第二節　鏈條鍋爐爐拱優化強化燃燒技術

截至2006年，全國在用的50多萬臺工業鍋爐中，燃煤鍋爐約48萬臺，占工業鍋爐總容量的85％左右，其中鏈條爐約占80％。鏈條爐排鍋爐歷史悠久，其結構成熟，設計、制造、運行經驗豐富，單臺容量可達100t/h。鏈條爐排仍是燃煤鍋爐的主要燃燒方式，在工業鍋爐中居主導地位。但從總體上看，運行效率偏低、污染嚴重的問題較為普遍，因此，研究鏈條鍋爐節能減排具有普遍意義。造成鏈條鍋爐運行效率偏低、污染嚴重的原因，除了設計制造存在缺陷、使用管理運行操作不善外，燃用煤種偏離設計的問題最為突出。

影響鏈條鍋爐熱效率的首要問題是完全燃燒，而良好燃燒的關鍵在于爐拱。實踐證明，改善爐拱的布置是提高鍋爐燃燒效率和擴大鍋爐燃煤范圍的有效措施。為了優化爐膛結構，首先要弄清鏈條爐排燃燒特性以及與煤質特性的相互關系。

一、鏈條爐排燃燒特性

1.燃燒特性

鏈條爐排屬于移動層燃，其工作方式是由鏈條爐排馱載著一定厚度的煤層進入燃燒室，從前至后（沿爐排長度方向）連續移動；燃燒所需要的空氣通過爐排的間隙自下而上與移動著的煤層垂直相交；燃燒和熱能由煤層表面垂直向下傳播，由此形成如下燃燒特性。

（1）燃料層單向引燃特性。隨爐排移動進入燃燒室的燃料，主要是靠其上方的熱源來點燃，它包括前拱及爐墻輻射傳熱；燃燒室前部空間高溫煙氣輻射傳熱；由后拱導向燃燒室中部高溫煙氣的對流傳熱及其夾帶的熾熱炭粒的熱量。

（2）隨爐排連續移動的燃料，依次完成燃燒的熱力準備階段、燃燒階段和燃盡階段。

①進入燃燒室的燃料在上方熱源加熱下立即進入干燥預熱升溫過程，當燃料達到一定溫度時，開始析出揮發分，這個過程的長短，也就是燃料進入燃燒室后延續的時間和距離，一方面取決于燃煤濕度大小和揮發分的性質，另一方面取決于空間熱源強化程度。

②當析出的揮發分與空氣組成的可燃混合物達到一定濃度時立即出現著火，揮發分的燃燒是整個燃燒過程的開始和發動，釋放大量的熱能使固定碳得以充分預熱。這個階段的放熱強度，除通風因素外，主要取決于揮發分含量的多少和性質。

③固定碳得到充分預熱達到一定溫度時，使整個燃燒過程進入了活潑的固定碳燃燒階段并放出大量熱能。這個階段的進行，除了要有充分的氧氣供給外，還取決于溫度水平。

④大部分固定碳燃燒后，煤層的溫度急劇下降。煤層中殘余的固定碳緩慢燃盡形成灰渣，隨著爐排移動到末端排出。

這幾個階段沿著爐排移動方向依次連續進行，由于煤層的運動方向與垂直向下的熱能傳遞方向合成的結果，使得不同燃燒階段的分區界限不是垂直線，而是形成相當傾斜的界限。鏈條爐排上煤層燃燒區域分布見圖3-1。

（3）沿著爐排運動方向的燃料層處于不同的燃燒階段，各需不同的空氣量，并產生相應的氣體生成物向燃燒室擴散。

垂直于移動煤層的空氣流，在沿爐排長度方向的不同位置，流經著不同的燃燒階段，不同的可燃成分，不同的溫度、厚度、阻力的煤層，離開煤層的氣體生成物也必然呈現各不相同、不均勻的特性，但從總體看表現出十分嚴謹的規律性。氣體成分及分布見圖3-2。

火床前后兩端出現過剩氧，而在中部存在大量可燃氣體，二氧化碳分布曲線呈馬鞍形。這種氣化產物分布規律與燃燒強度無關，只是分布長度有所改變，燃燒強度升高，曲線范圍縮短，反之擴大。

（4）燃燒過程中煤層的氣化特性。

進入燃燒室的燃煤，當完成熱力準備階段達到一定溫度時析出揮發分，形成氣相可燃物，與空氣混合實現著火，這是燃煤氣化的第一種形式。接下來燃煤進入了固定碳直接氧化區域，由于在高溫下氧化反應進行得非常快，大大超過空氣的供給與燃料的混合速度，因此在實際上僅僅與爐排接觸不太厚的煤層范圍內進行著真正的氧化過程，如式（3-1）。而煤層的絕大部分因氧氣不足而出現還原反應，如式（3-2）。這種性質與通風強度無關。

C+O2＝CO2↑　　（3-1）

CO2+C＝2CO↑　　（3-2）

因此，該區域燃燒過程，實質是煤的氣化產物的氣相燃燒，這是燃煤氣化的第二種形式。所以，鏈條爐排燃燒既有煤顆粒表面的燃燒，也有燃煤氣化生成物的燃燒，也就是燃燒既在燃料層中進行，也同時在燃料層上方的空間進行。因此既要組織好爐排上煤層的燃燒，又要組織好爐膛空間的燃燒。

2.燃料特性對鏈條爐排燃燒過程的影響

燃料特性對燃燒狀況產生極其重大的影響，它是確定爐膛結構的依據，即一定的煤種對應著一種爐膛結構，或者說爐膛結構一旦確定，就適用于一定的煤種。

（1）揮發分的影響　在煤的各項特性中，揮發分的性質含量占有特殊的地位，它決定著火的難易程度和整個焦炭燃燒過程。揮發分是燃煤分解出來的氣體和煤的成分中含有的凝結性物質蒸氣的混合物。不同化學年代的燃料，揮發分析出溫度不同，含揮發分高的煙煤揮發分在170℃即可析出。而炭化程度較深、揮發分較少的無煙煤則在400℃才開始析出。前者500～600℃即可起燃，而后者則需700～800℃才能起燃。由于鏈條爐排燃燒方式固有的燃料單向引燃特性，使得揮發分含量較高的煤易于起火，且燃燒穩定。此外揮發分析出區域的寬度也有很大差異，圖3-1中bK與cL之間距離，含揮發分較高的煙煤，這個區域較為寬廣，而無煙煤變得非常狹窄。燃料特征在燃燒區段表現出來的這一特點對整個燃燒過程的完全程度帶來極為重大的影響。揮發分析出和燃燒區愈寬廣，則放出的熱量愈大，加熱固定碳的過程愈長，加熱愈強烈，這就大大改善了難以燃燒的固定碳的燃燒條件，促進其強烈地氣化和燃燒；反之，揮發分析出和燃燒區段愈狹窄，則為固定碳提供的熱量、伴隨的時間愈短，固定碳完全燃燒趨于困難，降低了完全燃燒程度。揮發分含量越高的煤，揮發分燃燒后，剩下的焦炭量越少，且焦炭比較疏松，燃盡時間也越少，易于燃盡。可見，煤中揮發分含量的多少是決定爐膛結構及通風條件的關鍵因素。燃用煙煤的鏈條爐排鍋爐適宜燃用Vdaf≥22％的煤種，對于Vdaf<22％的煤炭以至揮發分含量更低的無煙煤，則需要特殊的爐膛結構、通風配置和其他強化燃燒的措施。

