旋轉(zhuǎn)移動爐排在甘蔗糖廠蔗渣鍋爐中的應(yīng)用與分析

胡建諒

(中國成套設(shè)備進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，北京100011)

0 前言

中國的甘蔗制糖工廠單體規(guī)模較小，原料的收割以人工砍蔗為主，去葉去梢，含土含雜量較少，潔凈的甘蔗經(jīng)人工裝車再運(yùn)至糖廠進(jìn)行生產(chǎn)加工，因此，甘蔗壓榨后的蔗渣含泥沙量很少，這種燃料比較適合采用固定式爐排的蔗渣鍋爐。近些年隨著甘蔗糖廠向大型化發(fā)展，鍋爐的產(chǎn)能和壓力等級也在不斷加大，雖然很多糖廠對蔗渣鍋爐進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，獲得了一定成效[1-2]，但固定式爐排結(jié)構(gòu)上的缺陷已開始顯現(xiàn)，尤其是應(yīng)對機(jī)械化收割含泥沙量大的甘蔗原料時，固定爐排極易產(chǎn)生底灰混合泥沙堆積在鍋爐底部，依賴人力排灰難以做到持續(xù)不斷、循環(huán)往復(fù)地排灰，鍋爐的燃燒效率低下，并時常出現(xiàn)風(fēng)孔通道被泥沙堵住，以致鍋爐被迫頻繁停機(jī)。對此，業(yè)界開始研究非固定式爐排的應(yīng)用[3]，而其中旋轉(zhuǎn)移動爐排由于其自身獨(dú)有的循環(huán)移動排灰特點(diǎn)，巧妙地避免了堆積、堵塞等問題，有利于糖廠的連續(xù)生產(chǎn)。本文以國外多個糖廠的建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，分析和總結(jié)旋轉(zhuǎn)移動爐排相比固定爐排的優(yōu)勢，提出旋轉(zhuǎn)移動爐排更適合大型化現(xiàn)代化甘蔗糖廠的蔗渣鍋爐。

1 埃塞俄比亞甘蔗原料特點(diǎn)所帶來的鍋爐爐排問題

近幾年，非洲國家尤其是埃塞俄比亞新建了多個大型現(xiàn)代化甘蔗糖廠，日處理甘蔗量普遍在6000～24000 t區(qū)間。由于糖廠規(guī)模大，而當(dāng)?shù)厝肆Y源有限，難以組織大規(guī)模的勞動力進(jìn)行甘蔗的人工砍收和除雜清理。因此，火燒蔗、抓斗裝車及機(jī)械收割就成為解決現(xiàn)實(shí)難題的途徑，具體操作及情況如下[4]：

(1)原料準(zhǔn)備：砍蔗的前一天需要火燒甘蔗，燒掉茂密的蔗葉，以提高人工砍收速度，人均甘蔗砍收量可達(dá)到4～6 t/d；

(2)原料裝車：田間收蔗采用了機(jī)械抓蔗機(jī)，抓斗在推抓甘蔗時會連帶將一些泥沙、蔗頭蔗梢等一起裝進(jìn)車箱；

(3)原料運(yùn)輸：甘蔗運(yùn)輸采用了投資相對節(jié)省的拖拉機(jī)拖掛方式，一臺拖拉機(jī)頭可以拖掛2～4節(jié)車箱；

(4)原料雜質(zhì)分析：埃塞俄比亞東部地區(qū)多為沙質(zhì)土，西南地區(qū)多為膨脹黑土。這些沙石泥土被夾帶裝入車箱中，其量約占甘蔗總量的8%～14%，運(yùn)輸過程中車箱抖動通過格柵間隙散落其中的20%～40%，進(jìn)廠甘蔗中仍存有約6.4%～8.4%的泥沙量。

