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引言
    拋煤機(jī)鍋爐具有煤種適應(yīng)性好，符合調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)…，一直被廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的工業(yè)和民用的各種領(lǐng)域。但是，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的拋煤機(jī)鍋爐由于大多采用開式爐膛結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)爐膛容積熱負(fù)荷取值偏小，爐膛水冷度大，使實(shí)際運(yùn)行的鍋爐爐膛溫度水平偏低，加之煤質(zhì)變化較大，燃料中細(xì)煤顆粒份額大，導(dǎo)致該型鍋爐的運(yùn)行狀況并不良好，存在飛灰含碳量可高達(dá)50%以上；q4熱損失在20%一30%以上，熱效率低；煙塵濃度大，煙囪冒黑煙嚴(yán)重，污染環(huán)境等問(wèn)題。同時(shí)，該型鍋爐燃燒不穩(wěn)定，出力變化幅度可高達(dá)50%左右，煤種適應(yīng)性差等。
    2004年，國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)的《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》中將燃煤鍋爐列為十大重點(diǎn)改造項(xiàng)目之首，使得目前在用拋煤機(jī)鏈條爐的生存空間越來(lái)越小，其改造優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于拋煤機(jī)鏈條爐的技術(shù)改造升級(jí)進(jìn)行了很多研究和有成果的嘗試。國(guó)外方面，G.P．Starley、D.M．Slaughter等分別對(duì)拋煤機(jī)鏈條爐的NO和SO，生成規(guī)律和控制方法做了深入的研究；Mason.H．B等在165000Lb/h拋煤機(jī)鏈條爐加裝了天然氣燃燒器，實(shí)現(xiàn)煤一天然氣混燃，結(jié)果表明鍋爐效率增加2%—3%，飛灰含碳量降低35% ~40%，過(guò)量氧氣降低2%．3%；Scon Q．TLIm等對(duì)46. 5t/h拋煤機(jī)鏈條爐燃燒煤、石油及甘蔗渣和高纖維藤莖等生物質(zhì)三種燃料的對(duì)比研究，得出了有用的數(shù)據(jù)和結(jié)論。國(guó)內(nèi)方面，分別對(duì)拋煤機(jī)鏈條爐的配風(fēng)系統(tǒng)、燃燒室、飛灰回收系統(tǒng)等做了改造；郭召勝、常少卿、諶玉良等主要從改造燃燒方式人手，直接改變鍋爐的層燃方式為懸浮燃燒方式甚至是循環(huán)流化方式。
    綜合國(guó)內(nèi)外拋煤機(jī)鏈條爐改造技術(shù)的研究，從技術(shù)改造成本的角度出發(fā)，認(rèn)為不改變層燃燃燒方式的改造方案是最經(jīng)濟(jì)的。但是，從相關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道來(lái)看，各種改造升級(jí)技術(shù)或者只是局部改造，或者基于燃燒機(jī)理、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，都沒(méi)有對(duì)改造后的鍋爐進(jìn)行速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等分析，缺乏普遍的指導(dǎo)作用。
    本文利用CFD軟件對(duì)10t/h反轉(zhuǎn)拋煤機(jī)鏈條爐在不改變層燃燃燒方式基礎(chǔ)上的全面改造前后的速度場(chǎng)和穩(wěn)定場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，直觀地考察分析所采用的改造技術(shù)對(duì)爐子氣體動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響，并以改造前后的運(yùn)行參數(shù)作比較，希望能對(duì)以后的拋煤機(jī)鏈條爐改造起到一定的參考作用。110t/h SZDIO - 13 -AⅡ型倒轉(zhuǎn)爐排拋煤機(jī)鍋爐的運(yùn)行概況