（2）灰分的影響　煤中灰分增加使得可燃物含量減少，對煤的著火和燃燒帶來不利影響。當燃用多灰的煤種時，在焦炭周圍覆蓋了過多灰渣，阻礙了與空氣的接觸，延長了燃燒時間，加大了不完全燃燒熱損失。燃用灰分高的劣質煤，焦渣特征大，很容易在爐排上結焦，破壞燃燒過程，嚴重時還可能堵塞爐排通風間隙，造成爐排過熱燒壞。大塊的焦渣堵塞灰渣通道，危及正常運行。鏈條爐排鍋爐用煤灰分最好小于25％，不宜超過30％，焦渣特征2～4號為宜。燃用灰分較多的煤種時，應配置強化引燃的爐膛結構，使用熱風，并采取碎渣措施。

（3）水分的影響　煤中水分增加使燃煤入爐后干燥時間加長，水分的蒸發需要吸收熱量，這對煤的著火不利。蒸發了的水與可燃氣體混合，既增加了可燃氣體的熱容量，又降低了其濃度，對可燃氣體燃燒也不利，這些都促使燃燒室溫度下降，不利于燃燒的強化。但煤中水分也不宜過低，尤其是對于煤末多的燃煤，煤中適當的水分能使碎煤屑粘接在一起，使漏煤和飛灰減少。適當的水分也可使煤層不致過分結焦；煤層中水分蒸發后能使煤層疏松利于燃燒。鏈條爐排燃燒要求煤中全水分不得超過12％。對于高水分的煤，要求強化引燃的爐膛結構。

（4）發熱量的影響　發熱量是煤的綜合性指標，發熱量低的煤，水分或灰分的含量必然高，因此當Qdaf低于16.50MJ/kg（3940kcal/kg）時，爐內的燃燒溫度、拱的溫度和輻射的熱量低，使煤的著火和燃盡困難。同時在燃用發熱量低的煤時，燃煤量增加，煤層厚，鏈排速度加快，這對著火和燃盡是不利的。因此當燃用Qdaf低于16.50MJ/kg的煤種時，在爐拱的設置、熱風溫度、爐排的有效面積等方面均需采取相應的措施。

（5）煤粒度的影響　鏈條爐排適合燃用洗選煤，其粒度為6～25mm，當燃用未經洗選的原煤時，小于3mm不得超過30％，最大顆粒度不大于40mm。鏈條爐排上的煤層相對于爐排是靜止的，在燃燒過程中，沒有撥火作用，所以不適用黏結性強以及煤灰的熔融軟化溫度ST≤1250℃（當煤中灰分小于18％時，ST允許降低到1150℃）的煤種。

3.鏈條爐排燃燒的基本要求和基本方法

為了滿足鏈條爐排上述燃燒特性，使燃燒能夠正常穩定進行，達到充分燃盡的基本要求：一是要有足夠高的引燃熱源溫度的提供和可靠的熱傳遞；二是要有符合不同燃燒階段的合理配風和調控措施；三是要有滿足空間煙氣充分混合的燃燒室結構以及空間氣流組織手段。采用的基本方法：一是配置適合于燃料特性的爐拱結構；二是沿爐排長度方向的分室配風和二次風的合理配置等方法來實現鏈條爐排的燃燒要求。

二、爐拱特性與功能

1.爐拱特性

為了適應鏈條爐排燃燒特性要求，燃燒室需設置特有的結構——爐拱。它起著新燃料引燃和促進爐內煙氣混合等作用。爐拱特性一是輻射傳熱。爐拱通常由耐火磚或耐火混凝土筑成，爐拱本身不產生熱量，屬于灰體，其表面法線方向上的輻射黑度約為0.8左右。來自火床上燃料燃燒產生的熱量和燃燒室熾熱煙氣的熱量，被爐拱所吸收，提高了爐拱的溫度，熾熱的爐拱把熱量再輻射到爐排的燃料上。前拱主要功能是通過輻射傳熱實現新燃料的引燃；后拱通過輻射傳熱保持高溫，促進燃料的燃盡。其輻射功能的強化程度決定于溫度水平的高低和輻射面積的大小。爐拱輻射特性取決于爐拱在爐排上投影面積而與其形狀無關，因此爐拱在爐排上的投影長度是爐拱結構的主要參數之一。二是促進爐內煙氣混合。由于鏈條爐排分段燃燒的特性，即使采取分室送風，燃料層區段所放出的氣體成分仍然各不相同。在爐排頭尾兩端存在著過量空氣而在爐排中部，燃燒層始終存在著還原區，不斷產生大量可燃氣體。前后爐拱迫使這些平行氣流相互接觸混合，由前后爐拱組成的喉口提升了煙氣流速，強化了煙氣擾動，利于可燃氣體充分燃燒。三是組織爐內煙氣流動。組織高溫煙氣對新燃料和著火區爐拱的沖刷，形成強烈的對流傳熱，將大量高溫煙氣輸入著火區，提高了爐拱溫度，強化了爐拱引燃功能。爐拱之間的有機配合，構成良好的煙氣動力場，延長了煙氣在燃燒室的路徑，有效分離出煙氣攜帶的顆粒物，利于引燃和降低煙塵排放。對于低矮燃燒室，爐拱還利于促進燃燒區高溫環境，加速燃燒的進行。

2.前拱功能

前拱的主要功能是組織輻射引燃，包括前拱對新燃料直接輻射傳熱引燃以及前拱和相鄰的爐墻圍成空間的火焰和高溫氣體對新燃料的輻射引燃；有效地吸收后拱導入的煙氣熱量，提高前拱溫度輻射給新燃料；與后拱相配合組織空間煙氣形成渦旋，促進空間氣體混合，并促使煙氣攜帶的熾熱炭粒分離出來落在新燃料上加速引燃。

3.后拱功能

后拱的主要功能是導流引燃和維持燃燒區高溫水平，促進燃料的燃盡。后拱組織引導火床中部強燃燒區和后部煙氣流涌向前拱區，提供新燃料著火的熱源，是穩定前拱區的關鍵因素。一方面使前拱區提升溫度強化輻射引燃，另一方面促使高溫煙氣中攜帶的熾熱炭粒散落在火床前端新燃料上，形成高溫覆蓋層直接點燃新燃料；后拱的有效覆蓋和輻射傳熱維持了后拱區的高溫，利于主燃區的形成和燃料的燃盡；與前拱相呼應，促進空間氣體的混合并強化了氣體的燃燒。

4.目前爐拱存在的主要問題

爐拱特性理論研究和實踐探索，使爐拱結構優化取得了顯著進展，效果明顯。但是仍有相當數量原有鍋爐爐拱結構不理想，爐拱覆蓋率偏小，特別是后拱覆蓋率偏小尤為突出；前后爐拱坡度較大，喉部截面積較大；前拱距爐排距離較大，尤其是與煤閘板相鄰拱段位置過高。這樣的爐膛結構，不利于燃煤點燃，削弱了爐拱混合作用，縮短了煙氣流程，造成燃燒不穩定，灰中可燃物高，浪費煤炭，影響出力。

三、爐拱優化原則、主要結構參數及細部結構

1.爐拱優化原則

①在爐拱長度和爐拱高度相同的情況下，輻射傳熱性能與其形狀無關，前后爐拱應有足夠的覆蓋長度。爐拱形狀取決于燃燒室空氣動力場性能的要求。前拱一般設計成凹面形，包括人字形，不必刻意將前拱做成拋物線形，因為爐拱輻射傳熱并不遵循光的反射原理。后拱一般設計成直線形或人字形。

