浅谈解决链条炉排锅炉问题

浅谈解决链条炉排锅炉问题
刘雪华
济南五洲环保节能技术有限公司
摘要：本文论述采用新技术解决传统链条炉排和传统链条炉排锅炉，长期存在的结构不合理、
燃烧效率低等缺陷和问题，并以研制成功的新型链条炉排和新型链条炉排锅炉做为实施例，说
明消除缺陷，解决问题的技术方案和效果。

关键词：均匀分层燃烧机理新型链条炉排新型链条炉排锅炉
据资料记载第一台链条炉排锅炉产于1840年，自此至1930年在结构和技术方面有很大进步和发展，1950年至1970年锅炉本体有较大改进，而链条炉排的结构基本维持在1930年的水平。

目前的链条炉排锅炉存在的问题主要集中在炉排方面。

中国约计有48万台、110万蒸吨（年递增率：7-8%）链条炉排锅炉，每年耗煤量约计3.5亿吨，锅炉数量之多、耗煤量之大、浪费和污染之重堪称世界之最，尤其大量CO2气体排入大气影响全球温室效应，业已引起世界的关注。

《关于全球环境基金会（GEF）中国高效工业锅炉初步可行性研究的工作报告》（以下简称“GEF报告”），指出“中国炉排设计陈旧，制造粗糙，质量低劣，炉排片材质差，制造精度低。

炉排跑偏卡死、密封不严，配风不均，漏风漏煤常有发生”。

中国链条炉排锅炉存在的问题集中起来有两点：一是以上所说炉排结构方面存在的问题；二是燃烧效率低。

济南五洲环保节能技术公司通过研制新型链条炉排和新型链条炉排锅炉，采用专利技术较好地解决了上述问题。

下面通过实施例叙述如何用新技术解决传统链条炉排锅炉存在的问题。

1 用新技术解决传统链条炉排结构方面的问题
1.1采用新型链条炉排（链带）代替传统链条炉排
国内外常用的链条炉排有轻型链带炉排（包括大板型、活络芯型）、鳞片式链条炉排、
大块式链条炉排、横梁
式链条炉排。

中国的链
条炉排多数是轻型链带
或鳞片式链条炉排。

轻
型链带炉排（图1）的
缺点：一是主动炉排片
（链条节）既承受拉力
又被火烧，易发生卡炉排和断链事故；二是更换炉排片须停炉；三是漏煤、漏风比较严重；四是耗用金属材料比较多（每平米750-875公斤）。

鳞片式链条炉排（图2）的缺点：一是链条结构复杂，制造工艺和检修要求高；二是耗用金属材料多（每平米900-1000公斤）；三是成本高。

大块式炉排（图3）在美国、英国比较多，在中国很少。

横梁式炉排（图4）的缺点：一是结构复杂、工艺要求高、须专业人员安装；二是耗用材料特别多（每平米
1800-1900公斤）；三
是成本高，是当前价格
最贵的一种炉排。

新型链条炉排仍
保留传统链条炉排能
够调控煤层厚度和自
行冷却的结构特点。

对
其不合理结构或制造
工艺复杂等缺陷进行
了改进。

其改进要点：
轻型链带的主动炉排片设置在炉排片下方，不被火烧只承受拉力。

摒弃了鳞片式炉排链条及铸铁滚筒等结构，用新型链条节代替,大大简化了链条的结构。

新型横梁式炉排没有T形横梁和安装T形梁的链条节，而是用新型横梁式链条节和横梁代替，不仅简化了结构，增强了强度，而且节省了材料。

以上炉排一律采用不漏煤炉排片。

这种炉排片是弯曲形风道并设有储煤渣槽，通过用户使用说明这种炉排片既能保证正常通风又不漏煤或漏煤量很少。

新型链条炉排与传统链条炉排的对照见图5。

新型链条炉排的优点：一是结构比较简单、
制造和安装工艺要求不高；二是链条节只承受拉力不接触火床，不会烧毁发生断链事故，安全性高；三是运行中炉排片不会自行脱落，检修、更换炉排片无须停炉，十分方便；四是炉
排不漏煤或大量减少之；五是重量轻，尤其新
型炉排片比传统炉排片轻了许多，如图6所示。

