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【摘 要】结合棕榈废料燃烧的特点，通过改变传统生物质蒸汽锅炉的炉膛及烟气系统，重点阐述棕榈废料锅炉的燃烧方式和结构，解决了因燃料含水分大、着火燃烧困难、灰熔点低、易在炉膛结焦和NOX化物排放浓度高的问题。
【关键词】棕榈废料锅炉；燃烧方式；结构；设计
【中图分类号】TK222 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）01-0062-04
随着社会的进步和发展，人们的节能意识和环保意识日益增强，国际社会对节能减排的要求标准越来越高，因此对清洁能源的开发和利用也逐步走上议事日程。生物质能源因廉价和可再生性而受到各国广泛的关注。生物质燃料已成为世界各国可持续发展战略的重要组成部分，可以为政府提供多赢的能源解决方案，也降低了对遥远的、政局不稳甚至是危险国原油的依赖程度，有利于能源安全。对于实现全球的节能减排降碳排放的目标有着重大意义。
棕榈废料是生物质能源之一，棕榈植物榨取油料后剩下了一种轻质高水分纤维燃料，这样的废料在东南亚国家的棕榈油厂每天都会产生很多，目前还没有得到较好的利用。它主要由3个部分组成：纤维，也就是棕榈果榨好棕榈油后的余料，低位热值在12 556 kJ/kg；棕榈果的壳，热值很高，像煤一样，价格也很贵；果串，低位热值为7 600 kJ/kg。棕榈的果串水分很高，天然未处理过的果串水分达70%，经过处理后的果串的水分也在50%以上，并且燃烧后的灰熔点低。因此，此种燃料运用于锅炉上，含水分大、燃烧困难，炉膛燃烧温度不稳定，灰熔点低、易在炉膛结焦，NOX化物排放浓度高。
本文结合棕榈废料燃烧的特点，通过改变传统生物质蒸汽锅炉的炉膛及烟气系统，实现棕榈废料蒸汽锅炉的高效节能、安全运行，重点阐述棕榈废料锅炉的燃烧方式和结构，解决因燃料含水分大，燃烧困难，炉膛燃烧温度不稳定；灰熔点低，易在炉膛结焦；NOX化物排放浓度高的问题。
1 锅炉设计参数
锅炉的额定蒸发量为45 t/h；过热蒸汽出口压力为5.3 MPa（表压）；过热蒸汽出口温度为510 ℃；锅筒压力为5.8 MPa（表压）；热效率≥87%；排烟温度为146 ℃；给水温度为120 ℃。45 t/h棕榈废料锅炉简图如图1所示。
棕榈废料经破碎、脱水预处理后的主要特性数据见表1。
2 锅炉的燃烧方式
目前，电站锅炉使用的棕榈废料锅炉绝大多数是采用整体布置的往复炉排，且没有设置锅炉尾部烟气循环系统，导致燃料含水分大、着火燃烧困难，炉膛燃烧温度不稳定，灰熔点低、易在炉膛结焦，NOX化物排放浓度高的问题。
本文设计的锅炉采用炉膛分段燃烧结构和尾部烟气循环燃烧系统，可以解决上述难题。
通过改变传统生物质蒸汽锅炉的炉膛结构和采用烟气循环系统，在炉膛设置烘干段往复炉排和燃烧段往复炉排，将含水分较大的棕榈废料送入炉膛烘干段往复炉排区域内进行前期烘干处理，再进入炉膛的燃烧段往复炉排区域，保证棕榈废料燃烬；通过从尾部烟道将含氧量较低的烟气经净化后，烟气温度达到300 ℃左右，分多路引入炉膛，根据炉膛各区域的氧浓度，利用自动化控制该区域的烟气量和一次风量，控制炉膛燃烧温度在850 ℃左右。烘干段往复炉排区域、燃烧段往复炉排区域、燃烬区的过量空气系数分别控制在0.55～0.75、0.75～1.1、1.1～1.20。在烘干段往复炉排区域处于欠氧状态，抑制燃烧过程，改善炉膛内温度分布，此过程可有效地制止燃料中的N转化为NOX化物，然后进入燃烧区域迅速、完全燃烧。以上措施解决了炉膛燃烧不稳定和结焦的问题，实现棕榈废料蒸汽锅炉的高效节能、安全运行。设置送料风管使棕榈废料在炉膛内悬浮燃烧，避免棕榈废料在炉排面堆积，影响燃烧效果。后拱和炉膛出烟口下部分别设置二次风管、三次风管，可补充棕榈废料在炉膛内悬浮燃烧所需要的氧，并对燃烧区域和烘干区域内的烟气产生扰动，增加烟气的停留時间，保证棕榈废料在炉膛内烘干和燃烬达到最佳的效果，避免未燃尽棕榈废料进入锅炉的尾部受热面产生二次燃烧，从而保证锅炉的安全运行。
