分行(垄沟)型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置技术.doc

高效节能减排“分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置” 技术改造在工业锅炉上的应用论述摘要：链条工业锅炉属平面层燃方式，煤层为单面引燃，燃烧过程中煤间无扰动，风与煤混合差，所以燃烧效率低下，对煤质要求高。根据层燃属扩散燃烧区的理论，欲提高煤炭的完全燃烧程度，就要加强燃煤与空气的混合，提高气体的扩散速度。分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术，突破了链条炉燃煤表面必须是平的常规框框，实现多面引燃，多层面燃烧，煤层间自动、有序“拨火”絮煤，动态燃程，达到低过氧系数燃烧和薄煤层均燃、节煤、节电，提高锅炉燃煤的热效率、提高锅炉生产能力和环保的目的。锅炉排污水是高温高压的碱性饱和水，一般都是直接排放，这样不仅浪费能源资源，还会污染环境。本系统回收利用锅炉排污水，排污水通过连续排污扩容器，会发生部分汽化，汽化后的水蒸汽以类似于四角切圆的方式喷入炉膛，有效地组织烟气动力场，可以延长烟气在炉内的停留时间，提高燃尽率，降低排烟黑度，减少化学不完全燃烧热损失；而未汽化的锅炉排污水从炉排上方喷入炽热的煤层，并根据炉排上方煤层的燃烧情况，控制各个燃烧区段的喷水量，水会与碳发生一系列的反应，可以减少机械不完全燃烧热损失，提高锅炉热效率，并且碱性的排污水会与SO2发生反应，减少了烟气中SO2的排放量。有效减少SO2和排污水对环境的污染，实现了节能减排的双重效果，分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置与闸门、分层、分层分行给煤装置相比，并在其它相似条件下，改用分行给煤装置其节能率10以上。一、前言分层燃烧技术自1993年开始应用于正转链条锅炉，近20余年的发展历程，已由当初最原始的“单辊式分层给煤机”发展到今天的“双辊、三辊、四辊、五辊式分层、分行给煤装置”。分层燃烧技术是一项新型的先进节能燃烧技术,利用该技术设计的锅炉分层燃烧装备，能够有效地解决小型锅炉燃烧效率低的问题。利用分层燃烧装置对链条锅炉的给煤方式进行改造，经改造后燃煤的燃烧得以强化，锅炉的热效率得到了提高，锅炉灰渣含碳量降低，取得较好的节能效果。但是，在实际应用中无论分层给煤装置、还是分层分行给煤装置，还是单辊、多辊都始终存在一个难以解决的，让专家头痛的问题，就是燃煤表面的“盖被”难题。后来，在我公司顾问刘妙华工程师的努力下，在分层给煤装置基础上发展改造成分层分行给布煤装置，较好的解决了“盖被”现象，但是经过长期的实验发现，还是不能解决所有煤种的“盖被”问题，也由于是多辊结构，在设备运行中存在卡辊、粘连分煤筛等多种弊端。在刘妙华工程师的带领下，我们成立了攻关小组，历经3年艰苦的努力，大量燃煤种类的实验，成功研发出利用分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置技术，由水蒸汽促燃原理可知，炉膛内的水蒸汽与煤接触后，会发生一系列促燃反应，从而提高锅炉热效率，降低排烟黑度，从工业锅炉分汽包引出水蒸汽，利用减压阀与调节阀控制蒸汽流量，然后把蒸汽分为三路，分别从二、三、四风室内喷入，蒸汽随着一次风经过炉排进入炉膛内发生反应，各风室内喷入的蒸汽流量可利用阀门调节。终于彻底解决了燃煤的“盖被”难题。膜汽促燃技术中的水蒸汽与灼热煤层接触反应后，将会建立起促进煤燃烧的物理模型。(1) 破坏煤粒表面硬壳的物理模型水蒸汽随空气一起与煤层接触，这种含少量水蒸汽的空气比干空气导热快，使能接触到这部分湿冷空气的煤粒局部表面温度降得更低，从而造成表面冷热温差加大，易产生表面灰层裂纹或使灰层剥落。