  根據(jù)某公司能源部動(dòng)力科提供的資料，該鍋爐房的1#鍋爐SZD10 - 13 -AⅡ倒轉(zhuǎn)爐排拋煤機(jī)鏈條爐是由濟(jì)南鍋爐廠于1980年按照20世紀(jì)80年代的技術(shù)生產(chǎn)，燃用淮南煙煤2號(hào)。
    該鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    現(xiàn)對(duì)存在的問(wèn)題，分析如下。
    (1)燃用的煤種粒徑過(guò)細(xì)，以至于懸浮燃燒無(wú)法完全燃盡。該爐子長(zhǎng)期燃燒粒徑1mm左右的煤種，在現(xiàn)有的開式爐膛空間內(nèi)很難完全正常燃盡。
    (2)由于采用了開式爐膛，沒(méi)有前后拱，使得爐膛內(nèi)的過(guò)量空氣系統(tǒng)過(guò)大，但煤粒與空氣卻沒(méi)有充分混合，著火性能和化學(xué)燃燒反應(yīng)進(jìn)程都很差，有不完全燃燒現(xiàn)象。若人工操作稍有不慎，即有未燃燒的大量細(xì)煤飛出爐膛，飛灰含碳量高，對(duì)燃料不利，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。
    (3)沒(méi)有二次風(fēng)，使得煙氣在爐膛內(nèi)得不到充分混合，煤粒在爐膛的停留時(shí)間短，水冷度高，爐膛溫度低，q3損失增大。
    (4)飛灰回收裝置存在嚴(yán)重問(wèn)題，該裝置在煙道上分離中溫飛灰，分離器下部連接灰斗收集飛灰到爐排后部進(jìn)行“復(fù)燃”。此時(shí)的中溫灰，稱之為“死灰”，其物理特性以及爐排后部的低溫區(qū)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)燃的要求，只是隨著煤渣排走。
2、改造技術(shù)及數(shù)值模擬分析
    針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了以下幾點(diǎn)改造措施，并以Fluent軟件對(duì)改造方案做出數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬在近20年來(lái)得到了飛速發(fā)展，在給定參數(shù)下做數(shù)值模擬計(jì)算相當(dāng)于做了一次數(shù)值試驗(yàn)，而近年的研究表明，數(shù)值模擬計(jì)算是可以比較準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)實(shí)際工程現(xiàn)象的。
2.1改造爐膛結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒
2.1.1理論分析
    爐膛改造采用前后拱組合的半開式爐膛形式。形成q形火焰燃燒．高溫火焰的沖刷、灼熱碳粒的分離與新煤三者之間進(jìn)行著強(qiáng)烈的動(dòng)量、質(zhì)量和熱量的交換，因此能形成極為有利的著火條件。
    同時(shí)a形火焰的回流對(duì)細(xì)灰的帶出有封鎖作用，增長(zhǎng)加碳粒在爐內(nèi)的路徑，增加停留時(shí)間，改善了充滿度，而增加的折焰拱也就是進(jìn)一步延長(zhǎng)了未燃盡顆粒的停留時(shí)間與其跟熱流的接觸時(shí)間，因此能很好地增強(qiáng)燃燒。
2.1.2數(shù)值模擬分析
    增加了拱組后的溫度分布如圖2所示。可見(jiàn)氣流開始向后墻偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了擾動(dòng)，但隨著偏轉(zhuǎn)程度的增加，前墻的充滿度在下降，高溫區(qū)被很好地壓縮在爐排面與爐拱之間的空間，這將有利于煤層的引燃和懸浮細(xì)煤顆粒的燃燒。
