288鏈條爐動態(tài)撥火特性及節(jié)能性研究

1、鏈條爐動態(tài)撥火特性與節(jié)能研究湖南大學(xué)：白貴平龔光彩；廣州大學(xué)：冀兆良摘 要：建立了鏈條爐機(jī)械撥火對床層燃燒影響的動力學(xué)模型，并對鏈條爐機(jī)械撥火特性 進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究測試。研究結(jié)果表明，鏈條爐采用動態(tài)機(jī)械撥火可有效提高 燃燒效率實(shí)現(xiàn)節(jié)煤，這對既有工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造有實(shí)用參考價值。關(guān)鍵詞：鏈條爐機(jī)械撥火節(jié)能燃煤鏈條鍋爐是我國工業(yè)鍋爐的主要型式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)鍋爐總量約為60萬臺， 其屮約65%是鏈條爐，是我國鍋爐用能的一大特色。廣州地區(qū)冃前在用丄業(yè)鍋爐近5000 臺，作者對廣東地區(qū)大雖鏈條爐進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鏈條爐用能效率普遍偏低，平均僅為 60%68%,與設(shè)計(jì)效率（72%80%）有明顯差別;70

2、%的鍋爐有排紅渣現(xiàn)象;50%以上 鍋爐火焰顏色偏白，空氣過最系數(shù)偏高；40%以上的鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重，由此造成的局部漏風(fēng) 嚴(yán)垂；30%以上存在配風(fēng)不均勻問題；50%以上鍋爐排煙溫度明顯偏高，在200°c以上。研 究鏈條燃煤鍋爐節(jié)能對推進(jìn)節(jié)能減排有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外許多專家對鏈條爐的節(jié)能 改造己進(jìn)行了大量的研究，主要集中在：改進(jìn)爐拱、分層燃燒、配風(fēng)技術(shù)優(yōu)化、復(fù)合燃燒 技術(shù)、燃燒過程優(yōu)化控制等方面，卻忽視了最原始的改善燃燒的撥火技術(shù)。然而，司爐人 工撥火由于受技術(shù)條件限制且缺乏理論指導(dǎo)依據(jù)，致使其實(shí)際效果難以穩(wěn)定。本文提出用 動態(tài)機(jī)械撥火對鏈條爐進(jìn)行節(jié)能改造，并對鏈條爐動態(tài)撥火動力學(xué)特性進(jìn)

3、行分析，訃層燃 方式局部動態(tài)化，研發(fā)高性能機(jī)械撥火裝置，提出對既有鏈條爐節(jié)能改造的有效措就。1. 機(jī)械撥火裝置技術(shù)人工撥火是鍋爐運(yùn)行調(diào)節(jié)的必要手段，由于技術(shù)問題，機(jī)械撥一氏未能實(shí)用化。本文 提出并研發(fā)的機(jī)械撥火裝置如圖1所示，主要由兩大部分組成，即機(jī)械動力裝置與撥火器, 撥火器在機(jī)械動力裝置的帶動卜"，不間斷口動運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械撥火助燃，其關(guān)鍵技術(shù)在撥火器。 機(jī)械撥火主要撥火區(qū)域在主燃區(qū)附近，溫度高達(dá)900-1500c,撥火桿在高溫度下長期運(yùn) 行，桿齒與煤層接觸,不斷摩擦,伴隨著腐蝕，如何保證撥火裝迸在此狀態(tài)下長期穩(wěn)定運(yùn) 行是制約撥火裝置實(shí)用化的一次難體，主要出現(xiàn)的問題如下：齒頭結(jié)焦、主桿

4、高溫彎1111、 腐蝕磨損、熱應(yīng)力爆齒、高溫磨損等。圖2為木文試驗(yàn)過程部分撥火設(shè)備受損實(shí)物照片。圖1：動態(tài)機(jī)械撥火裝置示意圖圖2：試驗(yàn)過程撥火器受損實(shí)物照片2鏈條爐機(jī)械撥火對床層燃燒影響的動力學(xué)模型鏈條鍋爐的燃燒可以分為床層燃燒和爐膛氣相燃燒兩部分，因此，鏈條鍋爐燃燒模 型應(yīng)由兩大基木模塊組成，即床層燃燒模塊和爐腔燃燒模塊。動態(tài)撥火燃燒不同于普通層燃方式，對爐膛燃燒與床層燃燒都有影響，尤其是床層燃燒在撥火條件下動力學(xué)機(jī)理發(fā)牛: 了變化，需要建立床層在動態(tài)撥火條件卞的床層燃燒模型，研究鏈條爐在撥火條件下的動 力學(xué)特性。2.1爐膛燃燒模型一般計(jì)算模型忽略飛灰、碳黑，認(rèn)為爐膛內(nèi)的燃燒為純氣相燃燒，則

