链条炉动态拨火特性与节能

链条炉动态拨火特性与节能研究摘要：建立了链条炉机械拨火对床层燃烧影响的动力学模型，并对链条炉机械拨火特性进行了现场试验研究测试。研究结果表明，链条炉采用动态机械拨火可有效提高燃烧效率实现节煤，这对既有工业锅炉的节能改造有实用参考价值。关键词：链条炉机械拨火节能燃煤链条锅炉是我国工业锅炉的主要型式，据统计，工业锅炉总量约为60万台[2]，其中约65%是链条炉[4]，是我国锅炉用能的一大特色。广州地区目前在用工业锅炉近5000台，作者对广东地区大量链条炉进行调查统计，发现链条炉用能效率普遍偏低，平均仅为60％～68％，与设计效率（72％～80％）有明显差别；70%的锅炉有排红渣现象；50%以上锅炉火焰颜色偏白，空气过量系数偏高；40%以上的锅炉结焦严重，由此造成的局部漏风严重；30%以上存在配风不均匀问题；50%以上锅炉排烟温度明显偏高，在200℃以上。研究链条燃煤锅炉节能对推进节能减排有重要的现实意义。国内外许多专家对链条炉的节能改造已进行了大量的研究，主要集中在：改进炉拱、分层燃烧、配风技术优化、复合燃烧技术、燃烧过程优化控制等方面，却忽视了最原始的改善燃烧的拨火技术。然而，司炉人工拨火由于受技术条件限制且缺乏理论指导依据，致使其实际效果难以稳定。本文提出用动态机械拨火对链条炉进行节能改造，并对链条炉动态拨火动力学特性进行分析，让层燃方式局部动态化，研发高性能机械拨火装置，提出对既有链条炉节能改造的有效措施。机械拨火装置技术人工拨火是锅炉运行调节的必要手段，由于技术问题，机械拨一直未能实用化。本文提出并研发的机械拨火装置如图1所示，主要由两大部分组成，即机械动力装置与拨火器，拨火器在机械动力装置的带动下，不间断自动运转，机械拨火助燃，其关键技术在拨火器。机械拨火主要拨火区域在主燃区附近，温度高达900-1500℃，拨火杆在高温度下长期运行，杆齿与煤层接触，不断摩擦，伴随着腐蚀，如何保证拨火装置在此状态下长期稳定运行是制约拨火装置实用化的一大难体，主要出现的问题如下：齿头结焦、主杆高温弯曲、腐蚀磨损、热应力爆齿、高温磨损等。图2为本文试验过程部分拨火设备受损实物照片。图1：动态机械拨火装置示意图图2：试验过程拨火器受损实物照片链条炉机械拨火对床层燃烧影响的动力学模型链条锅炉的燃烧可以分为床层燃烧和炉膛气相燃烧两部分，因此，链条锅炉燃烧模型应由两大基本模块组成，即床层燃烧模块和炉膛燃烧模块。动态拨火燃烧不同于普通层燃方式，对炉膛燃烧与床层燃烧都有影响，尤其是床层燃烧在拨火条件下动力学机理发生了变化，需要建立床层在动态拨火条件下的床层燃烧模型，研究链条炉在拨火条件下的动力学特性。2.1炉膛燃烧模型一般计算模型忽略飞灰、碳黑，认为炉膛内的燃烧为纯气相燃烧，则控制方程的通用形式可写为：其中，φ为通用变量，Γ为φ的扩散率，为源项。但机械拨火会造成气相区飞动碳粒增加，故应考虑在源项中修正。2.2拨火条件下床层燃烧模型煤燃烧的物理化学过程主要分为三个过程，即水分析出，挥发份析出与燃烧，焦碳燃烧与气化。焦炭燃烧反应速度主要受到温度、气膜阻力以及灰层扩散阻力的影响，故燃烧速率是由这三者综合决定的。（1）连续机械拨火对挥发份燃烧的影响挥发份析出后，其一部分在床层内燃烧，另外一部分在炉膛中燃烧。拨火过程对挥发份在床层内燃烧会产生影响。挥发份析出后，首先必须和氧气混合，然后再燃烧。床层中混合速率由于受到固体介质的影响，和纯气体中的混合速率有所不同，其表达式为[5]：式中：Dg为挥发份气体的扩散系数，ε为床层孔隙率。d为颗粒直径，Ug为气体表观速度，C为物质的浓度，kg/m3，Ω为反应当量系数。下标fuel和ox分别代表燃料和氧化剂。挥发份在床层内的均相燃烧速率采用Arrhenius速率与床层气体混合速率中的较小值，即：R=min（Rlam，Rmix)Rlam为层流反应速率，即根据阿累尼乌斯公式[5]求得的速率。式中：Cj为j物质浓度，ηj为浓度指数，β为温度指数；A为指前因子，E为活化能，R为通用气体常数。拨火会提高混合速率。（2）连续机械拨火对焦碳燃烧的影响动态拨火主要影响焦碳燃烧与气化过程。焦碳燃烧单个颗粒的反应速率可以表示为[1]：对于单位体积床层的焦炭燃烧速率为:式中：MO2和Mchar分别为氧气和焦炭的分子量，A为颗粒表面积，m2；α为每摩尔氧气消耗的焦炭摩尔量,与生成的CO与CO2的摩尔比有关；为动力燃烧速率，m/s，为氧化剂的气膜扩散速率，m/s，为氧化剂在灰壳内的扩散速率，m/s，TS为颗粒有效温度。