根據(jù)上述操作，因人力資源短缺出現(xiàn)的砍、運(yùn)、收問題雖然得到了解決，但卻帶來了新的問題：甘蔗原料中夾帶了大量灰塵、沙石等雜質(zhì)，導(dǎo)致鍋爐燃燒時灰渣泥沙含量特別多，爐排風(fēng)孔易堵塞；有膨脹土帶入時，需高壓蒸汽吹掃，但又造成了爐壁粘塵多、省煤器管容易堵塞，鍋爐熱效率下降較快。通常情況下，鍋爐在連續(xù)工作 2～3周后必須停機(jī)15～20個小時清理爐灰和泥沙，嚴(yán)重影響了甘蔗糖廠的經(jīng)濟(jì)效益（詳見表1）。究其主要原因在于甘蔗泥沙含量較大的情況下，如果蔗渣鍋爐選用固定式爐排，人工清灰和蒸汽吹灰是難以在連續(xù)生產(chǎn)的情況下保證泥沙不堵住爐排風(fēng)孔。

表1 2012/13年榨季采用固定爐排形式的甘蔗糖廠堵塞停機(jī)時間統(tǒng)計表

2 旋轉(zhuǎn)移動爐排的技術(shù)研發(fā)背景和設(shè)計方案改進(jìn)

結(jié)合實(shí)際調(diào)研和糖廠的強(qiáng)烈訴求，設(shè)計適應(yīng)甘蔗機(jī)械化收割的鍋爐爐排成為新建糖廠項(xiàng)目必須攻克的技術(shù)難題。在經(jīng)過大量的國內(nèi)外技術(shù)調(diào)研和項(xiàng)目實(shí)地考察，技術(shù)成熟、可靠的層燃燃煤鍋爐爐排成為設(shè)計的重點(diǎn)參考對象。由于燃煤鍋爐生產(chǎn)時爐渣較多較大，為了處理好通風(fēng)助燃，燃煤鍋爐的爐排間隙設(shè)計較大，而蔗渣燃燒很少存在爐渣情況。因此，在前期設(shè)計甘蔗蔗渣鍋爐爐排時，將鍋爐爐排的鏈條間隙在考慮熱膨脹的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)縮小，爐排片設(shè)計寬度確定為23 mm，間隙2 mm，采用鑄鐵材質(zhì)。而實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)原料夾雜的泥沙與蔗渣堆場回送的蔗渣混雜大量的石子，在生產(chǎn)中不時砸壞爐排片，而且經(jīng)常出現(xiàn)爐灰、泥沙混合石子后瞬時堆積量過大，影響鍋爐通風(fēng)燃燒，在排灰過程中經(jīng)常損毀擋渣板，堵塞落灰斗，并且間接導(dǎo)致爐排面被擋渣板鏟起，頻繁引起停機(jī)事故。所以在后續(xù)兩個新建糖廠項(xiàng)目加大了鍋爐爐排強(qiáng)度設(shè)計，爐排片采用耐高溫合金鋼，寬度經(jīng)過重新設(shè)計計算調(diào)整為50 mm，加大了爐排間隙，同時在爐排片面板開了4個通風(fēng)孔，解決了爐底風(fēng)的吹風(fēng)問題，經(jīng)過2年生產(chǎn)實(shí)踐，安全率較高，整體效果較好。在其設(shè)計要點(diǎn)包括：爐排的面積及爐底通風(fēng)量以鍋爐負(fù)荷為依據(jù)進(jìn)行計算與設(shè)計；爐排片選用耐高溫高強(qiáng)度合金材質(zhì)并加厚加寬，增加吹風(fēng)孔數(shù)量以保證通風(fēng)效果；堅持以燃料蔗渣懸浮燃燒為基本設(shè)計原則。

3 爐排在埃塞俄比亞的應(yīng)用特點(diǎn)分析與綜合經(jīng)濟(jì)效益比較

3.1 固定爐排的應(yīng)用特點(diǎn)分析

圖1 固定爐排結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

表1中的埃塞俄比亞WS糖廠、MT糖廠、FC糖廠均采用固定式爐排，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在鍋爐燃燒室底部以眾多篩板拼接成一個整體的托渣板，傾斜安裝在底部的鑄鐵工型托架上，板上開有長條形或圓形的爐排孔，孔的直徑大約10 mm以下，形狀為上小下大呈錐形，板是固定的不可移動，其主要作用是托住燃料進(jìn)行燃燒，燃燒后的灰渣通過爐排孔落到積灰斗。爐排上的孔，既有通風(fēng)助燃作用，也有排灰作用。爐排面上安裝有蒸汽管吹灰器，用以對爐排上的積灰、結(jié)焦進(jìn)行吹掃。當(dāng)爐排面上結(jié)焦及積灰嚴(yán)重時，還需人工定期打開爐側(cè)人孔，用耙子進(jìn)行人工清除。固定爐排的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。