    圖3描述了點(diǎn)( lOO，100，o)到點(diǎn)(lOO，100，4492)之間的速度變化曲線。可見(jiàn)，改造前的爐膛速度變化緩慢，只在煙氣出口處的速度有波動(dòng)，這表明煙氣在開式爐膛中產(chǎn)生的擾動(dòng)很少，氣流直接沖出出口。而改造后的半開式爐膛，在(100，100，1500)左右處有一速度零點(diǎn)，此處正是爐拱的安裝位置，這表明爐拱組合能有效地封鎖煙氣的直線運(yùn)動(dòng)行程，極大地增加了氣流的擾動(dòng)。
2.2增加二次風(fēng)擾流，強(qiáng)化懸浮燃燒
2.2.1理論分析
    爐內(nèi)煙氣流場(chǎng)組織也是影響拋煤機(jī)鏈條爐的燃燒優(yōu)劣的關(guān)鍵，因此在爐膛中引入二次風(fēng)。如圖4所示，使用二次風(fēng)與前爐拱的組合能使?fàn)t膛空間分隔為燃燒室和燃盡室兩部分，從而使?fàn)t膛輻射傳熱的格局發(fā)生變化。燃燒室中，體積小、受熱面少，爐溫明顯提高，這對(duì)引燃和燃燒十分有利；燃盡室中，雖然系統(tǒng)黑度有所減少，但溫度提高了，傳熱并未減弱，而總的受熱面未變，因此總的傳熱量有所增加。
    其中，根據(jù)西安交通大學(xué)的冷模試驗(yàn)，采用二次風(fēng)與一次風(fēng)的動(dòng)量流率比m=5，前后墻對(duì)沖布置，角度為水平±50可調(diào)。為了配合原8 -18 -101型二次風(fēng)機(jī)，經(jīng)計(jì)算，采用∮200mm的風(fēng)管，單面送風(fēng)，簡(jiǎn)化管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。二次風(fēng)管道如圖5所示。
2.2.2數(shù)值模擬分析
    由圖6所示速度矢量可以看到，二次風(fēng)對(duì)燃燒室往上升的氣流產(chǎn)生十分明顯封鎖的作用，把整個(gè)爐膛分成了燃燒室和燃盡室兩部分，且兩者的速度比較均勻，由此影響了整個(gè)爐膛的燃燒過(guò)程。從圖7的溫度分布可看出，復(fù)合改造技術(shù)的使用，使得整個(gè)爐膛即燃燒室及燃盡室的溫度水平趨向均勻，煙氣充滿度也更加均勻化，這都十分地有利于傳熱。圖8描述的是點(diǎn)(0，1500，1500)到點(diǎn)(3650，1500 ,1500)之間的速度曲線圖，可以看出，改造前的爐膛內(nèi)氣流變化不大，爐排的猛烈燃燒區(qū)(x=1000—2500)基本上是斜率很小的線性曲線，表明改造前該區(qū)域的氣流擾動(dòng)很小，煙氣直接由爐膛排出；經(jīng)過(guò)改造后的爐膛，煙氣的速度曲線很明顯地出現(xiàn)了“S”型曲線，這表明氣流在爐膛內(nèi)受到了很大的擾動(dòng)，往上流動(dòng)時(shí)，xy截面上的速度分布很不均勻；這種變化可以從圖9跡線分布中看出，煙氣跡線從煤層面往上明顯地走了一個(gè)“之”字形的軌跡后，再?gòu)臒煔獬隹谂懦觯�此流�?dòng)特性十分有利于保持煤粉在爐膛內(nèi)的懸浮狀態(tài)，增加其在爐膛內(nèi)的行程，可以很好地強(qiáng)化煤末的燃燒。
2.3增加高溫飛灰復(fù)燃裝置，加強(qiáng)飛灰燃盡，減少飛灰損失
    本次改造采用的是西安交通大學(xué)趙欽新教授提出的一種高溫飛灰分離及流化復(fù)燃技術(shù)，該技術(shù)已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。此技術(shù)發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了在爐膛出口水冷凝渣管束受熱面設(shè)置高溫分離器的禁區(qū)設(shè)置組合式水冷分離器以實(shí)現(xiàn)高溫飛灰分離（見(jiàn)圖10），可以全面實(shí)現(xiàn)溫度、時(shí)間和擾動(dòng)混合等三個(gè)燃盡的基本條件，高溫飛灰經(jīng)過(guò)組合式水冷分離器分離后以重力自然回送到爐膛高溫區(qū)循環(huán)流化燃盡。高溫飛灰分離可使50%一60%的飛灰在氣流中分離開來(lái)，減少飛灰不完全燃燒損失2.5%一3. 5%，最大程度地降低飛灰含碳量，提高了煤的燃燒效率和鍋爐熱效率。
