李　璐（中工国际工程股份有限公司，北京　100080）

120t/h甘蔗渣锅炉炉膛的设计与布置

李璐
（中工国际工程股份有限公司，北京100080）

甘蔗渣的特点是热量低、水分高（含量一般50%左右，超过50%的话，燃烧将会非常困难）、难着火，所以甘蔗渣锅炉的设计特别是炉膛部分的设计与布置显得尤为重要。

甘蔗渣；锅炉；炉膛

1　甘蔗渣锅炉结构特点

甘蔗渣是糖厂将甘蔗压榨提取糖分后剩余的纤维状的残渣，作为一种生物质燃料，甘蔗渣可以作为锅炉燃料，从而发挥它的最大利用价值，甘蔗渣锅炉送出的蒸汽除了一部分能供汽轮机发电，解决全厂用电问题，而且能为糖厂提供生产所需的蒸汽，因此它已经成为现代糖厂的重要设备。

甘蔗渣的特点是热量低、水分高（含量一般50%左右，超过50%的话，燃烧将会非常困难）、难着火，所以甘蔗渣锅炉的设计特别是炉膛部分的设计与布置显得尤为重要。图1为120t/h甘蔗渣锅炉立面图，该锅炉采用双锅筒、集中下降管、自然循环∏型布置，炉膛部分采用全钢膜式水冷壁结构，与以往炉膛下部采用重型炉墙及通过巨大的膨胀节来吸收膨胀差相比，该结构更加简单，且性能可靠，炉膛底部布置了固定水冷炉排用于燃烧甘蔗渣。区别于风冷炉排，水冷炉排可以保证炉排片不会因为局部过热或者风量、风温控制不好造成而烧坏。

图1

此时，炉排的倾角和开孔率是关键。炉排倾角与炉排上的蒸汽清灰装置相互配合，定期将炉排上积存的灰、砂吹扫至炉前出灰处，实践表明此值在8～10°合适。炉排开孔率国内外炉型差别较大，国内糖厂用固定针孔炉排开孔率约在20%左右，原因是国内甘蔗含砂、夹杂很少，对蔗渣的半悬浮燃烧要求不高，此种炉排不适合国外机收甘蔗糖厂。为适应高含砂、高夹杂工况，实现蔗渣的半悬浮燃烧，提高锅炉的燃烧效率，建议此值1.5%～3%。

2　甘蔗渣锅炉燃料燃烧分析

甘蔗渣的典型元素分析如表1。

表1

本锅炉主要参数：连续蒸发量120t/h，额定蒸发压力4.3Mpa。

对于此类低参数的锅炉，将给水加热到饱和蒸汽所需的热量较大，占所有热量的比例达到70%～75%。一般情况下，此参数锅炉的省煤器吸热量在13%左右，设计为非沸腾式省煤器，省煤器出口水温比饱和温度要低，炉膛的大小决定了炉膛的吸热量，也就决定了炉膛出口的烟温，因为炉膛主要以辐射传热为主，烟气温度越高，辐射特性最佳，所以炉膛出口烟温不能无限制的低，正常情况下比燃料的灰熔点低并留有一定的余量即可。根据甘蔗渣灰的特性及已投产锅炉的运行经验，炉膛出口烟温在850℃以上时，将会出现严重的结渣，因此我们选取了835℃的炉膛出口烟温来进行计算，排烟温度选取135℃，另外根据燃料灰熔点低、难着火等特点，炉膛断面热负荷和容积热负荷都不宜过高，从而计算确定了炉膛的尺寸。因为甘蔗渣的热值低，经过计算可知炉膛和省煤器的吸热满足不了给水的蒸发所需要的热量，所以需要在过热器之后布置对流管束。

