旋转移动炉排在甘蔗糖厂蔗渣锅炉中的应用与分析

胡建谅

(中国成套设备进出口集团有限公司，北京100011)

0 前言

中国的甘蔗制糖工厂单体规模较小，原料的收割以人工砍蔗为主，去叶去梢，含土含杂量较少，洁净的甘蔗经人工装车再运至糖厂进行生产加工，因此，甘蔗压榨后的蔗渣含泥沙量很少，这种燃料比较适合采用固定式炉排的蔗渣锅炉。近些年随着甘蔗糖厂向大型化发展，锅炉的产能和压力等级也在不断加大，虽然很多糖厂对蔗渣锅炉进行了技术改进，获得了一定成效[1-2]，但固定式炉排结构上的缺陷已开始显现，尤其是应对机械化收割含泥沙量大的甘蔗原料时，固定炉排极易产生底灰混合泥沙堆积在锅炉底部，依赖人力排灰难以做到持续不断、循环往复地排灰，锅炉的燃烧效率低下，并时常出现风孔通道被泥沙堵住，以致锅炉被迫频繁停机。对此，业界开始研究非固定式炉排的应用[3]，而其中旋转移动炉排由于其自身独有的循环移动排灰特点，巧妙地避免了堆积、堵塞等问题，有利于糖厂的连续生产。本文以国外多个糖厂的建设和运营经验为依据，分析和总结旋转移动炉排相比固定炉排的优势，提出旋转移动炉排更适合大型化现代化甘蔗糖厂的蔗渣锅炉。

1 埃塞俄比亚甘蔗原料特点所带来的锅炉炉排问题

近几年，非洲国家尤其是埃塞俄比亚新建了多个大型现代化甘蔗糖厂，日处理甘蔗量普遍在6000～24000 t区间。由于糖厂规模大，而当地人力资源有限，难以组织大规模的劳动力进行甘蔗的人工砍收和除杂清理。因此，火烧蔗、抓斗装车及机械收割就成为解决现实难题的途径，具体操作及情况如下[4]：

(1)原料准备：砍蔗的前一天需要火烧甘蔗，烧掉茂密的蔗叶，以提高人工砍收速度，人均甘蔗砍收量可达到4～6 t/d；

(2)原料装车：田间收蔗采用了机械抓蔗机，抓斗在推抓甘蔗时会连带将一些泥沙、蔗头蔗梢等一起装进车箱；

(3)原料运输：甘蔗运输采用了投资相对节省的拖拉机拖挂方式，一台拖拉机头可以拖挂2～4节车箱；

(4)原料杂质分析：埃塞俄比亚东部地区多为沙质土，西南地区多为膨胀黑土。这些沙石泥土被夹带装入车箱中，其量约占甘蔗总量的8%～14%，运输过程中车箱抖动通过格栅间隙散落其中的20%～40%，进厂甘蔗中仍存有约6.4%～8.4%的泥沙量。

根据上述操作，因人力资源短缺出现的砍、运、收问题虽然得到了解决，但却带来了新的问题：甘蔗原料中夹带了大量灰尘、沙石等杂质，导致锅炉燃烧时灰渣泥沙含量特别多，炉排风孔易堵塞；有膨胀土带入时，需高压蒸汽吹扫，但又造成了炉壁粘尘多、省煤器管容易堵塞，锅炉热效率下降较快。通常情况下，锅炉在连续工作 2～3周后必须停机15～20个小时清理炉灰和泥沙，严重影响了甘蔗糖厂的经济效益（详见表1）。究其主要原因在于甘蔗泥沙含量较大的情况下，如果蔗渣锅炉选用固定式炉排，人工清灰和蒸汽吹灰是难以在连续生产的情况下保证泥沙不堵住炉排风孔。