②爐拱的動量原則。主要是指煙氣在后拱出口應具有足夠的動量，才能使其達到火床前端，實現引燃并形成煙氣渦旋，改善火焰充滿度，強化煙氣的混合。關鍵是使煙氣在后拱出口達到一定的速度，特別是燃用無煙煤或劣質煤要達到較高的煙氣流速。

③前后拱相協調原則。前后拱應形成一個有機的整體，才能實現爐拱對新燃料引燃以及煙氣的混合功能。

④對燃料特性廣泛適應的原則。對煤種變化適應性的強、弱是評價爐拱優劣最主要的依據之一，也是鍋爐工作者為之長期探索的方向。

2.爐拱主要結構參數

鏈條爐前后拱結構如圖3-3所示，鏈條爐爐拱主要結構尺寸經驗值見表3-1。

①爐排有效長度l值大，則取h1、h2偏大值。

②對多灰或灰熔點低的煤，h取大值。對Vdaf小的煤，h取小值。

③對水分高的褐煤，h1、取大值，、a取小值。

④對難著火的Ⅱ類煙煤，取大值。

⑤h1主要取決于與后拱的配合。

⑥Vdaf高的貧煤，按Ⅱ類煙煤設計。Vdaf偏低的貧煤按無煙煤設計。

（1）后拱至爐排面的最小高度h　h值的大小直接影響到后拱出口煙氣流速以及后拱與爐排面的距離，是爐拱的重要結構參數。減小h值有利于提高后拱出口煙氣流速，并可利于揮發分較低煤種的引燃。但h值不可過小，以免造成檢修出入困難，也不利于多灰易結焦灰渣的順利排除。

（2）后拱的傾角α　后拱傾角α的確定，應能確保后拱區燃燒所產生的煙氣能順利流出并使煙氣在其出口具有足夠的流速。后拱改進的趨勢是壓低，加長、減小傾角，以適應包括較差煤質在內的煤炭資源燃燒。燃用煙煤的鏈條爐，原后拱傾角大多15°～30°，后來一般采用15°。大量改造實踐證明，后拱傾角α取12°為宜，可以使煙氣在后拱出口獲得足夠的流速，引燃和燃燒都可以達到很好的效果。但傾角α不可太小，因后拱區從爐排尾部至后拱出口煙氣量是逐漸增加的，在不同斷面煙氣流速逐漸加大，因此煙氣在后拱下的流動阻力也將隨之增大。要使煙氣順利流出后拱，爐排尾部至后拱出口必然要有一定的壓差，這個壓差由引風產生的爐膛負壓提供，當后拱傾角α過小時，可能造成后拱下出現正壓。采用低長后拱時，后拱傾角α不宜小于8°。

（3）后拱覆蓋爐排的長度a2　a2值是爐拱結構最重要的參數。它既影響后拱輻射傳熱量的大小，關系后拱區溫度水平，又決定著導向前拱區煙氣量的大小和深入前拱區的程度，是實現后拱功能的關鍵，也是決定爐拱優劣的主要參數。后拱覆蓋爐排長度a2增大趨勢明顯，燃用煙煤以及揮發分偏低的煤種時，a2值應不小于爐排長度的50％，燃用劣質煙煤時，可取值為60％左右，燃用無煙煤時a2值為60％～70％。應注意，a2值過大會引發結焦的出現。

（4）h2值及后拱出口煙氣流速w2　當選用直線形后拱，在確定了h、α、a2值之后，h2值經計算可得，不須選定。它是后拱布置合理性的重要指標，h2值的大小直接影響著后拱出口煙氣流速w2的大小。w2值大，后拱下的煙氣射得遠，火焰中心向前移，為前拱提供更多的熱量，同時強化了火焰對新燃料的輻射傳熱，并促使后拱射出煙氣中所攜帶的熾熱炭粒子更多地撒落在新煤層上。增大w2值是強化后拱引燃功能的主要手段。w2值一般為5～10m/s。煙煤著火比較容易，采用小值，無煙煤著火困難，則采用大值。計算w2值可用式（3-3）求取。

w2=（a2/l）BjVy（Te+273）/273Fy　　（3-3）

該公式計算w2值設定了以下三個假設條件：

①有（a2/l）Bj的燃料在后拱下燃燒；

②煙氣溫度Te為1370℃；

③煙氣含CO2為15％。

式中，Bj為計算燃料消耗量；Vy為煙氣體積；Fy為后拱煙氣出口截面積。為了達到較高的w2值，近來出現出口拱段的折線形后拱，俗稱“人字拱”。

（5）前拱覆蓋爐排的長度a1及h1值　前拱的輻射引燃功能通過前述三個作用來實現。要提高前拱輻射功能，應維持一定的a1值，一般可取爐排有效長度的15％～25％；為實現與后拱的配合，應突出前拱對后拱射入氣流的吸納和包容。因此h1值應高于h2值，直至h1值為h2值的2倍。對于小型鍋爐h1值不宜過大，此外還應兼顧前后拱形成的喉口對空間氣體混合功能的要求。前拱的拱形還應防止出口煙氣直達出煙窗，造成煙氣短路。

（6）喉口煙氣流速wh　前拱與后拱之間的最小距離（前拱煙氣出口端點與后拱鼻突之間的距離）稱為喉口，是促使燃燒室氣體混合的特有結構。喉口處煙氣流速wh的大小是體現爐拱混合功能強弱的重要參數。喉口大，wh值偏小，混合功能減弱；喉口小，wh值增大，混合功能增強。因此應盡量減小喉口尺寸，增大喉口煙氣流速wh。但是喉口太小，煙氣阻力增加，會造成燃燒室正壓，冒煙噴火。燃用煙煤時wh值可取5～7m/s，燃用無煙煤時wh值可取7.5～9m/s。

3.爐拱細部結構

①拱前端與煤閘板相鄰部分的拱段與爐排的距離以及此拱段出口形狀，與煤層的起火點位置有極其密切的關系。早些時候設計的爐拱，此拱段與爐排距離偏大，約為400mm，拱段長度最長不超過500mm，且出口為較大曲率半徑R的弧形結構，如圖3-4（a）所示。當燃用揮發分較高的煤種（Vr>30％）、鏈條速度較低時，煤斗中的煤起火冒煙，甚至煤斗、爐排局部結構過熱變形的現象屢見不鮮。這是此拱段位置較高、出口圓弧大，爐膛熾熱煙氣輻射熱深入傳遞到煤層前端，促使起燃點前移所造成的后果。其次，前端煙氣有沿拱面流動的趨勢，出口圓弧半徑太大，煙氣易直接導向出煙窗，縮短了煙氣流程。特別是緊貼拱面煙氣中揮發分與空氣得不到充分混合，造成燃燒不完全，易冒黑煙。再次，易造成漏風，尤其是兩側，對于分層給煤裝置，小拱過高引起漏風更為突出。為了減少爐膛輻射熱傳遞過度靠前，而把這段拱壓低，出口圓弧曲率半徑減小，如圖3-4（b）所示，以遮擋熱量的輸入，控制煤層起火點距煤閘板150～300mm。后期的設計都把這段拱高控制在250mm以下，4t/h以下控制在200mm，做成水平，或上傾不大于10°，也有做成反傾1～3°的帶凸臺的小拱出口，可獲得最佳效果，如圖3-5所示。缺點是施工復雜，10t/h以上的鍋爐，小拱長度在500mm左右，可以杜絕燒煤閘板現象的發生。這段爐拱可稱為煤閘保護拱。