在考虑了二次风管、喂料器等的布置空间后，计算选取的炉膛断面尺寸为7230（深度）×8070（宽度），高度26400左右，断面热负荷以及容积热负荷分别为1.54×10^6kcal/h.m^2和67500kcal/h.m^3，保证了烟气在炉内的停留时间不会过短，细小甘蔗渣颗粒不会未来得及燃烧就被带出炉膛，确保了燃料的燃尽性。在燃烧初期，需要先加热将燃料中的水分蒸发，得到干燥后的甘蔗渣才会开始燃烧，因为高达50%的水分，燃料带入炉内的热量有将近20%被用来加热蒸发这部分水份，根据燃料的元素分析进行计算可知炉膛理论燃烧温度1350℃左右，为保证燃烧区域的炉膛温度以及燃料能稳定燃烧、不熄火，炉排中心上方高约5米部分的四周水冷壁敷设耐火浇铸料，从而减少此区域的水冷壁吸热量，保证了新入炉的燃料可以得到充分的热量进行燃烧。

因为是自然循环锅炉，水和汽水混合物的循环流动是依靠下降管中的水与受热面上升管（水冷壁）中的汽水混合物的压差来实现的，因为水比汽水混合物的密度大，所以存在重力压差。水循环的安全性在自然循环锅炉中很重要，下降管中的水能否及时将上升管中吸收的炉膛热量带走，关系到金属管子壁温是否在安全合理的范围内，上升管是否安全工作的指标是循环流速。在稳定运行的情况下，循环回路的有效压头应该与下降管的阻力相等，通过选取合理的循环流速进行计算后，我们将整个水冷壁分成10个循环回路，前墙和两侧墙各由三个独立的循环回路组成，后墙水冷壁单独的1个回路。具体的回路特性如表2。

表2

集中下降管规格为φ377×16，共二根，其截面与上升管截面比：0.424。炉膛水冷壁采取节距100mm、φ51管子的膜式规格，该结构尺寸已经在多台锅炉上成功运行，安全可靠，保证鳍片可以得到很好的冷却、不超温。后墙水冷壁下部与水平成8度倾角延伸至前墙附近，针孔炉排片通过螺栓固定在该水冷壁区域内，通过水冷壁的吸热可以有效降低炉排片的工作温度，保护炉排片，炉排上装有蒸汽吹灰装置，避免泥沙堆积在炉排上而影响燃烧，后墙水冷壁的8度倾角也是为了便于清理燃烧后的积灰以及燃料中的泥沙。为了保证烟气可以冲刷到所有水冷壁受热面，不出现死角，使整个炉膛受热均匀、不出现结渣、管壁不超温，在炉膛前墙中部位置将水冷壁以一定角度向炉膛中心倾斜从而形成前拱，后墙上部将部分水冷壁管向炉前延伸形成折焰角。

3　甘蔗渣锅炉配风分析

根据热力计算，锅炉计算燃料消耗量为49.3t/h，所以在前墙布置了6台喂料能力在0～15t/h的蔗渣喂料器，保证了1台出现故障时，另外5台可以满足锅炉100%负荷运行。炉膛前后墙水冷壁各布置两层二次风，前墙布置在距炉排最低点约3.3米和8.3米处，后墙布置在距炉排最低点约1.5米和6.6米处，一次风通过炉排下方的10个风室经炉排片上的开孔进入炉膛，根据一次风风速和风压，炉排的开孔率选为3%。甘蔗渣经喂料器配以播料风送入炉膛，由于一、二次风的作用，被高温烟气加热，不断析出水分，干燥后的大部分燃料开始燃烧，部分未燃尽的较大颗粒落到炉排上后继续燃烧，因为二次风采用了两层供风的布置形式，而且前后墙二次风喷口错开一定的高度，二次风与燃料可以得到充分的混合，加强了炉内燃烧，降低了不完全燃烧，同时，因为二次风和燃料混合充分，在保证稳定运行的情况下，可以最大限度的降低锅炉烟气的氧量，减少了氮氧化物的生成。

炉膛出口的折焰角将后墙水冷壁管拉稀，一部分直接向上引入锅筒，一部分向炉前延伸后向上进入锅筒，将水冷壁管作为捕渣管，可以有效的防止炉膛出口结渣，同时形成了水平烟道用于布置过热器，这样紧凑的结构极大的节约了空间，减少了成本。

炉膛是甘蔗渣锅炉设计中重要的一个部分，根据燃料的特点，结合以往锅炉的运行情况，必须经过认真、严谨的计算来确定炉膛的截面尺寸、容积，选取合理的结构和布置形式。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.051