而且，在水蒸汽与灼热煤层反应产生水煤气时，水煤气中氢与空气中氧接触，会发生燃爆反应，这一燃爆反应也会使煤粒表面灰层出现裂纹或剥落。因此，使粒焦内核裸露，与氧气和水蒸汽得到有效混合，有利于燃烧过程高效迅速进行，从而使煤充分燃烧，减少了固体不完全燃烧热损失。(2) 炉膛空间悬浮促燃的物理模型进入炉膛空间的水蒸汽，可改变各悬浮单元在炉膛内的气体动力场，一方面使其与炉内气体充分搅拌混合，另一方面可延长其在炉内的停留时间，从而使炉膛空间内的可燃性固体与气体充分燃烧，建立起悬浮可燃物快速、充分燃烧的物理条件3-4。锅炉排污水从锅筒到达连续排污扩容器，由于扩容器内压力比锅筒内低，高温高压的饱和水会发生部分气化。气化后的水蒸汽由蒸汽喷嘴喷入炉膛空间，大约在炉排上方500mm处喷入，喷嘴在前后墙的四个角上以类似于四角切圆的方式布置，可以形成假想四角切圆。这样就可以有效组织炉内烟气流场，增强烟气流在炉膛空间中的湍动和混合，延长烟气在炉内的停留时间，达到提高燃尽率，减少化学不完全燃烧热损失，降低排烟黑度和排尘浓度的目的。连续排污扩容器中没有气化的饱和水分别从锅炉的前墙水冷壁和后墙水冷壁之间喷入炉排上方的煤层。喷嘴布置在水冷壁后方，以防止炉膛温度过高，烧毁喷嘴。排污水喷入炽热的煤层后，会发生一系列促燃反应，从而可以大幅度提高锅炉热效率，减少煤耗，节约能源，降低排烟黑度和排尘浓度，减少烟气中SO2的排放；并且回收利用了大部分锅炉排污水，减少热量浪费和对环境的污染，实现了节能与减排的双重效果。在连续排污扩容器的底部设置排污出水口，因为锅炉排污水中含有悬浮物、水渣及其它沉积物等杂质，如果直接喷射，有可能会堵塞喷嘴。排污水经过在扩容器内的沉淀，一部分含有大量杂质的污水可以通向排污管道。并于2002年12月18日申请了分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置实用新型专利，至今在此基础上合理结构优化，2008年5月又获得3项结构实用新型专利，同年10月获得2项外观设计专利。该装置/技术属国内首创发明，其技术含量及节能、使用效果始终领先于国内同行。 就目前把工业链条锅炉的闸门、分层布煤或分层分行布煤的平面燃煤方式改为分行(垄形)燃煤方式，即将煤的“静”态燃烧过程改为“动”态燃烧过程，在相似的条件下，达到节能10以上，并在80负荷下3个月左右的节煤省电中全部回收此项技改投资，性价比高。炉子越大，燃煤量越大，节煤、节电量就越大，以下为四种炉排给煤影响燃烧的示意图。 闸门给煤 分层给煤分层分行给煤分行垄形给煤混合燃烧 风阻大 不均减小风阻 不均进一步减小风阻风阻最小且均匀空气过氧系数过大空气过氧系数较大空气过氧系数减小空气过氧系数最理想煤燃烧过程无相对位移煤燃烧过程无相对位移煤燃烧过程有相对位移但较小煤燃烧过程相对位移最大风煤比混合差改善风煤比混合进一步改善风煤比混合风煤比混合最理想燃烧均然率差均然率增加且“盖被”率增大增加均然率，有“盖被”现象均然率最高，且没有“盖被”现象说明分层给煤、分层分行给煤结构弊端由于目前国内分层、分层分行给布煤装置生产企业，其产品质量及结构设计良莠不齐，导致燃烧机理与实现目的难以达到客观使用及客户要求，甚者损害设备从而再次换回使用老式传统煤斗。二、传统燃煤技术存在的主要缺陷: 火床上各处的风阻，因受煤质的影响,正转链条工业锅炉传统燃煤基础理论之一是火床上的燃煤表面越平越好，只有越平才能使火床各处的风阻的提高。这样才能达到均然的目的。工业化国家创立此理论时，锅炉容量还很小，火床面积不大，而且燃用的是较理想的煤质且是经过选煤的“细粮”。所以此理论上百年没有受到挑战，故其分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术多年来没有得到较理想的应用推广。