CN101893249A - 往复式热辐射空气预热节能炉排 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种往复式热辐射空气预热节能炉排，利用炉排的机械运动，搅动燃料，使燃料表面的灰渣脱落，提高空气与固定碳的接触系数，同时利用高温的燃料底面辐射给炉排波浪形排条板上的热量通过对流换热将空气预热，在机械搅动与空气预热的双重作用下，显著地提高了燃烧效率与燃烧温度，降低炉排的温度，解决了机械炉排易烧损、落煤严重的问题，并提高锅炉能效15～20个百分点，提高锅炉出力25％～35％，提高炉排寿命3～4倍，工作稳定可靠。

Description

往复式热辐射空气预热节能炉排

所属技术领域

本发明涉及一种炉排，尤其是能利用炉排的机械运动，搅动燃料，使燃料表面的灰渣脱落，同时能利用燃料底面的热辐射对空气进行预热，提高燃烧效率与燃烧温度，从而达到节能目的的一种炉排。

背景技术

传统的空气预热器是利用烟气余热，经换热器对空气进行预热，再输送入炉膛参与燃烧。该类空气预热器结构复杂，占用空间大，易积炭，易腐蚀，运行与维护费用高。并且预热空气经炉排进入炉膛时，使炉排温度上升，恶化炉排工作环境，加速炉排的氧化与烧损。

传统的固定炉排为栅格状铸铁件(即条状炉排)或有通风间隙通道的板状铸铁件(即板状炉排)，为防止炉排受热后变形或破坏，炉排做得粗而厚，条状炉排的排条，宽度为15～35毫米，高30～70毫米，排条间隙为15～25毫米；板状炉排厚度为25～35毫米，通风间隙宽度为10～25毫米，并铸有加强肋。使用传统的固定炉排时，人工拨火劳动强度大，搅动不均匀，也不彻底，燃料表面及炉排上表面常被灰渣包覆，空气与固定碳接触系数小，燃烧温度低。由于燃烧温度低，挥发份燃烧速度慢，大量挥发份未及燃烧，即进入对流受热面而被冷却，靠近受热面的挥发份被冷却的程度最大，以炭黑(即烟黑)的形式附着在受热面上，降低换热强度，使排烟温度上升，造成物理热损失与化学未燃损失；另一部分挥发份因温度继续降低，未能完全燃烧便从烟道排走，成为可测化学未燃损失的主要成份；燃烧温度低，还使辐射受热面的换热强度下降，使锅炉出力下降。

公知的往复式机械炉排是利用推杆推动搭在固定炉排片上的可动炉排片，推动燃料，起到搅动燃料与给煤的作用。炉排片为有通风间隙通道的板状铸铁件，厚度为20～35毫米，通风间隙宽度为15～25毫米，其中固定炉排片铸有高度为40～50毫米的加强肋。通过炉排的机械运动，搅动燃料，使其表面的灰渣脱落，既减轻司炉人员的劳动强度，且搅动均匀，提高空气与固定碳的接触系数，有效地提高了燃烧效率与燃烧温度。但是，在脱落燃料表面灰渣的同时，也搅落了炉排上表面的灰渣，使炉排直接受高温的燃料底面的强烈辐射，炉排温度高，易氧化烧损，寿命短，燃料底面热辐射损失大，并且落煤严重。水冷式机械炉排利用水管内的水吸收炉排的热量，降低了炉排的温度。但是，为使管内的水有效带走热量，炉排做成倾斜状，使炉排高度大，占用空间大，并且，该类炉排结构复杂、故障较多，落煤严重，同时，因燃料底面的热量被大量带走，燃烧温度提高有限。

发明内容

为克服传统空气预热器结构复杂，占用空间大，易积炭，易腐蚀，运行与维护费用大的不足，同时，为克服固定炉排燃烧温度低，以及机械炉排易烧损，寿命短，热辐射损失大，落煤严重，以及水冷式机械炉排占用空间大，结构复杂，故障多，落煤严重，燃烧温度上升有限的不足，本发明提供了一种既可利用炉排的机械搅动，使燃料表面的灰渣脱落，提高空气与固定碳接触系数，又能将燃料底面辐射给炉排的热量转换为空气升温物理热，将空气预热，返回炉膛参与燃烧，从而更有效地提高燃烧效率与燃烧温度，降低炉排温度，提高炉排寿命，减少燃料底面辐射热损失以及减少落煤损失的往复式热辐射空气预热节能炉排。

