“大象抽屉”原理在蔗渣锅炉风室清灰的可行性研究

林松海，唐斌兵

（1.广西来宾东糖凤凰有限公司，广西 来宾 546102；2.广西东糖投资有限公司，广西 南宁 530007）

0 前言

广西糖企中使用的锅炉大部分为蔗渣沸腾炉，容量在35～150 t/h之间，炉排的标高在+1000～+1500 mm之间，锅炉炉底风室进风采用“田”字送风及分段送风两种。“田”字送风是将整个炉底风室分隔为4个相同大小的小风室；分段送风是将炉底风室分隔为前、中、后三段。广西各糖企对炉底风室的积灰清理主要采用干、湿两种清理方式，其中大部分糖企主要采用人工干式清灰，小部分糖企是在风室加装螺旋采用机械清灰；湿式清理方式主要利用水力将风室内积灰冲走。本文仅讨论“大象抽屉”原理在炉底风室干式清灰中的应用。

广西糖企大部分建厂较早，这些糖厂锅炉原设计时一般采用人工干式清灰，且当地多为人工砍蔗、装车，甘蔗夹带泥沙较少，故锅炉风室内积灰也较少，3～5天人工清理一次，工作量较少。随着科学技术的发展，2012年开始普及甘蔗机械化收割和装车，入厂甘蔗中不可避免的夹带有较多的泥沙，部分泥沙跟随蔗渣进入锅炉燃烧，造成风室内积砂量大幅度增长，而积砂太多时，风室空间减少，压缩了热风进入风室的风量，因此，在入炉蔗渣燃烧时，因炉底风风量不足，造成燃烧工况恶化，燃烧不完全；炉排上的积渣积垢硬化快，炉排因无炉底风冷却而损坏；烟气中颗粒物含量高，大于2000 mg/Nm3，超出了除尘器的最大除尘能力，造成烟气排放不达标。部分糖企为保护锅炉，在甘蔗进入榨机前先经过除杂系统，降低入榨原料蔗的含泥砂量，但大部分糖企因场地受限，无法安装除杂系统，且随着人力资源的紧缺及制糖生产的季节性特点，招聘锅炉清灰人员难度加大。因此，如何快速减少风室清灰的工作量，保证锅炉的正常燃烧，是摆在广西大部分糖企面前的重要难题。

1 风室清灰

1.1 使用现状

广西来宾东糖凤凰有限公司日榨量11000 t，有2台75 t/h和1台50 t/h的锅炉。其中2005年投运的1台75 t/h的蔗渣炉，采用“田”字送风风室，原设计采用斜坡炉排，水冷炉梁采用q235A材质，炉排面布置有蒸汽吹扫器。使用后发现水冷炉梁容易泄漏变形，且当蔗渣不完全燃烧时，炉膛内堆积有较多未燃烧的蔗渣，无法靠蒸汽吹扫器清理，其炉排的斜坡设计，人工清理难度更大。2009年对这台蔗渣锅炉进行技术改造，取消蒸汽吹扫器，将斜坡炉排改为标高+1100 mm的水平炉排，水冷炉梁更换为材质RQTSi5.5的耐热炉梁，人工清理炉排、风室内的积渣。另外1台75 t/h的锅炉原为煤粉炉，2004年投运，因原煤价格问题，2008年被更改为蔗渣煤粉炉，增设了采用前中后三段送风的前置炉膛，设计为水平炉排，采用人工清理炉排面的积渣，采用水力冲灰模式清理风室内的积灰。在运行中发现，风室水力冲灰时不仅将积渣冲出，还带出较多未燃烧的蔗渣和炉膛的热量。因此，2011年糖厂将水力冲灰更改为人工清灰。50 t/h的锅炉送风采用前后两段送风方式，人工清灰。

2015年后广西大力发展甘蔗机械装车，该厂蔗区也开始使用机械装车，当时压榨工段没有安装除泥装置。在2018年检修期，该厂在甘蔗入喂蔗台前，增设了甘蔗的除泥装置，并统计了增设除泥装置前后锅炉清灰的数据对比，如表1所示。