工业锅炉存在出力、效率双底，而排放多、故障多、司炉难、维修量大等较严重的问题。三、分层给煤燃烧的进步与所带来的新问题 在上述低效率高排放压力下，激发了依据国情仍在致力于燃煤工业锅炉节能环保方面志士仁人的斗志。所以上世纪九十年代初出现了分层燃煤技术，几年内涌现出大同小异的几十个专利。将闸门斗经过刮压把原煤布置在链排上，送入燃烧室呈平面形的由上向下燃烧，改为辊筒带煤撒落，经过筛分后，将块煤布在层煤的下部而碎末煤落其上，并使煤层松散利于通风，提高燃煤效率。经过四、五年时间之后，证明只要分层煤斗的给煤和筛分结构及传动能顺利均匀下煤，总的来说比闸门斗布煤好烧，节煤节电利于环保。但同时也显露出四方面影响均匀和完全燃烧的新缺陷。1、分层布煤，煤层表面求平而不平，炉子越大越严重。同时对块煤“跑边”造成不均匀燃烧更敏感，加装摆管或配煤车，其作用不理想。2、块煤在下，其上面的粉末煤燃烧后，才能燃烧下面的煤块，违背了正常的燃烧机理，煤渣含炭量高。3、粉末煤在表层其水分、灰分等杂质相对块煤而言多。再加上粉末煤堆积密度大，煤的导热很差，仅为炉排速度的110，止火点太靠后，造成炉渣含碳量较高。要解决此问题，必须配合改造炉拱。更严重的是易出现火床表面板结(盖被)，对煤质及水分含量的要求也高。所以有些用户弃除分层筛。4、国内发明者多为多辊筒式分层、分层分行给煤装置(见下图），由于、辊筒的直径小，煤与之摩擦系数小，辊筒间隙较难定论，用后不久经常出现辊筒表面粘煤现象，间隙大时煤则会由、双辊筒间自流，、间隙小时煤则会经常导致卡辊短轴。1.煤仓5.炉排2.湿煤搅动辊（III辊）6.倾斜式煤闸板3.防漏煤板7.拨煤转辊（I辊）4.移煤转辊（II辊） 8.可变性组合式筛分器故、辊筒间隙不管大小，其结果就是落煤不均，导致布煤不匀，火口出现较多，侧密封漏风较重，炉壁结晶现象积重，炉膛温度提升较慢，燃烧效率降低，盖被现象严重；湿煤搅动辊：时间稍长后极易被煤中杂质粘连缠绕，故障增多； 防漏煤板：由于倾斜角度过大问题，煤在死角处容易挂煤粘连，日积月累导致下煤不畅，给煤不均。 四、对百余年传统给煤技术的挑战和革命性的创新为了克服此四方面缺陷，在司炉工勾火与蜂窝煤结构的启发下，借鉴振动炉排炉、往复炉、抛煤机炉和手烧炉等的优点之后，刘妙华高工放下分层技术，另辟蹊径。突破层燃炉越平越好的传统框框，并经过多次实验，实现了分层分行燃煤，并申请了专利。虽然目前国内数家企业自2007年至今始终抄袭生产并宣传推广了分层分行装置/技术，但是由于该装置的未成熟性，使得国内用户印象深刻，认为煤层起垄分行就是定论后的垄型燃烧。实则与分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术有着本质的区别。由于该专利技术受限于煤粒度组成限制，如块煤比例不佳，煤不出行等缺陷故又进行分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术的大胆创新，做到不受粒度限制，都是块或都是碎末煤均可实现垄形燃烧，根据不同煤质，可做到多方式燃烧，且可提高垄峰，增加风与燃煤的混合效率。垄形燃煤火从纵向均布的每条沟谷处块煤集中的地方燃起，火床上的着火线齐。燃至燃烧室的中前部，整个火床已平且薄，以不平(垄沟形)求平取得了理想的效果，这是一个大胆的突破和创新，在实际应用中很快就得到了广大用户的认可，真正实现了即节煤省电又降低了司炉工的劳动强度。实现了同样燃煤量而始终进行薄煤层、低过氧系数、均匀高效燃烧；先烧块煤延长块煤在火床上燃时间；同时沟谷处被点燃的块煤向周围扩展，垄的根基随着燃烧而松缩。垄峰处的粉煤被垄形所产生的涡流卷起，部分进行着沸腾燃烧。同时垄峰在激烈化学反应(燃烧)及水分蒸发和挥发分析出等张力作用下，煤向其可活动的空间沟谷处的火焰上塌落絮添（这些垄形煤燃现象和过程，均由燃煤工况照片和录像说明）。