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汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑
（上海熱油爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中心，上海200042）
摘要：介紹了生物質(zhì)固硫型煤的節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)和成型加工工藝，討論了生物質(zhì)固硫型煤在爐膛內(nèi)的燃燒過(guò)程及其在爐前的成型制作方法，分析研究了燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐、熱管式換熱器、鏈條爐排與爐拱的結(jié)構(gòu)型式，總結(jié)了該型熱風(fēng)爐煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
熱管式熱風(fēng)爐燃燒生物質(zhì)固硫型煤，生成的高溫?zé)煔庀冉?jīng)過(guò)煙氣沉降室，再經(jīng)過(guò)熱管式換熱器，從而使得其溫度降至150℃左右；然后抽取一部分排出熱風(fēng)爐外的煙氣，使其進(jìn)入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，由循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后送到爐膛內(nèi)和高溫?zé)煔饩鶆蚧旌希怪蔀闇囟燃s為900℃的中溫?zé)煔猓俅芜M(jìn)入熱管式換熱器；剩余的煙氣由煙囪排出。而通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)送入的常溫空氣，在熱管式換熱器中與煙氣逆流換熱，換熱后清潔空氣的溫度可升至100~550℃，然后進(jìn)入用熱設(shè)備供生產(chǎn)加工使用。燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐以高溫?zé)峁茏鳛閭鳠嵩蔁峁茉M成的熱管式換熱器產(chǎn)生的清潔熱風(fēng)的最高溫度可達(dá)到550℃，并且熱管式熱風(fēng)爐的熱效率較高、生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、檢修維護(hù)方便。
1生物質(zhì)固硫型煤及其燃燒、成型
1.1生物質(zhì)固硫型煤
生物質(zhì)固硫型煤是含有纖維狀的生物質(zhì)，屬于干式冷態(tài)成型煤，生物質(zhì)不僅起黏結(jié)作用，而且有助燃作用。生物質(zhì)固硫型煤進(jìn)入爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質(zhì)首先燃燒，型煤表面形成蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進(jìn)入型煤內(nèi)部，同時(shí)增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使燃燒更加充分，直至燃盡[1]。
加入固硫劑的型煤稱為固硫型煤，它可以使燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2與固硫劑發(fā)生化學(xué)作用，生成硫酸鹽，而且被固定在灰渣中，從而可減少SO2的排放量。生物質(zhì)固硫型煤的固硫劑可采用石灰石粉，生物質(zhì)可選用稻草或稻殼；生物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在15%左右，粉碎后的稻草(或稻殼)和細(xì)煤粉、石灰石粉、添加劑需充分混合。生物質(zhì)固硫型煤的成型工藝是：石灰石粉和添加劑先混合好，再與已經(jīng)制備好的細(xì)煤粉進(jìn)行混合，最后與粉碎制備好的稻草(或稻殼)互相混合，然后進(jìn)行型煤成型加工[2]。這種成型工藝過(guò)程具有成型輪的軋輥直徑較小、成型壓力較低、原料粒度與水分要求相對(duì)較低的特點(diǎn)。
1.2生物質(zhì)固硫型煤的爐內(nèi)燃燒過(guò)程
