湍动流化床气化焚烧炉供风系统运行振动的分析与处理

张召磊，赵增志，曹 剑

（北京一亚高科能源科技有限公司，北京100085）

由北京一亚高科能源科技有限公司与清华大学合作研发的湍动流化床焚烧技术，为世界首创“变截面”湍动式流化床，具有燃料适应性广[1]、锅炉效率高、烟气污染物排放低、系统稳定的特性，创造性地解决了多元有机废弃物同炉集中处理的问题， 为锅炉节能环保改造开拓了崭新的途径。

台湾正隆纸业有限公司于2017 年引入该技术，在越南平阳省投资承建了一套多元有机废弃物焚烧炉，用于处理其造纸厂产生的纸渣、污泥和沼气，不仅节省了造纸厂用于处理废弃物的大量费用， 而且焚烧炉产生的蒸汽可以用于造纸厂车间的工艺生产。 该气化焚烧炉日处理纸渣量140 t/d、污泥量35 t/d、沼气7 000 m3/d，饱和蒸汽产汽量25 t/h（压力2.0 MPa）。

本项目于2019 年3 月开始进入试运行阶段，运行期间焚烧炉在料层400～450 mm 区间，负荷在30%～40%工况下，一次风风机频率为31~32 Hz 时，风机出现喘振现象。 负荷在70%～100%工况下时，二次风风道出现明显的振动和噪声。本文结合焚烧炉的运行工况、风机的性能曲线、供风系统的结构及空预器的结构进行分析，解决了一次风机喘振和二次风道振动的问题，确保了焚烧炉系统的安全稳定运行。

1 湍动流化床气化焚烧炉的结构、配风特点

湍动流化床气化焚烧炉主要由燃烧装置、 气化室、二燃室、辐射换热区、旋风分离器、省煤器、急冷塔及其他附属系统等组成，其结构如图1 所示。湍动流化床气化焚烧炉结构不同于常规的循环流化床焚烧炉，气化室采用变截面结构设计，进出口小、中间大，实现多床层叠加，使得物料、床料在炉内处于内循环为主的湍动流化状态。

湍动流化床气化焚烧炉燃烧工艺为分级配风+高温燃烧，在气化室设置多级空气入口，满足多种有机废物的气化需求。 气化室主要发生干燥、热解、气化反应，产生的气化燃气进入燃烧区。二燃室设置多级燃烧空气入口， 保证进入的气相可燃成分于燃烧区进行充分燃烧， 且通过此方式使二燃室空间内温度更加均匀，能有效保证较低的原始排放[2]。

焚烧炉分级配风特点为：

（1）气化室底部风室及变截面处的配风由一次风机经过空预器加热后送入，可确保床料湍动流化，同时提供部分燃料燃烧所需的氧气， 并保持气化室还原性气氛。 气化室燃烧产生的热量主要对有机废物进行干燥、热解、气化，则风量满足气化要求即可，气化室在还原性气氛下的低温燃烧还可以抑制NOx和二恶英的初始生成。

（2）二燃室上、下二次风配风[3]由二次风机送入，确保气化产生的可燃气体在二燃室能进行均匀、充分的高温燃烧，则风量需满足最大负荷燃烧的要求。二燃室高温燃烧使绝大部分二恶英类物质分解，减少有害污染物的排放。

图1 湍动流化床气化焚烧炉结构示意图

2 振动原因分析

由于焚烧炉一次风机和二次风道在相应负荷下均出现振动现象，导致焚烧炉运行时存在安全隐患，因此需找出焚烧炉振动的根源， 解决设备振动的问题。 根据风道及设备振动的情况分析的原因如下：

（1）一次风机喘振

根据风机性能曲线可知， 当焚烧炉需要低风量时，风机运行工况偏离风机性能曲线进入马鞍区，风机便出现喘振现象。

在本项目中焚烧炉采用的一次风机的额定流量为28 000 m3/h，额定风压为15 000 Pa。 焚烧炉在料层400～450 mm 区间，负荷在30%～40%工况时，供风风量为8 500 m3/h 左右即可满足气化室的气化率和气化温度的要求。 根据料层阻力试验，在8 500 m3/h风量下， 确保焚烧炉流化的出口风压仅需要7 200 Pa。 通过风机变频器调整风机风压， 当风机频率在31～32 Hz 时风压满足运行要求， 但是出现振动现象。 通过分析认为当风机频率在31 Hz 情况下,锅炉供风阻力特性工作曲线与风机性能曲线的交点位于马鞍区左侧，因而出现了风机喘振现象。