3 锅炉的结构
本文设计的锅炉为室外布置，自然循环单锅筒锅炉，采用“∏”形布置，钢构架，炉膛部分悬吊，尾部烟道支承。
各部分结构简述如下。
（1）炉膛水冷壁为膜式壁结构，用φ60 mm×5 mm的管子和20 mm×4 mm的扁钢组成，节距为80 mm。下部敷设卫燃带区域，实现强化燃烧。下降管系统用2条集中下降管，其规格为φ325 mm×16 mm，再分别用φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子组成分散下降管分别引入下集箱，两侧水冷壁的引出管由管径为φ108 mm×4.5 mm和φ133 mm×6 mm的管子组成；后水冷壁引出管由管径为φ133 mm×6 mm的管子组成；前水冷壁由水冷壁管直接引入锅筒，水冷系统集箱规格为φ219 mm×20 mm，水冷系统所用的材质均为20 G（GB 5310—2008）锅炉管。
整个水冷壁悬吊于炉顶钢架上，锅炉运行时整个炉膛一起向下膨胀，由于前水冷壁和后水冷壁支吊点低于侧水冷壁支吊点，故前、后水冷壁采用弹簧吊架，安装和运行时必须适当调整弹簧，避免膨胀不等造成过大的热应力。为了保证炉膛的整体刚性，在水冷壁四周装有强度足够的刚性梁，以保证炉膛的整体性。炉膛开有必要的测量孔、看火孔、人孔和防爆门。点火方式为炉排上木柴点火。
（2）锅筒及内部装置。锅筒内径为1 400 mm，筒身壁厚50 mm，筒身由钢板卷成，两端球形封头由钢板冲压而成，封头壁厚50 mm，筒身和封头材质均为Q345R，重量约18 t（包含锅筒内部装置）。锅炉运行时，锅筒正常水位在锅筒中心线下50 mm，允许水位在0水位（±75 mm）范围内波动。
锅筒与水冷壁管、汽水连接管、蒸汽引出管、分散下降管均采用焊接结构，锅筒由支座支承于顶板上。锅筒内部装有20个φ260 mm的旋风分离器。每个分离器的平均负荷为1.75 t/h，分离后的蒸汽经过锅筒顶部的百叶窗和多孔板的再一步分离后，由蒸汽引出管引入过热器，省煤器引出管用φ60 mm×4 mm的管子直接引入锅筒，沿锅筒全长均匀布置。锅筒内还装有连续排污管、紧急放水管和加药管等装置。锅筒给水品质在符合中压锅炉水质标准的情况下，排污率为2%。
（3）过热器系统和调温方式。过热器布置在水平烟道中，由顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器和高温过热器组成，锅筒里的蒸汽由3条φ108 mm×4.5 mm的蒸汽连通管引入过热器进口集箱，再由52根φ38 mm×4 mm的管子引出至炉内水平烟道部分组成顶棚过热器，然后直接弯曲成后包墙过热器，经由两侧包墙过热器和底部包墙过热器后进入低温过热器。
顶棚管过热器管和包墙过热器管为φ38 mm×4 mm锅炉管，材质均为20 G（GB 5310—2008），低温过热器蛇形管和高温过热器蛇形管用φ38 mm×4 mm的管子，材质均为12 Cr1MoVG管。低温过热器内蒸汽与烟气呈逆向流动，低温过热器出口引入减温器，蒸汽经减温后，引入高温过热器，高温过热器内蒸汽与烟气呈逆顺混合流动。过热器出口集箱采用φ273 mm×16 mm，材质为15 CrMoG。
过热蒸汽的调温方式：采用喷水减温器，减温器位于低温过热器与高温过热器之间，筒身规格为φ325 mm×20 mm，材质为15 CrMoG锅炉管，减温水为锅炉给水，通过调节减温水量的流量，可达到调节过热蒸汽温度的目的。