②前拱出口凸型單曲拱（突臺）結構。圖3-6為凸型單曲拱結構，能使緊貼拱面的煙氣氣流脫離拱面，改變流向，具有部分二風的作用，促進氣流的擾動，在爐膛形成強烈旋渦，有利于可燃氣體、炭粒與空氣良好混合；有利于延長煙氣流程，改善充滿度，以使可燃物得到充分燃燒。凸型單曲拱結構，還可促使煙氣中所攜帶的炭粒分離并落在前拱下方，利于新燃料引燃，減少飛灰排出量。

③后拱折線結構（人字形拱）。人字形爐拱是將后拱出口段由直線形改變成折線形，將其做成水平段或反向傾斜段。實質上是壓低后拱出口高度，這樣的結構既保持了后拱中部強烈燃燒區具有足夠的燃燒容積，又利于提高后拱出口煙氣流速，使之具有沖入火床前端的動量。后拱出口折線段長度一般在500mm左右，反傾角為0°～20°。后拱出口折線段長度過長或反傾角太大，會造成高溫煙氣所攜帶的熾熱炭粒碰到反向傾斜拱時過早地掉落下來，而削弱引燃作用。雙人字形爐拱如圖3-7所示。

④后拱出口端部（鼻突）結構。以往的后拱出口都做成曲率半徑很大的圓弧，目的是使煙氣很順暢地流出。然而，實踐證明，這樣的結構不利于空間氣體的混合，后拱區高溫煙氣容易沿后拱壁導向出口煙窗，不利于涌向前拱區，削弱了引燃功能。現在后拱出口端部大多設計成直角或銳角結構，以消除圓弧結構的弊端，如圖3-8所示。

四、中拱強化燃燒機理和結構優化

前后拱結構具有強化引燃，組織空間氣流混合，創造高溫條件等作用。目前小型燃煤鍋爐在運行中，燃料引燃并不是關鍵，爐膛結構的不適應表現在大量焦炭不能充分燃盡，造成燃燒效率低，影響鍋爐熱效率。固定碳的燃燒，屬于擴散燃燒范圍，反應過程中氧化速度大大超過氧氣的供給速度。因此固定碳的完全燃燒不但需要創造一個高溫條件，而且還在于組織好爐排上的一次混合和空間的二次混合過程。前者取決于爐排通風的合理組織，而后者則取決于空間混合作用的強化程度。

在燃煤揮發分低于設計煤種時，固定碳燃燒區相對擴展，原有的爐膛結構在強化混合作用方面顯得鈍化，增加中拱結構使固定碳燃燒得以改善，從而強化了整個燃燒過程。

1.中拱強化燃燒的機理分析

（1）強化空間混合作用　中拱位于原有燃燒室喉口中前部，即固定碳的燃燒帶，這里進行著炭的直接氧化和還原過程，是一個包括完全氧化生成CO2及不完全氧化生成還原產物CO的過程。這里的“中拱”把CO以及揮發過程殘存的少量H2、CH4可燃氣體分成兩股，使之與前后拱匯攏來的過剩氧充分混合，迫使原來不同氣體組分的平行氣流相互接觸混合，得以充分燃燒。中拱把原來一個較寬闊的喉口分割成為兩個或多個喉口，其結構與布置如圖3-9～圖3-11所示。中拱減少了喉口處煙氣流通斷面，不僅延長了煙氣行程，而且提高了煙氣流速，強化了空間混合效果。在實踐中可明顯地觀察到，“中拱”前后有兩道明亮修長的火焰流上升，可以說明“中拱”強化空間混合效果。

（2）強化固定碳燃燒區輻射傳熱，創造高溫條件。固定碳的燃燒較困難，是灰渣中可燃物的主要來源。當溫度在750℃以下時燃燒速度緩慢；到1200℃以上時，反應速度急劇加快，整體燃燒進程取決于擴散速度。因此固定碳完全燃燒除了具備良好的混合條件外，最主要的是創造一個高溫環境。

固定碳燃燒包括底部的直接氧化層生成CO2放出大量的熱，上部的還原層生成CO并吸熱，造成這一區段的相對冷卻。如果CO不能及時燃燒放熱則使完全燃燒趨于困難，多見火焰短，燃燒逐漸衰減。在該區段布置“中拱”后，促進CO的空間燃燒放熱，加熱了的“中拱”以較強的熱輻射加速了燃料層的燃燒，形成一個穩定的高溫燃燒區。

加中拱后，可以觀察到位于中拱下方爐排固定密封塊的顏色有明顯改變，可以說明“中拱”增強輻射傳熱的效果。

（3）“中拱”具有很大的蓄熱能力，可以促進空間可燃氣體和炭粒的燃盡，穩定燃燒工況。“中拱”由耐火材料筑成，具有很大的蓄熱能力，是一個熱載體，比其占有的同體積的煙氣高千倍，因此它不僅可以增強對燃料層的輻射傳熱，而且迫使周圍空間的可燃氣體和炭粒充分燃燒。可以觀察到氣流中的炭粒在“中拱”附近形成明亮的顆粒燃燒。此外這種蓄熱能力對負荷波動還有穩定燃燒工況的作用。

（4）對于低矮爐膛，特別是臥式內燃爐膛，“中拱”的遮冷衛燃、強化燃燒作用更加突出。臥式內燃鍋爐燃燒室的特征為：

①水冷程度高，整個燃燒室幾乎為全水冷圓筒形，燃燒熱很快被水冷面吸收，難以維持較高爐溫，雖然已采取了容積熱強度較一般鍋爐高兩三倍，以維持燃燒過程持續進行的措施，但機裓及化學不完全燃燒熱損失仍然較大，對于揮發分低的煤種尤甚，表現出對煤種適應性很差。

②爐膛容積小，不僅造成混合空間小，而且受熱面對燃料層吸熱能力強，使整個溫度水平下降，從而固定碳的燃燒更趨困難。

③煙氣沿燃燒室縱向流動，從前至后流速逐步提高。在這類爐膛中布置“中拱”在于發揮它的遮熱能力，有效地提高爐膛溫度。同時中拱不接觸爐膽，并保持一定距離，留出一個煙氣通道。這樣不僅能擾動縱向氣流加強混合作用，而且不至于過多地影響輻射受熱面的吸熱。此外由于提高了煙氣流速，還利于增強受熱面對流換熱效果。實地觀察與測試發現，加中拱后爐膛溫度可維持在1300℃左右，火焰均勻充滿爐膛。

2.中拱結構參數的優化

（1）中拱位置的確定　中拱應布置在固定碳起燃的位置，即固定碳氣化區的上方。對于不同爐型，可按以下具體情況選定：①原喉口寬度前起1/3處；②爐排有效長度前起40％處；③距煤閘板1.5m處；④開式爐膛，中拱前沿距前拱不小于250mm，臥式內燃爐膛，中拱前沿距前拱500～700mm。

（2）中拱的寬度和數量　中拱總有效寬度，對于開式爐膛，可按加裝中拱后，喉口處的煙氣流速按5～7m/s的條件計算而得。對于臥式內燃爐膛，按照中拱遮蔽輻射受熱面積的50％～60％來計算。

為了防止中拱上表面積灰，可將中拱分幾段布置，每段寬度等于或小于460mm，每段之間距離不小于250mm，以防結焦黏合。

中拱布置過多，煙氣阻力增大，爐膛出現正壓，同時燃燒生成的氣體不易擴散，影響正常燃燒。

（3）中拱高度的選定　開式爐膛中拱凈高（中拱底面最高點至爐排距離）500～600mm；第二段中拱可比第一段低100mm，可采取水平布置，也可與后拱采取同樣角度，以提高對煙氣的擾動作用。