本发明采用的技术方案是：在方形外框或平行边框内，等距竖立安装一组排条板，构成一个分炉排，各分炉排的外框或边框外，对称安装有支臂，与炉排支架上对应的孔或槽，构成一对运动副，各分炉排互不连接，在推杆的作用下，可以作机械运动，若干个分炉排组成一个炉排；各分炉排排条板厚度为1～3毫米，高度为60～150毫米，排条板之间的距离为4～9毫米，排条板间距与排条板高度之比为1∶8～1∶15，排条板的形状为波浪形，排条板与外框或边框的连接为焊接或机械连接，排条板上端面构成的轮廓面为波浪形、锯齿形或者平面，支臂与外框的连接为焊接或机械连接。排条板用钢、镍、铜或其合金制成。该装置既是炉排，又是空气预热器。

燃烧时，燃料底面的热辐射为漫发射，由于排条板间隙减小，高度增大，排条板上表面间隙截面相对于下表面间隙截面的辐射角系数减小至0.04，即只有4％投射在间隙内的热辐射从炉排间隙散失，96％的热辐射为排条板吸收，有效地减少了经炉排间隙的辐射热损失。由于排条板厚度小，其上端面总面积仅为炉排截面的30％～40％，故上端面仅吸收热辐射的30％～40％，另外60％～70％的热辐射为排条板竖直面所吸收，从而降低了炉排上端面的温度。在排条板的竖直面上，整个竖直面均得到热辐射，距发射源越近，得到的热辐射越多，排条板呈上高下低的温度场，热量在传导作用下，自上向下传递，使整个排条板温差减小，空气从排条板间隙上升，与排条板进行对流换热，排条板被冷却，空气被加热，达到降低炉排温度与预热空气的目的。由于排条板数量、高度与有效长度增加较大，使炉排的对流换热面很大，每平方米炉排截面的对流换热面可达30～50平方米，故空气对炉排的冷却作用很强，有效地降低炉排温度与预热空气，在机械搅动与空气预热的双重作用下，燃烧效率与燃烧温度得到显著的提高。

下面从数值上分析本发明提供的炉排对比现有技术的机械炉排的有益效果。

一、现有技术的机械炉排数值分析：

以1平方米炉排截面为例，已知炉排上表面面积为0.7平方米，间隙截面面积为0.3平方米，炉排下表面面积为0.7平方米，炉排间隙竖立面面积为1.2平方米，炉排平均厚度为30毫米，炉排材质为铸铁，灰炕表面温度为400℃，表面积为1.5平方米，空气平均温度为35℃，查得炉排上表面间隙截面相对于下表面间隙截面的辐射角系数为0.25，炉排竖立面相对炉排下表面间隙截面的辐射角系数为0.16，炉排热导率为20w/(m.K)(600～800℃时)，空气对流传热系数取经验值20w/(m².K)。

设炉排上表面温度为x，下表面温度为y，处于热平衡状态时。

当燃料底面温度为900℃时，燃料底面对炉排上表面的辐射传热量Q₁有

$Q_1=0.9\×5.67\×[{\left(\frac{900+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{x+273}{100}\right)}^4]\×0.7$

燃料底面对炉排间隙竖立面的辐射传热量Q₂有

$Q_2=0.9\×5.67\×[{\left(\frac{900+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{\frac{x+y}{2}+273}{100}\right)}^4]\×0.3\×(1-0.25)$

燃料底面经炉排间隙的辐射散热量Q₃有

$Q_3=0.9\×5.67\×[{\left(\frac{900+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{400+273}{100}\right)}^4]\×0.3\×0.25=6.46\mathrm{kj}/s$

炉排上表面至下表面的传导传热量Q₄有

$Q_4=\frac{20}{0.03}\×0.7\×(x-y)$

炉排下表面对灰炕的辐射传热量Q₅有

$Q_5=0.9\×5.67\×[{\left(\frac{y+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{400+273}{100}\right)}^4]\×0.7$

