李海鋒

【摘 要】結(jié)合棕櫚廢料燃燒的特點(diǎn)，通過(guò)改變傳統(tǒng)生物質(zhì)蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結(jié)構(gòu)，解決了因燃料含水分大、著火燃燒困難、灰熔點(diǎn)低、易在爐膛結(jié)焦和NOX化物排放濃度高的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】棕櫚廢料鍋爐；燃燒方式；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TK222 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）01-0062-04

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們的節(jié)能意識(shí)和環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，國(guó)際社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的要求標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，因此對(duì)清潔能源的開發(fā)和利用也逐步走上議事日程。生物質(zhì)能源因廉價(jià)和可再生性而受到各國(guó)廣泛的關(guān)注。生物質(zhì)燃料已成為世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，可以為政府提供多贏的能源解決方案，也降低了對(duì)遙遠(yuǎn)的、政局不穩(wěn)甚至是危險(xiǎn)國(guó)原油的依賴程度，有利于能源安全。對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球的節(jié)能減排降碳排放的目標(biāo)有著重大意義。

棕櫚廢料是生物質(zhì)能源之一，棕櫚植物榨取油料后剩下了一種輕質(zhì)高水分纖維燃料，這樣的廢料在東南亞國(guó)家的棕櫚油廠每天都會(huì)產(chǎn)生很多，目前還沒(méi)有得到較好的利用。它主要由3個(gè)部分組成：纖維，也就是棕櫚果榨好棕櫚油后的余料，低位熱值在12 556 kJ/kg；棕櫚果的殼，熱值很高，像煤一樣，價(jià)格也很貴；果串，低位熱值為7 600 kJ/kg。棕櫚的果串水分很高，天然未處理過(guò)的果串水分達(dá)70%，經(jīng)過(guò)處理后的果串的水分也在50%以上，并且燃燒后的灰熔點(diǎn)低。因此，此種燃料運(yùn)用于鍋爐上，含水分大、燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點(diǎn)低、易在爐膛結(jié)焦，NOX化物排放濃度高。

本文結(jié)合棕櫚廢料燃燒的特點(diǎn)，通過(guò)改變傳統(tǒng)生物質(zhì)蒸汽鍋爐的爐膛及煙氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運(yùn)行，重點(diǎn)闡述棕櫚廢料鍋爐的燃燒方式和結(jié)構(gòu)，解決因燃料含水分大，燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定；灰熔點(diǎn)低，易在爐膛結(jié)焦；NOX化物排放濃度高的問(wèn)題。

1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐的額定蒸發(fā)量為45 t/h；過(guò)熱蒸汽出口壓力為5.3 MPa（表壓）；過(guò)熱蒸汽出口溫度為510 ℃；鍋筒壓力為5.8 MPa（表壓）；熱效率≥87%；排煙溫度為146 ℃；給水溫度為120 ℃。45 t/h棕櫚廢料鍋爐簡(jiǎn)圖如圖1所示。

棕櫚廢料經(jīng)破碎、脫水預(yù)處理后的主要特性數(shù)據(jù)見表1。

2 鍋爐的燃燒方式

目前，電站鍋爐使用的棕櫚廢料鍋爐絕大多數(shù)是采用整體布置的往復(fù)爐排，且沒(méi)有設(shè)置鍋爐尾部煙氣循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致燃料含水分大、著火燃燒困難，爐膛燃燒溫度不穩(wěn)定，灰熔點(diǎn)低、易在爐膛結(jié)焦，NOX化物排放濃度高的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的鍋爐采用爐膛分段燃燒結(jié)構(gòu)和尾部煙氣循環(huán)燃燒系統(tǒng)，可以解決上述難題。