表1 2012/13年榨季采用固定炉排形式的甘蔗糖厂堵塞停机时间统计表

2 旋转移动炉排的技术研发背景和设计方案改进

结合实际调研和糖厂的强烈诉求，设计适应甘蔗机械化收割的锅炉炉排成为新建糖厂项目必须攻克的技术难题。在经过大量的国内外技术调研和项目实地考察，技术成熟、可靠的层燃燃煤锅炉炉排成为设计的重点参考对象。由于燃煤锅炉生产时炉渣较多较大，为了处理好通风助燃，燃煤锅炉的炉排间隙设计较大，而蔗渣燃烧很少存在炉渣情况。因此，在前期设计甘蔗蔗渣锅炉炉排时，将锅炉炉排的链条间隙在考虑热膨胀的基础上进行了适当缩小，炉排片设计宽度确定为23 mm，间隙2 mm，采用铸铁材质。而实际生产过程中，生产原料夹杂的泥沙与蔗渣堆场回送的蔗渣混杂大量的石子，在生产中不时砸坏炉排片，而且经常出现炉灰、泥沙混合石子后瞬时堆积量过大，影响锅炉通风燃烧，在排灰过程中经常损毁挡渣板，堵塞落灰斗，并且间接导致炉排面被挡渣板铲起，频繁引起停机事故。所以在后续两个新建糖厂项目加大了锅炉炉排强度设计，炉排片采用耐高温合金钢，宽度经过重新设计计算调整为50 mm，加大了炉排间隙，同时在炉排片面板开了4个通风孔，解决了炉底风的吹风问题，经过2年生产实践，安全率较高，整体效果较好。在其设计要点包括：炉排的面积及炉底通风量以锅炉负荷为依据进行计算与设计；炉排片选用耐高温高强度合金材质并加厚加宽，增加吹风孔数量以保证通风效果；坚持以燃料蔗渣悬浮燃烧为基本设计原则。

3 炉排在埃塞俄比亚的应用特点分析与综合经济效益比较

3.1 固定炉排的应用特点分析

图1 固定炉排结构侧视图

表1中的埃塞俄比亚WS糖厂、MT糖厂、FC糖厂均采用固定式炉排，其结构特点是：在锅炉燃烧室底部以众多筛板拼接成一个整体的托渣板，倾斜安装在底部的铸铁工型托架上，板上开有长条形或圆形的炉排孔，孔的直径大约10 mm以下，形状为上小下大呈锥形，板是固定的不可移动，其主要作用是托住燃料进行燃烧，燃烧后的灰渣通过炉排孔落到积灰斗。炉排上的孔，既有通风助燃作用，也有排灰作用。炉排面上安装有蒸汽管吹灰器，用以对炉排上的积灰、结焦进行吹扫。当炉排面上结焦及积灰严重时，还需人工定期打开炉侧人孔，用耙子进行人工清除。固定炉排的系统结构大致如图1所示。

固定炉排的优点主要是结构简单、投资少，但其缺点也很明显：入榨原料甘蔗要求洁净或无明显的泥沙含量，一旦原料甘蔗带入泥沙较多，被泥沙裹杂的蔗渣容易在炉排面上燃烧造成结块结焦、篦子孔堵堵塞，影响燃烧，必须由人工定期进行蒸汽吹扫和人工清理积灰，劳动强度大并安全隐患高，尤其是在大型机械化收、运甘蔗的糖厂，特别是在埃塞俄比亚原有的甘蔗糖厂中，这些缺陷愈加突出。对此，本项目对旋转移动炉排在当地糖厂的适用性展开了研究。

3.2 旋转移动炉排的应用特点分析

3.2.1 旋转移动炉排的工作原理

自2012年起，埃塞俄比亚新建的所有糖厂均采用了旋转移动炉排，其工作原理是在锅炉燃烧室底部设计了一个旋转的回转炉排链条。炉排是由许多炉排条用传销连接组成的移动床炉排，链条之间设计了一定缝隙的间隔。炉床在动力驱动下从前到后进行循环往复运动，炉床上燃烧后的残渣被运动的炉床送往后部下落到积灰斗。上下炉排中间形成隔断的风室，外部鼓风进入各风室通过上面炉排的链条缝隙对炉膛内部送入风量，保证锅炉内的正常燃烧。

在锅炉旋转移动炉排运行过程中，根据炉排面上的燃烧情况，以不出现燃料堆积现象和出渣段完全燃烧为准，操作上通过变频调速器控制驱动减速电机的运转速度，通常的输出转速范围为 0.0206～0.206 r/min。