生物質(zhì)固硫型煤隨著鏈條爐排向前移動(dòng)進(jìn)入爐膛后，在爐排上燃燒。生物質(zhì)固硫型煤受到爐拱和爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾臒彷椛洌约跋噜彑霟崛紵龑拥闹苯訜醾鲗?dǎo)，進(jìn)行預(yù)熱干燥、熱分解（析出揮發(fā)物），揮發(fā)物與由下而上穿過(guò)煤層的一次風(fēng)進(jìn)行充分混合，然后穿出煤層向上流動(dòng)進(jìn)入爐膛，在高溫作用下著火，揮發(fā)物的燃燒熱又使析出揮發(fā)物后的焦炭激烈燃燒，這就是生物質(zhì)固硫型煤層在爐膛內(nèi)的主要燃燒階段[3]。當(dāng)一次風(fēng)流體由下而上穿過(guò)熾熱的焦炭層時(shí)，空氣中的氧氣便與焦炭中的碳原子進(jìn)行氧化反應(yīng)生成二氧化碳，并且產(chǎn)生大量的熱。經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)后的一次風(fēng)混合流體繼續(xù)往上穿越爐排上熾熱的焦炭層時(shí)，由于空氣中的氧氣在氧化反應(yīng)中已經(jīng)基本耗盡，剩余的主要?dú)怏w是二氧化碳，所以二氧化碳中的氧原子便會(huì)被焦炭中的碳原子所奪取，發(fā)生還原反應(yīng)，將二氧化碳還原為一氧化碳，一氧化碳穿出焦炭層向上流動(dòng)后在爐膛內(nèi)繼續(xù)燃燒。隨著燃燒的進(jìn)行，焦炭層已基本燃盡，隨著鏈條爐排的繼續(xù)移動(dòng)，焦炭層進(jìn)入爐膛后部的燃盡區(qū)，最后，爐渣落入灰斗內(nèi)排出爐外[4]。
1.3生物質(zhì)固硫型煤的爐前成型方法
生物質(zhì)固硫型煤的爐前成型過(guò)程為：將煤炭全部粉碎成為細(xì)煤粉，先后加入石灰石粉和添加劑，并混合均勻，然后加入已經(jīng)粉碎好的稻草(或稻殼)原料，繼續(xù)攪拌使混合均勻，最后通過(guò)制作型煤的雙軋輥機(jī)械進(jìn)行成型加工。雙軋輥是由2根直徑為200mm、長(zhǎng)度為2700mm的實(shí)心鋼件組成，鋼件軋輥上有許多橢圓形小槽。2個(gè)軋輥都向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，混合均勻的稻草(或稻殼)、石灰石粉、添加劑、細(xì)煤粉燃料通過(guò)雙軋輥機(jī)械加工成型為橢圓形煤球，其尺寸以小于37mm×21mm×13mm為宜。兩軋輥一個(gè)是主動(dòng)輪，一個(gè)是從動(dòng)輪，主動(dòng)軋輥由電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)帶動(dòng)。燃燒運(yùn)行過(guò)程中，熱管式熱風(fēng)爐供熱負(fù)荷的調(diào)整，不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)生物質(zhì)固硫型煤的供給數(shù)量和爐排速度實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)利用無(wú)級(jí)調(diào)速裝置調(diào)節(jié)軋輥的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了避免軋輥過(guò)長(zhǎng)引起軋輥直徑增大，并進(jìn)一步造成軋輥加工難度增大、制作成本增加，以及熱風(fēng)爐前方安裝尺寸不夠等問(wèn)題，可以將軋輥設(shè)計(jì)制作成2段，并在中間設(shè)計(jì)安裝約200mm寬的支撐裝置，同時(shí)采用滾動(dòng)軸承支撐。在中間支撐點(diǎn)的部位專門(mén)設(shè)有傾角為50°的溜落生物質(zhì)固硫型煤滑道，以避免中間支撐對(duì)應(yīng)部位的鏈條爐排上沒(méi)有生物質(zhì)固硫型煤的供應(yīng)輸送。
生物質(zhì)固硫型煤成型的大規(guī)模生產(chǎn)線主要有對(duì)煤塊與生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥、粉碎的加工設(shè)備，包括煤塊粉碎機(jī)、生物質(zhì)原料粉碎機(jī)、煤粉與生物質(zhì)原料的混合機(jī)、生物質(zhì)固硫型煤的成型機(jī)等設(shè)備，以及相應(yīng)的成型加工專用生產(chǎn)線。
2熱管式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)及其控制
2.1熱管式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐的主要部件為熱管及熱管式換熱器、鏈條爐排和爐膛、煙氣沉降室、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、電控柜等。對(duì)熱管式熱風(fēng)爐的爐膛和熱管式換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，可以采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)整體合并布置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方式，或者兩個(gè)結(jié)構(gòu)分開(kāi)布置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方式。用于高溫除塵預(yù)處理的煙氣沉降室布置在爐膛后的煙氣出口處，熱管式換熱器布置在煙氣沉降室的后段。