5、控制方程的通 用形式可寫為：其中，4）為通用變量，為4）的擴(kuò)散率，為源項(xiàng)。但機(jī)械撥火會造成氣相區(qū)0動碳粒增加，故應(yīng)考慮在源項(xiàng)中修正。方程0rs.連續(xù)10動最“ + za和 a心）ut丁dxi dxj能量cptpa+ nrq + s說組分耳pdsc,r,湍動能kg- pe湍動能耗散率ecfi-c2ps)式中：為揮發(fā)份氣體的擴(kuò)散系數(shù)，£為床層孔隙率。d為顆粒直徑，ug為氣體表觀 速度，q為物質(zhì)的濃度，kg/m2撥火條件下床層燃燒模型煤燃燒的物理化學(xué)過程主要分為三個過程，即水分析出，揮發(fā)份析出與燃燒，焦碳 燃燒與氣化。焦炭燃燒反應(yīng)速度主要受到溫度、氣膜阻力以及灰層擴(kuò)散阻力的影響，故燃 燒速

6、率是由這三者綜合決定的。（1）連續(xù)機(jī)械撥火對揮發(fā)份燃燒的影響 揮發(fā)份析出后，其一部分在床層內(nèi)燃燒，另外一部分在爐腔中燃燒。撥火過程對揮 發(fā)份在床層內(nèi)燃燒會產(chǎn)生影響。揮發(fā)份析出后，首先必須和氧氣混合，然后再燃燒。床層 中混合速率山于受到i古i體介質(zhì)的影響，和純氣體中的混合速率有所不同，其表達(dá)式為叫, q為反應(yīng)當(dāng)量系數(shù)。下標(biāo)fuel和ox分別代表燃料和氧化 劑。揮發(fā)份在床層內(nèi)的均和燃燒速率采用arrhenius速率與床層氣體混合速率中的較小值, 即：斤曲為層流反應(yīng)速率，即根據(jù)阿累尼烏斯公式求得的速率。k = atgp exp式中：g為j物質(zhì)濃度，j為濃度指數(shù)，b為溫度指數(shù)；a為指前因子，e為活化能

7、，r 為通用氣體常數(shù)。撥火會提高混合速率。（2）連續(xù)機(jī)械撥火對焦碳燃燒的影響動態(tài)撥火主要影響焦碳燃燒與氣化過程。焦碳燃燒單個顆粒的反應(yīng)速率可以表示為巴&.02對于單位體積床層的焦炭燃燒速率為:式屮：m（n和分別為氧氣和焦炭的分子最，a為顆粒表面積，nf；（i為每摩爾氧氣消耗的焦炭摩爾量，與生成的co與co2的摩爾比有關(guān)；“為動力燃燒速率，m/s,為氧化劑的氣膜擴(kuò)散速率，m/s, “九為氧化劑在灰殼內(nèi)的擴(kuò)散速率，m/s, ts為顆粒 有效溫度。（1）從上式可以看出，"為動力燃燒速率主要受溫度影響，撥火過程對該項(xiàng)影響不大；撥火過程會對氧化劑的氣膜擴(kuò)散速率（*：）和氧化劑在灰殼內(nèi)的

8、擴(kuò)散速率（產(chǎn)生影響。（2）對氧化劑的氣膜擴(kuò)散速率（© ）的影響：對于無撥火條件，碳粒燃燒時，由于 著火沿床層表而山上向下，而空氣吹動方向則是沿床層表而山下向上；采用動態(tài)撥火，iii 于撥火作用，碳粒在燃燒過程中會翻動，使部分碳粒著火而迎向空氣吹動方向，氧氣擴(kuò)散 速率加強(qiáng)。（3）對氧化劑在灰殼內(nèi)的擴(kuò)散速率（'九）的彩響：由于撥火作用，碳粒在燃燒過程中會發(fā)生較大的振動，灰殼從碳核上剝離速度加快。3. 機(jī)械撥火試驗(yàn)研究為了驗(yàn)證連續(xù)機(jī)械撥火設(shè)備的性能，作者對某化工廠6t鍋爐及某卬染廠15t鍋爐進(jìn) 行實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)測試，試驗(yàn)采用作者自行研發(fā)的機(jī)械動態(tài)撥火裝置，設(shè)備女裝現(xiàn)場照片分 別見圖3

9、與圖4。3. 1試驗(yàn)裝置該裝置從熱力優(yōu)化角度出發(fā)，研發(fā)出多套管強(qiáng)制循環(huán)復(fù)合冷卻下彎式撥火桿，實(shí)現(xiàn)撥 火裝置在鬲溫、高腐蝕、高懶損性條件下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)： 主桿下彎設(shè)計(jì)，盡量避開高溫區(qū)； 多套管冷卻，整體循環(huán)； 利用cfd技術(shù)，進(jìn)行水力平衡及冷卻優(yōu)化，設(shè)計(jì)采用同程雙循環(huán)結(jié)構(gòu)； 細(xì)齒雙承點(diǎn)措施，一方面降低了安裝難度，另一方面使冷卻負(fù)荷卜降了 50%； 齒頭采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，解決熱應(yīng)力爆管問題。圖3： 6t鍋爐試驗(yàn)現(xiàn)場圖4： 15t鍋爐試驗(yàn)現(xiàn)場3. 2測試方法根據(jù)鍋爐房現(xiàn)場條件，對6t鍋爐的測試方法是：記錄用煤量及蒸汽產(chǎn)量，分別測試 采用機(jī)械撥火設(shè)備與不采用機(jī)械撥火設(shè)備的鍋爐燃燒