2.4改造方案的確定
    根據(jù)SZD10 - 13 -AⅡ倒轉(zhuǎn)爐排拋煤機(jī)鏈條爐的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及理論研究，將本次的改造方案歸納為以下6條，爐膛的改造結(jié)構(gòu)如圖11所示。
    (1)采用較短的前拱與二次風(fēng)組合，延長(zhǎng)前拱的實(shí)際效果：
    (2)增加爐膛出口前的折焰拱，避免煙氣形成短路；
    (3)后拱采用銳角出口，防止煙氣過(guò)早進(jìn)入燃盡室；
    (4)后拱上部布置二次風(fēng)，封鎖煙氣出口，延長(zhǎng)飛灰停留時(shí)間；
    (5)采用前后墻二次風(fēng)交叉氣流混合方式，提高燃盡效率；
    (6)在爐膛出口的凝渣管束上布置百頁(yè)窗式高溫飛灰分離器。
3、經(jīng)濟(jì)性分析
    從一次性投資成本來(lái)看，本次SZDIO - 13 -AⅡ倒轉(zhuǎn)爐排拋煤機(jī)鏈條爐的改造計(jì)劃，主要包括材料費(fèi)、材料加工費(fèi)以及現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)，總共花費(fèi)為7萬(wàn)余元，相比于購(gòu)買并安裝l臺(tái)新的lOt/h層燃鍋爐所需的價(jià)錢起碼要低50%以上。并且通過(guò)改造時(shí)新部件的安裝、舊部件的刷新，其改造后的安全可運(yùn)行時(shí)間不會(huì)比新爐子短。
    從燃料節(jié)省上看，該型拋煤機(jī)鍋爐的煤耗量為1541kg/h；改造后，若按平均熱效率提高5%計(jì)算，改造后鍋爐運(yùn)行每小時(shí)可節(jié)約用煤77. 05kg，按采暖期為4個(gè)月，每天平均12h，則每年供暖期節(jié)約用煤量可達(dá)110952kg。
    煙煤的價(jià)格按400元／t計(jì)算，結(jié)合節(jié)約用煤量，改造后運(yùn)行一個(gè)采暖期可節(jié)約燃料消耗費(fèi)為44380元。
    綜上兩方面，采暖期前完成工程改造，運(yùn)行第一個(gè)采暖期可綜合節(jié)約的費(fèi)用P按兩方面計(jì)算：一是改造比新購(gòu)置所節(jié)約的費(fèi)用；二是運(yùn)行周期所節(jié)約的費(fèi)用。則P =114380元。
  該技術(shù)改造要比購(gòu)置新鍋爐所需成本要低，也比摻燃、循環(huán)流化床等燃燒方式改造要低。而改造所需成本，在鍋爐運(yùn)行一個(gè)采暖期即可實(shí)現(xiàn)回收。
    改造前后的參數(shù)對(duì)比如表l所示。
4、結(jié)語(yǔ)
    (1)理論上，運(yùn)用上述技術(shù)進(jìn)行改造，從燃燒學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)上來(lái)說(shuō)是可行的，同時(shí)使用了Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，實(shí)踐證明這是行之有效的方法；
    (2)經(jīng)濟(jì)上，對(duì)于鍋爐用戶來(lái)說(shuō)，改造的成本比較低，投資回報(bào)期較短。對(duì)于老式拋煤機(jī)鍋爐，技術(shù)改造能有效地延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命，使其的經(jīng)濟(jì)效益能得到最大化的實(shí)現(xiàn)；
    (3)除了文中所述的改造技術(shù)以外，還有其他的技術(shù)也可以達(dá)到提高鍋爐效率等作用。比如使用機(jī)器鑄造的爐排以減少漏煤率；采用復(fù)合燃燒技術(shù)提高燃燒狀態(tài)以及增加或改進(jìn)尾部煙道的省煤器和空預(yù)器等以提高煙氣利用降低煙氣溫度等，這些技術(shù)都切實(shí)可行，可根據(jù)鍋爐用戶的要求，具體問(wèn)題具體分析。