表1 增设除泥装置前后锅炉清灰的数据对比表

从表1可看出，炉排清灰时间基本没有得到改善，而风室清灰采用机械收割及装车后，灰渣的量明显增多，清灰的时间较长。

1.2 清灰的工作

锅炉清灰人员主要清理炉排面上产生的灰焦块和掉入风室内较大且重的灰渣、燃料混合物。清灰时，为保证清灰人员的安全，防止炉内火焰喷出，炉膛负压这一参数要从正常运行时保持的+10～-100 Pa调整至≥-150 Pa，为保证清灰时锅炉的正常供汽，只能使用灰耙按顺序清理后并关闭一个炉门，再进行下一个炉门灰渣的清理。清渣的顺序为打开炉膛炉门，先清理炉排面的灰渣，再清理风室的。部分糖企使用蒸汽吹扫炉排面，减少清理炉排面灰渣的工作量，缩短打开炉门的时间。清理风室时，因风室炉门较小，安装位置低，标高约为+100 mm，人工需弯腰进行清理，若风室内积渣较多，清理时间变长。

1.3 长时间清灰的危害

根据清灰运行操作程序中［1］，清灰作业时调整锅炉鼓风和引风量，锅炉炉膛负压基本保持在-200 Pa左右，故人工对风室清灰时，从打开风室炉门开始，可视为一直负压抽入冷风，按炉门大小为0.4×0.4 m，冷风微负压流速为0.5 m/s，8小时风室炉门打开时长为60 min计，则一天24小时分3次打开炉门的时间为60min×60s×3=3600s×3=10800s，根据流体流量公式V总=A截面×W流速，则24小时的入炉冷风量如下。

V冷= 0.4×0.4×0.5×10800=864 m3

这部分冷风量入炉后，快速吸收了入炉燃料蔗渣的发热量，使其温度达到锅炉热风的风温，按冷风风温20 ℃，热风风温200 ℃计，查“空气焓值表”［2］可知，20℃空气焓值为57.78 kJ/kg，密度为1.205 kg/m3；200℃空气焓值为627.15 kJ/kg，密度为1.165 kg/m3，根据流体质量公式M重量=V体积×ρ密度，热量公式Q热=M重量×H比焓，则冷空气变成热风所需要的热值如下。

△Q=Q热-Q冷=864×1.165×627.15-864×1.205×57.78=571108.19 kJ

按热量公式4.1816 kJ=1kcal，冷空气变热风所需热值换算为大卡则为571108.19 kJ÷4.1816 kJ/kcal=136576.48kcal。查“蔗渣低位发热量表”［3］可知，蔗渣水份为48.5%时，其低位发热量为1911 kcal/kg，则换算成蔗渣量为136576.48÷1911≈71.5 kg。

从计算结果得知，窜入的冷风量升温所需热量折算为蔗渣量并不多，但入炉冷风会降低炉膛的炉温，延长了入炉蔗渣的着火时间，而蔗渣炉内燃烧设定的时间为0.3～0.4 s，因此，增加了蔗渣不完全燃烧的可能性。

综上所述，改变传统的蔗渣锅炉风室的人工清灰方式，提高清灰效率，降低因长时间清灰带入的冷风量的负面影响，已迫在眉睫。

2 “大象抽屉”原理的可行性方案

2.1 原理及理论可行性

“大象抽屉”原理主要是快速3步法将大象装入冰箱内。第一步打开冰箱门；第二步将大象放入冰箱的抽屉内；第三步将冰箱门关上。该原理运用在锅炉燃烧时，是将锅炉风室视为冰箱，炉门视为冰箱门，当风室内加装入“大象抽屉”时，清灰的步骤则变为简单，打开炉门，取出“大象抽屉”，放入备用“大象抽屉”，关上炉门。从理论步骤来看，工作人员在锅炉外给取出的“大象抽屉”清灰，将大大的减少风室的清灰时间，减轻人工劳动强度，减少人员被烫伤的可能性，同时减轻冷空气对锅炉的危害性。

2.2 理论改造方案

以图1改造前的“田”字风室为例，根据炉门大小，可以在其风室内加装50°的斜护板，形成每个炉门的落料斗，按落料斗下部长宽尺寸制作带轮的“大象抽屉”，为保证能快速的清灰，每个炉门口都有备用“大象抽屉”，如图2所示。

