袁福林1，任波2，贾振远2
摘要：分析了高灰分、低热值劣质烟煤的燃烧特点，介绍了燃劣质烟煤的层燃燃烧方式的选取、锅炉整体布置、辅机选取、运行调整等。
关键词：高灰分；低热值；劣质烟煤锅炉；设计；选配
中图分类号：TK229.6文献标识码：A
1引言
随着我国经济的快速发展，能源短缺问题日渐突出燃煤工业锅炉在能源消耗中占有相当的份额燃用劣质煤时，锅炉的热效率会下降，但综合考虑劣质煤价格（含运输成本）相对比较低等因素，有很多工业锅炉用户燃用高灰分、低热值劣质烟煤，还是具有一定的经济性的。
本文所指的高灰分、低热值劣质烟煤是指收到基低位发热量在12979～17585kJ/kg（3100～4200kca1/kg），Vdaf＞20％的煤在一些矿区、离矿区较近的城市、县城有相当一部分锅炉在燃用此类劣质烟煤采用层燃方式燃烧此类劣质烟煤有以下原因：
(1)当地盛产此类劣质烟煤；
(2)对煤的粒度要求相对不是很严格，一般原煤不需破碎和筛分仍可直接燃用；
(3)不存在流化床锅炉的受热面和炉墙磨损较严重的问题，因此长期运行稳定性好，大修间隔时间长；
(4)锅炉的原始排尘浓度相对流化床锅炉低，对除尘设备的要求降低；
(5)运行操作及维护简单；
(6)用户本身有使用层燃炉的习惯；
(7)老锅炉房增容改造时，此类锅炉的外形尺寸容易满足要求；
(8)锅炉房一般单层布置即可，而流化床锅炉一般均需双层布置，因此可以节省锅炉房基建投资；
(9)其运行成本是燃油、气锅炉的1/3～1/4。
本文通过分析此类劣质煤的燃烧特点，并据此讨论燃此类劣质烟煤层燃锅炉的选型(往复炉排或链条炉排)，锅炉的整体布置，鼓、引风机的选择及燃烧的调整。
2高灰分、低热值劣质烟煤燃烧特点分析
在煤的干燥阶段，由于灰分本身不产生热量，因此要将煤中所含的过多的灰分也要加热到煤的着火温度，因此灰分高时，煤要吸收更多的着火热，煤的着火点向后推迟。
碳粒被更多的灰包围，氧气向碳粒扩散的速度会变小，因此为确保煤的燃尽，含高灰分煤的燃烧时间要加长由于灰分较多，在炉排主燃区很容易形成低熔点的共晶体熔融状态的灰将可燃碳粒包裹住以后，炭粒的燃烧更加困难当结焦严重时，延炉排宽度方向，很可能形成一大块或几大块炉渣，这样影响了炉排正常的均匀布风，从而使燃烧恶化。链条炉排上不宜燃用灰的变形温度低于1200℃的煤。
对于一定热功率的锅炉，其单位时间内燃料在炉排上燃烧要产生的热量是固定的，因此燃用低热值的劣质煤时，单位时间内要燃用更多质量（更多体积）的煤；与燃用一般烟煤时的煤层厚度相比，即使已考虑在燃劣质烟煤时加大炉排面积，但燃劣质烟煤时煤层仍要加大很多。而且燃高灰分劣质煤时，在炉排末端排渣处煤层的减薄量很少，即排渣处煤层还是很厚。
由于煤层厚度的增加，若仍按原来燃一般烟煤设计炉排面积和选用鼓风风量及风压，那么煤中可燃碳粒周围的氧浓度降低了，这就不能保证煤的充分燃烧和燃尽，因此要保证可燃碳粒周围有足够的氧浓度且克服较厚煤层的阻力，必须加大鼓风风量和风压。
3层燃燃烧形式的选取
链条炉排上的煤从入炉到变为灰渣排出整个过程中，煤相对于炉排自身没有相对运动，即链条炉排不具备机械拨火功能但链条炉排的冷却条件好，即随着炉排不断转动，妒链周期性地位于风室之上（受热阶段）和风室之下（冷却阶段）。链条炉排与往复炉排相比，由于是一个闭合的炉链，因此，其金属耗量较往复炉排大：
