第六節　燃煤鍋爐降低灰渣含碳量

一、灰渣含碳量與經濟運行的關系

燃煤工業鍋爐的固體不完全燃燒熱損失q4包括三部分，即灰渣含碳量、漏煤含碳量和飛灰含碳量所造成的熱損失。它是衡量燃料中可燃成分燃盡程度的一個重要指標，是燃煤工業鍋爐的主要熱損失。其中最主要的是灰渣含碳量所造成的，一般達到15％左右，較差的高達20％以上，成為中小型工業鍋爐的通病。還應該指出，q4熱損失大，不僅浪費了燃料，還會造成環境污染。

固體不完全燃燒熱損失的大小，主要與鍋爐型號、結構、燃料品種與質量、燃燒方式及其燃料管理優劣和運行操作技術等有關。該項熱損失越大，燃燒效率越低，直接影響鍋爐熱效率。據大量鍋爐熱平衡與節能監測資料顯示，灰渣含碳量減少2.5％，可節煤1％；灰渣含碳量降低4.5％，鍋爐熱效率可提高1％左右，對經濟運行、節能減排效果顯著。

二、加強燃煤管理工作

1.工業鍋爐燃用潔凈煤

目前工業鍋爐燃煤很難滿足設計煤種、質量要求。主要表現在燃用小煤窯煤多，煤種與成分波動大、煤質差，往往出現著火推遲、燃燒惡化、爐膛溫度水平低、灰渣含碳量升高等現象，供熱難以保證；特別是我國沿用歷史習慣，工業鍋爐一直燃用原煤，粒度級配與設計不匹配，3mm以下煤屑高達60％～70％，漏煤與飛灰多，煤層阻力大，配風難于均勻，灰渣含碳量升高；燃煤含硫量普通較高，且很難控制，環境污染嚴重。因此，工業鍋爐應燃用潔凈煤，主要包括動力洗選煤、鍋爐型煤、水煤漿、小型高效煤粉以及生物質燃料等鍋爐，這是我國燃煤工業鍋爐可持續發展的必由之路。這將在第六章中進行詳細介紹。

2.燃煤篩分破碎，保持粒度合理

市場上供應的散煤粒度為0～50mm，且小于3mm的煤屑太多，不符合鏈條鍋爐的設計要求。為均勻布煤、合理配風和組織高溫燃燒創造條件，在使用前應進行篩分、破碎。鏈條爐3mm以下煤屑不好燒，應通過篩分除掉，對大塊煤經破碎合格，煤矸石一定要揀出。

對于篩分下來的煤面與揀出的矸石，有條件的可用于循環流化床鍋爐燃用，或者再搭配幾種煤面，并加入適量固硫劑，經爐前成型機壓制成型煤入爐（詳見第六章），可獲得良好的綜合經濟效益。

3.燃煤適量加濕燜水

煤中混入水是有害的，因為蒸發每千克水要消耗2500kJ（600kcal）熱量。若煤中含有8％的水，就要降低發熱量126kJ/kg，相當于煤的0.5％左右熱值。但是提前均勻適量燜水，把水分滲透到煤的內部，可補償上述損失，是一項非常必要的燃煤準備工作，它有以下幾點好處：

（1）疏松燃煤，為強化燃燒創造條件　在一個標準大氣壓下，水由液態變為氣態，比容從0.001043m3（標準狀態 ）/kg膨脹為1.725m3/kg，體積增大1650倍。當煤中水分與揮發物受熱逸出時，必然會產生微小空隙或裂紋，使其疏松，增大了與空氣的接觸面積，有利于氧氣擴散進入，為強化燃燒創造了條件。

（2）促進焦炭還原反應，加速燃燒過程　煤的層燃是通過炭的氧化與還原反應進行的。鏈條爐排煤層中段下部為氧化帶，生成大量CO2，其上為還原帶，水蒸氣通過赤熱焦炭，發生吸熱的還原反應：

