鏈條鍋爐爐拱優(yōu)化強化燃燒技術(shù)

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(xù)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?zé)煔廨椛鋫鳠?；由后拱?dǎo)向燃燒室中部高溫?zé)煔獾膶α鱾鳠峒捌鋳A帶的熾熱炭粒的熱量。

（2）隨爐排連續(xù)移動的燃料，依次完成燃燒的熱力準(zhǔn)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(yù)熱升溫過程，當(dāng)燃料達(dá)到一定溫度時，開始析出揮發(fā)分，這個過程的長短，也就是燃料進入燃燒室后延續(xù)的時間和距離，一方面取決于燃煤濕度大小和揮發(fā)分的性質(zhì)，另一方面取決于空間熱源強化程度。

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

③固定碳得到充分預(yù)熱達(dá)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(xù)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(jié)果，使得不同燃燒階段的分區(qū)界限不是垂直線，而是形成相當(dāng)傾斜的界限。鏈條爐排上煤層燃燒區(qū)域分布見圖：

1—新燃料區(qū)；2—揮發(fā)分析出并燃燒區(qū)；3—焦炭燃燒區(qū)（3a為氧化層，3b為還原層）

（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(chǎn)生相應(yīng)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(jīng)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(xiàn)各不相同、不均勻的特性，但從總體看表現(xiàn)出十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)律性。氣體成分及分布見圖：

鏈條爐排煤層表面的氣體成分及分布

火床前后兩端出現(xiàn)過剩氧，而在中部存在大量可燃?xì)怏w，二氧化碳分布曲線呈馬鞍形。這種氣化產(chǎn)物分布規(guī)律與燃燒強度無關(guān)，只是分布長度有所改變，燃燒強度升高，曲線范圍縮短，反之?dāng)U大。

（4）燃燒過程中煤層的氣化特性。

進入燃燒室的燃煤，當(dāng)完成熱力準(zhǔn)備階段達(dá)到一定溫度時析出揮發(fā)分，形成氣相可燃物，與空氣混合實現(xiàn)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(qū)域，由于在高溫下氧化反應(yīng)進行得非?？?，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(nèi)進行著真正的氧化過程。而煤層的絕大部分因氧氣不足而出現(xiàn)還原反應(yīng) 。這種性質(zhì)與通風(fēng)強度無關(guān)。因此，該區(qū)域燃燒過程，實質(zhì)是煤的氣化產(chǎn)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(chǎn)生極其重大的影響，它是確定爐膛結(jié)構(gòu)的依據(jù)，即一定的煤種對應(yīng)著一種爐膛結(jié)構(gòu)，或者說爐膛結(jié)構(gòu)一旦確定，就適用于一定的煤種。

（1）揮發(fā)分的影響　在煤的各項特性中，揮發(fā)分的性質(zhì)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(fā)分是燃煤分解出來的氣體和煤的成分中含有的凝結(jié)性物質(zhì)蒸氣的混合物。不同化學(xué)年代的燃料，揮發(fā)分析出溫度不同，含揮發(fā)分高的煙煤揮發(fā)分在170℃即可析出。而炭化程度較深、揮發(fā)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(fā)分含量較高的煤易于起火，且燃燒穩(wěn)定。此外揮發(fā)分析出區(qū)域的寬度也有很大差異，圖3-1中bK與cL之間距離，含揮發(fā)分較高的煙煤，這個區(qū)域較為寬廣，而無煙煤變得非常狹窄。燃料特征在燃燒區(qū)段表現(xiàn)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(fā)分析出和燃燒區(qū)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(fā)分析出和燃燒區(qū)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(fā)分含量越高的煤，揮發(fā)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?？梢姡褐袚]發(fā)分含量的多少是決定爐膛結(jié)構(gòu)及通風(fēng)條件的關(guān)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(fā)分含量更低的無煙煤，則需要特殊的爐膛結(jié)構(gòu)、通風(fēng)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(dāng)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(zhì)煤，焦渣特征大，很容易在爐排上結(jié)焦，破壞燃燒過程，嚴(yán)重時還可能堵塞爐排通風(fēng)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(yīng)配置強化引燃的爐膛結(jié)構(gòu)，使用熱風(fēng)，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(fā)需要吸收熱量，這對煤的著火不利。蒸發(fā)了的水與可燃?xì)怏w混合，既增加了可燃?xì)怏w的熱容量，又降低了其濃度，對可燃?xì)怏w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(dāng)?shù)乃帜苁顾槊盒颊辰釉谝黄穑孤┟汉惋w灰減少。適當(dāng)?shù)乃忠部墒姑簩硬恢逻^分結(jié)焦；煤層中水分蒸發(fā)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(jié)構(gòu)。