臥式內燃爐膛中拱上表面最高點距爐膽表面：2t/h爐可取80～100mm；4t/h爐可取120～150mm。

中拱過低，易結焦甚至影響煤層的均勻性，且砌筑困難，堅固性差；中拱太高，不僅降低了對燃料層的輻射傳熱效果，且由于可燃氣體濃度下降，削弱了中拱的混合功能。

（4）中拱的厚度　開式爐膛中拱厚度可取230mm；臥式內燃爐膛，對于2t/h爐可取115mm，4t/h爐可采取230mm。

中拱太薄，削弱了蓄熱能力，容易損壞；中拱過厚，尤其在內燃爐膛里，煙氣阻力增大。

誠然，實現中拱強化燃燒的功能，除了合理布置中拱外，還需要其他條件的配合，諸如燃煤的合理混配、加水、改進配風、精心操作等。實踐證明，“強化固定碳的燃燒”是提高燃燒效率的關鍵。中拱提高了爐膛溫度，改善了混合過程，強化了燃燒條件，是一項簡單易行的實用技術。

五、燃用無煙煤、劣質煤、揮發分較高煤的爐拱特點

1.無煙煤的特征

（1）無煙煤的形成、成分與分類　古代植物經地殼運動埋藏于地下，隔絕空氣長期經受高溫高壓以及微生物的綜合作用，發生復雜的物理化學變化，不斷分解出二氧化碳、水、甲烷等氣體，碳含量逐漸增加，這就是煤形成的炭化過程。隨著地質條件和埋藏年代長短不同，炭化程度不同，形成了煤的成分和性質的各不相同，可依次分為褐煤、煙煤和無煙煤，并具有不同的燃燒特性。

無煙煤是炭化程度最深的煤種，色黑、質堅、密度大、氣孔少、破碎面具有金屬光澤。無煙煤含固定碳在60％以上，氫、氧含量較少，揮發分含量低，在10％以下。尤其是Ⅱ類無煙煤，含碳量在70％以上，揮發分在6.5％以下，燃料比（固定碳/揮發分）高達7～12。故無煙煤的著火溫度高、性能差、著火困難。我國無煙煤預測資源量達4742億噸，居世界首位，儲量僅次于煙煤，山西、貴州儲量占70％以上。高效地利用好這些資源，對于實施西部大開發戰略，緩解資源緊張狀況，保證我國國民經濟可持續發展具有重要意義。有關工業鍋爐行業用無煙煤見表3-2，工業鍋爐設計用無煙煤代表煤種見表3-3。

（2）無煙煤的燃燒特性　無煙煤的形成和成分決定了它的燃燒特性，由于埋藏年代久遠、炭化程度深、固定碳含量高、揮發分含量低，Ⅱ類無煙煤揮發分Vr<6.5％，使得無煙煤燃燒化學反應性能很差，著火溫度高達700～900℃（Ⅰ類約800℃，Ⅱ類約900℃，Ⅲ類約700℃）。在燃燒初期釋放出的可燃氣體極少，產生的熱量較少，難于著火和維持穩定的燃燒，因此解決新煤的點燃在爐拱設計中居于首位。另外，燃燒時呈青藍色的短火焰，顆粒中氣孔少，空氣不易與煤的表面接觸，因此燃燒速度緩慢，燃盡需要時間更長。無煙煤燃燒過程中，易爆破成碎片，故其爐排面積熱負荷低（580～815kW/m2），煤層通風阻力系數高（機械通風時ζ=350～525），因而燃用無煙煤的鏈條爐排應有足夠的長度和面積。

2.燃用無煙煤爐拱的特點

如上所述，無煙煤著火非常困難，因此燃用無煙煤爐拱首先應保證無煙煤的可靠點燃，還應保證良好的燃燒工況。由于無煙煤揮發分極低，火焰短，爐拱輻射引燃作用有所減弱，而爐拱導流引燃起著極其重要的作用。為了強化爐拱導流引燃功能，其后拱的顯著特點是低而長，后拱覆蓋率在60％以上，對于Ⅱ類無煙煤，后拱覆蓋率高達68％～75％，后拱傾角小α為6°～8°。Ⅱ類無煙煤鏈條爐排鍋爐爐拱布置如圖3-12。后拱長，其出口更接近火床前端，可以有效地將燃燒區的火焰和高溫煙氣導入并將熾熱炭粒撒落在新燃料上，提供充分的熱源，促進著火的穩定。后拱較低的傾角，提高了后拱出口煙氣流速，維持在w2值為7～10m/s左右，使高溫煙氣獲得足夠的動量得以沖入新煤區，強化對流傳熱，盡快引燃著火。燃用無煙煤前拱應與后拱相呼應，密切配合才能形成強化引燃并促使燃盡。前拱的特點是短而高，包括爐墻形成一個高溫煙氣空間，強化對新煤的熱輻射；吸收后拱導入的高溫煙氣熱量，提高了前拱溫度，同樣可強化對新煤的輻射；與后拱組成良好的空氣動力場，以組織高溫氣流對新煤對流傳熱并分離熾熱炭粒，保證新煤能盡快起燃。前拱出口高度應高出后拱出口端，并要有一定高度差，一般可取h2的2倍左右，前拱覆蓋率為20％～25％，喉口煙氣流速控制在7.5～9m/s。應用耐火材料包覆前拱區前墻及側墻水冷壁，在燃燒室拱區內側墻水冷壁上覆設衛燃帶至喉口鼻突高度，以維持高溫環境。有關后拱參數見表3-4。

3.強化無煙煤在鏈條爐排上燃燒的其他措施

①燃料層前部區域采取高溫煙氣下抽。將爐排下第一風室單獨密封，專門設置風機，將燃燒室高溫煙氣向下穿過煤層抽出。利用1000℃左右煙氣將入爐新煤加熱，使其迅速升溫、干燥、預熱、析出揮發分，完成熱力準備階段，有效地解決無煙煤著火遲緩的難題。吸風機機前要有除塵裝置，抽出的氣體排空。

②采用較高預熱空氣溫度。為了改善無煙煤引燃和燃盡條件，燃用無煙煤的鍋爐必須加裝空氣預熱器。熱管式空氣預熱器體積小，傳熱效率高，布置簡單方便，近年來得到了廣泛采納。有關熱管技術，詳見第九章論述。它通過液體的相變進行熱量的傳遞，冷、熱端溫度比較均勻，壁溫高，可避免低溫腐蝕，用于無煙煤燃燒熱風溫度應在150℃以上。

此外，燃用無煙煤通常還可采用分層分行給煤、爐外爐內松煤、安裝二次風等措施，在第二章中已作了簡介。

4.劣質煤燃燒特性

（1）劣質煤是指高灰分、低熱質煙煤，發熱量在12.979～17.585MJ/kg（3100～4200kcal/kg），揮發分Vdaf>20％。其燃燒特性：

①著火點后移。由于高灰分的存在，達到著火溫度的熱力準備階段需要吸收更多的熱量，導致著火點后移。

②燃燒緩慢。炭粒被更多的灰分包裹，氧氣向炭粒內部擴散速度減小，燃燒速度減慢，燃盡困難。

③易結焦。灰分多，在爐排主燃區易形成低熔點的共晶體，熔融狀態的灰將炭粒包裹，炭粒燃盡更加困難，多見黑心爐渣，灰中可燃物增高。嚴重時，在火床上形成大塊或大片焦渣，破壞了通風，使燃燒狀況惡化，危及正常運行。鏈條爐排不宜燃用灰的變形溫度低于1200℃的煤。此外，為了輸入額定熱量，既要增加煤層厚度，增加爐排面積，又要加大通風，增加煙塵量，加大了排煙熱損失。