生物質(zhì)固硫型煤在鏈條爐排上燃燒后形成高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)沉降室重力除塵后進(jìn)入熱管式換熱器的加熱段，熱量通過(guò)熱管上部的冷凝段加熱清潔空氣。在熱管式換熱器中把煙氣溫度降到其露點(diǎn)溫度以下后，將一部分煙氣通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后送到爐膛的前部(或中部)與高溫?zé)煔饩鶆蚧旌希怪蔀?00℃左右的中溫?zé)煔獠⒃俅芜M(jìn)入換熱器中進(jìn)行換熱。剩余的煙氣通過(guò)煙氣脫硫除塵裝置后經(jīng)煙囪排出[5]。
由于燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐爐膛內(nèi)的燃燒接近于絕熱燃燒，所以其爐膛溫度很高，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中需要采用耐熱鑄鐵和加厚爐排片的特殊結(jié)構(gòu)，以保證鏈條爐排的安全穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)久的使用壽命。熱管式熱風(fēng)爐的熱管換熱器中，各個(gè)熱管元件互相獨(dú)立，即使某一根熱管因磨損、氧化、腐蝕、熱變形等原因而出現(xiàn)穿透，也僅僅是該根熱管發(fā)生失效，而不會(huì)造成煙氣貫通，從而可以保證熱風(fēng)空氣與煙氣互不摻混。此外，即使數(shù)根熱管發(fā)生了失效，對(duì)整臺(tái)熱管式熱風(fēng)爐額定供熱負(fù)荷的影響也不會(huì)太大。
燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐采用熱管作為傳熱元件。熱管是抽真空后充入工質(zhì)的傳熱元件，工作時(shí)工質(zhì)的蒸發(fā)-冷凝在管內(nèi)反復(fù)循環(huán)，不斷將熱量從加熱段傳至冷凝段。由于熱管內(nèi)部工質(zhì)是以傳熱最強(qiáng)的相變過(guò)程工作，因此它幾乎是在等溫下傳遞極高的熱流密度。通過(guò)調(diào)節(jié)冷熱端的長(zhǎng)度比和翅片間距可改變冷熱端的傳熱熱阻，從而提高熱風(fēng)爐尾部熱管元件熱端管壁的壁溫，降低爐尾部受熱面的低溫腐蝕，使排煙溫度更低、爐的熱效率更高。
2.2熱管式換熱器
熱管式換熱器由矩形外殼體和帶翅片的熱管束組成，許多單根帶翅片的熱管布滿于矩形殼體中，熱管的布置有錯(cuò)列呈三角形的排列方式，也有順列呈正方形的排列方式，熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板將殼體分成兩部分，形成煙氣通道與空氣通道，當(dāng)煙氣與空氣同時(shí)在各自的通道中流過(guò)時(shí)，熱管就把高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給低溫空氣，從而實(shí)現(xiàn)煙氣與空氣的熱量交換。
熱管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊、換熱效率高、壓力降小。由于在熱管上附設(shè)了翅片，克服了氣體換熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，使得所需傳熱的熱管數(shù)目大為減少，因此在傳遞相同熱量的條件下，制造熱管式換熱器的金屬消耗量要低于列管式換熱器。此外，煙氣與空氣通過(guò)熱管式換熱器時(shí)的壓力損失比列管式換熱器(或板翅式換熱器)要小得多，因而輸送風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗也比較少。
熱管式換熱器具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式：每根熱管采用彈簧壓緊或拉緊的方式固定，這樣既能保證中間管板的氣密性，又能使熱管在溫度較高時(shí)自由膨脹，不至于引起熱管和隔板的彎曲變形；采用了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，使進(jìn)口煙溫大幅度降低，熱膨脹量進(jìn)一步下降，從而較好地解決了受熱面的熱膨脹問(wèn)題；熱管式換熱器采用純逆流式布置，可以提高傳熱平均溫差、減少傳熱面積、提高熱風(fēng)空氣的出口溫度。