固定爐排的優(yōu)點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)簡單、投資少，但其缺點(diǎn)也很明顯：入榨原料甘蔗要求潔凈或無明顯的泥沙含量，一旦原料甘蔗帶入泥沙較多，被泥沙裹雜的蔗渣容易在爐排面上燃燒造成結(jié)塊結(jié)焦、篦子孔堵堵塞，影響燃燒，必須由人工定期進(jìn)行蒸汽吹掃和人工清理積灰，勞動強(qiáng)度大并安全隱患高，尤其是在大型機(jī)械化收、運(yùn)甘蔗的糖廠，特別是在埃塞俄比亞原有的甘蔗糖廠中，這些缺陷愈加突出。對此，本項(xiàng)目對旋轉(zhuǎn)移動爐排在當(dāng)?shù)靥菑S的適用性展開了研究。

3.2 旋轉(zhuǎn)移動爐排的應(yīng)用特點(diǎn)分析

3.2.1 旋轉(zhuǎn)移動爐排的工作原理

自2012年起，埃塞俄比亞新建的所有糖廠均采用了旋轉(zhuǎn)移動爐排，其工作原理是在鍋爐燃燒室底部設(shè)計了一個旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)爐排鏈條。爐排是由許多爐排條用傳銷連接組成的移動床爐排，鏈條之間設(shè)計了一定縫隙的間隔。爐床在動力驅(qū)動下從前到后進(jìn)行循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，爐床上燃燒后的殘渣被運(yùn)動的爐床送往后部下落到積灰斗。上下爐排中間形成隔斷的風(fēng)室，外部鼓風(fēng)進(jìn)入各風(fēng)室通過上面爐排的鏈條縫隙對爐膛內(nèi)部送入風(fēng)量，保證鍋爐內(nèi)的正常燃燒。

在鍋爐旋轉(zhuǎn)移動爐排運(yùn)行過程中，根據(jù)爐排面上的燃燒情況，以不出現(xiàn)燃料堆積現(xiàn)象和出渣段完全燃燒為準(zhǔn)，操作上通過變頻調(diào)速器控制驅(qū)動減速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通常的輸出轉(zhuǎn)速范圍為 0.0206～0.206 r/min。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)移動爐排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鍋爐旋轉(zhuǎn)移動爐排一般有5大類：橫梁式鏈條爐排、大鱗片式鏈條爐排、小鱗片式鏈條爐排、鏈帶式鏈條爐排(包括輕型鏈帶式、活芯式和大塊式)。目前新建糖廠項(xiàng)目上采用橫梁式旋轉(zhuǎn)移動爐排，該類型的爐排主要由7個主要部件組成（圖2），此外系統(tǒng)中還包括了爐排驅(qū)動減速電機(jī)及調(diào)速器，爐排轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)輔助潤滑系統(tǒng)等。

圖2 橫梁式旋轉(zhuǎn)移動爐排結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

選擇合適的爐排片是鍋爐安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，而橫梁式鏈條爐排是一種相對機(jī)械化的、結(jié)構(gòu)精巧、技術(shù)先進(jìn)的層燃結(jié)構(gòu)，廣泛用于大型層燃鍋爐中，適合以甘蔗渣、木柴、稻殼為燃料的燃燒設(shè)備。其技術(shù)特點(diǎn)包括：

(1)爐排片寬度為50 mm，每塊爐排片面上開有4個長形孔10 mm×6 mm，爐排片兩側(cè)邊緣有5個長形半邊孔10 mm×3 mm，錐形孔上小下大防止堵塞，爐排片開孔通風(fēng)透氣率約為5%。爐排片的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示：

圖3 爐排片側(cè)視圖

圖4 爐排片俯視圖

(2)爐排結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、剛性好，因此可以較傳統(tǒng)鱗片式爐排做得更寬。