炉排间隙竖立面对灰炕表面的辐射传热量Q₆有

$Q_6=0.9\×5.67\×[{\left(\frac{\frac{x+y}{2}+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{400+273}{100}\right)}^4]\×1.2\×0.16$

炉排下表面与空气的对流传热量Q₇有

Q₇＝0.7×20×(y-35)

炉排间隙侧面与空气的对流传热量Q₈有

$Q_8=1.2\×20\×(\frac{x+y}{2}-35)$

灰炕表面与空气对流传热量Q₉有

Q₉＝1.5×20×(400-35)＝10.95kj

(注：因空气对热辐射吸收比接近于零，忽略不计。以上数据与计算式参看高等教育出版社《传热学》第二版)

上述各式中，有关系式：

Q₁+Q₂＝Q₅+Q₆+Q₇+Q₈

Q₁≈Q₄

燃料底面热辐射损失量Q₀＝Q₁+Q₂+Q₃-Q₇-Q₈-Q₉＝Q₃+Q₅+Q₆

用试算法求得x＝710℃，y＝637℃，燃料底面热辐射散热量为29.5kj/s，当燃料底面温度为1000℃时，求得x＝806℃，y＝711℃，燃料底面热辐射散热量为44.5kj/s。由于铸铁表面的氧化膜容易剥落，不具保护作用，在高于560℃时，氧离子通过金属基体中的孔穴扩散并对内层进行氧化，氧化速度急剧上升，使铸铁易烧损，尤其在723℃以上时，由于反复加热与冷却，因固态相变反复变化引起的应力变化以及金属基体内部产生生长现象而使铸铁容易产生破坏，并使氧化加速，故炉排极易烧损(参看机械工业出版社《铸造手册》第一卷第十章《铸铁的高温氧化》以及江苏科学技术出版社《锅炉工技能快速入门》第31～32页《锅炉用钢材的高温氧化》)。如每平方米炉排释热量为750kj/s，则燃料底面辐射散热量损失占锅炉总发热量的4％～6％。

二、本发明提供的炉排的数值分析：

以一平方米炉排截面为例，已知炉排上表面与下表面面积为0.3平方米，炉排间隙截面面积为0.7平方米，炉排对流换热面面积为40平方米，灰炕表面面积为1.5平方米，温度为100℃，空气平均温度为140℃，对流传热系数取经验值20W/(m².k)，材质为碳钢，排条板厚度为2毫米，高度为100毫米，排条板有效长度为1.4米，间距为5毫米，查得排条板热导率为40W/m.k(400～500℃时)，炉排上表面间隙截面相对于下表面间隙截面的辐射角系数为0.02，炉排间隙竖立面相对于下表面间隙截面的辐射角系数为0.022。从其辐射角系数特性分析，约90％辐射热量落在排条板顶端至其下20毫米范围内，由于排条板在其范围内的内部传导热阻为0.02/40＝0.0005，可忽略不计，其范围内温度仍视为等同上表面温度。分析排条板表面散热量时，可将其视为有端部热源的肋片，即其端部热源的热量全部通过端部截面并在肋片表面散热，为精确计，端面取排条板上表面以下20/2＝10毫米处，温度为x，排条板表面散热量 $q=\mathrm{\λAm}{\mathrm{\θ}}_0\mathrm{th}\left({\mathrm{mH}}_c\right)\×\frac{1}{0.005+0.002}+40\×20\×\frac{0.01}{0.1}\×(x-140).$

(其中λ为热导率＝40/m.k，A为面积，H_c为修正高度＝(0.1-0.01)+0.002/2，θ₀为过余温度＝x-140，

)

[注：h为表面传热系数，数值等于对流传热系数与辐射传热系数之和，由于排条下端面面积小、温度低，尤其与灰炕表面的温差小，其辐射传热量很小，并且排条板竖立面相对其下表面间隙截面辐射角系数很小，其辐射传热量很小，可忽略不计，且忽略后对数值的影响很小，故仍取系数为20/(m².k)。]

$q=40\×1.4\×0.002\×22.3766\×(x-140)\×\mathrm{th}(22.3766\×0.091)\×\frac{1}{0.005+0.002}+80\×$