垄形燃烧不但增加火床前部燃烧面积35左右扩大辐射热的利用，并改变了单面着火及单面向下燃烧的不利状态，特别是燃烧过程燃料之间产生了较大的相对位移。破坏了板结(盖被)的形成，增加了燃料与风的混合，降低了过量空气系数，调解了炉排上部氧化还原气体成分分布曲线。这就不仅克服了分层燃烧的四大缺陷，而且改变了链条炉百余年的平面层燃、单面着火、燃煤过程无扰动，易出现火龙、黑带、火口、板结等不良状态，还降低了对燃煤质的要求。 “分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置”专利，是我公司分层、分层分行专利的第三代产品。不仅在“垄形”燃烧技术上又有创新，而在均匀给煤系统和结构上，以及在输煤系统调控“块煤”跑边方面都有新的突破。再加上“垄沟”燃煤，缓解了对“块煤”跑边不利均然的影响，以及降低风压、风量仍提前着火的特性，所以不用改炉拱和加装皮带卸煤摆管或小车，亦不必改大炉排风口或换用大风机，便可使得煤质较差、无破碎机的用户、无论煤中水分多少、粒度大小都能顺利达到均然目的，且从而取得安全可靠。此项专利技术可节煤5-25、节电30、减少排放能力提高出力5%-20、降低司炉工劳动强度及不用开炉门勾火，保持炉膛高温节约能源、节约维修费用。 这是一项专利技术已经经过数百台在各地运行实践验证，而且是在突破层层阻力和困难后发展和成熟起来的。所以我们说分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术是对闸门斗、分层斗、分层分行斗布煤，平面层燃技术的一次革命性的创新。从燃煤机理到燃煤效率及实践效果上看，它是根本区别闸门、分层、分层分行布煤及燃烧的。 五、性能描述 该专利结构经过特殊的分行装置，使炉排上煤层断面形成峰谷相间形态，由于二次分离作用坡谷中块煤较多，坡峰末煤较多，改善了通风，利于降低鼓风风压，利于引燃。“分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术”是一种用于链条锅炉理想的给煤装置，是对层燃锅炉的一次革命，是具有结构先进、性能优越、对煤种适应性广的第三代节能给煤装置。它以全新的燃烧方式，改变了链条锅炉传统闸煤板及分层给煤层燃方式。可根据不同锅炉、不同煤种及燃煤颗粒度的差异，在炉排上铺设与之相适应的布煤层次和煤形，有效提高了锅炉燃烧热效状表面，经实践证明，炉排上的燃尽的煤灰是平的，证明燃烧过程有崩塌，扰动现象。对率和出力，节能效果显著。该新型给煤装置具有升温快，灰渣含碳量低等优点。此专利技术适用于1T/H-100T/H正转链条锅炉。“目前在工业锅炉没有出现更为先进的燃烧技术之前，分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术是唯一的、最先进的燃烧技术”。-中科院院士、清华大学机械工程学院院长过增元的客观评价！已经被国内清华大学、西安交大热工研究院、南开大学等多所热力工程专业的高等院校选编为授课教材。 六、工业锅炉给煤装置的兴起 回顾工业锅炉给煤装置技术发展史，上世纪90年代兴起的分层给煤技术，解决了煤闸板式给煤，即块、末煤混合经闸煤板压实后通风阻力大等缺点。此项技术采用单辊式、双辊式及三辊式。它的布煤形式仍为自炉排往上逐次排列为：块煤、小块煤、末煤的布煤形式。在锅炉实际运行中，分层给煤单一的固定布煤形式在燃烧低热值、低挥发份煤炭时，因分层给煤布煤形式是块煤居底部，末煤在上部，底部块煤在风室低温助燃风的作用下，达不到块煤的最佳燃点温度，致使块煤不能充分燃烧，在炉排上产生一层未燃烧的块煤层，造成能源的浪费。经过十多年的普及发展，又出现了分层分行给煤技术，但因给煤装置的结构不合理性和煤种的差异性，分层给煤技术及分层分行给煤技术皆存在很多问题和不足。 