（4）發(fā)熱量的影響　發(fā)熱量是煤的綜合性指標(biāo)，發(fā)熱量低的煤，水分或灰分的含量必然高，因此當(dāng)Qdaf低于16.50MJ/kg（3940kcal/kg）時，爐內(nèi)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(fā)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(dāng)燃用Qdaf低于16.50MJ/kg的煤種時，在爐拱的設(shè)置、熱風(fēng)溫度、爐排的有效面積等方面均需采取相應(yīng)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(dāng)燃用未經(jīng)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(jié)性強以及煤灰的熔融軟化溫度ST≤1250℃（當(dāng)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(wěn)定進行，達(dá)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(fēng)和調(diào)控措施；三是要有滿足空間煙氣充分混合的燃燒室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；二是沿爐排長度方向的分室配風(fēng)和二次風(fēng)的合理配置等方法來實現(xiàn)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(yīng)鏈條爐排燃燒特性要求，燃燒室需設(shè)置特有的結(jié)構(gòu)——爐拱。它起著新燃料引燃和促進爐內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(guān)，因此爐拱在爐排上的投影長度是爐拱結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)之一。二是促進爐內(nèi)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(fēng)，燃料層區(qū)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(qū)，不斷產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w。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?xì)怏w充分燃燒。三是組織爐內(nèi)煙氣流動。組織高溫?zé)煔鈱π氯剂虾椭饏^(qū)爐拱的沖刷，形成強烈的對流傳熱，將大量高溫?zé)煔廨斎胫饏^(qū)，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(gòu)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(qū)高溫環(huán)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(dǎo)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(dǎo)流引燃和維持燃燒區(qū)高溫水平，促進燃料的燃盡。后拱組織引導(dǎo)火床中部強燃燒區(qū)和后部煙氣流涌向前拱區(qū)，提供新燃料著火的熱源，是穩(wěn)定前拱區(qū)的關(guān)鍵因素。一方面使前拱區(qū)提升溫度強化輻射引燃，另一方面促使高溫?zé)煔庵袛y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(qū)的高溫，利于主燃區(qū)的形成和燃料的燃盡；與前拱相呼應(yīng)，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?fàn)t拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得了顯著進展，效果明顯。但是仍有相當(dāng)數(shù)量原有鍋爐爐拱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(wěn)定，灰中可燃物高，浪費煤炭，影響出力。

三、爐拱優(yōu)化原則、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及細(xì)部結(jié)構(gòu)：

1. 爐拱優(yōu)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(guān)，前后爐拱應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)具有足夠的動量，才能使其達(dá)到火床前端，實現(xiàn)引燃并形成煙氣渦旋，改善火焰充滿度，強化煙氣的混合。關(guān)鍵是使煙氣在后拱出口達(dá)到一定的速度，特別是燃用無煙煤或劣質(zhì)煤要達(dá)到較高的煙氣流速。

③前后拱相協(xié)調(diào)原則。前后拱應(yīng)形成一個有機的整體，才能實現(xiàn)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(yīng)的原則。對煤種變化適應(yīng)性的強、弱是評價爐拱優(yōu)劣最主要的依據(jù)之一，也是鍋爐工作者為之長期探索的方向。

        2.爐拱主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

鏈條爐的前后拱結(jié)構(gòu)

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、[插圖]取大值，[插圖]、a取小值。

④對難著火的Ⅱ類煙煤，[插圖]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(shè)計。Vdaf偏低的貧煤按無煙煤設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)。減小h值有利于提高后拱出口煙氣流速，并可利于揮發(fā)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(jié)焦灰渣的順利排除。

（2）后拱的傾角α　后拱傾角α的確定，應(yīng)能確保后拱區(qū)燃燒所產(chǎn)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(yīng)包括較差煤質(zhì)在內(nèi)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(dá)到很好的效果。但傾角α不可太小，因后拱區(qū)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(fēng)產(chǎn)生的爐膛負(fù)壓提供，當(dāng)后拱傾角α過小時，可能造成后拱下出現(xiàn)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a2a2值是爐拱結(jié)構(gòu)最重要的參數(shù)。它既影響后拱輻射傳熱量的大小，關(guān)系后拱區(qū)溫度水平，又決定著導(dǎo)向前拱區(qū)煙氣量的大小和深入前拱區(qū)的程度，是實現(xiàn)后拱功能的關(guān)鍵，也是決定爐拱優(yōu)劣的主要參數(shù)。后拱覆蓋爐排長度a2增大趨勢明顯，燃用煙煤以及揮發(fā)分偏低的煤種時，a2值應(yīng)不小于爐排長度的50％，燃用劣質(zhì)煙煤時，可取值為60％左右，燃用無煙煤時a2值為60％～70％。應(yīng)注意，a2值過大會引發(fā)結(jié)焦的出現(xiàn)。

