新型高温蓄热燃烧煤渣焚烧炉的设计

刘效洲

(广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006)

0 引言

据统计，全国在用的工业锅炉有50多万台，绝大多数采用链条炉排[1]的燃烧方式，设计热效率为72% ～80%，实际运行热效率60%以下。由于近些年来煤炭价格飞长，许多单位被迫燃用价格便宜的劣质煤，结果导致链条锅炉排出煤渣的含碳量一般都在20%左右[2]，大量的残余热值被白白丢弃，甚为可惜。因此，开发出一种适合我国国情的煤渣焚烧技术是十分必要的。

煤渣焚烧处理的难点在于煤渣热值相对较低，一般在5 024～8 374 kJ/kg之间，如此低的热值难以满足链条锅炉的燃烧需求。而高温蓄热燃烧技术[3]的出现为煤渣焚烧处理带来了福音。它采用蓄热体极限回收烟气余热并将助燃空气预热到800～1 000℃。这样，即使是热值很低的煤渣也能实现稳定着火和高效燃烧。同时由于与煤渣接触的空气温度较高，使得煤渣的燃烧全过程都得以加速进行，减少了不完全燃烧损失，保证了燃烧效率，确保煤渣热值可以充分回收。

1 新型高温蓄热燃烧煤渣焚烧炉结构简介

本文设计了一种新炉型:即旋风炉与链条炉排相结合的两段式煤渣焚烧炉，炉体基本结构见图1。

图1 高温蓄热燃烧煤渣焚烧炉结构简图

本焚烧炉分为两部分。第一部分为链条炉排(采用高铬耐热铸铁制造)焚烧炉，也叫主燃烧室。高温空气由下部风箱进入炉排炉，与煤渣接触后高温燃烧，燃烧后的烟气切向高速进入副燃烧室(旋风炉)。在旋风炉中补充部分高温空气和煤粉，使副燃烧室的温度维持在1 300℃以上，确保有害物质分解，并将飞灰彻底熔化，实现液态排渣[4]。从旋风炉中出来的高温烟气经过余热锅炉产生蒸汽降温后进入旋转蓄热室产生800℃以上的高温空气供燃烧之用。目前小型风扇磨直吹式制粉系统已经在链条锅炉节能改造中获得了广泛应用，造价极低，有兴趣的读者可参阅文献[5－7]。本焚烧炉各部分具体设计详述如下。

1.1 主燃烧室

主燃烧室四壁和顶部由耐火砖砌筑而成，底部运行链条炉排。炉排作用有二:一是利用800℃以上的热空气使煤渣在炉排上快速燃尽;二是顺利排出炉内燃烧产生的灰渣。炉排采用高铬耐热铸铁制造的链条炉排，使其可以在800℃以上热空气助燃的情况下不至于烧坏。炉排下鼓入800℃以上的热空气，确保煤渣快速着火，燃尽。燃尽后的灰渣落入水封渣坑，再由除渣机捞出。

1.2 副燃烧室

如图1所示，副燃烧室呈圆筒状，助燃空气(800℃以上)高速切向供入，供风口在圆筒中上部，沿炉壁圆周有4～8个供风口，切向风速在100 m/s以上。由主燃烧室流出的烟气由副燃烧室上部进入副燃烧室，在炉内强烈的旋转燃烧。停留相对较长的时间。在此期间，由副燃烧室顶部喷入煤粉助燃，使副燃烧室的温度始终保持在1 300℃以上。不但可以使烟气中的残余可燃物完全燃尽，还可以使烟气中的有害气体完全分解，满足环保要求。烟气中的飞灰在高温下熔化，其有害成分被分解，最后形成液态渣流入渣坑。液态排渣是十分成熟的技术，已在旋风炉上获得了广泛应用，有兴趣的读者可参阅文献[8]。

1.3 空气预热系统

普通蓄热燃烧技术通过两个蓄热室交替切换工作状态来回收烟气中的余热。工作状态是左(右)侧蓄热体放热，加热通过左(右)侧蓄热体的空气;右(左)侧蓄热体吸热，回收通过右(左)侧蓄热体的烟气的显热。通过不断地切换工作状态，左右两侧的蓄热体可以把烟气中的显热传递给空气，使进入炉内的助燃空气达到很高温度，创造了一个良好的燃烧环境，使热值很低的燃料也很容易着火和稳定燃烧。

