提高链条锅炉煤炭燃烧效率的节能技术研究与应用

文_刘晓波 中煤地质集团有限公司

燃煤链条锅炉因其炉排类似于链条式履带而得名，属层状燃烧。由于燃煤链条锅炉燃烧的固有特性，煤炭在炉排上着火燃烧速度缓慢、飞灰燃烬困难，其本身设计热效率偏低。链条锅炉燃烧过程对煤种和颗粒度有一定的要求，而市场上煤的供应难以满足设计要求。因而链条锅炉实际运行热效率往往比设计值更低，节能潜力非常大。

1 燃煤链条锅炉燃烧特点

1.1 燃烧工作过程

链条锅炉炉膛由前拱、后拱、链条炉排、水冷壁包覆而成。其燃烧工作过程是链条炉排在电机的带动下，炉排面自前向后缓慢移动。落煤斗中的煤下落到炉排上，以一定的厚度平铺于炉排面，煤层与炉排面相对静止随炉排缓慢移动一起带入炉膛。燃烧所需的空气从炉排下风箱向上连续送入，自下而上与移动着的煤层垂直相交。煤炭在炉排上着火燃烧，燃烧所产生的烟气向上流动，烟气在炉内完成换热后通过烟道排出锅炉。在炉排后部，燃烧形成的灰渣从落渣口掉入灰渣斗排出。

1.2 燃烧特性

链条锅炉燃烧工作过程决定了炉排上煤炭的固有燃烧特性。随炉排移动的煤层，依次完成新煤的预热干躁和加热、挥发分析出燃烧、焦炭着火燃烧直至燃尽等过程，炉排中部焦炭燃烧区域温度最高，火焰明亮。燃烧所需的空气从炉排煤层下送入，从煤层中的缝隙穿过参与燃烧，详见图1。煤层中的较大颗粒在炉排上移动燃烧，煤层中的细粉被烟气携带在炉膛中悬浮燃烧。

炉排面自炉前向炉后缓慢移动，但煤层与炉排面相对静止。空气从煤层下送入，在煤粒缝隙中向上流动，提供煤颗粒燃烧所需的氧气。煤层的上表层受热强且温度高、下底层空气供给充足，燃烧相对较快，较早形成灰渣层。煤层的中间层被上下层的灰渣所夹，阻碍焦炭的燃烬，相对燃烧缓慢，未燃烬炭含量高。每个煤颗粒的燃烧都是由表及里进行，当燃烧经过一段时间后，颗粒外面形成一层“灰衣”，且越来越厚，并在高温条件下熔化后形成一层硬壳，阻止颗粒核心与空气接触，使燃烧过程变得缓慢。同时，在高温下“灰衣”熔化使煤颗粒之间的缝隙变小，煤层易板结，阻止空气穿过、混合，焦炭不能燃烬，导致炉渣中可燃物含量较高。

链条锅炉对燃煤颗粒度有一定要求，颗粒尺寸一般要求小于3mm不超过10%，大于40mm不超过10%，在6～40mm为宜。颗粒过大，空气与颗粒内部焦炭不易混合，燃烧速度慢，焦炭燃烬困难，增加了炉渣中含碳量；煤层燃烧所产生的烟气向上流动，并携带有大量细小颗粒及部分可燃气体，这些可燃物在炉膛中呈悬浮状态继续燃烧。煤层中细颗粒越多，会增加飞灰份额。飞灰细颗粒在炉膛中停留时间短，炉膛上部的温度相对降低，飞灰细颗粒燃烬困难，最后随烟气一起排出锅炉，增加了飞灰可燃物含量。

1.3 链条锅炉燃烧存在的问题

对链条锅炉煤炭燃烧特点分析可知，这种燃烧方式存在3方面缺点：①煤颗粒较大，燃烧速度慢；②煤颗粒燃烬时间长，燃烬困难；③细颗粒随烟气带走，在炉膛中停留时间短，不能完全燃烧。

