120t/h甘蔗渣鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)與布置

李　璐（中工國際工程股份有限公司，北京　100080）

120t/h甘蔗渣鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)與布置

李璐
（中工國際工程股份有限公司，北京100080）

甘蔗渣的特點(diǎn)是熱量低、水分高（含量一般50%左右，超過50%的話，燃燒將會(huì)非常困難）、難著火，所以甘蔗渣鍋爐的設(shè)計(jì)特別是爐膛部分的設(shè)計(jì)與布置顯得尤為重要。

甘蔗渣；鍋爐；爐膛

1　甘蔗渣鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

甘蔗渣是糖廠將甘蔗壓榨提取糖分后剩余的纖維狀的殘?jiān)鳛橐环N生物質(zhì)燃料，甘蔗渣可以作為鍋爐燃料，從而發(fā)揮它的最大利用價(jià)值，甘蔗渣鍋爐送出的蒸汽除了一部分能供汽輪機(jī)發(fā)電，解決全廠用電問題，而且能為糖廠提供生產(chǎn)所需的蒸汽，因此它已經(jīng)成為現(xiàn)代糖廠的重要設(shè)備。

甘蔗渣的特點(diǎn)是熱量低、水分高（含量一般50%左右，超過50%的話，燃燒將會(huì)非常困難）、難著火，所以甘蔗渣鍋爐的設(shè)計(jì)特別是爐膛部分的設(shè)計(jì)與布置顯得尤為重要。圖1為120t/h甘蔗渣鍋爐立面圖，該鍋爐采用雙鍋筒、集中下降管、自然循環(huán)∏型布置，爐膛部分采用全鋼膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，與以往爐膛下部采用重型爐墻及通過巨大的膨脹節(jié)來吸收膨脹差相比，該結(jié)構(gòu)更加簡單，且性能可靠，爐膛底部布置了固定水冷爐排用于燃燒甘蔗渣。區(qū)別于風(fēng)冷爐排，水冷爐排可以保證爐排片不會(huì)因?yàn)榫植窟^熱或者風(fēng)量、風(fēng)溫控制不好造成而燒壞。

圖1

此時(shí)，爐排的傾角和開孔率是關(guān)鍵。爐排傾角與爐排上的蒸汽清灰裝置相互配合，定期將爐排上積存的灰、砂吹掃至爐前出灰處，實(shí)踐表明此值在8～10°合適。爐排開孔率國內(nèi)外爐型差別較大，國內(nèi)糖廠用固定針孔爐排開孔率約在20%左右，原因是國內(nèi)甘蔗含砂、夾雜很少，對(duì)蔗渣的半懸浮燃燒要求不高，此種爐排不適合國外機(jī)收甘蔗糖廠。為適應(yīng)高含砂、高夾雜工況，實(shí)現(xiàn)蔗渣的半懸浮燃燒，提高鍋爐的燃燒效率，建議此值1.5%～3%。

2　甘蔗渣鍋爐燃料燃燒分析

甘蔗渣的典型元素分析如表1。

表1

本鍋爐主要參數(shù)：連續(xù)蒸發(fā)量120t/h，額定蒸發(fā)壓力4.3Mpa。

對(duì)于此類低參數(shù)的鍋爐，將給水加熱到飽和蒸汽所需的熱量較大，占所有熱量的比例達(dá)到70%～75%。一般情況下，此參數(shù)鍋爐的省煤器吸熱量在13%左右，設(shè)計(jì)為非沸騰式省煤器，省煤器出口水溫比飽和溫度要低，爐膛的大小決定了爐膛的吸熱量，也就決定了爐膛出口的煙溫，因?yàn)闋t膛主要以輻射傳熱為主，煙氣溫度越高，輻射特性最佳，所以爐膛出口煙溫不能無限制的低，正常情況下比燃料的灰熔點(diǎn)低并留有一定的余量即可。根據(jù)甘蔗渣灰的特性及已投產(chǎn)鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，爐膛出口煙溫在850℃以上時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)渣，因此我們選取了835℃的爐膛出口煙溫來進(jìn)行計(jì)算，排煙溫度選取135℃，另外根據(jù)燃料灰熔點(diǎn)低、難著火等特點(diǎn)，爐膛斷面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷都不宜過高，從而計(jì)算確定了爐膛的尺寸。因?yàn)楦收嵩臒嶂档?，?jīng)過計(jì)算可知爐膛和省煤器的吸熱滿足不了給水的蒸發(fā)所需要的熱量，所以需要在過熱器之后布置對(duì)流管束。