图1 改造前“田”字型炉膛风室俯视布置图

图2 改造后“田”字型炉膛风室俯视布置图

2.3 改造难点

2.3.1 增大风室内斜护板的坡度

炉排面标高在+1000～+1100 mm之间，而要使炉排落到风室的积灰不堆积在斜护板上，斜护板的斜度应≥50°，但有的糖企锅炉炉排面标高较低，风室炉门安装较高，若灰斗斜度不足时，炉排落下的灰渣较难顺利的集中到“大象抽屉”中。为保证斜护板坡度，则需将400×400 mm的正方形炉门更换为扁宽的长条形炉门，同时安装斜护板制成的灰斗时，增加了因原入炉底低热风进入炉排的阻力，为保证原热风顺利的通过炉排，在斜护板上开设部分长条状孔缝。

2.3.2 “大象抽屉”的型式

受斜护板制成的灰斗落口截面影响，“大象抽屉”的型式为长条状，长度为2200～3000 mm，宽度为400～800 mm。为保证“大象抽屉”强度，根据力学计算［4］在“大象抽屉”结构本身加布筋板，即在底盘长度方向每隔500～800 mm增设一段Q235材质，使用≥35#角钢制成的U形筋，防止底盘受热软化。同时，为方便“大象抽屉”的安放和倒出，可在地基处按同尺寸安装导轨，拖轮采用卡槽式，以方便定位，如图3所示。

图3 带导轨的“大象抽屉”拖轮局部图

2.3.3 材料的选型

因风室新加装的斜护板，长时间与200℃热风直接接触及受热幅射，根据材料的力学性能［5］，斜护板采用耐热铸钢件；“抽屉”为间歇使用且受热时间相对较短，可采用碳钢或耐热铸钢。

3 “大象抽屉”的应用

2020/2021 年榨季，广西来宾东糖凤凰有限公司曾制作两个150×300×1800 mm的简易无盖箱体，箱体使用б=3 mmm的Q235-A钢板。在未制作风室斜护板的前提下，以2个φ108的皮带托辊作为箱体托架，放入一台75 t/h“田”字风室蔗渣炉左后1、左后2的风室内，再放入无盖箱体，右后1、右后2风室按原人工清灰方式清灰。运行8小时后，清灰人员开始对该炉风室进行清理作业，从“田”字后墙主燃烧区下风室的4个炉门开始进行作业计时，并对清灰数量进行过磅称重。风室左后和右后4个炉门的清灰耗时及重量，如表2所示。

表2 “大象抽屉”清灰与人工清灰比对表

从表2看出，使用“大象抽屉”模式的风室清灰法，单个炉门的风室清灰时间约3分钟，而人工清理时间约7分钟，如风室内积砂较多时，则清灰时间更长。一台锅炉布置有8个风室炉门，人工清灰时间则为7×8 = 56分钟，而将锅炉风室全改造为“大象抽屉”模式，则需要的时间仅为3×8 = 24分钟，由此可见，采用“大象抽屉”模式的风室清灰方法比传统的人工清灰速度快一倍以上，且人工清灰时需用眼时时观察风室内部积砂情况，打开炉门时，可能有部分较小的火星被炉底热风正压吹出，对工人存在安全隐患。而“大象抽屉”模式仅需要人员打开炉门，观测炉内燃烧情况后，用铁钩钩住“大象抽屉”的手柄，把“大象抽屉”拉出，再关上炉门，安全性高。所以“大象抽屉”原理在蔗渣锅炉风室清灰的运用是可行的。

4 结语

随着甘蔗机械收割和装车的发展，大量泥砂跟着蔗渣进入糖企锅炉，按照传统的人工清灰方式，增加了工人的劳动强度，加大了对人力资源的需求，且清灰时间的延长，增加了锅炉清灰时窜入炉的冷风量，降低了燃料的着火时间，燃料的不完全燃烧现象增多，锅炉的热效率进一步降低。本文利用“大象抽屉”原理对锅炉进行改造后，减轻了劳动力需求，同时满足了糖企锅炉的生产。若场地条件许可，在风室清灰时使用备用“大象抽屉”，一进一出，配合使用叉车、卷扬机和钢丝滑轮等吊具，提高了人员的劳动安全性。故“大象抽屉”原理是糖企锅炉风室干式清灰的有效改进方法。