通過(guò)改變傳統(tǒng)生物質(zhì)蒸汽鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)和采用煙氣循環(huán)系統(tǒng)，在爐膛設(shè)置烘干段往復(fù)爐排和燃燒段往復(fù)爐排，將含水分較大的棕櫚廢料送入爐膛烘干段往復(fù)爐排區(qū)域內(nèi)進(jìn)行前期烘干處理，再進(jìn)入爐膛的燃燒段往復(fù)爐排區(qū)域，保證棕櫚廢料燃燼；通過(guò)從尾部煙道將含氧量較低的煙氣經(jīng)凈化后，煙氣溫度達(dá)到300 ℃左右，分多路引入爐膛，根據(jù)爐膛各區(qū)域的氧濃度，利用自動(dòng)化控制該區(qū)域的煙氣量和一次風(fēng)量，控制爐膛燃燒溫度在850 ℃左右。烘干段往復(fù)爐排區(qū)域、燃燒段往復(fù)爐排區(qū)域、燃燼區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)分別控制在0.55～0.75、0.75～1.1、1.1～1.20。在烘干段往復(fù)爐排區(qū)域處于欠氧狀態(tài)，抑制燃燒過(guò)程，改善爐膛內(nèi)溫度分布，此過(guò)程可有效地制止燃料中的N轉(zhuǎn)化為NOX化物，然后進(jìn)入燃燒區(qū)域迅速、完全燃燒。以上措施解決了爐膛燃燒不穩(wěn)定和結(jié)焦的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)棕櫚廢料蒸汽鍋爐的高效節(jié)能、安全運(yùn)行。設(shè)置送料風(fēng)管使棕櫚廢料在爐膛內(nèi)懸浮燃燒，避免棕櫚廢料在爐排面堆積，影響燃燒效果。后拱和爐膛出煙口下部分別設(shè)置二次風(fēng)管、三次風(fēng)管，可補(bǔ)充棕櫚廢料在爐膛內(nèi)懸浮燃燒所需要的氧，并對(duì)燃燒區(qū)域和烘干區(qū)域內(nèi)的煙氣產(chǎn)生擾動(dòng)，增加煙氣的停留時(shí)間，保證棕櫚廢料在爐膛內(nèi)烘干和燃燼達(dá)到最佳的效果，避免未燃盡棕櫚廢料進(jìn)入鍋爐的尾部受熱面產(chǎn)生二次燃燒，從而保證鍋爐的安全運(yùn)行。

3 鍋爐的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的鍋爐為室外布置，自然循環(huán)單鍋筒鍋爐，采用“∏”形布置，鋼構(gòu)架，爐膛部分懸吊，尾部煙道支承。

各部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述如下。

（1）爐膛水冷壁為膜式壁結(jié)構(gòu)，用φ60 mm×5 mm的管子和20 mm×4 mm的扁鋼組成，節(jié)距為80 mm。下部敷設(shè)衛(wèi)燃帶區(qū)域，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化燃燒。下降管系統(tǒng)用2條集中下降管，其規(guī)格為φ325 mm×16 mm，再分別用φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成分散下降管分別引入下集箱，兩側(cè)水冷壁的引出管由管徑為φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子組成；后水冷壁引出管由管徑為φ133 mm×6 mm的管子組成；前水冷壁由水冷壁管直接引入鍋筒，水冷系統(tǒng)集箱規(guī)格為φ219 mm×20 mm，水冷系統(tǒng)所用的材質(zhì)均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。

整個(gè)水冷壁懸吊于爐頂鋼架上，鍋爐運(yùn)行時(shí)整個(gè)爐膛一起向下膨脹，由于前水冷壁和后水冷壁支吊點(diǎn)低于側(cè)水冷壁支吊點(diǎn)，故前、后水冷壁采用彈簧吊架，安裝和運(yùn)行時(shí)必須適當(dāng)調(diào)整彈簧，避免膨脹不等造成過(guò)大的熱應(yīng)力。為了保證爐膛的整體剛性，在水冷壁四周裝有強(qiáng)度足夠的剛性梁，以保證爐膛的整體性。爐膛開有必要的測(cè)量孔、看火孔、人孔和防爆門。點(diǎn)火方式為爐排上木柴點(diǎn)火。