链条锅炉燃用的是未经洗选的原煤，而在我国目前市场上，煤的供应不能满足设计煤种特性和颗粒度的要求，不利于煤炭燃烬。导致其在实际运行中普遍存在3方面问题：①在燃烧过程中煤颗粒与空气混合条件较差，燃烧速度慢；②煤层易板结，阻止空气穿过、混合，焦炭燃烬困难，排渣带红火，炉渣中含碳量高；③烟气携带的悬浮颗粒燃烧时间短，燃烬困难，飞灰可燃物含量高。这些因素造成锅炉燃烧效率低，固体未完全燃烧热损失高，浪费能源。

2 提高链条锅炉煤炭燃烧效率的节能技术研究

2.1 链条锅炉运行现状研究

上述对链条锅炉煤炭燃烧过程及燃烧机理研究分析发现，炉排上的煤层随着燃烧的进行，一方面煤颗粒内焦炭被灰渣包裹，另一方面，煤层中部的氧气浓度较低，中层焦炭被上下层的灰渣所夹，阻碍焦炭的燃烬。而煤层相对于炉排是静止的，煤层燃烧过程中易出现板结现象，进一步增加焦炭燃烬难度，导致炉渣可燃物含量高。燃烧生成的烟气携带大量细小颗粒，由于链条炉的炉膛高度不能让飞灰颗粒停留足够的时间、炉膛上部的温度相对较低，导致飞灰可燃物不能完全燃烧，飞灰可燃物含量大。

链条锅炉实际运行过程中，炉渣、飞灰可燃物含量大，煤炭燃烧效率低。煤层燃烧易出现煤层板结、排渣带红火的现象，往往只能靠人工拨动煤层防止煤层结块，俗称“拨火”，以强化燃烧。一方面“拨火”过程中产生的飞灰颗粒被烟气带走，增加飞灰可燃物含量，燃烧效果不理想，另一方面劳动强度大、工作环境恶劣。

2.2 节能技术研究简介

针对上述现状和存在的问题，研发了提高链条锅炉煤炭燃烧效率的节能技术，并获得一项国家发明专利——煤层强化燃烧器（ZL 201210560858.4）；一项实用新型专利——飞灰η型分离复燃装置（ZL 201220712124.9）。该技术采用强化炉排上煤层燃烧、分离烟气中飞灰颗粒并返回炉膛内再燃烧等措施，降低炉渣、飞灰可燃物含量以有效提高煤炭燃烧效率，减少固体未完全燃烧热损失，达到节能的目的。

煤层强化燃烧器固定布置在链条炉排上方，与炉排面保持一定间隙，不干涉炉排的移动。飞灰η型分离复燃装置的分离元件垂直布置于链条锅炉的炉膛出口处，分离出来的飞灰通过集灰斗、输灰管穿过后拱送回下部炉膛内，具体布置示意图见图2。

图2 煤层强化燃烧器与飞灰η型分离复燃装置布置示意图

煤层强化燃烧器包括楔形架、犁煤片、空气喷嘴和进气连接管，详见图3。炉排带动煤层向炉后运动，煤层在运动中遇到固定的煤层强化燃烧器的楔形架，煤层被抬起，同时被犁煤片翻动，使煤层裂开缝隙和煤粒表面的裹灰剥落，实现防止煤层板结并有利于空气与煤粒混合。当煤层爬越楔形架后重新落回炉排，此时形成了一个煤层燃烧微小空间，若干空气喷嘴喷出的少量助燃空气与煤粒充分混合，提高煤层中部的氧气浓度，促进空气向煤粒内扩散，实现强化煤层燃烧。进气连接管穿过链条锅炉侧墙接入助燃空气。

