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层燃机械炉排锅炉改造技术在节能环保领域的应用【摘要】截止至2022年底，我国在用工业锅炉超过60.73万台燃煤工业锅炉以层燃式机械炉排为主，占90%以上，其运行热效率仅为65%左右，比国际先进水平低15～20%，如果能使热效率提高到75%，可以节约7000万吨标准煤对运行锅炉实施炉膛改造，改造后燃烧可以达到或超过流化床、煤粉炉燃烧效果，看不到冒烟、烟尘初始排放可降低90%以上，锅炉受热面上没有飞灰粘结，并可以持续不变；可以降低鼓、引风机配套动力和除尘器动力消耗30%对新制造锅炉，可降低排烟温度100℃，节约钢材15%以上，节约锅炉辅助动力40～60%结合当前炉排、鼓、引风机变频技术，可使锅炉使用效率达到和保持85～90%对照热工测试报告、烟尘排放测试报告和使用实例如能够在全国范围内实施，年可节省标准煤在1亿吨以上（包括节省电力），按照每吨标准煤800元计算，可节约燃料煤费用800亿元/年，可减少烟尘排放量约300多万吨、SO2：35万吨、CO2：2.5亿吨还可以节约大量钢材，具有极大的社会效益和经济效益关键词】节能减排；燃烧效率；回燃拱；下降管0.前言截止至2022年底，我国拥有高耗能特种设备300.3万台，包括锅炉67.3万台。

在“十一五”期间，我国燃煤工业锅炉平均运行热效率仅为65%左右，比国际先进水平低15%～20%，能源浪费相当严重，有约7000万吨标准煤的节能潜力（见国家质量监督检验检疫总局高耗能特种设备节能“十二五”规划草案）燃煤工业锅炉以层燃式链条炉为主，改造后其实际使用热效率均可提高到80%以上，结合当前炉排、鼓、引风机变频技术，还可以降低鼓、引风机、除尘器配套动力消耗30%，并且可以燃用各种煤，提高炉排燃烧率，提高锅炉出力，大大降低炉渣含碳量，大大降低锅炉大气污染物排量，并消灭锅炉烟气排放黑度；其年可节省标准煤在1亿吨以上（包括节省电力），按照每吨标准煤800元计算，可节约费用约燃煤费用800亿元，可减少烟尘排放量约300多万吨、SO235万吨、CO22.5亿吨1.机械炉排层燃锅炉现状1.1现状概述层燃燃煤机械炉排锅炉是历史最悠久、也是技术最成熟、运行最可靠、设备最简单、投资最小、操作最简便、是目前运用最广泛的一种热能动力设备世界上包括发达国家均在使用，目前还没有一种技术能够替代层燃燃煤链条炉排锅炉技术随着层燃燃烧设备大型化技术的发展，层燃燃煤锅炉的容量仍然具有上升空间，大容量层燃燃煤水管锅炉也会受到市场的进一步青睐。

由于工业锅炉排放大量烟尘以及SO2和NOx等污染物，成为我国大气主要煤烟型污染源之一我国每年工业锅炉的污染物排放约为：烟尘800万吨，SO2900万吨，CO212.5亿吨目前，从总体上看，工业锅炉能源消耗和污染排放均位居全国工业行业第二，仅次于电站锅炉，煤炭消耗量远高于钢铁、石化等高耗能工业行业全国重点城市工业锅炉排放造成的污染已经超过了电站锅炉如能采取有效对策和措施，节能减排意义十分重大[1]注：上表为我国利用GEF（全球环境基金会）项目所做的调查之一1.2原有技术缺陷现有工业锅炉，特别是运用广泛的机械炉排层燃锅炉，重点是使用广泛的链条炉排燃煤锅炉，虽然具有悠久的使用历史和方便适用、较为经济的使用功能，但是却没有完美的消化吸收功能下面从现有炉和锅的设计、使用缺陷加以论述1.2.1炉的缺陷现有机械燃烧层燃锅炉（机械链条炉排、往复炉排等），炉膛燃烧采用前、后拱装置，前拱反射高温点燃燃煤，后拱强化燃烧并帮助前拱点燃新燃料，燃烧后产生的高温烟气，由前、后拱之间的喉口进入炉膛上部燃烬室，再进入对流管束散热后排出炉体以上设计在使用过程中发现有以下缺陷：（1）现有机械燃烧层燃锅炉，其着火燃烧是采用上点火、下吹风方式；众所周知，火的燃烧是向上的，向下引燃本来就是很困难的，况且下面又有冷风向上吹，而炉膛结构又没有向下燃烧的强制机制，因此着火和燃尽的难度就相当大。