C+CO2＝2CO-ΔH　?。?-17）

C+H2O＝CO+H2-ΔH　?。?-18）

水蒸氣的存在可促進炭的氣化過程，使固體炭通過氣化反應轉化為氣態，從而加速了煤的燃燒過程。

（3）減少漏煤與飛灰熱損失　煤中滲透適量水分，使煤屑與煤屑之間、煤屑與煤塊之間相互黏結，可減少漏煤與飛灰，降低固體不完全燃燒熱損失。

加水要點：煤中摻水要適量、均勻、燜透，一般以8％～10％為宜?？伤突炇疫M行分析，也可以用經驗法予以判定，用手攥一下，松手后煤團開裂而不散。摻水后要燜放8h以上，使水分滲透到煤粒內部。有的鍋爐房在煤倉頂部設水管噴水，很不均勻，時間又短，起不到應有作用。

三、爐排橫向均勻布煤，保持火床均衡

通常機械化給煤輸送系統，到達頂部平臺后先由水平皮帶機經落煤管送入鍋爐貯煤倉內。在重力分離作用下，出現沿煤倉寬度方向的粒度離析現象：中部煤屑多，大塊則滾落到兩側，因而造成鏈排橫向煤層粒度分布不均，通風阻力差異大。中部阻力大，風量嚴重不足，兩側阻力小，風量過剩。于是爐排橫向燃燒進程不同，火床不平齊，甚至會出現火口，灰渣可燃炭與飛灰量增加，降低燃燒效率。應設法解決爐排橫向布煤不均問題，視具體情況可采取如下措施。

1.設置可擺動的落煤管

燃煤由儲煤倉流到煤斗時，多采用固定的落煤管。由于煤斗很寬，有時設置兩個以上落煤管，仍會出現粒度離析現象。為此可改為下端沿煤斗橫向擺動的落煤管，也叫擺煤管，工作原理如圖2-11所示。

在鍋爐鏈排傳動主軸上裝設兩個行程開關觸點，來控制落煤管電機的啟動。當落煤管擺到一定角度時，由落煤管電機軸端設置的兩個行程開關與觸點相碰，控制落煤管的停止位置。在鏈排主軸轉動與落煤管電機聯動作用下，實現了落煤管的左右擺動頻率與鏈排速度相協調。

落煤管可促進燃煤粒度沿爐排橫向均勻分布，煤層阻力趨于均衡，有利于燃燒的正常進行，降低灰渣含碳量。該裝置結構簡單，操作方便，維修工作量小，適合于大中型工業鍋爐應用。目前已有定型產品供選配，亦可自行設計改造。

2.設置皮帶機移動卸煤犁

為了使燃煤粒度在鏈條爐排上均勻分布，首先應設法促進煤倉內的燃煤粒度沿橫向分布均勻。為此，在煤倉頂部的水平皮帶機上加裝移動卸煤犁小車，其下鋪設軌道。當皮帶機啟動后，卸煤犁小車可沿煤倉寬度方向往返移動，使落煤點沿煤倉寬度方向有規律地移動，可達到均勻布煤的要求。該設備已有定型產品供選配，結構簡單，效果很好。

四、鏈條鍋爐布煤方法沿革與評述

1.煤閘板布煤法

此為傳統布煤法，煤斗中的燃煤因重力作用而下落，經煤閘板限定所設厚度，進到移動的正轉鏈排上。煤層平整密實，粒度分布混雜，無規律，火床難以均勻，通風阻力大，風機電耗高，水冷煤閘板帶走熱量，有時被燒壞。

2.分層布煤法

1993年發明了分層布煤法。取消煤閘板，燃煤從煤倉經輥筒落下時，經向后傾斜一定角度的篩分器溜到正轉鏈排上。最初的篩分器就是有一定間距的圓鋼棍排面，后來經不斷改進，研制出箅板網孔式、梳齒式、峰谷式（壟形式）和組合式等篩分器。其原理均是利用燃煤從傾斜的篩分器下溜時，與正轉鏈條爐排向前移動的時間差，使燃煤得以分層。大塊煤只能從篩分器末端滾下，落到鏈排表面，較小煤塊隨后落到大塊煤層上，煤屑與粉煤最后落到煤層表面，如圖2-12所示。此種布煤方法的前提條件必須是正轉鏈排，篩分器應有恰當的傾斜角度，并設計有網孔或間距，以控制不同粒度燃煤下落的順序。由于燃煤在下落的過程中未受到擠壓，煤層較為有序疏松，通風阻力小，火床較均勻，有一定的節能效果。但后來因所供原煤粒度發生變化，煤屑與粉煤約占60％～70％，造成無層可分的現象，因而又研發出較為先進的布煤方法。

