湍動流化床氣化焚燒爐供風系統運行振動的分析與處理

張召磊，趙增志，曹 劍

（北京一亞高科能源科技有限公司，北京100085）

由北京一亞高科能源科技有限公司與清華大學合作研發的湍動流化床焚燒技術，為世界首創“變截面”湍動式流化床，具有燃料適應性廣[1]、鍋爐效率高、煙氣污染物排放低、系統穩定的特性，創造性地解決了多元有機廢棄物同爐集中處理的問題， 為鍋爐節能環保改造開拓了嶄新的途徑。

臺灣正隆紙業有限公司于2017 年引入該技術，在越南平陽省投資承建了一套多元有機廢棄物焚燒爐，用于處理其造紙廠產生的紙渣、污泥和沼氣，不僅節省了造紙廠用于處理廢棄物的大量費用， 而且焚燒爐產生的蒸汽可以用于造紙廠車間的工藝生產。 該氣化焚燒爐日處理紙渣量140 t/d、污泥量35 t/d、沼氣7 000 m3/d，飽和蒸汽產汽量25 t/h（壓力2.0 MPa）。

本項目于2019 年3 月開始進入試運行階段，運行期間焚燒爐在料層400～450 mm 區間，負荷在30%～40%工況下，一次風風機頻率為31~32 Hz 時，風機出現喘振現象。 負荷在70%～100%工況下時，二次風風道出現明顯的振動和噪聲。本文結合焚燒爐的運行工況、風機的性能曲線、供風系統的結構及空預器的結構進行分析，解決了一次風機喘振和二次風道振動的問題，確保了焚燒爐系統的安全穩定運行。

1 湍動流化床氣化焚燒爐的結構、配風特點

湍動流化床氣化焚燒爐主要由燃燒裝置、 氣化室、二燃室、輻射換熱區、旋風分離器、省煤器、急冷塔及其他附屬系統等組成，其結構如圖1 所示。湍動流化床氣化焚燒爐結構不同于常規的循環流化床焚燒爐，氣化室采用變截面結構設計，進出口小、中間大，實現多床層疊加，使得物料、床料在爐內處于內循環為主的湍動流化狀態。

湍動流化床氣化焚燒爐燃燒工藝為分級配風+高溫燃燒，在氣化室設置多級空氣入口，滿足多種有機廢物的氣化需求。 氣化室主要發生干燥、熱解、氣化反應，產生的氣化燃氣進入燃燒區。二燃室設置多級燃燒空氣入口， 保證進入的氣相可燃成分于燃燒區進行充分燃燒， 且通過此方式使二燃室空間內溫度更加均勻，能有效保證較低的原始排放[2]。

焚燒爐分級配風特點為：

（1）氣化室底部風室及變截面處的配風由一次風機經過空預器加熱后送入，可確保床料湍動流化，同時提供部分燃料燃燒所需的氧氣， 并保持氣化室還原性氣氛。 氣化室燃燒產生的熱量主要對有機廢物進行干燥、熱解、氣化，則風量滿足氣化要求即可，氣化室在還原性氣氛下的低溫燃燒還可以抑制NOx和二惡英的初始生成。

（2）二燃室上、下二次風配風[3]由二次風機送入，確保氣化產生的可燃氣體在二燃室能進行均勻、充分的高溫燃燒，則風量需滿足最大負荷燃燒的要求。二燃室高溫燃燒使絕大部分二惡英類物質分解，減少有害污染物的排放。

圖1 湍動流化床氣化焚燒爐結構示意圖

2 振動原因分析

由于焚燒爐一次風機和二次風道在相應負荷下均出現振動現象，導致焚燒爐運行時存在安全隱患，因此需找出焚燒爐振動的根源， 解決設備振動的問題。 根據風道及設備振動的情況分析的原因如下：

（1）一次風機喘振

根據風機性能曲線可知， 當焚燒爐需要低風量時，風機運行工況偏離風機性能曲線進入馬鞍區，風機便出現喘振現象。

在本項目中焚燒爐采用的一次風機的額定流量為28 000 m3/h，額定風壓為15 000 Pa。 焚燒爐在料層400～450 mm 區間，負荷在30%～40%工況時，供風風量為8 500 m3/h 左右即可滿足氣化室的氣化率和氣化溫度的要求。 根據料層阻力試驗，在8 500 m3/h風量下， 確保焚燒爐流化的出口風壓僅需要7 200 Pa。 通過風機變頻器調整風機風壓， 當風機頻率在31～32 Hz 時風壓滿足運行要求， 但是出現振動現象。 通過分析認為當風機頻率在31 Hz 情況下,鍋爐供風阻力特性工作曲線與風機性能曲線的交點位于馬鞍區左側，因而出現了風機喘振現象。