（4）省煤器。省煤器布置在锅炉尾部竖井中，分为两级，上级有2组蛇形管束，下级有1组蛇形管束，共有3组蛇形管束，给水从省煤器进口集箱引入，经下级省煤器管束后引到中间集箱Ⅰ，再从中间集箱Ⅰ引入中间集箱Ⅱ和上级蛇形管，最后到省煤器出口集箱，用4根φ60 mm×4 mm的管子引入锅筒，省煤器由单侧引入、单侧引出。
省煤器集箱共4只，均由φ159 mm×10 mm的管子组成，材质为20 G（GB 5310—2008）锅炉管，省煤器管由φ32 mm×4 mm的管子组成，上级2组省煤器的横向节距为90 mm，纵向节距为60 mm，下级省煤器的横向节距为72 mm，纵向节距为60 mm，材质均为20 G（GB 5310—2008）锅炉管。上、下级省煤器均采用支承结构，支承梁内部通风冷却。
（5）空气预热器。空气预热器为两级布置，上级管箱由φ51 mm×2.5 mm的钢管制成立式管箱，下级管箱由φ60 mm×2.5 mm的考登管制成立式管箱，共有2组管箱，4个流程，每组管箱由3只小管箱组成。烟气在管内纵向冲刷。空气在管外横向冲刷，为了防止空气预热器的振动和噪音过大，在每级管箱中的中间管箱都装有防震钢板。
（6）锅炉范围内的管道。锅炉范围的内管道是从给水操作台起到蒸汽出口集箱主蒸汽阀为止的管道、阀门、测量仪表等。给水操作台共有3根并联管道，主管道为DN80，装有电动截止阀和调节阀，在50%～100%负荷时用主管道进行调节，旁路DN50的管道装有截止阀，在低于50%负荷运行时使用。旁路DN50的管道可用于启动时上水、升火及事故状态下的调节，给水操作台前分3路管道引出，一条DN50管道往过热器反冲洗，2条DN50管道引入减温器，管道上装有调节阀和截止阀。锅炉再循环管用DN50管道，再循环管道上装有截止阀，在启动过程中開启再循环截止阀，正常运行时关闭再循环截止阀。
此外，锅炉水冷壁下集箱、省煤器下集箱都装有排污阀，过热蒸汽出口集箱上装有安全阀、压力表、对空排气管、反冲洗管、温度计、热电偶插座等，锅筒上装有安全阀、压力表、各种水位表，以及自用蒸汽管、加药管和紧急放水管等。为监督汽水品质，还装有给水、炉水、饱和蒸汽、过热蒸汽取样装置。
（7）炉墙。锅炉炉墙分2种形式，炉膛和过热器部分为敷管炉墙，炉墙和膜式壁浇注成一体，通过管子吊在顶板上，其他区域为支承式轻型炉墙，重量由各横梁支承。
（8）构架与平台楼梯。锅炉构架为全钢结构，由10根立柱及顶板、横梁组成。悬吊炉膛部分的6根立柱及尾部的4根立柱都放在标高为4 m运转层上，为保证构架的整体性，钢架上设有必要的斜拉条。锅炉运转层标高为4 m，地面标高设为0 m，在锅炉运行时，需要操作和巡视检修处，都设有平台和楼梯。
4 结束语
我们对使用本文设计的锅炉的单位进行调查发现，锅炉试运行成功。高水分的燃料着火燃烧容易、炉膛燃烧温度稳定、炉膛和出烟口无结焦、NOX化物排放浓度符合标准负荷稳定、燃烧良好，各项参数均符合设计要求，表明本设计是成功的，用户十分满意，实现了节能和环保的双重效益。
参 考 文 献
[1]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算[M].第2版.北京：科学出版社，1998.
[2]《工业锅炉设计计算 标准方法》编委会.工业锅炉设计计算 标准方法[M].北京：中国标准出版社，2003.
[3]林宗虎，徐通模.实用锅炉手册[M].第2版.北京：化学工业出版社，2009.
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[责任编辑：陈泽琦]