图3 煤层强化燃烧器示意图

飞灰η型分离复燃装置包括η型分离元件、支吊架、集灰斗和输灰管。η型分离元件通过支吊架固定在链条锅炉的顶棚，布置于链条锅炉的炉膛出口后部。η型分离元件的底端与集灰斗相连，集灰斗的底部输灰管穿过链条锅炉后拱，进入下部炉膛区域。η型分离元件错列布置见图4，携带细颗粒的烟气流经η型分离元件产生惯性分离，分离效率可达80%以上。分离下来的飞灰落入集灰斗，由输灰管将飞灰送回炉膛重新燃烧。飞灰颗粒在炉膛内多次分离、回送循环，大大延长细颗粒在炉噁的停留时间。

图4 η型分离元件及布置示意图

3 实例应用

3.1 链条锅炉概况

某供热锅炉房燃煤链条热水锅炉型号为DZL4.2-1.0/115/70-AⅡ，锅炉简图见图5。为居民生活、冬季供暖提供热源。锅炉运行中存在燃烧火焰不明亮，煤层板结、排渣带红火，灰渣燃烧不完全。烟管中飞灰易沉积，发生堵塞现象。

图5 链条锅炉简图

按照《工业锅炉热工性能试验规程》GB/T10180由专业试验单位进行了热工测试，试验报告部分数据：飞灰可燃物含量Cfh=25.46%，炉渣可燃物含量Clz=37.90%，固体未完全燃烧热损失q4=16.28%，热效率η=65.34%。

飞灰、炉渣中可燃物含量非常高，煤炭燃烧效率低，锅炉热效率比较低。锅炉节能改造潜力很大，迫切需要提高锅炉运行经济性。

3.2 技术改造工作内容

根据现场调研情况，采用节能专利技术设计最优的改造方案。在炉排中部靠后布置煤层强化燃烧器，进气连接管与鼓风机出口风道连接，通入助燃空气。在对流管束入口管子上固定飞灰η型分离复燃装置，分离下来的飞灰送回后拱下部炉膛重新燃烧，详见图5。

项目主要工作内容：

①设计锅炉节能技术改造图纸，编制改造工艺、施工组织方案。

②加工制造煤层强化燃烧器、飞灰η型分离复燃装置。

③按设计图纸现场安装设备。

④检查风室、调风门、落灰门严密性，冷态调试。

⑤点火启动、调试、生产运行。

⑥配合热工测试，项目验收。

3.3 节能效果分析

完成节能技术改造锅炉正常投入生产运行后，由专业热工试验单位按照标准进行了测试。对试验报告中主要燃烧结果数据进行对比分析，详见表1。节能技术改造后，飞灰、炉渣可燃物含量显著降低，煤炭燃烧效率提高，锅炉热效率提高了16.22%，节能效果显著。

表1 锅炉部分数据对比

通过长时间运行观察，相比节能改造前，炉排煤层燃烧稳定，中部火焰明亮，对煤质的适应性提高。烟管中飞灰沉积、堵塞问题得到解决，主要原因是烟气中的飞灰颗粒被高效分离，流经烟管的烟气中飞灰浓度大大降低所致。

4 结语

深入研究分析影响煤炭燃烧效率的主要因素，研发先进节能专利技术，可以大大降低灰渣可燃物含量，显著提高煤炭燃烧效率，达到节能的目的。

提高煤炭燃烧效率的先进节能技术核心是，防止煤层板结，促使煤层裂开缝隙和煤粒表面的裹灰剥落，促进焦炭与氧气混合，通入的助燃空气提高煤层中部的氧气浓度，强化煤层燃烧。高效分离烟气中的飞灰颗粒，并返回炉膛内多次循环，大大延长其在炉内停留时间。

改造前后的数据分析表明，节能专利技术应用效果显著。炉渣、飞灰可燃物含量降低明显，大大提高了煤炭燃烧效率，锅炉热效率得以提高，取得了实实在在的经济效益，具有良好推广应用前景。

节能专利技术结构设计简单，不涉及改动锅炉本体受压元件。因此，改造成本较低，现场改造工作量小、施工方便、改造周期短、见效快。