（2）二次風道振動

如果供風系統的風道截面積、 彎頭等設計不合理，會導致流體的流速過高、流場分布不均勻，從而導致風道及空預器的振動。

本項目焚燒爐二次風機的性能數據為風機流量30 000 m3/h，風機全壓4 000 Pa。 焚燒爐負荷在70%～100%工況下，為了保證二燃室燃燒均勻、充分，高溫燃燒所需的風量為18 000～26 000 m3/h，二次風主管風道的流速為12～15 m/s。二次風風道是由二次風風機出口處連接至上下二次風母管接口， 各接口處有三個風道彎頭，風道彎頭處振動最為明顯，因此判斷風道彎頭處偏流嚴重， 從而導致二次風道及平臺振動。

（3）駐波固有頻率與卡門渦流頻率校核

由于一次風機、二次風機均產生振動現象，因此我們懷疑空預器管束是否也存在振動現象， 接下來我們對空預器進行計算分析。

空預器風箱的駐波固有頻率與卡門渦流頻率校核接近時，會發生振動現象，引起空預器的振動和噪聲。風道的駐波固有頻率情況與通道寬度、氣流溫度等有關， 只要當卡門渦流的頻率與駐波的固有頻率相接近時，就會發生振動，從而引起空預器及風道的振動[2]。

本項目空預器為立式單管箱結構， 管子順列布置，其主要設計數據：

空氣溫度110 ℃時，管箱空氣流速w=9 m/s。 空預器管箱寬度B=1.21 m，管子外徑d=0.057 m。

空氣在管箱內流動時，駐波的固有頻率fc[4]：

式中：n—諧波序數，n=1，2，3……

T—空氣中氣流絕對溫度，K

B—管箱通道寬度，m

根據空預器在焚燒爐冷態運行時， 空氣溫度取T=383 K（110 ℃），按照上述公式計算得到fc=161.7n Hz，現將n 帶入得：

當n=1 時，fc=161.7 Hz

當n=2 時，fc=323.4 Hz

當n=3 時，fc=485.1 Hz

卡門渦流頻率fk[5]:

式中：S—管束的斯特羅哈數，取S=0.22

w—空氣流速，m/s

d—管子外徑，m

根據空預器在空氣溫度110 ℃時， 空氣溫度取T=383 K（110 ℃）,流速為w=9 m/s，管子外徑d=0.057 m。根據上述公式得到fk=34.7 Hz。

由上述計算結果可以看出， 空預器在空氣溫度110 ℃時， 駐波的固有頻率fc最小值為161.7 Hz，大于卡門渦流頻率fk頻率34.7 Hz，因此焚燒爐空預器在運行時不會出現振動現象， 因而我們排除了空氣預熱器參與振動的可能性。

3 解決措施

經過上述分析和計算，考慮項目運行需求及改造周期等因素，現采取如下措施對目前風機喘振及風道振動的問題進行處理。

（1）風機喘動

經分析，在保證焚燒爐正常運行的情況下，把焚燒爐料層厚度由400～450 mm 降低為300～350 mm，一次風機頻率略升高至33～34 Hz，從而降低了系統需求風壓并增加了風機供風量。 綜合調整后風機的工作曲線避開了馬鞍區， 風機的喘動現象也隨之消除，風機運行安全穩定。

（2）二次風道

對二次風風機出口處到連接上下二次風母管接口處的三個風道彎頭的導流板進行優化調整， 同時將進入上下二次風道母管的入口由原先單側進風優化為雙側進風，使進入上下二次風的流阻更低，風道內流場更加均勻，減少風道內偏流和擾動。

通過以上措施對系統進行優化后， 當焚燒爐運行時， 無論高負荷還是低負荷， 原先出現的風機喘動、二次風道振動現象均不再出現。

4 結論

越南平陽造紙廠湍動流化床氣化焚燒爐為新開發的焚燒技術，在設計、選型、運行等方面還需要不斷完善優化，供風系統振動問題的改造總結如下，供以后湍動流化床氣化焚燒爐或類似焚燒技術的鍋爐同行參考。

（1）當采用變頻器調節風機的風量和風壓時如果出現振動， 可適當改變湍動流化床氣化焚燒爐床料厚度以及通過變頻器調整風機轉速， 從而使風機工作曲線避免落在馬鞍區左側。

（2）在風道設計上要重視風道流通截面積、彎頭導流等事項，降低風道流阻，減少風道偏流和擾動，消除風道因管內流速過高和偏流因素出現的振動情況。