1.2 采用不漏风、不窜风技术解决传统链条炉排漏风、窜风问题
“GEF报告”指出国外烧煤工业锅炉的空气过量系数控制在α=1.3~1.5。

中国工业锅炉的设计值α=1.3~1.8。

据200台产品鉴定数据统计，平均α=2.02，最高α=2.86。

实际运行值平均α=3-4，最大可达α= 6-8，炉内大量的过剩空气降低了炉膛温度，增加了排烟热损失。

大量的过剩空气来自炉排漏风和窜风。

炉排窜风是指分段送风室之间窜风，其原因是风室之间的隔墙顶部与炉排之间有窜风的空间。

炉排漏风表现在以下几方面：一是炉排前后，由于滑板与炉排之间有空间而漏风；二
是炉排两侧漏风；三是煤层漏
风，煤层中大小煤块分布不均匀
大块集中的地方产生风口、由于
风室之间窜风，炉排尾部的炉渣
层漏风。

解决分段送风室之间窜风
和炉排前后漏风的技术，是在炉
排链带下方漏风、窜风空间安装
档风板，该档风板的几何形状与
窜风、漏风空间横截面的形状基
本相同，档风板的间距小于风室
隔墙顶端的宽度。

在炉排运动过程中档风板随炉排运动阻断窜风、漏风空间，从而达到防止窜风、漏风的目的，实践证实这项技术较好地解决了炉排窜风、漏风问题。

1.3 采用均匀送风技术解决煤层通风不均匀问题
向分段送风室送风的方式有一侧送风的，也有两侧送风的，这两种送风方式都造成送入煤层的风量不相等，导致煤层偏烧，燃烧不均衡；据试验证实通风不均匀可降低锅炉热效率2-3%。

有的采取均风措施，如安装均风板，有一定效果，但是仍然没有较好地解决通风不均匀的问题，且带来负面影响。

均匀送风技术较好地解决了这个问题，解决的措施是采取等压送风技术设计分段送风室，使分段送风室内的风，沿炉排宽度等量向煤层送风，从而解决了通风不均匀问题。

设计等压风室应因炉排风室结构和通风方式而异。

等压风室须做空气动力场试验，满足《链条炉排技术条件》标准的要求。

1.4 采用综合侧密封技术解决炉排侧密封存在的问题
轻型链带炉排多采用老式侧密封块（图7），鳞片式链条炉排多采用迷宫式密封。

前者
存在的问题：一是侧密封块（铸铁材质）接触火
床易烧毁，导致卡碰炉排事故；二是由于侧密封
块固定在炉排两侧箱体上，该块的上方是炉墙和
炉拱，更换侧密封块时须拆去炉墙和炉拱、检修
量很大；三是该块的底面与炉排面的间隙在10
毫米左右，漏风量大。