2.3鏈條爐排與爐拱
生物質(zhì)固硫型煤從煤斗內(nèi)落在鏈條爐排上，并隨著爐排向爐膛內(nèi)緩慢移動(dòng)，助燃空氣從爐排下面吹入，與型煤的供給運(yùn)行方向垂直相交。生物質(zhì)固硫型煤的著火依靠爐膛內(nèi)的熱煙氣和爐墻的熱輻射作用，型煤層的表面先被加熱發(fā)生燃燒，然后通過(guò)接觸傳熱、型煤空隙中的對(duì)流和輻射傳熱，將熱量向型煤內(nèi)部進(jìn)行傳遞，繼而發(fā)生內(nèi)部燃燒；助燃空氣在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)爐排下各個(gè)供風(fēng)室均勻分配后，穿越爐排上的型煤層后到達(dá)爐膛內(nèi)部，從而加快了型煤的燃燒過(guò)程[6]。
在助燃空氣的作用下，鏈條爐排可以分為如下幾個(gè)區(qū)域：燃料加熱和干燥區(qū)、揮發(fā)分析出區(qū)、主要燃燒區(qū)、灰渣燃盡區(qū)。其中：主要燃燒區(qū)又分為焦炭燃燒區(qū)和還原區(qū)，在揮發(fā)分析出區(qū)、焦炭燃燒區(qū)及還原區(qū)內(nèi)所需要的空氣量最多，燃燒的高溫區(qū)也主要集中在該區(qū)域。充足的空氣是保證生物質(zhì)固硫型煤燃燒完全的前提條件。揮發(fā)分析出區(qū)和主要燃燒區(qū)也是考驗(yàn)鏈條爐排片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的區(qū)域。由于炙熱的焦炭可能直接和爐排片接觸，如果此時(shí)沒(méi)有助燃空氣的冷卻作用，爐排片在有限的時(shí)間內(nèi)可能會(huì)被燒壞，所以充足的助燃空氣供給不僅為燃燒提供足夠的氧氣，還可以冷卻鏈條爐排片。
為了強(qiáng)化燃燒、提高爐子的熱效率，爐拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是十分重要的環(huán)節(jié)。前拱、后拱采用異型磚設(shè)計(jì)成弧形：爐前拱采用30°傾角，主要作用是合理組織煙氣流動(dòng)，將燃燒火床面的輻射熱和部分火焰輻射熱傳遞到新進(jìn)爐膛內(nèi)生物質(zhì)固硫型煤的著火區(qū)，從而有利于型煤的著火燃燒；爐后拱采用17°傾角，具有合理的長(zhǎng)度和高度，目的是將大量的高溫?zé)煔夂蜔霟崽苛］斔偷缴镔|(zhì)固硫型煤的燃燒區(qū)，以保證燃燒區(qū)內(nèi)的型煤處于高溫燃燒狀態(tài)。爐拱的另一作用是對(duì)燃盡區(qū)的保溫促燃，以便大幅度降低灰渣的熱量損失。
生物質(zhì)固硫型煤在爐膛內(nèi)隨鏈條爐排移動(dòng)，燃燒過(guò)程是持續(xù)的，為了保持良好的消煙效果并抑制煙塵的生成量，應(yīng)使鏈條爐排上的生物質(zhì)固硫型煤層進(jìn)行正常的燃燒，撥火時(shí)應(yīng)盡量避免將燃燒帶層攪亂，人為地造成燃燒惡化現(xiàn)象，同時(shí)嚴(yán)禁直接往鏈條爐排上投入型煤進(jìn)行燃燒，以避免產(chǎn)生周期性的排煙污染現(xiàn)象[7]。
2.4自動(dòng)控制系統(tǒng)
為了使進(jìn)入爐膛內(nèi)生物質(zhì)固硫型煤的數(shù)量隨著供熱負(fù)荷變化得到平穩(wěn)調(diào)節(jié)，從而提高熱管式熱風(fēng)爐的燃燒效率，應(yīng)選用可控硅直流無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，以帶動(dòng)鏈條爐排的運(yùn)行。該裝置的爐排運(yùn)行速度調(diào)整范圍寬、調(diào)節(jié)性能好，在超負(fù)荷以及鏈條爐排卡死的情況下，由于有電子限流器和機(jī)械離合器的雙重保護(hù)作用，并配有手動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的功能，使得熱管式熱風(fēng)爐的可控性能大為提高；如果將出口熱風(fēng)溫度作為被調(diào)參數(shù)，而將進(jìn)入爐膛的生物質(zhì)固硫型煤的數(shù)量、引風(fēng)量、鼓風(fēng)量作為調(diào)節(jié)量，便可構(gòu)成比值調(diào)節(jié)燃燒控制系統(tǒng)[8]。
3煙氣再循環(huán)系統(tǒng)
