卧式燃煤锅炉改烧木屑燃料的燃烧系统改造

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(1.湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000；2.湖州市特种设备检测中心，浙江 湖州 313000)

卧式燃煤锅炉改烧木屑燃料的燃烧系统改造

向夏楠1，方永兰2，钦峰2

(1.湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000；2.湖州市特种设备检测中心，浙江 湖州 313000)

本文针对卧式燃煤锅炉改烧木屑燃料后出现的锅炉效率低等一系列问题，通过对一台DZL4-1.25-AⅡ锅炉的燃烧系统进行改造，增加预燃室、设计二次风系统和加装热管式空气预热器等方法使其燃烧系统适于燃烧木屑燃料。改造后锅炉热效率从改造前的61%提高到73%，节能效果显著。

卧式燃煤锅炉；生物质燃料；燃烧系统；改造

0 前言

由于卧式燃煤蒸汽锅炉具有结构紧凑，安装快捷、操作简单等优点，近年来在我市的中小型企业中得到广泛应用，我市又是国内竹、木地板的主要生产基地，地板加工过程中产生的大量木屑是非常经济实惠的燃料资源，因此，我市大部分企业的生产锅炉基本上都以木屑为主要燃料。目前我国尚没有针对木屑燃料专门设计的锅炉，因此，绝大部分企业都是采用传统的燃煤锅炉改烧木屑燃料以满足生产要求。由于燃料与炉型不匹配，因此带来了许多锅炉自身难以克服的问题[1-6]。

1 木屑的燃烧特性

木屑的燃烧过程是强烈的化学反应过程，也是与空气间的传热传质过程，主要可以分为预热、干燥、挥发分析出和焦炭(固定碳)燃烧等过程。在燃烧室中，木屑首先被加热和析出水分，随着温度继续升高，约250℃左右，热分解开始，析出挥发分，并形成焦炭。气态的挥发分和周围高温空气掺混首先被引燃。焦炭被挥发分包围，燃烧室中氧气不易渗透到焦炭表面，只有当挥发分的燃烧快要终了时，焦炭及其周围温度已很高，空气中的氧气也有可能接触到焦炭表面，焦炭开始燃烧，并不断产生灰烬[7-8]。由图1木屑微粒在不同阶段的燃烧过程可知，挥发分析出燃烧时间较短，约占20%时间，而焦炭完全燃烧需要80%时间，焦炭的热值高，所以在燃烧系统设计时需要充分考虑木屑在炉内的停留时间，以保证焦炭部分能完全燃尽；另一方面，焦炭燃烧受到灰烬的包裹和空气接触困难，也会导致焦炭的不完全燃烧，所以在增加停留时间的同时增加炉内气流的扰动也是提高木屑燃烧效率的有效方法[9]。

图1 木屑微粒在不同阶段的燃烧过程

2 锅炉概况以及存在的主要问题

本次改造中选用的是我市某厂一台DZL4-1.25-AⅡ型单锅筒纵置式链条炉排蒸汽锅炉，设计额定蒸发量4 t/h，蒸汽压力1.25 MPa，蒸汽温度194℃，给水温度20℃，受热面积127 m2，炉排面积5.4 m2，设计燃料为二类烟煤。目前使用热值约为17 000 kJ/kg的木屑作为燃料，锅炉热效率约为61%。该锅炉在改烧木屑后，主要存在以下问题：

(1)炉膛空间小，致使木屑中焦炭部分不能完全燃烧即离开炉膛，一方面造成燃料浪费严重，另一方面炉膛内未燃尽的焦炭可能在锅炉后管板处产生二次燃烧引发安全事故；

(2)没有良好的空气动力工况，无法有效地组织炉膛空间的有效燃烧，也会使木屑在炉内的停留时间过短，导致燃烧不完全；

(3)排烟温度过高，热能未能充分利用。

3 改造方案

针对锅炉存在的以上问题，提出以下改造方案。

3.1 增设木屑预燃室

本锅炉现有的燃烧空间约为5.5 m3，按照层燃锅炉容积热负荷qv的推荐范围，上限值为523 kW/m3，木屑发热量为17 000 kJ/kg，由公式(1)[10]

(1)

式中qv——锅炉容积热负荷/W·m-3；

B——锅炉燃料消耗量/kg·h-1；

V1——炉膛容积/m3。

可计算出燃料量B为608 kg/h，饱和蒸汽按压力按0.5 MPa(表压)计算、给水温度20℃，锅炉效率按设计值76%，由公式(2)[7]

(2)

式中η——锅炉热效率；

Q1——锅炉有效利用热，kJ；

Q2——消耗燃料的输入热量，kJ；

D——锅炉出力/t·h-1；

ΔH——介质焓值的变化。

可推算出锅炉的最大产汽量为2.95 t/h。这一结果说明了就目前的炉膛容积，是无法满足燃料完全燃烧的要求的，因此，必须增大燃烧空间，以使燃料能够完全燃烧。

设计预燃室过程按以下参数选取或计算：锅炉蒸发量4 t/h，蒸汽压力0.5 Mpa(绝对压力)，容积热负荷选为500 kW/m3，锅炉效率按75%计算，给水温度25℃。由式(1)、式(2)，可以计算出需要增大的炉膛容积为：2.4 m3。预燃室结构如图2所示，该预燃室设计成长方体，宽1.0 m，高1.0 m，深2.4 m，采用耐高温达1300℃的lz-55型高铝砖砌筑。图3为预燃室实物照片。