一些专业炉排生产厂家已把链条炉排的单机产汽能力做到120t/h以上。而且由于链条炉排的冷却条件较好，其炉链下的风室内可通热风以强化燃烧。
往复炉排是由成对的活动炉排和固定炉排组成，即煤斗下第一排为活动炉排，向炉后方向第二排为固定炉排，依此类推。它是靠活动炉排向前、向后的往复运动而把煤不断地推向前进的。因此，煤在整个运动过程中，煤与炉排面之间、煤与煤之间是有相对运动的。往复炉排的上述运动特点，决定它具有较强的拨火能力和破焦能力，这种运动可促进碳粒脱掉周围的熔融灰而使碳粒有更多地与氧接触的机会，因此，用往复炉排燃烧高灰分、低热值劣质烟煤较链条炉排相比是有绝对优势的。但往复炉排是单面受热，尤其处于主燃区的炉排片常期处于高温下，因此其长期耐热、耐高温氧化性能要有保证。一般从往复炉排的可靠冷却角度考虑，往复炉排不宜采用热风。
鉴于往复炉排的上述工作条件，国内一些专业炉排生产厂现将运行较稳定、可靠的往复炉排单机最大产汽能力做到30t/h。随着技术的进步，可以预见往复炉排的单机容量将逐步扩大。最好选用由专业炉排生产厂家来制造往复炉排（≥10t/h）。原因如下：专业炉排厂有多年从事往复炉排生产的经验；机械加工能力强可保证加工精度；铸件的材质有保证；铸造工艺先进，基本可消除铸造缺陷和铸造残余应力；有专业的安装、维护、售后服务队伍。
通过上述分析并结合多年的实践经验，根据煤质情况，对层燃燃烧方式的选取提出如下建议：
(1)对于Qnet.ar＞15910kJ/kg(3800kcal/kg)，Vdaf＞20％且灰的变形温度高于1200℃的劣质烟煤，且蒸发量(热功率)＞30t/h(21MW)的锅炉选用链条炉排，并且布置空气预热器，以强化燃烧。
(2)对于Qnet.ar＞1381611/kg(3100kcal/kg)，Vdaf＞20％的劣质烟煤且蒸发量(热功率)≤30t/h(21MW)的锅炉选用往复炉排。
4锅炉的整体布置
依据高灰分、低热值劣质烟煤的燃烧特点，在锅炉设计时，应特别注意以下几点：
(1)依据煤质资料及锅炉容量，合理选用链条炉排或往复炉排。
(2)炉排面积要适当加大，炉排面积热负荷要较以往燃且类烟煤推荐的(600－900)×103kcal/(h"m2)(697.8－1046.7kW/m2)还要小。至于炉排面积应该增加多少，应依据煤质情况确定。
(3)合理设计锅炉的前后拱，为劣质煤的及早着火及充分燃尽创造有利条件。应重点注意：前、后拱的覆盖率，后拱出口速度，前、后间喉口出口烟气速度。一般在燃用劣质烟煤时，后拱出口速度推荐8～10m/s(锅炉容量大，煤质越差时取大值)，前后拱间喉口出口烟气速度推荐7~9m/s为宜。(锅炉容量大，煤质越差时取大值)。
(4)在锅炉设计进行热力计算时，以往燃Ⅱ类烟煤推荐炉膛出口过量空气系数取1.3～1.4。在设计燃劣质烟煤锅炉的热力计算时，炉膛出口的过量空气系数应相应取得大一些，这样才能与实际运行工况相接近。
(5)由于煤中灰分高很多，因些烟气中的灰分含量要增加，所以受热面有磨损加重的倾向。因此在确定各受热面烟气速度时，应取推荐值的中间值，过大则会增加对受热面管壁的磨损，过小不利于烟气将受热面上的积灰带走。