3.分行壟形布煤法與節能機理

天津最早于1996年發明了《縱向分行壟形布煤燃燒裝置》，并申報了專利，如圖2-13所示。該方法也稱波峰波谷式布煤法，組裝結構見圖2-14。利用單輥筒和特制的篩分器，達到布煤既分行，又能完成壟形狀，并把燃煤中有限的煤塊分布在壟溝處。由于燃煤在篩分器斜面上滾落下溜時會產生二次離析并從壟背滾動溜邊現象，因而壟溝中煤塊落的較多，而在壟背處煤屑與粉煤較多，突破了布煤要求“平”、“均”的傳統框框。起初有些人難于理解，但該專利投入市場后，節能效果顯著，很快在天津、河北、遼寧、吉林、山東等省市推廣應用幾千臺，并向全國各地轉讓專利技術多家，特別是我國最大的鍋爐爐排生產企業瓦房店永寧機械廠購置了該專利技術，在鏈條爐排出廠時整套配置，更加大了推廣應用力度和范圍。2010年9月經天津鍋爐協會委派專家組，對多年來安裝該裝置的九個鍋爐房共計28臺鍋爐進行了現場考查調研，對該專利節能機理進行了深入研究，匯總如下。

①煤層疏松，風機節電原理。由于取消了煤閘板，燃煤自由下落，煤層較為疏松，尤其在壟溝處，煤層不但薄而且煤塊居多，通風阻力小，可提前點燃，燃燒旺，有的企業曾專門做過模擬試驗，壟形布煤與煤閘板擠壓布煤相比，煤的堆密度約減小40％左右，風室壓力由400Pa降至200Pa。因而風機電流減小，節電7.5％以上。

②煤層外表面積擴大，提高爐排熱強度。分行壟形布煤后煤層表面積展開寬度增大30％～40％，相當于擴大了爐排面積，必然會提高爐排熱強度。因而鍋爐出力提高4.5％左右。天津金泰供熱中心專門進行了熱平衡測定，鍋爐熱效率平均提高4.0％左右。

③微型自動撥火，降低灰渣含碳量。分行壟形布煤一般在三門過后變為平火床。對此現象早已認定，但對其產生的原因曾有不同解讀。歸納起來，大致有以下幾種觀點：

a.在100℃時燃煤中的水分開始蒸發，變為水蒸氣后體積膨脹1650倍，為壟背受熱燃煤向兩側壟溝倒塌提供了助推力；

b.鏈條運行，不斷向前移動，會產生一定的振動現象，有助于壟背受熱燃煤在存有位差的條件下，向兩側壟溝傾落；

c.燃煤中的揮發分在170℃時開始析出，200～300℃時著火燃燒；還有燃煤中的碳燃燒反應，生成氣體，這些燃燒產物析出時，也會產生一定的膨脹作用；

d.燃煤燃燒后所剩灰分體積必然會縮小所致。

經過認真研究分析，認識到壟背兩側為壟溝呈現為一定斜度，二者存有位差，提供了壟背向兩側壟溝倒塌的客觀條件。實地觀察結果并參照圖2-15所知，在燃燒初始階段，壟溝內的溫度遠高于壟背。隨著燃燒不斷進行，壟溝處先行下沉，與壟背位差加大。當壟背燃燒溫度提高后，不穩定因素增加，在a、b兩項外力作用下，壟背必然向兩側壟溝倒塌，變為平火床，起到微形拔火作用，促使燃燒旺盛，降低灰渣殘碳5％以上。