④采用洗選煤措施。從源頭上對其進行洗選，脫除灰分50％～80％，再專設爐拱，效果更好，詳見第六章有關論述。

（2）燃用劣質煤爐拱特點　為使劣質煤及早著火充分燃盡，應適度加大前、后拱覆蓋率，后拱出口煙氣流速控制在8～10m/s，喉口煙氣流速控制在7～9m/s。同時應設置空氣預熱器，采用熱風助燃以強化燃燒。此外在爐排強燃燒區加裝爐內松煤器，以翻松煤層、脫落灰層、破碎焦渣，提高燃燒效率，詳見第二章有關論述。

（3）設置空氣預熱器，使熱風溫度達到150℃以上，以利于劣質煤的盡早點燃和維持爐膛內的高溫環境，促其燃盡。在難以達到較高熱風溫度時，可采用兩段送風方法，即將部分空氣加熱到理想溫度，僅送到爐排前部，包括燃料預熱段和主燃區前一部分，其余部分仍送入未經預熱的空氣。這種方式有助于解決劣質煤的點火和固定碳起燃的問題。

5.高揮發分煤燃燒特性

（1）高揮發分煤與無煙煤相反，它埋藏年代短，炭化程度低，揮發分含量高，Vr在30％以上。其燃燒特性與無煙煤有很大的差異。

①揮發分熱分解析出溫度低，從褐煤到煙煤此溫度約在130～400℃，陜西神府煤為222.7℃。

②揮發分析出量大而且集中，仍以陜西神府煤為例，從揮發分開始析出的222.7℃到析出終止的289.2℃，揮發分析出量達78.3％。

③易著火。

④著火后形成較長的火焰，揮發分是由碳氫化合物組成的復雜混合物，在熱分解產物被燒成灼熱狀態時發出光亮而修長的火焰。

⑤高揮發分煤中重碳氫化合物較多，受熱分解經歷一系列復雜變化后生成炭黑粒子和芳香族碳氫化合物。這些物質很難燃燒，有時即使有較多的過量空氣，仍不能與氧完全反應，出現不完全燃燒。一部分未燃炭粒子被空氣冷卻，或在燃燒中過早地與受熱面（壁溫約在200℃左右）接觸被冷卻，即形成炭黑，因此燃用高揮發分煤極易冒黑煙，嚴重污染環境。燃燒很難組織好，包括這種炭黑在內不完全燃燒熱損失高達10％以上。

（2）高揮發分煤對鏈條爐排燃燒過程的影響

①高揮發分煤在熱力準備階段析出大量揮發分且易著火，因此在鏈條爐排燃燒方式中燃料引燃不是主要障礙，容易實現燃燒前部的穩定。但由于燃料著火過快，燃煤一進煤閘即迅猛著火，極易發生在煤斗內提前燃燒的問題，致使煤斗構件過熱變形，爐前竄煙。

②由于揮發分集中在火床前端大量析出并立即起燃，爐排前部配風要有良好的適應能力，以足夠的通風滿足揮發分充分燃燒的空氣量。但是往往因難以與空氣實現最佳混合，前拱面附近局部缺氧，火焰呈暗紅色。為了有效克服炭黑的形成易冒黑煙、污染環境問題，應保持燃燒室前部的高溫環境，且應具有良好混合結構，保證可燃氣體和炭粒的燃盡。

③由于高揮發分煤易燃的特性，沿爐排長度方向，燃燒強烈區前移，爐排中后部煤層急劇減薄，甚至爐排裸露，漏風嚴重，導致該區域溫度低。盡管有較高的氧量和停留時間，燃料還是不能充分燃燒，造成灰渣含碳量高，燃燒效率降低。因此，燃用高揮發分煤必須具有良好混合性能的爐膛結構、合理的二次風配置以及燃燒室中后部區域應具有良好的保溫措施。

（3）燃用高揮發分煤爐拱特點　燃用高揮發分煤爐拱要具有良好的混合功能，適當增加爐拱覆蓋率，尤其是要增加后拱覆蓋率。

①視揮發分含量高低情況，后拱覆蓋率維持在50％以上。

②增加爐拱覆蓋率，有利于強化爐內燃燒以及沿爐排長度方向燃燒室大范圍氣體的混合作用。適當加長后拱，組織后拱區過剩空氣高速進入缺氧的前拱區。采用人字形后拱提高后拱出口煙氣速度，加大煙氣擾動，強化混合作用，延長煙氣在燃燒室停留時間，利于可燃氣體以及固體炭粒燃盡。

③適當加長后拱，減少受熱面的吸熱，利于維持后拱區較高溫度，促使固定碳盡快燃盡，降低灰中可燃物。

（4）良好的前拱結構是消煙的關鍵　黑煙形成的部位，在沿爐排長度方向煤的著火線后0.5～1m范圍內，高度方向在煤層表面以上0.1～0.3m區間，是在高溫缺氧條件下CnHm分解形成的，而黑煙一旦形成就很難消除。控制著火區溫度，減緩揮發分析出速度，尤其是要迫使貼壁流動的黑煙層與拱面分離，避免直接進入低溫區排出燃燒室。要將其與后拱導入含充足氧氣的高溫煙氣劇烈混合使之燃燒充分，是消除黑煙生成的主要應對措施。可采用帶預燃室結構的消煙爐拱，如圖3-13所示。應適當降低其出口高度，減少來自爐內高溫煙氣的大量輻射傳熱；以減緩煤層揮發分析出速度和熱裂解速度；并應通過自身空間內的燃燒，來抑制黑煙的生成，迫使煙氣脫離拱壁面并以一定的速度進入高溫區，與后拱涌入的富氧、高溫煙氣流充分混合，實現消煙，可見預燃室出口應盡量壓低，但須防止過分降低，造成預燃室正壓的發生；通常還需采取在后拱上加筑擋墻或格子墻以及合理布置二次風，及時補充氧氣的措施來消除黑煙。

六、可調爐拱和衛燃帶

針對煤炭供應緊張、質量差、供應渠道多元化、燃用煤種多變的客觀狀況，在過去的二十多年中，一方面在提高爐拱適應性，開發新型寬煤種爐拱方面取得了顯著成就；另一方面，運用“以變應變”思路來解決固定爐拱適應的單一性與煤種多變的矛盾方面也做出了有益的嘗試，出現了“活動拱”和“可調節拱”等應用技術，都取得了很好的經濟效益和環境效益，使爐拱技術有了新發展。

1.活動爐拱

（1）活動爐拱結構　用改變后拱覆蓋率的方法，滿足不同煤種和負荷的燃燒要求。對比燃用不同煤種鏈條爐的后拱，它們之間的區別主要在于拱的高度、傾角和長度的變化，其中長度變化的影響是主要的。圖3-14所示爐膛結構，后拱高而短，開闊的爐膛適于燃用揮發分較高的Ⅱ、Ⅲ類煙煤；圖3-15所示爐膛結構，后拱低而長，出口靠前，利于燃燒室中后部高溫煙氣及熾熱炭粒涌向前拱區，適于燃用揮發分較低的無煙煤和劣質煤。若將燃用不同煤種的爐拱疊合在一起，可形成圖3-16所示爐膛結構。