（4）h2值及后拱出口煙氣流速w2　當(dāng)選用直線形后拱，在確定了h、α、a2值之后，h2值經(jīng)計算可得，不須選定。它是后拱布置合理性的重要指標(biāo)，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(yuǎn)，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。

（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(xiàn)。要提高前拱輻射功能，應(yīng)維持一定的a1值，一般可取爐排有效長度的15％～25％；為實現(xiàn)與后拱的配合，應(yīng)突出前拱對后拱射入氣流的吸納和包容。因此h1值應(yīng)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(yīng)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(yīng)防止出口煙氣直達(dá)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(jié)構(gòu)。喉口處煙氣流速wh的大小是體現(xiàn)爐拱混合功能強弱的重要參數(shù)。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(yīng)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(xì)部結(jié)構(gòu)

①拱前端與煤閘板相鄰部分的拱段與爐排的距離[插圖]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(guān)系。早些時候設(shè)計的爐拱，此拱段與爐排距離偏大，[插圖]約為400mm，拱段長度[插圖]最長不超過500mm，且出口為較大曲率半徑R的弧形結(jié)構(gòu)，當(dāng)燃用揮發(fā)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(jié)構(gòu)過熱變形的現(xiàn)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(dǎo)向出煙窗，縮短了煙氣流程。特別是緊貼拱面煙氣中揮發(fā)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(fēng)，尤其是兩側(cè)，對于分層給煤裝置，小拱過高引起漏風(fēng)更為突出。

②前拱出口凸型單曲拱（突臺）結(jié)構(gòu)。圖3-6為凸型單曲拱結(jié)構(gòu)，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(fēng)的作用，促進氣流的擾動，在爐膛形成強烈旋渦，有利于可燃?xì)怏w、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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)（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(zhì)上是壓低后拱出口高度，這樣的結(jié)構(gòu)既保持了后拱中部強烈燃燒區(qū)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?zé)煔馑鶖y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。

④后拱出口端部（鼻突）結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)不利于空間氣體的混合，后拱區(qū)高溫?zé)煔馊菀籽睾蠊氨趯?dǎo)向出口煙窗，不利于涌向前拱區(qū)，削弱了引燃功能。

四、中拱強化燃燒機理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

前后拱結(jié)構(gòu)具有強化引燃，組織空間氣流混合，創(chuàng)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(guān)鍵，爐膛結(jié)構(gòu)的不適應(yīng)表現(xiàn)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(yīng)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(chuàng)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(fēng)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(fā)分低于設(shè)計煤種時，固定碳燃燒區(qū)相對擴展，原有的爐膛結(jié)構(gòu)在強化混合作用方面顯得鈍化，增加中拱結(jié)構(gòu)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(chǎn)物CO的過程。這里的“中拱”把CO以及揮發(fā)過程殘存的少量H2、CH4可燃?xì)怏w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。

（2）強化固定碳燃燒區(qū)輻射傳熱，創(chuàng)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(dāng)溫度在750℃以下時燃燒速度緩慢；到1200℃以上時，反應(yīng)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(chuàng)造一個高溫環(huán)境。

（3）“中拱”具有很大的蓄熱能力，可以促進空間可燃?xì)怏w和炭粒的燃盡，穩(wěn)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?xì)怏w和炭粒充分燃燒?？梢杂^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(fù)荷波動還有穩(wěn)定燃燒工況的作用。

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

①水冷程度高，整個燃燒室?guī)缀鯙槿鋱A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(xù)進行的措施，但機裓及化學(xué)不完全燃燒熱損失仍然較大，對于揮發(fā)分低的煤種尤甚，表現(xiàn)出對煤種適應(yīng)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

（1）中拱位置的確定　中拱應(yīng)布置在固定碳起燃的位置，即固定碳?xì)饣瘏^(qū)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(nèi)燃爐膛，中拱前沿距前拱500～700mm。

（2）中拱的寬度和數(shù)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(nèi)燃爐膛，按照中拱遮蔽輻射受熱面積的50％～60％來計算。

（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。

五、燃用無煙煤、劣質(zhì)煤、揮發(fā)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(jīng)地殼運動埋藏于地下，隔絕空氣長期經(jīng)受高溫高壓以及微生物的綜合作用，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)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(zhì)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(zhì)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。