我公司刘妙华高级工程带领攻关小组经过多年的生产实际，针对以上问题进行深入探讨，研制发明了“分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术”，有效地解决了底部块煤燃烧不尽的技术问题，经数十家单位投入实际运行，此装置适用煤质广，确实在燃烧低热值煤、低挥发份煤种时，燃烧效果有了明显改善。“分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术”的主要创新点1、 克服了分层给煤由于燃烧方式是层燃，上部煤层燃烧后形成灰渣覆盖层。覆盖在未充分燃烧的煤层上部，随着燃烧所积灰渣加厚，造成底部煤层辐射热及供风不足而燃烧不充分，链条锅炉层燃方式存在的问题和缺点。2、 风阻阻力最小并且非常均匀； 空气过剩系数最理想，风煤混合最理想。3、 煤燃过程相对位移最大，属于动态燃程，均然率最高且不盖被。4、 燃烧较理想，灰渣含碳量低。5、 因为风阻小，不但节煤，而且还节约风机电能。6、 利用锅炉排污水代替水蒸汽作为促燃剂水喷入炽热的煤层，会迅速气化成水蒸汽，可以疏松煤层，增加碳的反应表面积；水与灼热煤层接触后，会发生激冷和微爆反应，会使灰层出现裂纹或脱落，内部的未燃焦炭表面显露出来，大大增加了与气体反应的表面积；水气化后产生的大量水蒸汽以及水煤气反应产生的大量易燃气体，不但对炉膛中的流场有较强的扰动作用，使燃烧更充分，而且大量可燃气体进入到炉膛空间迅速燃烧，提高了炉膛温度，未燃碳黑和飞灰含碳量大大减少，不但锅炉效率得到了进一步提高，而且具有消除锅炉冒“黑烟”的显著效果；碱性的排污水还可以吸收SO2，减少了SO2的排放。7、锅炉排污水从炉排上方喷入，可以保证喷入的水全部进入炉膛与煤层接触，克服了水蒸汽在炉排下发生凝结，部分凝结水不能进入炉膛的问题。8、根据炉排上方煤层的燃烧状况，对不同燃烧阶段的喷水量进行了控制，对于燃烧旺盛的主燃区段，喷水较多，对于预热阶段和燃尽阶段，喷水较少。9、在炉膛内组织烟气动力场。水蒸汽以一定角度喷入炉膛内，形成假想四角切圆，使炉膛空间的悬浮气固两相流体在炉膛内形成旋转运动，一方面加强了炉内空气动力场的充分混合扰动；另一方面增加了烟气在炉内的停留时间，从而建立起悬浮可燃物（气态和固态的可燃物）快速、充分燃烧的物理条件，使可燃物进一步燃烧，从而可以提高可燃性气体和固体的燃尽率，减少化学不完全燃烧热损失，降低排烟黑度。 综上所述，凡正转链条锅炉经改造后，燃烧效率提高10%以上；锅炉出力提高5%以上；相比分层、 分层分行节能率提高30%以上。是对单面燃烧结焦的克星；是均匀燃烧的保障；是强化燃烧增添出力的高手；是降耗的巧匠、增效的新秀、节能的超星。 七、结束语 正转链条锅炉，沿炉膛纵向依次排列几个风室，调整各纵向风进给量，但在实际运行中，横向布风是无法得到很好的控制。横向布风的不均匀，易出现局部火口、风口，燃煤在火口处过氧风量的作用下，很容易产生翻垄起堆现象，起垄部分煤层因缺氧而燃烧不尽。导致灰渣含碳量高。怎样解决上述的技术问题，“分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术”的特殊设计有效地解决了此难题。提高了炉膛温度，确保煤层动态燃程，达到最佳燃烧效果。 实践是检验真理的标准。该技术专利一出现便被一些专家，内行否定和指责但经过多年艰难实践，此项专利不仅在目前现有的工业锅炉（10T/H-100T/H）推广使用数百台，并得到了很好经济效益和社会效益。分行（垄沟）型给布煤膜汽湿法燃烧节能装置/技术化学、物理模型备注：1.水蒸汽促燃的原理：水蒸汽促燃的化学模型：水蒸汽与灼热煤层接触后，将会与碳发生一系列反应，建立起促进煤燃烧的化学模型。(1)水煤气反应的化学模型：水蒸汽与碳会发生以下化学反应，生成水煤气CO + H2；2C + O2 2CO2 C + CO2 2CO C + H2O(气)