2）炉膛燃烧温度低，着火困难炉膛结构不合理，前拱反射着火能力弱，造成燃煤进入炉膛后着火困难，致使着火距离长，300～500mm甚至更长距离才能着火燃烧，时有断火熄灭发生；特别是对无烟煤、劣质煤，更难着火燃烧；严重影响炉排燃煤量和煤层燃烧时间，致使锅炉出力不够和大量煤炭不能完全燃烧3）缺少烟气燃烧的必然机制，化学不完全燃烧热损失高从燃煤进入炉膛到燃煤正常燃烧，也就是煤的加温、干馏、着火段，恰恰是在前、后拱之间的喉口正下方和略后段，这时候正好是燃煤中的挥发份析出时段，可燃气体在燃煤被加温点燃之前及着火初期开始陆续析出，且着火温度一般要高于煤炭的着火温度，刚刚着火的煤炭温度很难点燃；这时，也正是鼓风机给风燃烧时段，进入炉膛的煤屑也正好被鼓风机吹起、引风机吸走；于是强大的鼓、引风气流裹夹着尚未来得及燃烧的可燃气体和大量煤屑，被送入锅炉受热面，很快被冷却、并迅速排出炉外，可燃气体急速转化为炭黑，变成滚滚黑烟被排出可燃气体和大量煤屑在炉膛的流程、停留时间极其短暂4）炉膛燃烧温度低，煤炭难以燃尽在炉排燃烧的中段，由于煤的挥发分已大部析出，留下的煤已变成焦炭，而焦碳在低氧状况下燃烧，需要很高的燃烧温度，而这时炉排上的煤由于鼓风机的强力吹风，小煤粒已被吹跑或燃尽，大的焦炭块孤立在炉排上，形成孤柴，缺少了着火燃烧的高温维护环境，虽然有后拱的反射、烘烤，无奈炉膛尾部温度不高，自然也就反射不出高温。

因此，孤柴难着，又经鼓风机吹入的风冷却，自然就无火可燃了，“导致相当数量的焦炭因炉膛温度经常出现低于900℃的情况而不能再燃烧被白白浪费”[1]，致使炉渣含碳量居高不下5）缺少烟气、空气混合机制，过剩空气系数高；锅炉燃烧所需空气，由鼓风机吹入炉膛，理论设计一般采用1.1～1.3，然而现有机械炉排层燃锅炉的燃烧部分，其设计上没有使空气和烟气均匀混合的强制机制，又由于煤层进入炉膛的均匀度及炉排通风的密封度等原因，经常出现火口等透风现象，使燃烧所需空气不能均匀供给，并且不能够进行均匀混合，以烟气团、空气团的形式排出炉外，一方面缺氧，可燃气体不能完全燃烧，冒黑烟，另一方面排烟过剩空气系数又很高，多余空气带走大量热能，增加锅炉热损失下面是上海市部分区、县燃煤工业锅炉实测过量空气系数apy统计平均值：（摘自《我国工业锅炉使用现状与节能减排对策探讨》何心良，上海工业锅炉研究所，2022-03-01）6）煤种、煤质适应性差7）炉排漏煤量大，层燃机械炉排由于设计、制造、使用等原因，造成炉排漏煤量很大，热损失大8）飞灰量大、含碳量高达60%，热损失大9）操作难度大，对司炉人员司炉技术要求高要求运行人员具备观察火床、火焰燃烧状态，查看煤质、烟色，判断燃烧产物、燃尽程度、过量空气系数大小等经验性知识，并对有关组织燃烧调整、选择合理运行方式等规律性的东西熟练掌握，才能对锅炉进行很好的运行。

要达到这种要求，司炉人员必须要经过长期严格的专业培训，显然，这种要求是不现实的，是难以达到的10）锅炉炉膛设计没有消烟、除尘机理，黑烟烧不掉，烟尘落不下，锅炉初始烟尘排量高，黑烟滚滚冒，环境污染严重锅炉烟尘初始排放量很难达到GB13271-2001《锅炉大气污染物排放标准》规定1600～2000mg/m3的标准，这是大量烟尘在锅炉回转落下后的数值，而实际从炉膛出来的更高，并且大量粘结在锅炉对流受热面上，严重影响换热由于锅炉排烟含有大量烟尘，只能增加大量除尘设备及动力，用被动方式去除但是，也很难达到国家环保排放要求，造成能源二次浪费及环境严重污染1.2.2锅的缺陷单锅筒纵置、A型布置水管锅炉，其锅内介质循环采用自然循环，不设单独下降管；其锅炉补水由锅筒补给，并在锅筒设置给水分配管均布；热水锅炉进水由锅筒或下集箱管后部两侧进入，锅筒进入也设给水分配管均布；两种锅炉的炉膛两侧采用耐火材料浇筑隔烟墙，烟气流程是由后拱上部对流管束一侧进入，通过前拱上烟道回转到另一侧后，排出炉体这样的设计造成以下不良后果：（1）锅炉内介质循环不均匀，受热面管过烧，得不到很好冷却，经常发生锅炉水管爆裂2）锅炉进水在锅筒内虽然尽量均布，却不能保证均匀给水，热水锅炉更甚。