3.2.2 旋转移动炉排的结构特点

锅炉旋转移动炉排一般有5大类：横梁式链条炉排、大鳞片式链条炉排、小鳞片式链条炉排、链带式链条炉排(包括轻型链带式、活芯式和大块式)。目前新建糖厂项目上采用横梁式旋转移动炉排，该类型的炉排主要由7个主要部件组成（图2），此外系统中还包括了炉排驱动减速电机及调速器，炉排转动机构辅助润滑系统等。

图2 横梁式旋转移动炉排结构侧视图

选择合适的炉排片是锅炉安全运行的重要环节，而横梁式链条炉排是一种相对机械化的、结构精巧、技术先进的层燃结构，广泛用于大型层燃锅炉中，适合以甘蔗渣、木柴、稻壳为燃料的燃烧设备。其技术特点包括：

(1)炉排片宽度为50 mm，每块炉排片面上开有4个长形孔10 mm×6 mm，炉排片两侧边缘有5个长形半边孔10 mm×3 mm，锥形孔上小下大防止堵塞，炉排片开孔通风透气率约为5%。炉排片的结构如图3和图4所示：

图3 炉排片侧视图

图4 炉排片俯视图

(2)炉排结构紧凑、布局合理、刚性好，因此可以较传统鳞片式炉排做得更宽。

(3)炉排链条在导轨上运动基本不承受过高的层燃传热，而只担负使炉排运动的拉力；而由耐热材料制成的炉排片穿连在横梁上，担负支撑燃料燃烧的功能，但不受拉力，从而发挥了铸铁的特长，使炉排使用寿命增长。

(4)炉排的主、从动轴都装有链轮与链条啮合，有效防止了炉排跑偏。

(5)链条以绷紧状态行进，不易爬高、不易起拱，噪音较小。

(6)各风室的风量可独立调节，方便准确。

(7)炉排面平整，炉排片彼此重叠，排列紧密，既不易漏料，也不会出现炉排片脱落。而且由于炉排片是穿连在横梁上的，更换炉排片时不用停炉，在炉排后部就可快速进行更换。

(8)炉排片尺寸和间隔均匀准确，故整个炉排面布风非常均匀，大大改善了炉膛内的燃烧情况。

整体而言，旋转移动炉排结构复杂，初期设备投资高，但后期故障少，运营成本低，运行过程对燃料含杂量要求低，可以实现DCS自动机械除灰，劳动强度小。非常适合燃料泥沙含量大、高温高压的蔗渣锅炉。

3.3 旋转移动炉排与固定炉排的综合经济效益比较

通过比较分析使用固定炉排与旋转炉排的埃塞俄比亚糖厂 2015～2019年汇总统计数据(表2)，结果显示，固定炉排一次性设备投入成本低，但运营费用及因堵塞造成的损失费用高。而旋转移动炉排一次性设备投入成本高，但运营费用及因炉排故障造成的停机损失费用低。以2015～2019年发生的总成本及总损失为例进行比较，4年中固定炉排发生费用及损失总数271.24万元人民币，移动炉排发生费用及损失总数 262.7万元人民币。在此基础上，忽略其他因素影响，简单预计10年的使用成本，固定炉排为591.1万元，旋转移动炉排为335.75万元。显然，对比结果显示，旋转移动炉排的综合经济效益高于固定炉排。

表2 2015～2019年使用固定炉排与旋转炉排的总成本比较分析表

4 结论

根据对比分析结果，综合多年的海外制糖生产与运营经验，本研究发现，对于那些采用大型化、自动化、高参数锅炉同时配以机械化收割甘蔗的糖厂，采用旋转移动炉排替代固定炉排，其技术上更为可靠、生产安全率更高、综合经济效益更好。该炉排结构是适应非洲目前采用火烧蔗配以机械抓斗装车的甘蔗收获方式的技术改造，今后国内发展机械化收割是大趋势，可参考选择更符合市场发展趋势的旋转移动炉排。

旋转移动炉排的应用是国内甘蔗制糖在锅炉设计上的一次创新实践，又经过在非洲糖厂应用过程中得以不断改进和完善，具有较大的应用潜力。本研究对旋转炉排的应用技术和经验进行了总结，以期对国内糖厂在相关的工艺装备研究和糖厂改进决策方面有所启发。