$(x-140)=426.0317\×(x-140)$

设炉排上表面温度为x，下表面温度为y，当燃料底面温度为1000℃时，燃料底面对炉排上表面的辐射传热量W₁，有

$W_1=0.9\×5.67\×0.3\×[{\left(\frac{1000+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{x+273}{100}\right)}^4]$

燃料底面对炉排间隙竖立面的辐射传热量W₂，有

$W_2=0.9\×5.67\×0.7\×(1-0.02)\×[{\left(\frac{1000+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{x+273}{100}\right)}^4]$

燃料底面经炉排间隙对灰炕表面的辐射传热量W₃，有

$W_3=0.9\×5.67\×0.7\×0.02\×[{\left(\frac{1000+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{100+273}{100}\right)}^4]=1.86\mathrm{kj}/s$

空气对炉排的对流传热量W₄，有

$W_4=40\×20\×(\frac{x+y}{2}-140)$

炉排间隙竖立面对灰坑辐射传热量W₅，有

$W_5=0.9\×5.67\×40\×0.022\×[{\left(\frac{\frac{x+y}{2}+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{100+273}{100}\right)}^4]$

炉排下表面对灰坑的辐射传热量W₆，有

$W_6=0.9\×5.67\×0.7\×[{\left(\frac{y+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{100+273}{100}\right)}^4]$

灰炕表面与空气的对流传热量W₇有

W₇＝1.5×20×(100-30)＝2.1kj/s

(注：空气与灰炕表面换热升温小，故空气平均温度取30℃。)

上述各中式中，炉排表面散热量q＝W₄+W₅+W₆＝W₁+W₂

燃料底面辐射热损失W₀＝W₃+W₅+W₆-W₇

解得x＝422℃，y＝155℃

(以上计算式及有关数据参看高等教育出版社《传热学》第二版)

可见，本发明提供的炉排在燃料底面温度为1000℃时，最高温度为422℃，远低于现有技术的炉排，且燃烧底面辐射热损失减少至3.8kj/s，占总发热量的0.5％，提高能效4～5个百分点，同时，通过对流换热，空气吸收热量达118kj/s，可将空气升温至(空气超量值为150％时)260～290℃。

由于炉排温度远低于560℃，氧化速度很低，同时，炉排上端面的氧化与磨损，并不影响炉排的使用，即使炉排上端面氧化与磨损掉30毫米的厚度，炉排仍可继续工作，寿命可增加3～4倍。

机械未燃损失是现有技术的机械炉排层燃锅炉的一项主要热损失，其主要原因是底层燃料部分被粗大的炉排阻挡，燃料与空气接触面小，燃烧不充分，且炉排间隙大，煤粒易掉落，其机械未燃损失达8％～15％。本发明提供的炉排因炉排的排条板厚度小，燃料底面与空气接触基本不受炉排的阻挡，燃料与空气接触充分、且空气温度高，燃料底面燃烧温度高，同时排条板间隙小，有效地防止煤粒的下落，燃料烧透率达98％以上，锅炉的机械未燃损失下降至1％以内，可提高能效7～10个百分点。(参看江苏科学技术出版社《锅炉工技能快速入门》第129页和157～158页《锅炉热效率与传热》)

由于燃烧温度显著提高，挥发份与氧气的热扩散速度显著加快，燃烧速度有较大提高，挥发份可在炉膛内基本燃烧完全，烟黑附着对流受热面的现象大大减少，排烟温度有所下降，发热烟气焓上升，排烟焓下降，故能效上升。如现有技术的机械炉排烟气初始温度为1100℃，排烟温度为280℃，本发明提供的炉排烟气初始温度为1200℃，排烟温度为250℃，(烟气比热容在1200℃、1100℃、280℃、250℃时分别为1.34kj/kg·K、1.323kj/kg·K和1.122kj/kg·K)。能效提高为：

$(\frac{280\×1.122}{1100\×1.323}-\frac{250\×1.122}{1200\×1.34})\×100\%=4.14\%$ (即提高4个百分点)

由于燃烧温度提高，使烟气温度上升，增大辐射受热面的换热强度。如原烟气温度为1100℃，烟气发射率为0.235，吸收比为0.25，辐射受热面温度为400℃计，设本发明提供的炉排，烟气温度增加至1200℃，烟气发射率为0.243，吸收比为0.26，辐射受热面温度为450℃，换热强度增加率为

