鍋爐燃料分道燃燒與燃燒配風的研究

【摘? 要】針對人造板行業鍋爐燃料的變化性和多樣性，通過對燃料的燃燒分析，進行燃料分道燃燒與燃料配風的研究，從而使燃料燃燒更充分，提高鍋爐綜合效率，達到環保節能的目的。

【關鍵詞】分道燃燒;燃燒配風;木質燃料;砂光粉

引言

隨著我國經濟的發展，鍋爐行業產品也隨之迅猛發展，鍋爐從原設計的單一性燃料逐漸發展為變化性和多樣性的燃料，比如在人造板行業燃燒木質燃料的鍋爐里，總伴隨著另一種燃料砂光粉的燃燒，這兩種燃料如何結合在一起燃燒，如何提高兩者燃燒效率，節省的燃料成本，企業將會產生實際的經濟效益。

通常燃燒木質燃料采用往復機械爐排為燃燒設備，燃燒砂光粉采用燃燒器噴入爐內燃燒，一旦兩種燃料組合在一起燃燒，會出現很多難題和問題：如砂光粉的室燃空間、燃燒路徑、行程時間和在爐排面的位置;在配風的設計上，爐排面固定碳燃燒需要的一次風、氣態物質燃燒需要的二次風、伴著燃砂光粉的輸送風和助燃風以及二次風的布置在參數、功能方面也顯得無序與不確定。

采用分道燃燒的概念不同于組合燃燒：在布置和參量方面盡量遵循層燃與室燃的規則，并在設計燃燒方式、設備的布置、參量有明確的概念，使得鍋爐運行操作方面將得到有序的調節。

要解決好木質燃料的燃燒必須具備三個必要條件，滿足燃燒的空氣;足夠燃燒溫度;充足的燃燒時間和空間。要解決好燒木質燃料的結渣堵灰問題必須做到：砂光粉及木質燃料充分燃燒;燃燒后進入鍋爐對流段的煙氣溫度低于800℃;布置合理的燃燒空間及沉降空間，清灰設備的選用與布置。

下面將從多個方面闡述鍋爐燃料分道燃燒與燃燒配風的原理。

1.砂光粉燃料的燃燒

1.1燃燒空氣

砂光粉的組成：木質纖維、膠（尿醛樹脂或酚醛樹脂等）、砂帶上掉下的石英砂、粘石英砂的膠（環氧樹脂或三聚氰胺），砂光粉成分分析表格如下：

根據砂光粉的化學成份可以計算出每燃燒1Kg的砂光粉需要4.6Nm3的空氣，一般在配風時空氣過量系數取值1.2～1.3，所以每燃燒1Kg的砂光粉需配風6Nm3左右。為便于用熱負荷的調整同時考慮風力輸送的阻力和噴入爐子時的砂光粉速度不宜過高，風力輸送時按每燃燒1Kg的砂光粉需配風3Nm3左右，不足的空氣通過燃燒器的二次配風補充。

1.2燃燒溫度

當木材加熱溫度達到110℃時，木材中的水分開始蒸發，溫度升到150～180℃木材熱解，釋放出揮發份、甲酸、醋酸、二氧化碳;溫度達到225℃時，揮發份開始著火;當溫度升到400℃時揮發份燃盡，溫度升到500～580℃炭著火并燃盡;當溫度升至780～850℃重碳氫化合物燃燒并燃盡，燃燒過程結束。由于砂光粉的含水率很低，此時的理論燃燒溫度可達到1700℃， 當空氣過量系數為1.3時的實際燃燒溫度為1450℃。由于砂光粉的著火點低、燃燒速度快、燃燒溫度高，所以只要爐膛溫度高于450℃或爐膛內有明火就可以噴入砂光粉。

1.3燃燒時間和空間

砂光粉充分燃燒所需時間為2秒，即必須保證砂光粉在進入鍋爐對流段前在爐膛內的停留時間超過2秒鐘。一般煙氣在爐膛內的流動速度為3m/s，所以，為確保砂光粉的充分燃燒，爐膛設計時必須加大爐膛空間，保證燃燒煙氣在爐膛內流程超過7m之后再進入鍋爐對流換熱區，避免鍋爐受熱面管子積灰。同時，燃燒空間大還可以防止砂光粉噴入爐膛在著火瞬間的爆燃。