當煤種發生變化需要改變爐拱尺寸時，可通過對活動拱調節的方式來滿足，從而實現了爐拱與煤種動態匹配，使燃料的燃燒始終處于最佳狀態。

（2）活動拱設計原則　①首先應根據煤種變化范圍和負荷變化情況進行設計；②選擇后拱出口煙氣流速范圍為15～5m/s；③控制爐拱下溫度，使燃煤不致結焦；④便于不停爐調節和除去拱上積灰；⑤爐拱調節機構的金屬機械零件，在爐膛1000℃以上高溫環境下工作，不被燒壞，保證使用壽命3～5年，且改造費用低廉。

（3）活動爐拱的調節　活動拱的調節，可在鍋爐運行中通過自動控制裝置來實現。當煤質變差、負荷變低、著火線后移、爐溫下降時，熱電偶發出低溫信號，啟動電機傳動裝置，將活動拱推向爐膛前部。增加對爐排的覆蓋長度，后拱出口煙氣流速加大，高溫煙氣及熾熱炭粒導向前拱區，溫度升高，加速著火并燃盡。

當煤質變優，負荷增高，著火線前移，前拱區溫度過高，可能結焦或出現燒煤閘的危險時，熱電偶發出高溫信號，啟動電機傳動裝置，將活動拱推向爐膛后部。減少后拱對爐排的覆蓋長度，后拱出口煙氣流速減小，燃燒中心后移，前拱區溫度下降，達到正常安全燃燒，使煤種和負荷變動中始終維持最佳燃燒狀態。

2.可調節爐拱

（1）可調節爐拱結構　可調節爐拱，是通過調節后拱出口高度和出口段傾角的辦法，針對燃用不同煤種，實現拱區空氣動力場的最佳組織，達到燃料的燃燒處于最佳狀態。

當煤種發生變化時，燃煤的揮發分、發熱量、燃燒所需空氣量以及燃燒生成的煙氣量隨之發生變化。這時后拱出口煙氣速度、煙氣動量也發生改變，應及時調整后拱出口高度，改變后拱出口截面積，使后拱出口煙氣速度、煙氣動量達到理想狀態。調節后拱出口段傾角，后拱出口煙氣流動方向發生改變，使前拱高溫區位置和煙氣渦旋更加合理，燃煤著火燃燒更加穩定充分。可調節鍋爐爐拱工作狀態如圖3-17所示。

（2）可調節爐拱設計原則

①后拱出口段可實現自由轉動，最大旋轉角度為180°。調節升降裝置用手輪在爐外操作，可在180°范圍內調整到任一角度。

②應滿足爐膛高溫環境下正常工作的要求，主軸材質應采用耐高溫合金鋼。選取較大安全系數，并有相應技術措施加以保護。

③在爐膛寬度較大情況下，主軸和轉動段要有足夠的強度和剛度，確保不變形，載荷均勻合理。有實例表明，可調節爐拱支點為6m（29MW鍋爐），運行兩個取暖期未發現任何問題。

3.衛燃帶

用耐火材料或其他材料，把燃燒室中一部分受熱面包覆或遮擋起來，減少輻射傳熱，創造高溫環境，提高爐膛溫度，以實現燃料的盡快著火和穩定燃燒。被遮擋起來的部分稱為衛燃帶或燃燒帶。敷設衛燃帶是改善煤質低劣、發熱量不高、運行負荷低導致燃燒狀況惡化，普遍采用的有效技術措施。

（1）煤種劣化、負荷降低對鍋爐燃燒帶來的影響　鍋爐燃燒室結構總是對應于設計煤種特性的，而在實際運行條件下煤種會經常發生變動。當煤質劣化，尤其是揮發分低于設計煤種時，很容易出現推遲著火，爐膛溫度降低，鍋爐出力減小，不能滿足用戶要求；當鍋爐運行負荷較低時，由于總燃料量的供給減少，也會造成溫度水平降低。兩種情況都會因溫度水平降低而導致煤炭燃燒效率下降，嚴重影響鍋爐熱效率。

當其他條件一定時，燃料的燃燒效率主要取決于燃燒溫度及燃料在高溫區停留的時間。燃燒速度與溫度呈指數函數關系，爐溫降低會大大惡化燃料燃燒特性，降低燃燒速度，特別是燃料發熱量主體固定碳部分難以燃盡，多見灰渣可燃物陡增，造成煤炭的嚴重浪費。

（2）設置衛燃帶是提高燃燒區溫度的主要措施　為改善鏈條爐對煤種、負荷的適應性，除采取優化爐拱與結構尺寸設計、改善爐排橫向配風均勻性、在爐排上部加裝燃盡風、對入爐煤進行顆粒分級外，尚可采用活動爐拱、衛燃帶、活動遮熱板等技術措施，用以抑制鍋爐受熱面的吸熱，創造高溫環境，為提高燃燒效率創造基本條件。

布置在燃燒室高溫區兩側的水冷壁受熱面，是鍋爐主要的輻射受熱面。它的換熱強度比對流受熱面要大得多，其布置數量的多少是通過熱力計算，在設計煤種、額定負荷保證爐膛燃燒溫度條件下確定的。當煤質劣化，或鍋爐運行負荷降低時，由于燃燒區水冷壁的強烈吸熱，加劇了該區域溫度下降的程度。此時可在強烈燃燒區兩側的水冷壁受熱面上敷設衛燃帶。具體做法是用耐火混凝土把水冷壁管包埋起來，減弱吸熱能力，以求在不結焦的前提下獲得最高的爐膛溫度，加快燃燒速度，提高燃燒效率。敷設衛燃帶是非常簡單有效的改善爐膛溫度的辦法。一般衛燃帶的厚度為距水冷壁管表面3～4cm，衛燃帶高度按煤的揮發分減少數值而定，直至達到喉口部分。為了適應煤種、負荷變化，近年來有關部門已研制成功可調整包敷面積的活動遮熱板和可調衛燃帶裝置，能有效提高鍋爐設備運行中對煤種、負荷變化的適應能力。

（3）敷設衛燃帶應注意的幾個問題

①衛燃帶敷設位置的順序應為由前至后，由下至上，高度應按燃煤揮發分的多少、負荷減少程度確定，一般自爐排起700～1300mm，最高可至喉口處。

②衛燃帶應由水冷壁承重，不直接與爐墻連接。因此在澆筑耐火混凝土衛燃帶時應與爐墻留有一定間隙，實際施工時可貼爐墻放一層2～3mm隔離填充物。

③合理布置膨脹縫，水平方向每隔0.5～1m留膨脹縫4～5mm，豎直方向每隔1～1.5m留膨脹縫4～5mm。

④衛燃帶厚度的確定。衛燃帶損壞主要由于溫度變化造成的熱應力和焦渣的侵蝕，因此厚度的選擇至關重要。耐火混凝土層太厚，則表面溫度升高，增加結焦傾向；太薄則易脫落，衛燃帶表面距水冷壁管壁一般30～40mm。為使耐火混凝土層附著更牢固，可在水冷壁（豎直）管上焊接銷釘，為了施工簡便，通常用?2～3mm左右的鍍鋅低碳鋼絲（12～15號）綁扎在管子上形成扭辮，代替焊接銷釘，扭辮間距250mm左右錯列布置。衛燃帶結構如圖3-18所示。

