chǎn)。 該氣化焚燒爐日處理紙渣量140 t/d、污泥量35 t/d、沼氣7 000 m3/d，飽和蒸汽產(chǎn)汽量25 t/h（壓力2.0 MPa）。

本項(xiàng)目于2019 年3 月開始進(jìn)入試運(yùn)行階段，運(yùn)行期間焚燒爐在料層400～450 mm 區(qū)間，負(fù)荷在30%～40%工況下，一次風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率為31~32 Hz 時，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。 負(fù)荷在70%～100%工況下時，二次風(fēng)風(fēng)道出現(xiàn)明顯的振動和噪聲。本文結(jié)合焚燒爐的運(yùn)行工況、風(fēng)機(jī)的性能曲線、供風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及空預(yù)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，解決了一次風(fēng)機(jī)喘振和二次風(fēng)道振動的問題，確保了焚燒爐系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 湍動流化床氣化焚燒爐的結(jié)構(gòu)、配風(fēng)特點(diǎn)

湍動流化床氣化焚燒爐主要由燃燒裝置、 氣化室、二燃室、輻射換熱區(qū)、旋風(fēng)分離器、省煤器、急冷塔及其他附屬系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。湍動流化床氣化焚燒爐結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)的循環(huán)流化床焚燒爐，氣化室采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)出口小、中間大，實(shí)現(xiàn)多床層疊加，使得物料、床料在爐內(nèi)處于內(nèi)循環(huán)為主的湍動流化狀態(tài)。

湍動流化床氣化焚燒爐燃燒工藝為分級配風(fēng)+高溫燃燒，在氣化室設(shè)置多級空氣入口，滿足多種有機(jī)廢物的氣化需求。 氣化室主要發(fā)生干燥、熱解、氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的氣化燃?xì)膺M(jìn)入燃燒區(qū)。二燃室設(shè)置多級燃燒空氣入口， 保證進(jìn)入的氣相可燃成分于燃燒區(qū)進(jìn)行充分燃燒， 且通過此方式使二燃室空間內(nèi)溫度更加均勻，能有效保證較低的原始排放[2]。

焚燒爐分級配風(fēng)特點(diǎn)為：

（1）氣化室底部風(fēng)室及變截面處的配風(fēng)由一次風(fēng)機(jī)經(jīng)過空預(yù)器加熱后送入，可確保床料湍動流化，同時提供部分燃料燃燒所需的氧氣， 并保持氣化室還原性氣氛。 氣化室燃燒產(chǎn)生的熱量主要對有機(jī)廢物進(jìn)行干燥、熱解、氣化，則風(fēng)量滿足氣化要求即可，氣化室在還原性氣氛下的低溫燃燒還可以抑制NOx和二惡英的初始生成。

（2）二燃室上、下二次風(fēng)配風(fēng)[3]由二次風(fēng)機(jī)送入，確保氣化產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在二燃室能進(jìn)行均勻、充分的高溫燃燒，則風(fēng)量需滿足最大負(fù)荷燃燒的要求。二燃室高溫燃燒使絕大部分二惡英類物質(zhì)分解，減少有害污染物的排放。

圖1 湍動流化床氣化焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動原因分析

由于焚燒爐一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)道在相應(yīng)負(fù)荷下均出現(xiàn)振動現(xiàn)象，導(dǎo)致焚燒爐運(yùn)行時存在安全隱患，因此需找出焚燒爐振動的根源， 解決設(shè)備振動的問題。 根據(jù)風(fēng)道及設(shè)備振動的情況分析的原因如下：

（1）一次風(fēng)機(jī)喘振

根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線可知， 當(dāng)焚燒爐需要低風(fēng)量時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況偏離風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)入馬鞍區(qū)，風(fēng)機(jī)便出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

在本項(xiàng)目中焚燒爐采用的一次風(fēng)機(jī)的額定流量為28 000 m3/h，額定風(fēng)壓為15 000 Pa。 焚燒爐在料層400～450 mm 區(qū)間，負(fù)荷在30%～40%工況時，供風(fēng)風(fēng)量為8 500 m3/h 左右即可滿足氣化室的氣化率和氣化溫度的要求。 根據(jù)料層阻力試驗(yàn)，在8 500 m3/h風(fēng)量下， 確保焚燒爐流化的出口風(fēng)壓僅需要7 200 Pa。 通過風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)壓， 當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率在31～32 Hz 時風(fēng)壓滿足運(yùn)行要求， 但是出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 通過分析認(rèn)為當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率在31 Hz 情況下,鍋爐供風(fēng)阻力特性工作曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)位于馬鞍區(qū)左側(cè)，因而出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。

（2）二次風(fēng)道振動

如果供風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道截面積、 彎頭等設(shè)計不合理，會導(dǎo)致流體的流速過高、流場分布不均勻，從而導(dǎo)致風(fēng)道及空預(yù)器的振動。

本項(xiàng)目焚燒爐二次風(fēng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)為風(fēng)機(jī)流量30 000 m3/h，風(fēng)機(jī)全壓4 000 Pa。 焚燒爐負(fù)荷在70%～100%工況下，為了保證二燃室燃燒均勻、充分，高溫燃燒所需的風(fēng)量為18 000～26 000 m3/h，二次風(fēng)主管風(fēng)道的流速為12～15 m/s。二次風(fēng)風(fēng)道是由二次風(fēng)風(fēng)機(jī)出口處連接至上下二次風(fēng)母管接口， 各接口處有三個風(fēng)道彎頭，風(fēng)道彎頭處振動最為明顯，因此判斷風(fēng)道彎頭處偏流嚴(yán)重， 從而導(dǎo)致二次風(fēng)道及平臺振動。