后者采用迷宫式密封仍存
在漏风问题。

综合侧密封技术采用新型侧密封块，同时采
用迷宫式密封，如图8所示。

新型侧密封块的特点：一是侧密封块能上下移动，不易发生卡碰炉排故障；二是侧密封块距炉排面的间隙很小（3-5毫米）；三是更换侧密封块时无须拆炉墙和炉拱。

迷宫式侧密封块插入链条节的槽内，上面与密封槽接触。

这两种方式结合在一起，比较好地解决了现有侧密封方式存在的问题。

2 采用均匀分层燃烧技术解决燃烧效率低的问题
“GEF报告”指出：“中国工业锅炉的设计
效率不低，有的超过《工业锅炉通用技术条件》
规定指标而达到大于80%。

但实际运行效率不高，
近十年来，虽由过去的50-60%提高到目前的
60-70%，即运行效率与设计鉴定效率相差10-15
个百份点。

在发达国家燃煤工业锅炉运行效率很
少低于80%。

这样几乎白白烧掉15-20%的煤。

”
中国燃煤链条炉排锅炉运行热效率低的主要原因，是机械不完全燃烧热损失q4和排烟热损失q2高所致。

“GEF报告”指出“机械不完全燃烧热损失在英国设计要求为q4=3-5%，而实际运行可控制在q4=1.4~2.5%。

中国工业锅炉设计推荐q4=8~12%，但实际运行时可达q4=10~27%，仅此一项热损失就使锅炉运行效率降低5-10个百份点”。

从链条炉排锅炉的炉渣含碳量可以直接观察到这种状况。

中国GB/T15317-94标准规定工业锅炉的炉渣含碳量合格指标:烧烟煤时小于或等于20%，而实际上很少能达到这个指标。

多数链条炉排锅炉的炉渣含碳量在20-30%，大于30%的也不在少数，浪费能源惊人。

中国链条炉排锅炉热效率低的原因，除上一节所述链条炉排在结构方面存在的缺陷之外，烧原煤和传统的给煤方式：煤仓的煤经落煤管、炉前加煤斗直接压在炉排上，煤层被压实了，炉排运动时煤闸挤压使煤层更加密实，尤其燃煤中小颗粒煤多时，煤层更为密实。

这样的煤层通风阻力极大，制约空气进入煤层导致缺氧燃烧。

煤层中大小煤颗粒分布无序也影响燃烧，大颗粒多的地方易产生风口，小颗粒密集的地方燃烧速度慢易形成火垅（火床横断面如图9）。

显然这样的煤层不利于煤燃烧，因此导致燃烧效率很低。

作者通过对燃料燃烧的分析，提出“均匀分层燃烧机理”一说。

此机理有5个要点：一是均匀分层给煤；二是构筑均匀分层煤层；三是均匀送风；四是均匀分层燃烧；五是强化燃烧。

均匀分层燃烧机理的载体是多功能均匀分层燃烧装置，即均匀分层燃烧系统工程。

实施该装置的要点如下：
2.1 均匀分层给煤
均匀分层给煤指采用多功能分层给煤机将煤斗内的大小煤块，沿炉排宽度均匀的拨落在炉排上，该机的安装图见图10，内部结构见图11。

该机的主要结构件有给煤滚筒、煤颗粒
筛分板、给煤量调节板、安全保护器等许多多功能构件。

给煤滚筒的动力通过链轮链条与炉排主轴相连，也可以另设动力驱动给煤滚筒，给煤滚筒转动时将煤斗的煤拨落在漏孔尺寸不
相同的筛分板上，煤颗粒经筛分后落在炉排上，为构筑均匀分层煤层创造必要的条件。

2.2 构筑均匀分层煤层
从分层给煤机落下来的大小煤块与运行中的炉排有位置差，则在炉排的始端构成大小颗粒分层排列的煤层。

均匀分层煤层根据煤的燃烧特点构筑，常用的有下面是大颗粒、中小颗粒依次向上排列的的分层煤层，见图12，也有中块在下面，大块在中间，小块在上面的分层煤层，见图13。

分层煤层不论采取那种结构，大小煤块必须沿炉排宽度均匀分布。

也就是说同一个煤层断面的通风阻力基本相等。

煤层颗粒的大小直接影响煤的燃尽程度，实验表明煤颗粒在10-25mm最有利于燃烧。

美英两国链条炉排锅炉燃用的煤颗粒为20-25mm。

中国链条炉排锅炉的燃煤颗粒大的一般在50mm左右，小的则小于1mm，显然不利于燃烧。

在这种状况之下，采取均匀分层煤层结构则起到有利于燃烧的作用。

2.3 均匀送风（见第一章第3节所说）
2.4 均匀分层燃烧
燃料燃烧是燃料中可燃质与氧进行剧烈化学反应的过程，其反应可以用以下四个方程式表示：
2C+O2=2CO + 13092KJ/mol --------------------------------------------- ⑴
C+O2=CO2 + 46957KJ/mol --------------------------------------------- ⑵
2CO+O2=2CO2 + 283446KJ/mol -------------------------------------------- ⑶
CO2+C=2CO - 162406KJ/mol --------------------------------------------- ⑷燃烧化学反应速度与燃料性质及物理条件，如反应面上气体浓度、温度有关，其中与温度的关系尤为紧密。