（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(yuǎn)、炭化程度深、固定碳含量高、揮發(fā)分含量低，Ⅱ類無煙煤揮發(fā)分Vr<6.5％，使得無煙煤燃燒化學(xué)反應(yīng)性能很差，著火溫度高達(dá)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?xì)怏w極少，產(chǎn)生的熱量較少，難于著火和維持穩(wěn)定的燃燒，因此解決新煤的點燃在爐拱設(shè)計中居于首位。另外，燃燒時呈青藍(lán)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。

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(yīng)保證無煙煤的可靠點燃，還應(yīng)保證良好的燃燒工況。由于無煙煤揮發(fā)分極低，火焰短，爐拱輻射引燃作用有所減弱，而爐拱導(dǎo)流引燃起著極其重要的作用。

后拱長，其出口更接近火床前端，可以有效地將燃燒區(qū)的火焰和高溫?zé)煔鈱?dǎo)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(wěn)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?zé)煔猥@得足夠的動量得以沖入新煤區(qū)，強化對流傳熱，盡快引燃著火。燃用無煙煤前拱應(yīng)與后拱相呼應(yīng)，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?zé)煔饪臻g，強化對新煤的熱輻射；吸收后拱導(dǎo)入的高溫?zé)煔鉄崃?，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。

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(qū)域采取高溫?zé)煔庀鲁?。將爐排下第一風(fēng)室單獨密封，專門設(shè)置風(fēng)機，將燃燒室高溫?zé)煔庀蛳麓┻^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(yù)熱、析出揮發(fā)分，完成熱力準(zhǔn)備階段，有效地解決無煙煤著火遲緩的難題。吸風(fēng)機機前要有除塵裝置，抽出的氣體排空。

②采用較高預(yù)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(yù)熱器。熱管式空氣預(yù)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(guān)熱管技術(shù)，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(fēng)溫度應(yīng)在150℃以上。

4.劣質(zhì)煤燃燒特性

劣質(zhì)煤是指高灰分、低熱質(zhì)煙煤，發(fā)熱量在12.979～17.585MJ/kg（3100～4200kcal/kg），揮發(fā)分Vdaf>20％。其燃燒特性：

①著火點后移。由于高灰分的存在，達(dá)到著火溫度的熱力準(zhǔn)備階段需要吸收更多的熱量，導(dǎo)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(nèi)部擴散速度減小，燃燒速度減慢，燃盡困難。

③易結(jié)焦?；曳侄?，在爐排主燃區(qū)易形成低熔點的共晶體，熔融狀態(tài)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(yán)重時，在火床上形成大塊或大片焦渣，破壞了通風(fēng)，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(fēng)，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(shè)爐拱，效果更好，詳見第六章有關(guān)論述。

六、可調(diào)爐拱和衛(wèi)燃帶：

針對煤炭供應(yīng)緊張、質(zhì)量差、供應(yīng)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(yīng)性，開發(fā)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(yīng)變”思路來解決固定爐拱適應(yīng)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(xiàn)了“活動拱”和“可調(diào)節(jié)拱”等應(yīng)用技術(shù)，都取得了很好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，使?fàn)t拱技術(shù)有了新發(fā)展。

七、爐拱構(gòu)筑和新型材料的應(yīng)用：

1. 爐拱的設(shè)計與構(gòu)筑

   
   

①利用楔形耐火磚，中部起拱，兩側(cè)承力，筑成爐拱，兩側(cè)支承面（拱腳）除承受垂直重力外，尚承受水平分力，砌筑時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)上的這種要求。此種爐拱結(jié)構(gòu)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(yīng)用。具體做法是首先按拱形設(shè)計尺寸制作并架設(shè)拱胎，沿拱胎自兩側(cè)向中間砌筑，當(dāng)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(gòu)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(fù)雜，全套異型磚種類繁多，需專門訂制，因此近年來應(yīng)用逐漸減少。

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(gòu)筑形式應(yīng)用較為廣泛。

（2）耐熱混凝土爐拱　以礬土水泥為結(jié)合劑的各種耐火骨料和粉料按比例配制，經(jīng)水?dāng)嚢铦沧⒊尚秃箴B(yǎng)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(xiàn)場支模搗制的辦法來完成，施工制造方便，熱穩(wěn)定性、整體性、氣密性好，比用耐火磚砌筑的爐拱經(jīng)久耐用。

2.新型材料爐拱：

（1）新型碳化硅爐拱　傳統(tǒng)爐拱多采用普通黏土質(zhì)耐火材質(zhì)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(shù)，同時附有較強的遠(yuǎn)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(yīng)性強，節(jié)能效果好。

（2）高溫遠(yuǎn)紅外輻射涂料的應(yīng)用　改善爐拱性能的另一種常用方法，是在前后爐拱、側(cè)墻及衛(wèi)燃帶表面上，涂刷高溫遠(yuǎn)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(yuǎn)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。