但是这种产生高温空气的方法不适用于煤渣焚烧炉。如果使用常规的两个蓄热室分置就需要多个换向阀。但是，换向阀动作频繁，极易损坏，而且换向阀不允许高温空气或烟气通过，无法完成余热回收。

本文采用回转式蓄热室[9]来产生高温空气。在这种蓄热器中，空气与烟气都有单一的通道，无需换向阀，换向过程通过蓄热体的旋转完成，无停火现象发生。这种空气蓄热器由转动的转子蓄热体(陶瓷蜂窝体)和固定的外壳组成。工作时转子不停地转动，大约1.5 r/min。固定在外壳上的扇形顶板及底板把转子的流通截面分隔成两部分。一部分让烟气自上而下地流过，一部分让空气自下而上地流过。扇形顶板及底板分别与外壳上部及下部的烟道及风道相接。这样烟气流过时把蓄热体加热，转子蓄热体转到空气流通部分时，蓄热体被空气冷却，同时把空气加热。因此转子转动一周完成一个传热过程。

转子截面共分为三个部分:一是烟气流通部分，二是空气流通部分，另一个是由两个扇形板封闭起来的密封区。由于设计中烟气的体积比空气的体积大，因而转子中烟气的流动面积应大于空气的流动面积。实际中烟气的流通面积约占转子流动面积的50%，空气流通面积约占40%，密封区占10%左右。

转子蓄热体中空气侧的压力大于烟气侧压力，两侧的压差可高达2～3 kPa。转子又要不断地转动，转子与外壳间必然有间隙。为了防止漏风，在转与不转的交界部分采用压缩空气产生风帘进行密封。烟气经过余热锅炉放热降温到1000℃左右进入回转式蓄热室，温度下降到150℃后排出;空气由20℃加热到800℃后进入焚烧炉助燃。

2 试验结果

在广东茂名搭建了小型热态试验炉，测试结果如下[10]:燃用煤渣:热值 1 450 kJ/kg，含水量 ＜20%，固体物尺寸 ＜50 mm，余热锅炉蒸发量0.8 t/h，蒸汽压力 1.25 MPa，蒸汽温度 180℃，锅炉效率72%，热风温度820℃，排烟温度170℃，炉排面积 2.4 m2，尾气中:NOx:＜140 mg/m3，CO:＜150 mg/m3，满足国家排放要求。

3 结论

(1)在高温空气助燃的环境下，低热值、低挥发分的煤渣可以实现顺利点火和稳定燃烧。

(2)采用两级燃烧方式，炉内燃烧温度高，可以有效地分解烟气中的有害成分，这将大大减轻对周围环境的二次污染。

(3)高温焚烧后的灰渣是很好的建筑材料，煤渣焚烧后的热量可以产生蒸汽供生产，能得到可观的经济效益。

(4)蓄热燃烧技术具有众多常温空气燃烧所不具备的优点:燃料适应性广，燃烧稳定，燃烧速度快，炉内温度分布均匀，可极大地降低NOx排放，并可方便地采用灰渣熔融技术。

(5)此种焚烧可以燃用极低热值的煤渣，还可以进行余热利用产生蒸汽，因此在煤渣焚烧炉上应用蓄热燃烧技术值得开发、利用和推广。

(6)本焚烧炉虽然造价较高，但是煤渣是一种几乎没有成本的燃料，投资回收期不会超过一年，而且是循环经济的典范。

[1]马利林.谈链条锅炉的节能改造[J].节能技术，1996(5):34－35.

[2]杨渝兰.链条锅炉存在的主要问题与节能技术改造[J].节能技术，2002，20(3):22 －23.

[3]蒋绍坚，等.高温低氧燃烧技术与应用[M].武汉:中南大学出版社，2010.

[4]王茂刚编.旋风炉设计与运行[M].北京:机械工业出版社，1980.

[5]许忠春，等.采用“复合燃烧装置”改造旧锅炉[J].节能技术，1999，17(5):29 －30.

[6]韩中合，等.抛煤机链条炉节能改造[J].节能技术，1994(2):32－33.

[7]王宝柱，等.抛煤机链条炉环保与节能综合治理[J].节能技术，2001，19(5):32 －33，40.

[8]高俊如，等.立式旋风炉三次风口治理的研究[J].节能技术，2004，22(4):59 －60.

[9]沙拉，塞库利克著.换热器设计技术[M].北京:机械工业出版社，2010.

[10]西安热工研究所，东北电力局技术改进局.燃煤锅炉燃烧调整试验方法[R].1974.