煤层燃烧的初期温度很低，处于动力燃烧工况，此时需要的是尽快提高温度，氧气需要量甚少，这就需要创造条件提高煤层的温度。

小颗粒煤表面积相对大，热容量也大，是提高温度的有利条件，故分层煤层上表面应是小颗粒的煤。

当煤层进入高温区时，
燃烧速度决定于反应面上的氧浓度，即氧气向反应面的扩散速度，同时还决定于反应面上CO2和灰尘离开反应面的扩散速度，如图14所示。

此时即所谓扩散燃烧工况。

为了有利双
向扩散提高燃烧速度，煤层需要一定的空间，显
然密实的煤层不利于扩散燃烧，大小颗粒分层排
列的煤层，颗粒之间有空隙，显然有利于扩散燃
烧。

考虑到大颗粒煤燃烧需要的总氧量多于小颗
粒煤的需要量，故把大块煤放在富氧区。

于是提
出大块煤在下，中小颗粒煤依次向上排列的分层
煤层的结构和根据煤的燃烧特性设计的其它分层
煤层结构。

均匀分层燃烧是指均匀分层煤层和上部空间
悬浮可燃物的燃烧。

燃料的燃烧过程是一个复杂
的化学---物理变化的过程，燃烧速度与化学条件及物理条件密切相关，如温度、气流（氧）向反应面上的扩散速度、燃烧产物的反向扩散速度等等。

温度及气流扩散速度在火床的不同区域有着不同的影响。

据此燃烧过程可以分三种不同的区域，即：动力燃烧---过渡燃烧---扩散燃烧三个区域。

温度是影响燃烧速度的重要因素。

根据试验表明温度每增加10℃，化学反应速度增加1-2倍。

它们之间的关系遵循公式⑸阿累尼乌斯（S.A.Arrheniua）定律，即：
-E/RT E
k=k0e =k0exp(- ---------) ------------------------- ⑸
RT
k---化学反应速度常数；
k0---前指数因数（频率因子）；
E---化学反应活化能，由实验测定得出，KJ/Kmol；
R---通用气体常数，R=8.314KJ/Kmol.K；
T---绝对温度，K。

在动力燃烧工况下应尽力、尽快提高煤的燃烧温度。

在扩散燃烧工况下，燃烧速度决定于气体扩散能力及其氧浓度，扩散能力与氧浓度之间的关系遵循公式⑹所示的关系，即：
M=αk(C q-C j) ------------------------------------------- ⑹M---气流扩散速度的量；
αk---扩散速度常数，取决于气流的速度，与温度基本无关；
C q、C j---气流和反应面上的氧气浓度。

煤层的均匀分层燃烧过程即上述燃烧要点的运作过程，燃烧效果与操作技术至关重要。

均匀分层燃烧的最佳工况：煤进入燃烧室立即同步着火、引燃成一条直线、均衡均匀燃烧、
火旺温度高、无风口、无火垅、温度有规律的升或
降、煤在老鹰铁前基本燃尽。

在保持火床最佳燃烧
工况之下，也要使悬浮可燃物保持在最佳燃烧状
态，CO、α、飞灰含碳量保持在低限值。

均匀分
层燃烧实况见图15。

2.5 强化燃烧
强化燃烧指强化火床和火床上面空间悬浮可
燃物的燃烧，强化燃烧的措施很多，如：分层半沸腾燃烧、使用二次风（火上风）、改进炉拱、加装围燃带等等。

分层半沸腾燃烧的工况如图16所示，用较强的风力将分层煤层上面的小颗粒煤吹起来（约半米高）类似沸腾床燃烧，燃烧效果甚佳。

二次风（火上风）是强化燃烧的重要措施，美英国家的链条炉排锅炉都采用这项技术。

但中国链条炉排锅炉上，现在很少安装和应用二次风，这样做是不正确的。

3 新型链条炉排及新型链条炉排锅炉
总结多年来改造链条炉排锅炉的经验，采用以上所说的新技术，我们设计和制造了新型链条炉排和新型链条炉排锅炉，简述如下：
3.1新型链条炉排
新型链条炉排是在传统链条炉排的基础上，采用以上所述新技术设计的。

该炉排保留了传统链条炉排的优点，而无传统链条炉排的缺点。

新型链条炉排有以下突出特点：
⑴炉排是全新设计，结构新颖、重量轻、火不烧链条、安全性高；
⑵炉排不漏煤或大量减少之，更换炉排片极为方便；
⑶分段送风室之间不窜风、不漏风或大量减少之；
⑷分段送风室沿炉排宽度均匀的向煤层送风；
⑸煤层均匀分层燃烧，煤接近完全燃烧。