④氧化還原反應相匯合，提高火焰溫度。在壟溝處煤層薄，煤塊多，風量充足，全部為氧化反應，（C+O2→CO2+32760kJ/kg）不可能產生還原層，呈現出氧化性火焰。而在壟背處，煤層厚，且煤屑與粉煤較多，風量相對不足，按層燃原理，會產生一定的還原反應（C+0.5O2→CO+9954kJ/kg），生成還原性氣體。上述兩種氣體相遇，必然會發生強烈的混合燃燒反應，因而可提高火焰溫度70～80℃。同時氧化性氣體與還原性氣體混合燃燒，必然會消耗掉煙氣中多余的殘氧含量，巧現低氧燃燒技術，達到合理的空氣系數。天津市金泰供熱中心，經鍋爐熱平衡測試，尾部受熱面后的空氣系數為1.39，南開大學供熱站鍋爐尾部受熱面后的空氣系數為1.36～1.45。與煤閘板布煤鍋爐相比低很多，由于少消耗21％的氧，必然少帶進79％的氮，因而減小了煙氣體積，降低了排煙熱損失。

4.燃用濕煤和凍煤的技術措施與效果

我國工業鍋爐房一般為露天儲煤，污染環境，遇有刮風、下雨或降雪天氣，鍋爐必然要燒濕煤或凍煤。因而經常發生堵煤、棚煤、下煤不暢或粘結篩分器等問題，嚴重影響正常供熱，甚至會造成事故。尤其是“三北”地區更為嚴重。遇此情況，首先應加設儲煤廠房，然后可采用三輥式給煤裝置，如圖2-16所示。利用三輥給煤裝置的濕煤攪動輥，將其攪動松散，再通過移煤輥與撥煤輥，使其下煤通暢均衡，保證正常運行，滿足供熱要求。

五、應用強化燃燒技術，促進燃煤加速燃盡

煤的燃燒速度主要與溫度及配風情況有關，提高爐膛溫度、提高火焰溫度，即可加快燃燒進程。在一般情況下，配風合理，爐膛溫度高于1200℃，爐內的輻射傳熱比對流傳熱強烈得多，此時爐膛內布置的水冷壁所吸收的輻射熱量比對流熱量要提高5倍以上；當爐膛溫度在1100～1200℃時，輻射傳熱量與對流傳熱量基本持平；當爐膛溫度低于1000℃時，輻射傳熱量明顯減弱。鏈條鍋爐燃煤燃燒速度還與煤的品種、質量有關。若煤的灰分高、揮發分低、熱值不高，起火困難，燃燒速度趨緩，難于燃盡，灰渣含碳量升高。

鏈條鍋爐針對以上情況，采取強化燃燒措施，加快燃燒速度，提高燃燒效率。諸如合理設計和砌造爐拱、調整前后拱角度、必要時設置中拱、恰當地布置爐拱的遍蓋面、在爐膛相關部位增設高壓噴射抽吸爐內高溫煙氣再高速噴入爐膛內進行強化燃燒等措施。當燃用劣質煤時，應加設衛燃帶，適當減緩水冷壁吸熱量，來提高爐膛溫度，加速燃燒進程。實踐證明，其效果是很明顯的。另外，應設法提高空氣預熱溫度，除能降低排煙溫度外，還可提高火焰溫度，有利于強化燃燒。有關強化燃燒的相關內容，將在第三章中作詳細介紹，這里只概要提及。

六、漏煤回燒與灰渣返燒

漏煤的含碳量一般較高，比原煤略低，應設法降低漏煤損失。前已敘及，要加強原煤的準備與處理工作，并采取先進的布煤技術，可以減少漏煤損失，還可改進或選用鱗片式不漏煤鏈排結構。但還是有漏煤的，應當專門收集起來，摻混在原煤中回燒。在摻混前應適當加濕處理，以便與原煤較好混合。

灰渣的含碳量一般在15％左右，有的還高。目前多數企業經水沖后當作廢物處理，造成環境污染。應通過分析化驗，有反燒價值的，摻混在原煤中返燒。有條件的企業，最好送往流化床鍋爐返燒，效果更好。如無返燒價值，也應當作為一種資源進行綜合利用。

飛灰的含碳量一般30％左右，目前均作為廢物處理，又無密閉設施，造成環境污染。應加設密閉回收，作為一種資源進行綜合利用，如與原煤適當配比制造型煤，或者加濕處理后進行回燒，有條件的企業最好送往流化床鍋爐回燒。