（2）鍋筒及內(nèi)部裝置。鍋筒內(nèi)徑為1 400 mm，筒身壁厚50 mm，筒身由鋼板卷成，兩端球形封頭由鋼板沖壓而成，封頭壁厚50 mm，筒身和封頭材質(zhì)均為Q345R，重量約18 t（包含鍋筒內(nèi)部裝置）。鍋爐運(yùn)行時(shí)，鍋筒正常水位在鍋筒中心線下50 mm，允許水位在0水位（±75 mm）范圍內(nèi)波動(dòng)。

鍋筒與水冷壁管、汽水連接管、蒸汽引出管、分散下降管均采用焊接結(jié)構(gòu)，鍋筒由支座支承于頂板上。鍋筒內(nèi)部裝有20個(gè)φ260 mm的旋風(fēng)分離器。每個(gè)分離器的平均負(fù)荷為1.75 t/h，分離后的蒸汽經(jīng)過(guò)鍋筒頂部的百葉窗和多孔板的再一步分離后，由蒸汽引出管引入過(guò)熱器，省煤器引出管用φ60 mm×4 mm的管子直接引入鍋筒，沿鍋筒全長(zhǎng)均勻布置。鍋筒內(nèi)還裝有連續(xù)排污管、緊急放水管和加藥管等裝置。鍋筒給水品質(zhì)在符合中壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，排污率為2%。

（3）過(guò)熱器系統(tǒng)和調(diào)溫方式。過(guò)熱器布置在水平煙道中，由頂棚過(guò)熱器、包墻過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器組成，鍋筒里的蒸汽由3條φ108 mm×4.5 mm的蒸汽連通管引入過(guò)熱器進(jìn)口集箱，再由52根φ38 mm×4 mm的管子引出至爐內(nèi)水平煙道部分組成頂棚過(guò)熱器，然后直接彎曲成后包墻過(guò)熱器，經(jīng)由兩側(cè)包墻過(guò)熱器和底部包墻過(guò)熱器后進(jìn)入低溫過(guò)熱器。

頂棚管過(guò)熱器管和包墻過(guò)熱器管為φ38 mm×4 mm鍋爐管，材質(zhì)均為20 G（GB 5310—2008），低溫過(guò)熱器蛇形管和高溫過(guò)熱器蛇形管用φ38 mm×4 mm的管子，材質(zhì)均為12 Cr1MoVG管。低溫過(guò)熱器內(nèi)蒸汽與煙氣呈逆向流動(dòng)，低溫過(guò)熱器出口引入減溫器，蒸汽經(jīng)減溫后，引入高溫過(guò)熱器，高溫過(guò)熱器內(nèi)蒸汽與煙氣呈逆順混合流動(dòng)。過(guò)熱器出口集箱采用φ273 mm×16 mm，材質(zhì)為15 CrMoG。

過(guò)熱蒸汽的調(diào)溫方式：采用噴水減溫器，減溫器位于低溫過(guò)熱器與高溫過(guò)熱器之間，筒身規(guī)格為φ325 mm×20 mm，材質(zhì)為15 CrMoG鍋爐管，減溫水為鍋爐給水，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫水量的流量，可達(dá)到調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度的目的。

（4）省煤器。省煤器布置在鍋爐尾部豎井中，分為兩級(jí)，上級(jí)有2組蛇形管束，下級(jí)有1組蛇形管束，共有3組蛇形管束，給水從省煤器進(jìn)口集箱引入，經(jīng)下級(jí)省煤器管束后引到中間集箱Ⅰ，再?gòu)闹虚g集箱Ⅰ引入中間集箱Ⅱ和上級(jí)蛇形管，最后到省煤器出口集箱，用4根φ60 mm×4 mm的管子引入鍋筒，省煤器由單側(cè)引入、單側(cè)引出。

省煤器集箱共4只，均由φ159 mm×10 mm的管子組成，材質(zhì)為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管，省煤器管由φ32 mm×4 mm的管子組成，上級(jí)2組省煤器的橫向節(jié)距為90 mm，縱向節(jié)距為60 mm，下級(jí)省煤器的橫向節(jié)距為72 mm，縱向節(jié)距為60 mm，材質(zhì)均為20 G（GB 5310—2008）鍋爐管。上、下級(jí)省煤器均采用支承結(jié)構(gòu)，支承梁內(nèi)部通風(fēng)冷卻。