图2 预燃室结构示意图

图3 预燃室实物照片

3.2 增设二次风系统

由于木屑的挥发分较高， 需要加大供风量来满足需求， 但是对于木屑来说挥发分短时间内的析出与此时按理论空气系数供应的空气并不能充分反应，而造成燃烧前期空气不足和后期过剩；同时大量冷空气的一次性供给不仅会降低炉膛温度使燃烧状况恶化， 同时燃煤锅炉炉膛较小， 迅猛的空气供给还会将未完全燃烧的可燃气氛随烟气一起排出， 造成热量浪费。而二次风系统能够增加炉内气流的扰动，延长燃料在炉内的停留时间，减少不完全燃烧热损失，通过增设空气预热器能够提高二次风温度，尽可能避免降低炉膛温度，能有效的提高锅炉热效率。

在本炉改造中，二次风率取为0.3，一次风率为0.7。二次风在90℃工况下风量为1423 m3/h。由炉膛两侧喷入，每侧设4个喷口，共8个，二次风速选为30 m/s,喷口角度与炉拱呈25°，则喷口面积为0.0016 m2，喷口设计为矩形，长80 mm，宽20 mm。图4为二次风系统图。

图4 二次风系统图

3.3 加装热管式空气预热器

为了进一步降低排烟温度，有效利用烟气余热，提高燃料利用率，并为一二次风系统提供热空气，在尾部烟道省煤器后加装一组空气预热器。

热管是一种利用密闭管内工质相变来传递热量的高效传热元件，由它组成的热管式空气预热器相对于常见的列管式空气预热器有以下优点：

(1)热管式预热器结构简单，体积较小，且使烟气从管内流动改为管外流动，利用安装于预热器内的清灰器，可及时清除空气预热器的积灰。减少了积灰，消除了列管式空气预热器的局部管束堵塞现象；

(2)消除了原列管式空气预热器漏风量大的缺陷；

(3)传热效率高，换热量大，可方便地布置成错列逆流换热；

(4)系统布置简洁、利于维护[11-12]。

综上，在本炉改造中选用热管式空气预热器，热管根数为173根，偶数排(12根)8排，奇数排(11根)7排，管子排列采用正三角错列，横向节距s1=65 mm，纵向节距s2=56.3 mm，基管外径d=25 mm；壁厚δ=2 mm，环形平翅片外径df=50 mm，翅片高度H=12.5 mm，翅片厚度δf=1.0 mm，翅片间距Y=6 mm，热管形式为碳钢-水虹吸式加缓蚀剂。

4 改造效果验证

在锅炉改造前和改造后分别进行热效率测试，对其关键数据进行对比，如表1所示。

表1 锅炉热效率测试关键参数

由上表可以看出，通过改造锅炉的出力提高了1.7 t/h，出口排烟温度下降了80℃，而锅炉热效率提高了12%，改造后，节能效果明显。

5 结论

本文针对小型卧式燃煤工业锅炉改燃木屑燃料的燃烧系统进行合理的改造以解决木屑燃料燃烧不完全的问题，同时对尾部烟道的高温余热资源进行回收利用。

(1)研究开发采用分级燃烧技术进行改造的系统及相关设备，包括预燃室的设计、配风系统的设计、二次风压火技术及运行参数设计、、二次风喷口的优化设计等。有效地解决了燃料燃烧不完全的问题，使锅炉热效率由原来的61%提高到了73%。

(2)研究开发适合该类锅炉的余热利用装置，具体内容为：增设热管式空气预热器，将烟气余热有效的回收，然后用热空气来对燃料进行预干燥并提供高温二次风，这样将缩短燃料在炉内的燃烧时间，提高燃烧效率，把排烟温度从原来的190℃降低到110℃。

综上所述，该项改造技术是有极大推广价值的节能技术。

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ResearchofHorizontalCoal-firedBoilerstoBurnBiomassFuelCombustionSystem

XIANG Xia-nan1,FANG Yong-lan2,QIN Feng2

(1.College of Municipal and Mapping Engineering , Hunan City University, Yiyang 413000,China;2.Huzhou Special Equipment Inspection Center, Huzhou 313000,China)

The problem that horizontal coal-fired boilers changed to burn biomass causes low efficiency to the boiler A DZL4-1.25-AⅡ boiler combustion system was reformed to fit for the biomass fuel, which includes increasing the pre-combustion chamber, secondary air systems and design installation of heat pipe air preheater for combustion systems. After refrom, the boiler thermal efficiency increases from 61% to 73%,and energy-saving effect is remarkable.

horizontal coal-fired boilers;biomass fuel;combustion system;transform

2013-12-23修订稿日期2014-03-08

浙江省2011年特种设备节能计划“小型卧式燃煤锅炉改烧生物质燃料的燃烧系统改造及烟气余热利用装置的开发”

向夏楠(1984～)，男，硕士，助教，主要进行热能工程方面研究。

TK229.91

A

1002-6339 (2014) 04-0359-03