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：白貴平龔光彩；廣州大學：冀兆良摘 要：建立了鏈條爐機械撥火對床層燃燒影響的動力學模型，并對鏈條爐機械撥火特性 進行了現(xiàn)場試驗研究測試。研究結(jié)果表明，鏈條爐采用動態(tài)機械撥火可有效提高 燃燒效率實現(xiàn)節(jié)煤，這對既有工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造有實用參考價值。關(guān)鍵詞：鏈條爐機械撥火節(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，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)大雖鏈條爐進行調(diào)查統(tǒng)計，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)焦嚴重，由此造成的局部漏風 嚴垂；30%以上存在配風不均勻問題；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)能對推進節(jié)能減排有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外許多專家對鏈條爐的節(jié)能 改造己進行了大量的研究，主要集中在：改進爐拱、分層燃燒、配風技術(shù)優(yōu)化、復合燃燒 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依據(jù)，致使其實際效果難以穩(wěn)定。本文提出用 動態(tài)機械撥火對鏈條爐進行節(jié)能改造，并對鏈條爐動態(tài)撥火動力學特性進

3、行分析，訃層燃 方式局部動態(tài)化，研發(fā)高性能機械撥火裝置，提出對既有鏈條爐節(jié)能改造的有效措就。1. 機械撥火裝置技術(shù)人工撥火是鍋爐運行調(diào)節(jié)的必要手段，由于技術(shù)問題，機械撥一氏未能實用化。本文 提出并研發(fā)的機械撥火裝置如圖1所示，主要由兩大部分組成，即機械動力裝置與撥火器, 撥火器在機械動力裝置的帶動卜"，不間斷口動運轉(zhuǎn)，機械撥火助燃，其關(guān)鍵技術(shù)在撥火器。 機械撥火主要撥火區(qū)域在主燃區(qū)附近，溫度高達900-1500c,撥火桿在高溫度下長期運 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 行是制約撥火裝置實用化的一次難體，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、熱應力爆齒、高溫磨損等。圖2為木文試驗過程部分撥火設(shè)備受損實物照片。圖1：動態(tài)機械撥火裝置示意圖圖2：試驗過程撥火器受損實物照片2鏈條爐機械撥火對床層燃燒影響的動力學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機理發(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 力學特性。2.1爐膛燃燒模型一般計算模型忽略飛灰、碳黑，認為爐膛內(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）的擴散率，為源項。但機械撥火會造成氣相區(qū)0動碳粒增加，故應考慮在源項中修正。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。焦炭燃燒反應速度主要受到溫度、氣膜阻力以及灰層擴散阻力的影響，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，其表達式為叫, q為反應當量系數(shù)。下標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,為氧化劑的氣膜擴散速率，m/s, “九為氧化劑在灰殼內(nèi)的擴散速率，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，撥火過程對該項影響不大；撥火過程會對氧化劑的氣膜擴散速率（*：）和氧化劑在灰殼內(nèi)的

8、擴散速率（產(chǎn)生影響。（2）對氧化劑的氣膜擴散速率（© ）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，氧氣擴散 速率加強。（3）對氧化劑在灰殼內(nèi)的擴散速率（'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. 機械撥火試驗研究為了驗證連續(xù)機械撥火設(shè)備的性能，作者對某化工廠6t鍋爐及某卬染廠15t鍋爐進 行實際運行試驗測試，試驗采用作者自行研發(fā)的機械動態(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試驗裝置該裝置從熱力優(yōu)化角度出發(fā)，研發(fā)出多套管強制循環(huán)復合冷卻下彎式撥火桿，實現(xiàn)撥 火裝置在鬲溫、高腐蝕、高懶損性條件下仍能穩(wěn)定運行，其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點： 主桿下彎設(shè)計，盡量避開高溫區(qū)； 多套管冷卻，整體循環(huán)； 利用cfd技術(shù)，進行水力平衡及冷卻優(yōu)化，設(shè)計采用同程雙循環(huán)結(jié)構(gòu)； 細齒雙承點措施，一方面降低了安裝難度，另一方面使冷卻負荷卜降了 50%； 齒頭采用復合結(jié)構(gòu)，解決熱應力爆管問題。圖3： 6t鍋爐試驗現(xiàn)場圖4： 15t鍋爐試驗現(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 采用機械撥火設(shè)備與不采用機械撥火設(shè)備的鍋爐燃燒

10、效率，對比計算節(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)能耗的測試方法進行累計測試，選擇產(chǎn) 能相近的刀份進行鍋爐能耗比較。在試驗測試過程中，鼓風機與引風機均采用了變頻調(diào)速 技術(shù)。3. 3測試結(jié)果(1) 6t鍋爐實驗結(jié)果：笫1種煤：采川連續(xù)動態(tài)機械撥火節(jié)煤：10.3%第2種煤：采用連續(xù)動態(tài)機械撥火節(jié)煤：11.7%第3種煤：采用連續(xù)動態(tài)機械撥火節(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鍋爐滿負荷運行，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)煤器后送風量與引風量均調(diào)節(jié)到原風量的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，鍋爐在不采用撥火狀態(tài)時，排紅渣現(xiàn)彖嚴重。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)煤率低是因為燃燒煤種比較好，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，是因為在第2次測試過程中，風機變頻調(diào)速使風量比第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量與引風 量變化率小于10%o4. 結(jié)論4.1動態(tài)機械撥火對鍋爐燃燒過程動力學性能有很人的影響。4.2采川連續(xù)動態(tài)機械撥火可捉高鍋爐燃燒效率，實現(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)機械撥火對鍋爐燃燒效率提高越明顯；（2）煤層越厚，負荷率越高，連續(xù)動態(tài)機械撥火対鍋爐燃燒效率提高越明顯；（3）鍋爐實際燃燒效

13、率越低，連續(xù)動態(tài)機械撥火對鍋爐燃燒效率提高越明顯；（4）結(jié)焦性太強的煤種，使用連續(xù)動態(tài)機械撥火會造成局部漏風。4. 4采用連續(xù)動態(tài)機械撥火對節(jié)煤率的貢獻不僅體現(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)機械撥火對鍋爐進行節(jié)能改造時，鼓風機和引風機應設(shè)變頻調(diào)速控 制。參考文獻1 季俊杰燃煤鏈條鍋爐燃燒的數(shù)值建模及配風與爐拱的優(yōu)化設(shè)計.上海交通人學博 士論文.200&2 李振鋼.層燃鍋爐燃燒惡化與嚴重漏風原因分析探討.2004中美工業(yè)鍋爐先進技術(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