3.1煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐的爐膛煙氣溫度一般可達(dá)到1300℃左右。高溫?zé)煔饩哂泻軓?qiáng)的輻射能力，如果直接進(jìn)入熱管式換熱器，即使采用高溫耐熱管，并通過(guò)調(diào)節(jié)冷、熱端的長(zhǎng)度和翅片間距等手段來(lái)降低冷端的換熱熱阻，煙氣進(jìn)口處前面幾排的熱管元件仍有可能因?yàn)楣鼙跍囟冗^(guò)高而產(chǎn)生氧化、熱變形、裂紋，從而使熱管壁開(kāi)裂泄漏；或者由于熱管內(nèi)部工質(zhì)的壓力過(guò)高而產(chǎn)生超壓爆管事故。所以需要采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，把排出熱風(fēng)爐外的煙氣通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后，送到熱風(fēng)爐的爐膛前部(或中部)位置，與爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔饩鶆蚧旌希蛊涑蔀?00℃左右的中溫?zé)煔猓俅芜M(jìn)入熱管式換熱器。這樣不僅可以使熱管元件的安全性和可靠性大為提高，確保熱管式熱風(fēng)爐的正常運(yùn)行，且不會(huì)降低熱管式熱風(fēng)爐的熱效率。同時(shí)，因?yàn)榻档土巳紵郎囟群脱鯕獾臐舛龋€可以減少NOx的生成量，從而減少了氮氧化物的排放，起到保護(hù)大氣環(huán)境的作用。
在設(shè)計(jì)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的方案時(shí)，如果再循環(huán)煙氣和爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌喜痪鶆颍植扛邷責(zé)煔膺M(jìn)入熱管式換熱器，將會(huì)導(dǎo)致局部熱管的超溫爆炸。所以，再循環(huán)煙氣與高溫?zé)煔獾幕旌戏绞娇梢圆捎媒徊婊旌戏绞交蛘咝D(zhuǎn)混合方式。具體的設(shè)計(jì)方法是將再循環(huán)煙氣與高溫?zé)煔庖砸欢ǖ慕嵌冉徊婊旌希划?dāng)煙氣量很大的時(shí)候，可以采用多股煙氣交叉混合方式，或者高溫?zé)煔庠谥虚g流動(dòng)、再循環(huán)煙氣以旋轉(zhuǎn)的方式不斷卷吸高溫?zé)煔猓赃_(dá)到均勻混合的目的。
3.2煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是將熱管式熱風(fēng)爐排出的煙氣抽取一部分，使其進(jìn)入熱風(fēng)爐的爐膛內(nèi)與高溫?zé)煔饩鶆蚧旌希旌虾蟮臒煔鉁囟瓤山抵?00℃左右。該混合煙氣再次進(jìn)入熱管式換熱器，與清潔空氣進(jìn)行熱交換。所以，如果采用了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)排煙系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的熱平衡計(jì)算，最后根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果來(lái)確定合適的摻混煙量。
煙氣再循環(huán)系數(shù)的計(jì)算公式如下：
再循環(huán)煙氣的抽取位置最好選擇在引風(fēng)機(jī)的出口側(cè)，這樣可使得再循環(huán)風(fēng)機(jī)能夠按照實(shí)際需要的參數(shù)進(jìn)行選取，節(jié)省部分電能。另外，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也可以讓再循環(huán)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，這樣既不會(huì)對(duì)爐體再循環(huán)煙氣管道有任何不利的影響，也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。
4結(jié)語(yǔ)
燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)煙氣傳輸給清潔空氣，完全由熱管元件完成，并且熱管元件相互獨(dú)立，單根或數(shù)根熱管元件的損壞不會(huì)影響熱風(fēng)爐的正常運(yùn)行。熱管元件的管子可以拆卸，并且安裝維修方便，同時(shí)徹底解決了熱膨脹的問(wèn)題。另外，煙氣與空氣是完全隔開(kāi)的，從而避免了煙氣泄漏進(jìn)入清潔空氣現(xiàn)象的發(fā)生。
燃生物質(zhì)固硫型煤熱管式熱風(fēng)爐采用了熱管這一高效導(dǎo)熱元件，再通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)各排熱管的加熱段和冷卻段的長(zhǎng)度比、翅片螺距和高度、兩段傳熱面積，從而可以控制熱管壁溫，防止酸露點(diǎn)腐蝕。
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