1.4砂光粉的分道燃燒

在常規的燃燒室布置砂光粉的燃燒局限于空間位置的困難，只有加大設計爐膛空間才能實現：砂光粉燃燒器離爐排面6-7米，絕熱爐膛高度7米，煙氣調節溫度后才能進入鍋爐對流受熱面，為了符合砂光粉的燃燒規律，提出砂光粉的分道燃燒。在爐排后拱上部設置砂光粉的燃燒室，設置的燃燒空間、燃燒路徑符合空氣動力場的要求，這樣布置的燃燒室利用了爐排高度空間和深度空間，從燃燒器出口到燃燒室可達到6-7米的行程，另外燃燒空間容積較大，提高了砂光粉燃盡率，建立砂光粉的分道燃燒室可以組織兩個獨立的燃燒空氣動力場，與爐排的燃燒空間獨立運行，操作運行時互不干擾，實現砂光粉分道燃燒。

2.燃燒木質燃料的結渣堵灰

2.1結渣堵灰現象

目前在多臺鍋爐對流受熱面中產生了嚴重的堵灰現象，鍋爐出力減半;同時在煙氣流程中同樣結渣堵灰嚴重，配置的吹灰器系統不能清潔受熱面。固體燃料都有不可燃燒的灰渣量，煙氣夾帶的干灰進入鍋爐對流段一般都不會引起鍋爐的嚴重的堵灰，而當灰渣緊密牢固的沾污在管壁上時，灰渣甚至會腐蝕管壁，那么應該從燃燒和煙氣溫度過高來考慮解決，受熱面的布置再費心思也沒有太多辦法，嚴重的堵灰現象，將嚴重地影響了鍋爐的效率以及企業的產值和效益。

2.2解決堵灰問題應從以下兩個方面著手：

其一，要保證砂光粉及木質燃料的充分燃燒;

由于木質燃料和砂光粉含有大量的膠，若燃燒不充分，帶膠的灰在適當的溫度和物理化學條件下，很容易粘附在鍋爐對流管束上或相互粘結而形成堵灰。尤其是石英砂上的環氧樹脂，其固化溫度和燃燒更高，更難燃盡，且環氧樹脂的粘結強度更高。為防止粘結性堵灰，須保證砂光粉及木質燃料及膠充分燃燒。

解決的途徑為：設計的燃燒空間要大，木質廢料在爐膛里停留的時間要長，煙氣在進入對流段前的行程要長。

其二，燃燒后的煙氣溫度要進行調節，使進入對流段的煙氣溫度低于800℃;

當噴燃砂光粉時，爐內燃燒溫度達到1300～1500℃，砂光粉燃燒后灰份是熔融狀態，如不充分冷卻，熔融狀態或高于開始軟化溫度的灰份直接進入鍋爐對流管束，遇到低溫的管壁，就牢牢的粘附在對流管束上，造成對流管束堵灰搭橋，灰渣甚至腐蝕管壁，及難清除，是爐子堵灰的最主要原因和最難處理的問題。

木質燃料的灰份雖然較少，但在加工過程中混入其它非可燃物，從灰份上分析，木質燃料的灰份主要由堿性化合物構成，如氧化鈣（CaO）、氧化鈉（Na2O）、氧化鉀（K2O）等。由于堿性化合物具有助熔的作用，同其他非可燃物混合形成了共熔化，通常情況下，共熔化的融熔溫度在800℃以下。如使燃燒后進入鍋爐對流段的煙氣溫度低于800℃，則進入對流管束灰份為干灰，不會粘附在對流管束上，可以通過吹灰系統來清除。

現國內外解決這種堵灰有兩種途徑：一種是比較被動的方法，既控制燃燒溫度或在煙氣進入對流段兌入低溫的煙氣或冷空氣，此種方法的缺點是耗能，控制系統復雜，且很難準確的控制，一旦沒控制好累積后也會導致堵灰。另一種方法是，在鍋爐輻射段適當多布置受熱面，以吸收煙氣的熱量使煙氣進入鍋爐對流段前的溫度降低至800℃以下，這種方法控制較前一種方法更穩定可靠。

3.分道燃燒——道不同，不能為伍

（1）分道燃燒是把懸浮室式燃燒與爐排層狀燃燒分開。考慮到爐排的燃燒強度在后爐排很弱，爐排有足夠長度，砂光粉燃燒器布置在后墻，提高后拱高度，火焰在后拱與爐排保護拱之間，充分利用了燃燒室深度方向的空間，砂光粉的燃燒路徑在燃燒室內就可達到7米，再進入輻射爐膛余燼燃燒，砂光粉在此空間內均能有效的燃盡，提高了砂光粉燃燒的綜合效率。（2）分道燃燒不可以把懸浮室式燃燒與爐排層狀燃燒在燃燒布局的概念一致化，懸浮室式燃燒為燃燒室內氣態燃燒，其分道為“空中”，爐排層狀燃燒為爐排面上固態燃燒，其分道為“地面”，兩者道不同，從而要求各分道配風的設計條理清晰，操作運行清晰有序。（3）分道燃燒布局的合理性，在于燃燒布局的清晰性，表現在需足夠的燃燒路徑，需足夠的燃燒空間，需足夠的燃燒停留時間，只有這樣，才能充分的燃盡燃料，提高燃燒效率，達到環保節能的目的。