(3)爐排鏈條在導(dǎo)軌上運(yùn)動基本不承受過高的層燃傳熱，而只擔(dān)負(fù)使?fàn)t排運(yùn)動的拉力；而由耐熱材料制成的爐排片穿連在橫梁上，擔(dān)負(fù)支撐燃料燃燒的功能，但不受拉力，從而發(fā)揮了鑄鐵的特長，使?fàn)t排使用壽命增長。

(4)爐排的主、從動軸都裝有鏈輪與鏈條嚙合，有效防止了爐排跑偏。

(5)鏈條以繃緊狀態(tài)行進(jìn)，不易爬高、不易起拱，噪音較小。

(6)各風(fēng)室的風(fēng)量可獨(dú)立調(diào)節(jié)，方便準(zhǔn)確。

(7)爐排面平整，爐排片彼此重疊，排列緊密，既不易漏料，也不會出現(xiàn)爐排片脫落。而且由于爐排片是穿連在橫梁上的，更換爐排片時不用停爐，在爐排后部就可快速進(jìn)行更換。

(8)爐排片尺寸和間隔均勻準(zhǔn)確，故整個爐排面布風(fēng)非常均勻，大大改善了爐膛內(nèi)的燃燒情況。

整體而言，旋轉(zhuǎn)移動爐排結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初期設(shè)備投資高，但后期故障少，運(yùn)營成本低，運(yùn)行過程對燃料含雜量要求低，可以實(shí)現(xiàn)DCS自動機(jī)械除灰，勞動強(qiáng)度小。非常適合燃料泥沙含量大、高溫高壓的蔗渣鍋爐。

3.3 旋轉(zhuǎn)移動爐排與固定爐排的綜合經(jīng)濟(jì)效益比較

通過比較分析使用固定爐排與旋轉(zhuǎn)爐排的埃塞俄比亞糖廠 2015～2019年匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表2)，結(jié)果顯示，固定爐排一次性設(shè)備投入成本低，但運(yùn)營費(fèi)用及因堵塞造成的損失費(fèi)用高。而旋轉(zhuǎn)移動爐排一次性設(shè)備投入成本高，但運(yùn)營費(fèi)用及因爐排故障造成的停機(jī)損失費(fèi)用低。以2015～2019年發(fā)生的總成本及總損失為例進(jìn)行比較，4年中固定爐排發(fā)生費(fèi)用及損失總數(shù)271.24萬元人民幣，移動爐排發(fā)生費(fèi)用及損失總數(shù) 262.7萬元人民幣。在此基礎(chǔ)上，忽略其他因素影響，簡單預(yù)計10年的使用成本，固定爐排為591.1萬元，旋轉(zhuǎn)移動爐排為335.75萬元。顯然，對比結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)移動爐排的綜合經(jīng)濟(jì)效益高于固定爐排。

表2 2015～2019年使用固定爐排與旋轉(zhuǎn)爐排的總成本比較分析表

4 結(jié)論

根據(jù)對比分析結(jié)果，綜合多年的海外制糖生產(chǎn)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，本研究發(fā)現(xiàn)，對于那些采用大型化、自動化、高參數(shù)鍋爐同時配以機(jī)械化收割甘蔗的糖廠，采用旋轉(zhuǎn)移動爐排替代固定爐排，其技術(shù)上更為可靠、生產(chǎn)安全率更高、綜合經(jīng)濟(jì)效益更好。該爐排結(jié)構(gòu)是適應(yīng)非洲目前采用火燒蔗配以機(jī)械抓斗裝車的甘蔗收獲方式的技術(shù)改造，今后國內(nèi)發(fā)展機(jī)械化收割是大趨勢，可參考選擇更符合市場發(fā)展趨勢的旋轉(zhuǎn)移動爐排。

旋轉(zhuǎn)移動爐排的應(yīng)用是國內(nèi)甘蔗制糖在鍋爐設(shè)計上的一次創(chuàng)新實(shí)踐，又經(jīng)過在非洲糖廠應(yīng)用過程中得以不斷改進(jìn)和完善，具有較大的應(yīng)用潛力。本研究對旋轉(zhuǎn)爐排的應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，以期對國內(nèi)糖廠在相關(guān)的工藝裝備研究和糖廠改進(jìn)決策方面有所啟發(fā)。