（4）可調衛燃帶　衛燃帶可以改善煤質劣化、運行負荷降低工況下的燃燒狀況。為了更好地適應煤種與負荷變化，做到實時跟蹤，達到最好的燃燒工況，近年來出現了可調節衛燃帶——活動遮熱板裝置，工作原理如圖3-19所示。活動遮熱板裝置由外層固定板和內層可上下移動的活動板、頂密封、驅動裝置及導軌組成。活動遮熱板裝置爐內布置及結構如圖3-20所示。由內層活動板向下移動位置的變化，改變遮擋受熱面積的大小，從而改變輻射受熱面的吸熱量，以維持燃燒區在不結焦前提下的最高溫度，達到較高的燃燒效率。活動遮熱板裝置位于燃燒室內，長期在高溫條件下工作，環境惡劣，構件均由耐高溫材料制成。其中導軌直接焊接在水冷壁上以強制冷卻，遮熱板由鋁基微孔陶瓷材料嵌入耐熱鋼構架復合而成。研究證明，鋁基微孔陶瓷材料是一種理想的耐熱材料，耐熱鋼構架靠近水冷壁一側，在700℃溫度下可安全工作達100000h。

七、爐拱構筑和新型材料的應用

1.爐拱的設計與構筑

（1）異型耐火磚砌筑的爐拱

①利用楔形耐火磚，中部起拱，兩側承力，筑成爐拱，兩側支承面（拱腳）除承受垂直重力外，尚承受水平分力，砌筑時應注意結構上的這種要求。此種爐拱結構簡單，易砌筑，但爐拱跨度受到一定限制，僅限于在小型鍋爐上應用。具體做法是首先按拱形設計尺寸制作并架設拱胎，沿拱胎自兩側向中間砌筑，當最高點的一行磚用木錘敲入后，拱胎承力即大為減輕，便可抽出。

②借助于專用金屬支架，來支撐或吊掛異型耐火磚組成爐拱，可以構成沿爐排等高度的平面或曲面，獲得任意形狀的爐拱。但這種爐拱金屬支架復雜，全套異型磚種類繁多，需專門訂制，因此近年來應用逐漸減少。吊拱構造如圖3-21所示。

③將異型耐火磚掛裝在水冷壁管子上組成爐拱，再通過水冷壁管子上的吊裝件將爐拱重量傳遞到鍋爐鋼架上，此種爐拱的構筑形式應用較為廣泛。

以上三種爐拱所用的普通耐火磚，均為耐火材料廠加工燒制的成品磚。其質量應符合國標要求，可以保證爐拱的質量，同時對烘爐的要求不高。

（2）耐熱混凝土爐拱　以礬土水泥為結合劑的各種耐火骨料和粉料按比例配制，經水攪拌澆注成型后養護而成。耐火溫度為1400℃左右，（耐火）強度為5.5×106Pa。礬土水泥耐熱混凝土，采取現場支模搗制的辦法來完成，施工制造方便，熱穩定性、整體性、氣密性好，比用耐火磚砌筑的爐拱經久耐用。

①礬土水泥耐火黏土爐拱，現場澆注主要材料配比（質量比）如下：

a.礬土水泥（400#以上），15％，（12％～20％）；

b.高鋁礬土熟料粉（細粉），10％，（0～15％）；

c.高鋁礬土細骨料（中骨料），30％，（30％～40％）；

d.高鋁礬土粗骨料（大骨料），45％，（35％～45％）；

e.水灰比　10％～15％。

②注意保持合理膨脹間隙。如在水冷壁管上要包覆一層隔斷層，使水冷壁管在溫度變化時可以自由膨脹。在爐拱與燃燒室側墻之間要留有伸縮縫，待拆除模板后，將縫隙清理干凈，用硅酸鋁繩涂上耐火泥整齊地塞入其中，保證爐拱在升溫膨脹時不致脹裂爐墻。

③嚴格按照爐拱設計尺寸支設模板。模板內表面要平整光滑，嚴密不漏漿；模板支撐要牢固，確保正常振搗施工中不斷裂、不變形。爐拱面積較大時，應分段支撐，便于振搗均勻，保證整體質量。

④在澆注施工中，首先嚴格按配比分別對不同組分稱量，干料要攪拌均勻，特別是要嚴格掌握加入水量，不可超過標準配制。快速攪拌均勻，注入模板后應快速振搗，要達到灰漿均勻飽滿。在澆注大型爐拱時可分批攪拌，分段澆注，但必須連續作業，整個爐拱要一氣呵成。同時，要按熱膨脹規定，合理留有膨脹縫。

⑤對于大型鍋爐，前拱前端以及后拱頭部，這些部位相對體積較大，耐火混凝土較厚，在運行中冷卻條件差，尤其是在鍋爐啟停較頻繁時爐拱局部易脫落損壞。此時可在這些部位配置鋼筋，但應特別注意此處鋼筋長期處于高溫環境，另外鋼材與耐熱混凝土熱膨脹系數相差甚大［鋼材熱膨脹系數為11×10-6℃-1，耐熱混凝土熱膨脹系數為（5.0～6.5）×10-6℃-1］。鑒于這些特殊情況，首先要采用耐熱鋼筋，如1Cr13，?14～16mm，其次要使鋼筋與混凝土構件之間留有適當間隙，即在鋼筋表面要有一定厚度的隔離層，再次是保證鋼筋與向火面要保持12cm以上的保護層。

⑥澆筑后強度達到50％以上時即可拆除模板（視環境溫度條件，一般在澆筑后24～48h），自然養護10～15天，再按升溫曲線的要求烘爐，一般需7～10天。

2.新型材料爐拱

（1）新型碳化硅爐拱　傳統爐拱多采用普通黏土質耐火材質爐拱，而新型碳化硅爐拱具有更高的耐壓強度和耐火度、較低的熱膨脹系數，同時附有較強的遠紅外輻射性能。因而碳化硅爐拱耐煙氣流沖刷，使用壽命長，可提高爐膛溫度，煤種適應性強，節能效果好。如某臺2.8MW鍋爐，應用效果見表3-5。

碳化硅是一種半導體材料，受熱后能產生遠紅外輻射效應，由于紅外線波長較長，透過爐膛內煙塵向四周輻射，被受熱面吸收。而黏土質耐火爐拱屬灰體材料，遠紅外輻射能力較差，熱反射能力也相當差。因此碳化硅爐拱能有效地促進煤在爐膛內的燃燒，加快氧化反應速度，縮短反應時間，煤中揮發分及其他可燃成分得以充分燃燒，節能減排效果好，減少對環境的污染。

碳化硅分子式為SiC，其中Si占70.45％，C占29.55％。其分子結構是共價晶體，通過固相反應在高溫下生成具有α相和β相多晶體。其化學成分和結構決定了它具有高硬度、高熔點、高穩定性和半導體的理化性能，硬度可達13新莫氏硬度，在1600℃以下可長期穩定使用，2000℃以下耐酸性物侵蝕，1000℃以下耐堿性物質侵蝕。

（2）高溫遠紅外輻射涂料的應用　改善爐拱性能的另一種常用方法，是在前后爐拱、側墻及衛燃帶表面上，涂刷高溫遠紅外輻射涂層。由于涂料層直接暴露在燃燒室的表面，在高溫下遠紅外輻射率增大（大于燃煤和火焰的輻射率），輻射傳熱量增大，強化了爐拱輻射傳熱功能，從而促進爐排上的煤和空間的可燃物比較充分地燃燒，利于燃料引燃，提高燃燒效率，對于難以著火的無煙煤尤為適用。

爐拱涂刷遠紅外涂料后，直覺反應：一是爐排上層燃燒工況改善，燃燒加快了；二是爐膛平均溫度提高30～70℃；三是灰渣含碳量、飛灰含碳量都有所下降，使機械不完全燃燒損失下降（有的實例顯示q4下降達6.3個百分點）。

高溫遠紅外涂料可以用涂刷的方法，也可以噴涂施工，對高溫遠紅外涂料的基本要求是在高溫工況下不掛焦，涂層不脫落。