10、效率，對比計(jì)算節(jié)煤率。由于煤種對 燃燒性能有彫響，所以對所用的3種煤分別進(jìn)行了測試，每次測試周期為12小時。對于 15t鍋爐，由于現(xiàn)場采用煤種比較單一，采川刀產(chǎn)能耗的測試方法進(jìn)行累計(jì)測試，選擇產(chǎn) 能相近的刀份進(jìn)行鍋爐能耗比較。在試驗(yàn)測試過程中，鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)均采用了變頻調(diào)速 技術(shù)。3. 3測試結(jié)果(1) 6t鍋爐實(shí)驗(yàn)結(jié)果：笫1種煤：采川連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火節(jié)煤：10.3%第2種煤：采用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火節(jié)煤：11.7%第3種煤：采用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火節(jié)煤：8.6%(2) 15t鍋爐測試結(jié)果:平均節(jié)煤率4. 3%3. 4測試結(jié)果分析(1)6t鍋爐測試結(jié)果分析所測6t鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，日平均用煤量24t,采

11、用節(jié)煤器時的空氣余量系數(shù)比不采 用節(jié)煤器的空氣余量系數(shù)小，采用節(jié)煤器后送風(fēng)量與引風(fēng)量均調(diào)節(jié)到原風(fēng)量的75%左右。 6t鍋爐第1次測試煤種與第2次相近，是幾種煤的混合煤，含硫最較高，煤結(jié)焦性比較 強(qiáng)，鍋爐在不采用撥火狀態(tài)時，排紅渣現(xiàn)彖嚴(yán)重。笫3次測試的煤種含硫量低，煤質(zhì)較好, 雖有些排紅渣現(xiàn)彖，但不嚴(yán)重。在該鍋爐測試中，第2次測試節(jié)煤率最高，第3次節(jié)煤率 最低。第3次節(jié)煤率低是因?yàn)槿紵悍N比較好，在不采用撥火狀態(tài)下，燃燒效率也不低， 在采用撥火狀態(tài)后，燃燒效率有提高，但提高幅度小于前兩次。第2次測試節(jié)煤率高丁第1次，是因?yàn)樵诘?次測試過程中，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速使風(fēng)量比第1次更小，從而使空氣過量 系數(shù)更

12、合理。（2） 15t鍋爐測試結(jié)果分析該鍋爐負(fù)荷率低于50%,刀用煤fi700to在沒冇采用撥火狀態(tài)下鍋爐木體效率較高， 采用撥火狀態(tài)示鍋爐效率的提高不及6t鍋爐的顯著。在測試過程屮鍋爐的鼓風(fēng)量與引風(fēng) 量變化率小于10%o4. 結(jié)論4.1動態(tài)機(jī)械撥火對鍋爐燃燒過程動力學(xué)性能有很人的影響。4.2采川連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火可捉高鍋爐燃燒效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)煤，這對既冇鍋爐節(jié)能改造 有參考意義。4.3不同煤種、不同工況，采用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火對鍋爐燃燒效率的提高幅度不同：（1）煤種越差，連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火對鍋爐燃燒效率提高越明顯；（2）煤層越厚，負(fù)荷率越高，連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火対鍋爐燃燒效率提高越明顯；（3）鍋爐實(shí)際燃燒效

13、率越低，連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火對鍋爐燃燒效率提高越明顯；（4）結(jié)焦性太強(qiáng)的煤種，使用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火會造成局部漏風(fēng)。4. 4采用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火對節(jié)煤率的貢獻(xiàn)不僅體現(xiàn)在燃燒效率的提高，還體現(xiàn)在可 以有效降低空氣過量系數(shù)，減小排朋熱損失。4. 5采用連續(xù)動態(tài)機(jī)械撥火對鍋爐進(jìn)行節(jié)能改造時，鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)變頻調(diào)速控 制。參考文獻(xiàn)1 季俊杰燃煤鏈條鍋爐燃燒的數(shù)值建模及配風(fēng)與爐拱的優(yōu)化設(shè)計(jì).上海交通人學(xué)博 士論文.200&2 李振鋼.層燃鍋爐燃燒惡化與嚴(yán)重漏風(fēng)原因分析探討.2004中美工業(yè)鍋爐先進(jìn)技術(shù) 研討會.2004.北京.3 安晶,李振華，工業(yè)鍋爐的煙氣脫硫技術(shù),節(jié)能技術(shù)，2003, 21（4）: 35-37.4 zhufeng, y., x. yunhan, l. xin, et al. , china national energy strategy andpolicy study, sub-project 11: pol icy study on dcvelopmc nt and utilization of cot, 2005.5 thunma n, h., b. leek ncr, model ing of the combustion fro nt in a cou