（1）从上式可以看出，为动力燃烧速率主要受温度影响，拨火过程对该项影响不大；拨火过程会对氧化剂的气膜扩散速率（）和氧化剂在灰壳内的扩散速率（）产生影响。（2）对氧化剂的气膜扩散速率（）的影响：对于无拨火条件，碳粒燃烧时，由于着火沿床层表面由上向下，而空气吹动方向则是沿床层表面由下向上；采用动态拨火，由于拨火作用，碳粒在燃烧过程中会翻动，使部分碳粒着火面迎向空气吹动方向，氧气扩散速率加强。（3）对氧化剂在灰壳内的扩散速率（）的影响：由于拨火作用，碳粒在燃烧过程中会发生较大的振动，灰壳从碳核上剥离速度加快。机械拨火试验研究为了验证连续机械拨火设备的性能，作者对某化工厂6T锅炉及某印染厂15T锅炉进行实际运行试验测试，试验采用作者自行研发的机械动态拨火装置，设备安装现场照片分别见图3与图4。3.1试验装置该装置从热力优化角度出发，研发出多套管强制循环复合冷却下弯式拨火杆，实现拨火装置在高温、高腐蚀、高磨损性条件下仍能稳定运行，其关键技术主要有以下几点：主杆下弯设计，尽量避开高温区；多套管冷却，整体循环；利用CFD技术，进行水力平衡及冷却优化，设计采用同程双循环结构；细齿双承点措施，一方面降低了安装难度，另一方面使冷却负荷下降了50%；齿头采用复合结构，解决热应力爆管问题。图3：6T锅炉试验现场图4：15T锅炉试验现场3.2测试方法根据锅炉房现场条件，对6T锅炉的测试方法是：记录用煤量及蒸汽产量，分别测试采用机械拨火设备与不采用机械拨火设备的锅炉燃烧效率，对比计算节煤率。由于煤种对燃烧性能有影响，所以对所用的3种煤分别进行了测试，每次测试周期为12小时。对于15T锅炉，由于现场采用煤种比较单一，采用月产能耗的测试方法进行累计测试，选择产能相近的月份进行锅炉能耗比较。在试验测试过程中，鼓风机与引风机均采用了变频调速技术。3.3测试结果（1）6T锅炉实验结果：第1种煤：采用连续动态机械拨火节煤：10.3%第2种煤：采用连续动态机械拨火节煤：11.7%第3种煤：采用连续动态机械拨火节煤：8.6%（2）15T锅炉测试结果：平均节煤率4.3%3.4测试结果分析(1)6T锅炉测试结果分析所测6T锅炉满负荷运行，日平均用煤量24T，采用节煤器时的空气余量系数比不采用节煤器的空气余量系数小，采用节煤器后送风量与引风量均调节到原风量的75%左右。6T锅炉第1次测试煤种与第2次相近，是几种煤的混合煤，含硫量较高，煤结焦性比较强，锅炉在不采用拨火状态时，排红渣现象严重。第3次测试的煤种含硫量低，煤质较好，虽有些排红渣现象，但不严重。在该锅炉测试中，第2次测试节煤率最高，第3次节煤率最低。第3次节煤率低是因为燃烧煤种比较好，在不采用拨火状态下，燃烧效率也不低，在采用拨火状态后，燃烧效率有提高，但提高幅度小于前两次。第2次测试节煤率高于第1次，是因为在第2次测试过程中，风机变频调速使风量比第1次更小，从而使空气过量系数更合理。（2）15T锅炉测试结果分析该锅炉负荷率低于50%，月用煤量700T。在没有采用拨火状态下锅炉本体效率较高，采用拨火状态后锅炉效率的提高不及6T锅炉的显著。在测试过程中锅炉的鼓风量与引风量变化率小于10%。结论4.1动态机械拨火对锅炉燃烧过程动力学性能有很大的影响。4.2采用连续动态机械拨火可提高锅炉燃烧效率，实现节煤，这对既有锅炉节能改造有参考意义。4.3不同煤种、不同工况，采用连续动态机械拨火对锅炉燃烧效率的提高幅度不同：（1）煤种越差，连续动态机械拨火对锅炉燃烧效率提高越明显；（2）煤层越厚，负荷率越高，连续动态机械拨火对锅炉燃烧效率提高越明显；（3）锅炉实际燃烧效率越低，连续动态机械拨火对锅炉燃烧效率提高越明显；（4）结焦性太强的煤种，使用连续动态机械拨火会造成局部漏风。4.4采用连续动态机械拨火对节煤率的贡献不仅体现在燃烧效率的提高，还体现在可以有效降低空气过量系数，减小排烟热损失。4.5采用连续动态机械拨火对锅炉进行节能改造时，鼓风机和引风机应设变频调速控制。参考文献[1]季俊杰.燃煤链条锅炉燃烧的数值建模及配风与炉拱的优化设计.上海交通大学博士论文.2008.[2]李振钢.层燃锅炉燃烧恶化与严重漏风原因分析探讨.2004中美工业锅炉先进技术研讨会.2004.北京.[3]安晶,李振华,工业锅炉的烟气脱硫技术,节能技术,2003,21(4):35-37.[4]Zhufeng,Y.,X.Yunhan,L.Xin,etal.,ChinaNationalEnergyStrategyandPolicyStudy,Sub-project11:PolicystudyondevelopmentandutilizationofCCT,2005.