(6)在设计时，应注意锅炉结构布置合理以确保将各处积灰及时带走，并应足额合理布置检查门、清灰门，必要时应有可靠的吹灰设施。
(7)选用链条炉排时，应配置空气预热器，热风温度尽可能达到150℃以上，这对加速劣质煤及早点燃和维持炉膛内有利燃尽的高温烟气动力场极为有利。对热水锅炉，为防止低负荷运行时空气预热器的低温腐蚀，可选配内螺纹外翅片铸铁式空气预热器。这种新型空气预热器与钢管式及热管式空气预热器相比，本身具有自清灰作用，长期运行稳定性好。
由于受锅炉结构布置的限制，有时很难将热风温度加热至较高的温度，这时可以考虑配置两个鼓风机，其中的一个用于将锅炉燃烧所需总风量的一部分通入空气预热器，这样可以把这部分空气加热至较理想的高温，并将其用于炉排主燃区的前一部分和炉排前端预热段；另外一个风机鼓出的冷风直接送入炉排后半部分直接用于主燃区后一部分与燃尽区的燃烧，这样有助于解决高灰分、低热值劣质烟煤着火点后移的问题。
(8)选用往复炉排时，在炉排设计上应充分考虑到：炉排面距炉排底板间应有必要的高度，以确保炉排片的充分冷却；各风室内均应设置能够可靠操作的检修门和清灰门；锅炉基础的设计和施工应考虑炉排下的漏煤及漏灰能及时排除，以避免炉排下积灰过多，从而造成炉排下有效通风空间减少及推拉传动装置被灰埋住而得不到可靠冷却而影响往复炉排长期安全可靠运行。
若煤的结焦性较重，往复炉排的倾斜角度应加大。因为煤层较厚，应注意炉排片的高度要相应增加，以利于有效地向前推煤。
5鼓、引风机等辅机的选取
依据高灰分、低热值劣质烟煤的燃烧特点，在辅机的选配上应注意如下几点：
鼓风机的风量、风压均要比燃Ⅱ类烟煤锅炉配置的鼓风机要加大。
(2)引风机的风量应加大，并考虑到烟气中飞灰含量多，若煤中含水量再偏高的话，风机叶轮粘灰的可能会增加，叶轮粘灰后，风机的出力会下降，因此引风机的选取要考虑充分的裕量。
(3)鼓、引风机最好配置变频器。这样虽然增加一部分初投资，但对于锅炉负荷调节的灵活性和长期运行节能是很有益处的。
(4)由于高灰分劣质烟煤燃尽后，炉渣量要较一般烟煤多很多，因此，在选用除渣机时，也应区别对待。
(5)往复炉排下部最好配水力除灰装置，以利于及时将将炉排下的漏煤及漏灰冲至除渣机内，确保炉排下有足够的通风冷却空间。
(6)除尘器的选取应考虑到锅炉原始排尘浓度偏高的事实。
(7)应配备分层给煤煤斗，尤其对细末含量高的煤配分层给煤煤斗更有必要。
6锅炉运行调整
(1)由于劣质煤的热值很低，所以即使锅炉低负荷运行时，也应保持较厚的煤层并将炉排转速调慢。这样才能保证煤层有较大的蓄热能力，对及早着火是有利的。
(2)每班应及时到位地清除炉排下的漏煤和漏灰。每班应打开各受热面的放灰门，清净所有积灰。
通过以上分析，要高效、经济、稳定地在层燃炉上燃烧高灰分、低热值劣质烟煤，应根据煤质的具体情况做相应地设计调整，这对锅炉用户的运行经济性和节能降耗是大有潜力的。
参考文献
哈尔滨工业大学热能工程教研室．小型锅炉设计与改装（2版）．北京：科学出版社．
冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌．锅炉原理及计算（3版）．北京：科学出版社．
袁福林，卢众，吴宝臣．型煤锅炉的选型及运行要点．节能，2006，(12):26一28.