$\frac{0.9\×5.67\×[{\left(\frac{1200+273}{100}\right)}^4\×0.243-{\left(\frac{450+273}{100}\right)}^4\×0.26]}{0.9\×5.67\×[{\left(\frac{1100+273}{100}\right)}^4\×0.235-{\left(\frac{400+273}{100}\right)}^4\×0.25]}=36.9\%$

即锅炉出力可提高36.9％。

本发明的有益效果是：提高锅炉能效15％～20％，提高炉排寿命3～4倍，提高锅炉出力25％～35％，工作稳定可靠。

附图说明

图1是分炉排的俯视图，图2是图1的左上角局部放大图，图3是图1的A-A面剖视图的放大图，图5是缩小比例的整图(俯视图)，图6是图5的正视图，图7是图5的B-B面剖视图的局部放大图(实施例1)，图4是图5B-B面剖视图的局部放大图(实施例2)。

图中，1、分炉排外框或边框，2、支臂，3、排条板，4、炉排支架，5、梯形挡条，6、圆孔，7、滑块，8、顶杆，9、楔块。

具体实施方式

实施例1：在图1中，方形外框或边框1内，等距竖立安装波浪形排条板3，边框1外对称安装支臂2，构成一个分炉排；在图5中，各分炉排上的支臂2与炉排支架4上的对应的圆孔6构成一对旋转运动副，在推杆的作用下，可作局部旋转运动，使排条板上端面作往复半弧运动，从而搅动燃料，若干个分炉排组成一个炉排。

实施例2：分炉排结构不变。在图4中，炉排支架4上的圆孔6是开在梯形滑块7上的，梯形滑块7与垂直的一对梯形挡条5构成的槽组成一对滑动运动副，滑块7可在顶杆8的作用下作上下运动，当楔块9前推至相应位置时，由于楔块9斜面作用，推动顶杆8向上运动至上止点，使对应的分炉排上升至上止点，而相邻的分炉排由于无楔块9的支撑，在自身的重力或弹簧力的作用下下落至下止点，这样，相邻的分炉排形成一定的高度差，这时，推杆推动下位分炉排下部向前运动，使其上端面向后运动，同时其上端面的外框推动上位分炉排下部外框向后运动，使上位分炉排上端面向前运动，反之亦然。推杆停止动作，使相邻的分炉排处于竖直位置，楔块9向后运动至相应位置，上位分炉排下落至下止点，而下位分炉排上升至上止点，这时，推杆动作，使各分炉排作往复运动。当搅动完毕后，楔块9推至相应位置，上位分炉排下落至中点，下位分炉排上升至中点，各分炉排在同一水平线上，以防止分炉排的外框过热烧损。由于相邻分炉排之间有高度差，且其上端面为锯齿状，当上位分炉排的上端面向前运动时，下位分炉排的上端面向后运动，部分燃料被推至下位分炉排上面，当下位分炉排上升并运动时，又将其上面的部分燃料推至前面的下位分炉排的上面。搅动作用较强，并起到给煤作用。

Claims (3)

1.一种往复式热辐射空气预热节能炉排，在炉排支架上，安装一组可作往复运动的分炉排，其特征是：各分炉排的边框外，对称安装有支臂，支臂与炉排支架上对应的装置构成一对或两对运动副，可作机械运动；各分炉排的外框或边框内，等距竖立安装一组排条板，排条板高度为60～150毫米，厚度为1～3毫米，排条板之间的间距为4～9毫米，排条板间距与高度之比为1∶8～1∶15，排条板的形状为波浪形，排条板上端面的轮廓面为波浪形、锯齿形或平面状，排条板用钢、镍、铜或其合金制成。

2.根据权利要求1所述的往复式热辐射空气预热节能炉排，其特征是：各分炉排的边框外的支臂与炉排支架上对应的圆孔构成一对运动副，可作局部旋转运动。

3.根据权利要求1所述的往复式热辐射空气预热节能炉排，其特征是：各分炉排的边框外的支臂与炉排支架上对应的圆孔构成一对运动副，同时该圆孔是开在滑块上的，而滑块与炉排支架上竖立设置的槽构成一对运动副，可同时作局部旋转和直线往复运动。

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