在考慮了二次風(fēng)管、喂料器等的布置空間后，計(jì)算選取的爐膛斷面尺寸為7230（深度）×8070（寬度），高度26400左右，斷面熱負(fù)荷以及容積熱負(fù)荷分別為1.54×10^6kcal/h.m^2和67500kcal/h.m^3，保證了煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間不會(huì)過短，細(xì)小甘蔗渣顆粒不會(huì)未來得及燃燒就被帶出爐膛，確保了燃料的燃盡性。在燃燒初期，需要先加熱將燃料中的水分蒸發(fā)，得到干燥后的甘蔗渣才會(huì)開始燃燒，因?yàn)楦哌_(dá)50%的水分，燃料帶入爐內(nèi)的熱量有將近20%被用來加熱蒸發(fā)這部分水份，根據(jù)燃料的元素分析進(jìn)行計(jì)算可知爐膛理論燃燒溫度1350℃左右，為保證燃燒區(qū)域的爐膛溫度以及燃料能穩(wěn)定燃燒、不熄火，爐排中心上方高約5米部分的四周水冷壁敷設(shè)耐火澆鑄料，從而減少此區(qū)域的水冷壁吸熱量，保證了新入爐的燃料可以得到充分的熱量進(jìn)行燃燒。

因?yàn)槭亲匀谎h(huán)鍋爐，水和汽水混合物的循環(huán)流動(dòng)是依靠下降管中的水與受熱面上升管（水冷壁）中的汽水混合物的壓差來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗绕旌衔锏拿芏却?，所以存在重力壓差。水循環(huán)的安全性在自然循環(huán)鍋爐中很重要，下降管中的水能否及時(shí)將上升管中吸收的爐膛熱量帶走，關(guān)系到金屬管子壁溫是否在安全合理的范圍內(nèi)，上升管是否安全工作的指標(biāo)是循環(huán)流速。在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，循環(huán)回路的有效壓頭應(yīng)該與下降管的阻力相等，通過選取合理的循環(huán)流速進(jìn)行計(jì)算后，我們將整個(gè)水冷壁分成10個(gè)循環(huán)回路，前墻和兩側(cè)墻各由三個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路組成，后墻水冷壁單獨(dú)的1個(gè)回路。具體的回路特性如表2。

表2

集中下降管規(guī)格為φ377×16，共二根，其截面與上升管截面比：0.424。爐膛水冷壁采取節(jié)距100mm、φ51管子的膜式規(guī)格，該結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)在多臺(tái)鍋爐上成功運(yùn)行，安全可靠，保證鰭片可以得到很好的冷卻、不超溫。后墻水冷壁下部與水平成8度傾角延伸至前墻附近，針孔爐排片通過螺栓固定在該水冷壁區(qū)域內(nèi)，通過水冷壁的吸熱可以有效降低爐排片的工作溫度，保護(hù)爐排片，爐排上裝有蒸汽吹灰裝置，避免泥沙堆積在爐排上而影響燃燒，后墻水冷壁的8度傾角也是為了便于清理燃燒后的積灰以及燃料中的泥沙。為了保證煙氣可以沖刷到所有水冷壁受熱面，不出現(xiàn)死角，使整個(gè)爐膛受熱均勻、不出現(xiàn)結(jié)渣、管壁不超溫，在爐膛前墻中部位置將水冷壁以一定角度向爐膛中心傾斜從而形成前拱，后墻上部將部分水冷壁管向爐前延伸形成折焰角。

3　甘蔗渣鍋爐配風(fēng)分析

根據(jù)熱力計(jì)算，鍋爐計(jì)算燃料消耗量為49.3t/h，所以在前墻布置了6臺(tái)喂料能力在0～15t/h的蔗渣喂料器，保證了1臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另外5臺(tái)可以滿足鍋爐100%負(fù)荷運(yùn)行。爐膛前后墻水冷壁各布置兩層二次風(fēng)，前墻布置在距爐排最低點(diǎn)約3.3米和8.3米處，后墻布置在距爐排最低點(diǎn)約1.5米和6.6米處，一次風(fēng)通過爐排下方的10個(gè)風(fēng)室經(jīng)爐排片上的開孔進(jìn)入爐膛，根據(jù)一次風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)壓，爐排的開孔率選為3%。甘蔗渣經(jīng)喂料器配以播料風(fēng)送入爐膛，由于一、二次風(fēng)的作用，被高溫?zé)煔饧訜?，不斷析出水分，干燥后的大部分燃料開始燃燒，部分未燃盡的較大顆粒落到爐排上后繼續(xù)燃燒，因?yàn)槎物L(fēng)采用了兩層供風(fēng)的布置形式，而且前后墻二次風(fēng)噴口錯(cuò)開一定的高度，二次風(fēng)與燃料可以得到充分的混合，加強(qiáng)了爐內(nèi)燃燒，降低了不完全燃燒，同時(shí)，因?yàn)槎物L(fēng)和燃料混合充分，在保證穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，可以最大限度的降低鍋爐煙氣的氧量，減少了氮氧化物的生成。

爐膛出口的折焰角將后墻水冷壁管拉稀，一部分直接向上引入鍋筒，一部分向爐前延伸后向上進(jìn)入鍋筒，將水冷壁管作為捕渣管，可以有效的防止?fàn)t膛出口結(jié)渣，同時(shí)形成了水平煙道用于布置過熱器，這樣緊湊的結(jié)構(gòu)極大的節(jié)約了空間，減少了成本。

爐膛是甘蔗渣鍋爐設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)部分，根據(jù)燃料的特點(diǎn)，結(jié)合以往鍋爐的運(yùn)行情況，必須經(jīng)過認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算來確定爐膛的截面尺寸、容積，選取合理的結(jié)構(gòu)和布置形式。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.051