（2）二次风道振动

如果供风系统的风道截面积、 弯头等设计不合理，会导致流体的流速过高、流场分布不均匀，从而导致风道及空预器的振动。

本项目焚烧炉二次风机的性能数据为风机流量30 000 m3/h，风机全压4 000 Pa。 焚烧炉负荷在70%～100%工况下，为了保证二燃室燃烧均匀、充分，高温燃烧所需的风量为18 000～26 000 m3/h，二次风主管风道的流速为12～15 m/s。二次风风道是由二次风风机出口处连接至上下二次风母管接口， 各接口处有三个风道弯头，风道弯头处振动最为明显，因此判断风道弯头处偏流严重， 从而导致二次风道及平台振动。

（3）驻波固有频率与卡门涡流频率校核

由于一次风机、二次风机均产生振动现象，因此我们怀疑空预器管束是否也存在振动现象， 接下来我们对空预器进行计算分析。

空预器风箱的驻波固有频率与卡门涡流频率校核接近时，会发生振动现象，引起空预器的振动和噪声。风道的驻波固有频率情况与通道宽度、气流温度等有关， 只要当卡门涡流的频率与驻波的固有频率相接近时，就会发生振动，从而引起空预器及风道的振动[2]。

本项目空预器为立式单管箱结构， 管子顺列布置，其主要设计数据：

空气温度110 ℃时，管箱空气流速w=9 m/s。 空预器管箱宽度B=1.21 m，管子外径d=0.057 m。

空气在管箱内流动时，驻波的固有频率fc[4]：

式中：n—谐波序数，n=1，2，3……

T—空气中气流绝对温度，K

B—管箱通道宽度，m

根据空预器在焚烧炉冷态运行时， 空气温度取T=383 K（110 ℃），按照上述公式计算得到fc=161.7n Hz，现将n 带入得：

当n=1 时，fc=161.7 Hz

当n=2 时，fc=323.4 Hz

当n=3 时，fc=485.1 Hz

卡门涡流频率fk[5]:

式中：S—管束的斯特罗哈数，取S=0.22

w—空气流速，m/s

d—管子外径，m

根据空预器在空气温度110 ℃时， 空气温度取T=383 K（110 ℃）,流速为w=9 m/s，管子外径d=0.057 m。根据上述公式得到fk=34.7 Hz。

由上述计算结果可以看出， 空预器在空气温度110 ℃时， 驻波的固有频率fc最小值为161.7 Hz，大于卡门涡流频率fk频率34.7 Hz，因此焚烧炉空预器在运行时不会出现振动现象， 因而我们排除了空气预热器参与振动的可能性。

3 解决措施

经过上述分析和计算，考虑项目运行需求及改造周期等因素，现采取如下措施对目前风机喘振及风道振动的问题进行处理。

（1）风机喘动

经分析，在保证焚烧炉正常运行的情况下，把焚烧炉料层厚度由400～450 mm 降低为300～350 mm，一次风机频率略升高至33～34 Hz，从而降低了系统需求风压并增加了风机供风量。 综合调整后风机的工作曲线避开了马鞍区， 风机的喘动现象也随之消除，风机运行安全稳定。

（2）二次风道

对二次风风机出口处到连接上下二次风母管接口处的三个风道弯头的导流板进行优化调整， 同时将进入上下二次风道母管的入口由原先单侧进风优化为双侧进风，使进入上下二次风的流阻更低，风道内流场更加均匀，减少风道内偏流和扰动。

通过以上措施对系统进行优化后， 当焚烧炉运行时， 无论高负荷还是低负荷， 原先出现的风机喘动、二次风道振动现象均不再出现。

4 结论

越南平阳造纸厂湍动流化床气化焚烧炉为新开发的焚烧技术，在设计、选型、运行等方面还需要不断完善优化，供风系统振动问题的改造总结如下，供以后湍动流化床气化焚烧炉或类似焚烧技术的锅炉同行参考。

（1）当采用变频器调节风机的风量和风压时如果出现振动， 可适当改变湍动流化床气化焚烧炉床料厚度以及通过变频器调整风机转速， 从而使风机工作曲线避免落在马鞍区左侧。

（2）在风道设计上要重视风道流通截面积、弯头导流等事项，降低风道流阻，减少风道偏流和扰动，消除风道因管内流速过高和偏流因素出现的振动情况。