4.燃燒配風

（1）木質燃料和砂光粉兩種燃料的兩種燃燒方式給配風布置帶來很多復雜性，要做到配風是否干擾燃燒溫度和動力場，并且在運行操作時調風有規律可循，就要在風量、風壓、管道布置、調節方法上合理。分道燃燒的后配風布置概念比較明確，砂光粉的燃燒按照懸浮燃燒的配風方式;木質燃料的燃燒按照層燃方式根據燃料特性要求配風，最后調整爐膛出口的煙氣溫度由低溫煙氣或者冷風來調節。（2）爐排上燃燒的木質燃料是低固定碳高揮發份的燃料，揮發份的燃燒是氣體燃燒，在爐排上部的燃燒室燃燒，按照氣體燃料的燃燒熱強度進行布置，木質燃料的固定碳在爐排上燃燒，需要爐排的配風和床面燃燒，爐排前段是木質燃料干燥和揮發份開始析出的階段，需要的熱量來自爐膛的熱輻射和煙氣的熱對流;中間段是揮發份大量析出和固定碳開始燃燒的階段，原則上揮發份的燃燒由爐膛的二次風供應，由于揮發份的量很多并且燃燒強烈，爐排面應該供應一定的風量，造成氣體動力燃燒的流場，另外固定碳開始燃燒也需要空氣;爐排的后段是固定碳的燃燒和燃盡階段，尚需要一定的空氣。這樣爐排每組工段的配風具有合理性及科學性。（3）提供爐排燃燒配風稱為一次風，風量的計算：按照爐排上固定碳燃燒的空氣量和造成動力燃燒需要的風量來計算，再考慮空氣過量系數，風量為燃燒總空氣量的百分之30%-40%;風壓的計算：綜合考慮消聲器、空氣預熱器、沿程管道、彎頭、變徑、調節風門、擴口等是一系列阻力元件因素，空氣進入爐排風室后就只有靜壓，這部分風經過爐排和料層的阻力元件后壓力消失，參與燃燒反應后成為煙氣。爐排面上的壓力是零，由于引風機的拉力和使爐膛在負壓下運行（安全），煙氣流和一部分粉塵被吸出燃燒室稱為飛灰。（4）在分道燃燒布置時，二次風的作用是組織揮發份的氣體燃燒和封鎖爐排面上逸出的粉塵，二次風的布置分高低兩個位置：低位在爐墻兩側墻，高位在爐墻前后墻。在爐排面的兩側布置低位二次風，風量基本在中間偏前，高度離爐排面1.4-1.7米左右，這兩股風的射程是爐膛寬度的2/3，以小管徑兩側交叉布置，兩側低位二次風的風量設定燃燒揮發份70-90%考慮;前后布置高位二次風，主要的作用是用來補燃和調節爐膛出口煙氣溫度，控制煙氣在進入輻射室時不結焦渣，同時在進入對流受熱面時基本沒有粘結力，以便用吹灰的方式可以清潔管壁，此時溫度要控制在800-850℃左右，高位二次風有封鎖上升煙氣的顆粒作用，同時補充貼壁的可燃氣體（尤其是一氧化碳）的燃燒，其射程是爐膛深度的3/4，為了使高位二次風對上升煙氣產生擾動，采取前低后高的布置方式，前后噴嘴交叉布置。（5）砂光粉的燃燒風：砂光粉的輸送風（燃燒器一次風）是由高壓頭的羅茨風機提供，為了控制砂光粉的燃燒溫度，在風機選擇時需考慮40-50%的燃燒余量，風量（燃燒器二次風）按燃燒溫度1100℃時考慮，風壓由燃燒器阻力提供。

5.結論

通過對鍋爐燃料分道燃燒與燃燒配風的研究，使鍋爐更適應當前變化性和多樣性的燃料，提高鍋爐燃燒效率，突破傳統鍋爐燃燒效率低下的技術瓶頸，另外，鍋爐可減少結渣堵灰現象，保障了鍋爐使用壽命，對于鍋爐使用單位而言，采用鍋爐燃料分道燃燒技術，可取得直接的經濟效益。

參考文獻

[1] 邢秀峰，劉建華等，風道燃燒器燃燒特性試驗研究[J].山西電力，2016，第4期;

[2] 王敦恩，張科等.工業鍋爐設計計算方法[M].中國標準出版社，2005.

作者簡介：韋雋（1982.1--），男，仫佬族，廣西柳州人，中級工程師，技術總工程師，學士，從事生物質能源技術與開發研究。