（3）駐波固有頻率與卡門渦流頻率校核

由于一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)均產(chǎn)生振動現(xiàn)象，因此我們懷疑空預(yù)器管束是否也存在振動現(xiàn)象， 接下來我們對空預(yù)器進(jìn)行計算分析。

空預(yù)器風(fēng)箱的駐波固有頻率與卡門渦流頻率校核接近時，會發(fā)生振動現(xiàn)象，引起空預(yù)器的振動和噪聲。風(fēng)道的駐波固有頻率情況與通道寬度、氣流溫度等有關(guān)， 只要當(dāng)卡門渦流的頻率與駐波的固有頻率相接近時，就會發(fā)生振動，從而引起空預(yù)器及風(fēng)道的振動[2]。

本項(xiàng)目空預(yù)器為立式單管箱結(jié)構(gòu)， 管子順列布置，其主要設(shè)計數(shù)據(jù)：

空氣溫度110 ℃時，管箱空氣流速w=9 m/s。 空預(yù)器管箱寬度B=1.21 m，管子外徑d=0.057 m。

空氣在管箱內(nèi)流動時，駐波的固有頻率fc[4]：

式中：n—諧波序數(shù)，n=1，2，3……

T—空氣中氣流絕對溫度，K

B—管箱通道寬度，m

根據(jù)空預(yù)器在焚燒爐冷態(tài)運(yùn)行時， 空氣溫度取T=383 K（110 ℃），按照上述公式計算得到fc=161.7n Hz，現(xiàn)將n 帶入得：

當(dāng)n=1 時，fc=161.7 Hz

當(dāng)n=2 時，fc=323.4 Hz

當(dāng)n=3 時，fc=485.1 Hz

卡門渦流頻率fk[5]:

式中：S—管束的斯特羅哈數(shù)，取S=0.22

w—空氣流速，m/s

d—管子外徑，m

根據(jù)空預(yù)器在空氣溫度110 ℃時， 空氣溫度取T=383 K（110 ℃）,流速為w=9 m/s，管子外徑d=0.057 m。根據(jù)上述公式得到fk=34.7 Hz。

由上述計算結(jié)果可以看出， 空預(yù)器在空氣溫度110 ℃時， 駐波的固有頻率fc最小值為161.7 Hz，大于卡門渦流頻率fk頻率34.7 Hz，因此焚燒爐空預(yù)器在運(yùn)行時不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象， 因而我們排除了空氣預(yù)熱器參與振動的可能性。

3 解決措施

經(jīng)過上述分析和計算，考慮項(xiàng)目運(yùn)行需求及改造周期等因素，現(xiàn)采取如下措施對目前風(fēng)機(jī)喘振及風(fēng)道振動的問題進(jìn)行處理。

（1）風(fēng)機(jī)喘動

經(jīng)分析，在保證焚燒爐正常運(yùn)行的情況下，把焚燒爐料層厚度由400～450 mm 降低為300～350 mm，一次風(fēng)機(jī)頻率略升高至33～34 Hz，從而降低了系統(tǒng)需求風(fēng)壓并增加了風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。 綜合調(diào)整后風(fēng)機(jī)的工作曲線避開了馬鞍區(qū)， 風(fēng)機(jī)的喘動現(xiàn)象也隨之消除，風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

（2）二次風(fēng)道

對二次風(fēng)風(fēng)機(jī)出口處到連接上下二次風(fēng)母管接口處的三個風(fēng)道彎頭的導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整， 同時將進(jìn)入上下二次風(fēng)道母管的入口由原先單側(cè)進(jìn)風(fēng)優(yōu)化為雙側(cè)進(jìn)風(fēng)，使進(jìn)入上下二次風(fēng)的流阻更低，風(fēng)道內(nèi)流場更加均勻，減少風(fēng)道內(nèi)偏流和擾動。

通過以上措施對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后， 當(dāng)焚燒爐運(yùn)行時， 無論高負(fù)荷還是低負(fù)荷， 原先出現(xiàn)的風(fēng)機(jī)喘動、二次風(fēng)道振動現(xiàn)象均不再出現(xiàn)。

4 結(jié)論

越南平陽造紙廠湍動流化床氣化焚燒爐為新開發(fā)的焚燒技術(shù)，在設(shè)計、選型、運(yùn)行等方面還需要不斷完善優(yōu)化，供風(fēng)系統(tǒng)振動問題的改造總結(jié)如下，供以后湍動流化床氣化焚燒爐或類似焚燒技術(shù)的鍋爐同行參考。

（1）當(dāng)采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓時如果出現(xiàn)振動， 可適當(dāng)改變湍動流化床氣化焚燒爐床料厚度以及通過變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 從而使風(fēng)機(jī)工作曲線避免落在馬鞍區(qū)左側(cè)。

（2）在風(fēng)道設(shè)計上要重視風(fēng)道流通截面積、彎頭導(dǎo)流等事項(xiàng)，降低風(fēng)道流阻，減少風(fēng)道偏流和擾動，消除風(fēng)道因管內(nèi)流速過高和偏流因素出現(xiàn)的振動情況。