3）烟气流程从一侧转到另一侧，使受热面管束受热不均匀，一侧温度很高，一侧温度很低4）高温一侧部分受热面管束水循环量不够，不能得到很好冷却，容易产生受热面管束过热结垢爆裂5）低温部分受热面管束水循环不畅，容易产生过冷结垢爆裂6）烟气流程由锅炉炉膛一侧对流受热面转向另一侧对流受热面，其水的蒸发温度就200℃多，必然造成排烟温度居高不下7）烟气流程通道中的入口、中转、出口截面的变化，造成烟气流冲刷受热面死角，很大一部分受热面管束得不到有效冲刷，成为积灰死角，使对流受热面不能充分利用8）炉膛两侧用耐火材料浇筑隔烟墙，遮挡了部分受热面积9）烟气从后拱上部一侧进入，开口小，入口阻力大；炉膛两侧用耐火材料浇筑隔烟墙，占据了烟气通道，增加了烟气阻力10）炉膛两侧用耐火材料浇筑的隔烟墙，由于制作技术条件限制、材料热胀冷缩、运输、吊装的震动等因素，容易造成气孔、裂纹等缺陷，使烟气短路，致使部分高温烟气直接排出2.改进概要针对以上锅和炉的缺陷，我们经过反复试验，对层燃机械炉排燃煤锅炉的燃烧和热量的吸收，进行了大胆的、颠覆性的改进使其更加适应使用和完备，使锅炉在长期使用中，始终能够保持高效率2.1增加回燃拱的设计通过在炉膛前、后拱下方，增加一向后反烧的回燃拱，改变了炉膛炉排燃料的燃烧方式，由原来直接向上燃烧，改变成向上燃烧加向后纵向燃烧。

强迫高温烟气向后燃烧，增加烟气在炉膛中的流程见下图：1、前拱2、后拱3、向后反烧的回燃拱2.2大口径下降管的设计在锅炉的炉膛两侧设置炉膛膜式水冷壁；锅筒和两侧集箱管间设置大口径下降管；在炉膛后拱上部两侧开烟气进入对流受热面入口；在对流管束中部设置水平隔烟板，分为上下烟道；在锅炉后墙上部两侧开高温烟道清灰口，使积灰清理方便减小了烟气在锅炉中的阻力，从而减小配套引风机动力见下图：1、进水管2、下降管3、膜式水冷壁4、下集箱5、上烟道6、隔烟板7、下烟道8、烟气流向9、炉外烟道3.有益效果通过上述对炉和锅的技术改进，并对改进后的锅炉进行了实际使用和观察，取得了显著效果，并进行了热工测试、环保测试以下是取得的有益效果3.1增加回燃拱后的有益效果（1）增加了炉内烟气停留时间，消除了化学不完全燃烧热损失通过实际燃烧试验，火焰在回燃拱中产生自两边向中间上下涡旋反复燃烧，大大增加了烟气在炉膛中的流程，增加烟气在炉膛中的燃烧时间，使炉膛中的可燃气体与进入炉膛中的空气充分混合，使煤中析出的挥发份在炉膛中长时间、长距离充分燃烧，同时，大大提高了炉膛燃烧温度；接着，高温烟气从回燃拱尾部出到炉膛后部，再转入回燃拱与后拱之间烟道，由前、后拱之间的喉口转入后拱上部燃烬室；在此流程中，可燃气体进一步得到完全燃烧，然后进入对流管束传热冷却、排出；锅炉运行时，原始排放看不到有烟冒出，彻底消除了化学不完全燃烧热损失。

2）具有了烟气空气强制混合机制，省去了二次风装置由于炉拱的拱型圆弧结构和设计烟风运行的路径，致使高温烟气形成左右、上下涡旋运动，使高温烟气对煤层反复燃烧，使进入炉膛中的空气和烟气能够充分混合，并充分燃烧，省去了二次风装置，及辅助动力3）解决了炉排点火难题，增加了炉排燃烧长度和使用面积高温烟气在回燃拱中充分燃烧后，沿回燃拱与后拱之间烟道，高速冲向前拱倾斜反射面，经碰撞向下折返，冲向炉排入口煤层点火，被其裹夹的、燃烧着的煤屑、尘粒，随着落入炉排煤层，进一步引燃新煤，然后烟气向上返转，通过前、后拱之间的喉口转入后拱上部燃烬室；这样使新煤进入炉膛50mm内即可点燃，解决了炉排点火难题，增加了炉排燃烧长度和使用面积4）可适应各种。