（5）空氣預(yù)熱器?？諝忸A(yù)熱器為兩級(jí)布置，上級(jí)管箱由φ51 mm×2.5 mm的鋼管制成立式管箱，下級(jí)管箱由φ60 mm×2.5 mm的考登管制成立式管箱，共有2組管箱，4個(gè)流程，每組管箱由3只小管箱組成。煙氣在管內(nèi)縱向沖刷。空氣在管外橫向沖刷，為了防止空氣預(yù)熱器的振動(dòng)和噪音過(guò)大，在每級(jí)管箱中的中間管箱都裝有防震鋼板。

（6）鍋爐范圍內(nèi)的管道。鍋爐范圍的內(nèi)管道是從給水操作臺(tái)起到蒸汽出口集箱主蒸汽閥為止的管道、閥門、測(cè)量?jī)x表等。給水操作臺(tái)共有3根并聯(lián)管道，主管道為DN80，裝有電動(dòng)截止閥和調(diào)節(jié)閥，在50%～100%負(fù)荷時(shí)用主管道進(jìn)行調(diào)節(jié)，旁路DN50的管道裝有截止閥，在低于50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)使用。旁路DN50的管道可用于啟動(dòng)時(shí)上水、升火及事故狀態(tài)下的調(diào)節(jié)，給水操作臺(tái)前分3路管道引出，一條DN50管道往過(guò)熱器反沖洗，2條DN50管道引入減溫器，管道上裝有調(diào)節(jié)閥和截止閥。鍋爐再循環(huán)管用DN50管道，再循環(huán)管道上裝有截止閥，在啟動(dòng)過(guò)程中開啟再循環(huán)截止閥，正常運(yùn)行時(shí)關(guān)閉再循環(huán)截止閥。

此外，鍋爐水冷壁下集箱、省煤器下集箱都裝有排污閥，過(guò)熱蒸汽出口集箱上裝有安全閥、壓力表、對(duì)空排氣管、反沖洗管、溫度計(jì)、熱電偶插座等，鍋筒上裝有安全閥、壓力表、各種水位表，以及自用蒸汽管、加藥管和緊急放水管等。為監(jiān)督汽水品質(zhì)，還裝有給水、爐水、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽取樣裝置。

（7）爐墻。鍋爐爐墻分2種形式，爐膛和過(guò)熱器部分為敷管爐墻，爐墻和膜式壁澆注成一體，通過(guò)管子吊在頂板上，其他區(qū)域?yàn)橹С惺捷p型爐墻，重量由各橫梁支承。

（8）構(gòu)架與平臺(tái)樓梯。鍋爐構(gòu)架為全鋼結(jié)構(gòu)，由10根立柱及頂板、橫梁組成。懸吊爐膛部分的6根立柱及尾部的4根立柱都放在標(biāo)高為4 m運(yùn)轉(zhuǎn)層上，為保證構(gòu)架的整體性，鋼架上設(shè)有必要的斜拉條。鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為4 m，地面標(biāo)高設(shè)為0 m，在鍋爐運(yùn)行時(shí)，需要操作和巡視檢修處，都設(shè)有平臺(tái)和樓梯。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們對(duì)使用本文設(shè)計(jì)的鍋爐的單位進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鍋爐試運(yùn)行成功。高水分的燃料著火燃燒容易、爐膛燃燒溫度穩(wěn)定、爐膛和出煙口無(wú)結(jié)焦、NOX化物排放濃度符合標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷穩(wěn)定、燃燒良好，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，表明本設(shè)計(jì)是成功的，用戶十分滿意，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的雙重效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算[M].第2版.北京：科學(xué)出版社，1998.

[2]《工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)方法》編委會(huì).工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[3]林宗虎，徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]胡蔭平.電站鍋爐手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]