⑹新型链条炉排的质量和性能与2002年12月1日实施的（JB/T3271-2002）《链条炉排技术条件》的要求一致。

新型链条炉排配套1-80t/h锅炉，图17是用于10t/h锅炉的新型链条炉排；用新型链条
炉排的构件也可以改造在用的传统链条
炉排。

3.2 新型链条炉排锅炉
新型链条炉排锅炉由新型链条炉排
与优选的各种蒸吨（t/h）的锅炉本体配
套组合而成，锅炉蒸发量1-80t/h，图18
是10t/h新型链条炉排锅炉。

其突出特点
如下：
⑴锅炉本体设计合理，传热效率
高，锅炉热力计算的某些参数，如：炉渣含碳量、
漏风系数等，选择应用新炉排和均匀分层燃烧技术
时的平均值，在同等条件下锅炉热效率、出力比传
统链条锅炉高。

⑵按照多功能均匀分层燃烧装置的要求，设计
相关部分，如：采用第一章第4节综合密封技术、
采用二次风、改进炉拱等；
⑶新型锅炉达到JB/T10094-2002《工业锅炉通
用技术条件》的要求；
⑷锅炉造型新颖、美观、实用。

四、总结
采用新技术解决传统链条炉排锅炉问题的过程，也是我们研制新型链条炉排和新型链条炉排锅炉的过程，这个过程历经10多年。

其中研制成功的多功能均匀分层燃烧技术装置，已经在2-65t/h上千台在用传统链条炉排锅炉上使用，平均节能15%，提高出力15%，排烟黑度0-1级，较好地解决了传统链条炉排锅炉燃烧效率低的问题。

1996年12月，山东省科委组织中科院、清华大学等单位的燃烧工程院士、教授、专家鉴定均匀分层燃烧技术的结论：
该装置是国内外没有的国际先进水平的技术。

国家科技部、建设部分别将该装置列入《国家级重点科技成果推广计划》，并认定济南五洲环保节能技术公司为“技术依托单位”。

新型链条炉排是近几年投放市场的，专家们在技术评价会上给予高度评价。

新华社《经济参考报》
记者考察该项技术后发表《锅炉工业又一次革命》的文章，高度评价这项技术。

2002年，中国工业锅炉考察团赴美国、英国考察时，得知国外没有上述所说的新型链条炉排。

新型链条炉排与优选的锅炉本体配套，构成的新型链条炉排锅炉，使传统链条炉排锅炉有了新的发展。

通过以上论述得出以下初步结论：新型链条炉排技术较好地解决了传统链条炉排长期存在的诸如：结构复杂、耗用金属材料多、漏煤、漏风、窜风、燃烧效率低、故障多、维修量大等问题，与《链条炉排技术条件》新标准的要求一致。

推广应用这项技术，不仅可以解决传统链条炉排锅炉存在的缺陷和问题，而且与优选的锅炉本体配套，则构成新型链条炉排锅炉。

该锅炉与在用的传统链条炉排锅炉相比，平均节能15-20%，提高锅炉出力15-20%，排烟黑度接近零级。

由此可知推广应用上述新技术、新产品定会给生产者、使用者带来显著的经济效益和社会效益。

新型链条炉排的研制成功，为自动控制链条锅炉燃烧创造了条件。

链条炉排锅炉自控（燃烧）装置正在研制过程中。

新型链条炉排锅炉尚须解决NOx超标问题（主要缺乏资金）。

由于作者水平所限，本文论述的技术不一定正确，恳请同行们给予斧正。

并希望同行们研制更好的新技术，发展和提高链条炉排锅炉的水平。

参考资料：
[1] 关于全球环境基金会（GEF）中国高效工业锅炉初步可行性研究的工作报告.中国机械工业部,1993年.
[2] 张松寿著.工程燃烧学,1987年.
[3] 链条炉排技术条件.JB/T3271-2002.
[4] 工业锅炉通用技术条件.JB/T10094-2002.。