固定炉排炉

5.2.2　固定炉排炉

1.手烧炉

手烧炉是人工操作的固定炉排层燃炉。其构造十分简单，将固定炉排砌筑后，在其四周砌上炉墙，在炉排上部的炉墙上有炉门，煤从炉门由人工加至炉排上，炉排下部由炉墙围成灰坑，在炉墙上有灰门，由人工从炉排下清灰，细碎灰渣落至灰坑，由灰门扒出，大块渣由炉门钩出。见图5.11。

手烧炉中，加煤、拨火、除灰都由人工操作，劳动强度大，燃烧效率低，还有周期性冒黑烟的缺点。但

图5.12　炉排面上空气流的扩散

（a）条状炉排；（b）板状炉排

其结构简单、操作方便、煤种的适应性较好，目前我国在0.7MW以下的锅炉仍被采用。

（1）手烧炉的炉条

手烧炉的炉排由很多炉条组成。燃烧所需的空气，由灰门进入，穿过炉排进入炉排上的燃烧层。炉条有条状炉条及板状炉条两种，如图5.12所示。（a）为由条状炉条拼成的炉排，两炉条间的缝隙形成通风截面。板状炉条在每块炉条上有很多孔组成通风截面。两种炉排的主要区别在通风截面比不同。条状炉排的通风截面比比较大，约为20%～40%，空气在燃烧层中扩散较快，空气汇合面0—0距炉排面较近，即燃烧层中燃烧最强烈的区域距炉排面较近。板状炉排的通风截面比比较小，约为8%～20%，空气送入相对集中，在燃烧层中扩散较慢，燃烧层中的高温区距炉排面较远。

煤加入炉内后，其中的挥发分先逸出在炉室空间中燃烧，而固定碳则留在炉排上的燃烧层中燃烧。燃用挥发分少而固定碳较多的无烟煤或贫煤时，在燃烧层中燃烧的固定碳较多，燃烧层中的温度也较高，若采用条状炉排，最高温度区距炉排近，易烧坏炉排，故宜采用板状炉排。燃用挥发分高的煤时，则宜采用条状炉排。

（2）手烧炉的燃烧层结构及气体成分

手烧炉是把新煤加在灼热的焦炭层之上，灼热焦炭层之下为灰层，燃烧层的结构如图5.13所示。图5.13也示出了燃烧层中温度（t）及各种气体成分的变化。空气从炉排下送入，先经灰渣区，空气中的氧没有变化。然后流过灼烧的焦炭层，焦炭在燃烧，空气中的氧逐渐减少，而二氧化碳逐渐增多形成氧化区。继而氧气不足，氧缓慢减少，而一部分二氧化碳还原成一氧化碳，形成还原区。最后经过新煤的干燥干馏区。

图5.13　手烧炉燃烧层结构与层间气体成分示图

Ⅰ—灰渣区；Ⅱ—氧化区；Ⅲ—还原区；Ⅳ—干燥干馏区

煤加入锅炉后水分先蒸发，继而挥发分挥发。挥发分都是碳氢化合物，它挥发后形成何种物质，与其挥发时是在富氧环境中，还是在缺氧环境中差别很大。在富氧情况下挥发时，碳氢化物有氧存在就成为羟基化合物，羟基化合物与氧又生成醛。一部分醛直接燃烧生成H₂O及CO₂；另一部分分解成H₂及CO，然后燃烧，而H₂及CO很容易燃烧。挥发分在缺氧情况下挥发时，由于缺氧，不可能形成羟基化合物，而进行热分解形成H₂及炭黑（C）。H₂很容易燃烧生成H₂O；炭黑是直径0.5～1μm的固体碳粒，很难燃烧，且由于很细，一般旋风式等除尘器难以捕捉，因而随烟气排出而形成黑烟。

从图5.13不难看出，手烧炉煤中的挥发分在干燥干馏区挥发，是在严重缺氧的条件下挥发的，必然产生炭黑而冒黑烟。不论是任何种类的机械化层燃炉或室燃炉，只要是挥发分是在缺氧情况下挥发都会冒黑烟。

（3）手烧炉的燃烧过程

手烧炉是先打开炉门，人工向炉内投煤，使新加入的煤平铺地撒在灼烧的焦炭层上，这段时间，整个炉排面上的新煤都处于着火前的准备阶段，进行干燥和干馏。新煤受热有两个热源：一是新煤下部灼热的焦炭层；一是新煤表面受火焰及炉墙的辐射热。新煤层是双面受热，温度上升快，着火条件很好，也可认为手烧炉是无限制着火。这就使得在链条炉等机械化层燃炉中较难着火燃烧的无烟煤或贫煤，在手烧炉中也能顺利地着火燃烧。

经过一定时间后，炉排面上的新煤层开始着火，而进入着火燃烧阶段。手烧炉是周期性的间歇加煤，两次加煤间的时间称为一个燃烧周期，通常为3～5min加一次煤。手烧炉的着火燃烧阶段，空气的供需极不平衡而造成燃烧情况恶化，致使热效率很低。

加煤时开启炉门，大量冷空气涌入炉内，不仅使炉温降低，而且破坏炉内负压，炉排下的空气难以穿过燃料层，使燃烧情况恶化。炉门关闭后，开始由于煤层厚，阻力大而进风减少。随着燃烧的进行，煤层逐渐变薄，进风也就逐渐增多，空气量的供给如图5.14的ab线所示。但整个燃烧周期，先是大量挥发分挥发燃烧，需要大量空气；继而焦炭燃烧，需要的空气量逐渐减少。在燃烧周期内的每一时刻理想所需的空气量，以曲线ef表示。与表示供入的空气中实际有效参与燃烧的量cd线相对照，就可清晰地看出空气供需之间的矛盾。只有两条曲线的交点才是既没有不完全燃烧现象，同时又使过量空气达到最小的最佳工作点。图中jk线为焦炭燃烧所需空气量的变化曲线。

图5.14　手烧炉空气供需情况

手烧炉燃烧周期的前半周期需要空气多，而供给不足，造成不完全燃烧；后半周期空气供给又过剩，排烟的热损失又增大。手烧炉的燃烧层结构，本来就易于产生炭黑而冒黑烟，而燃烧阶段刚开始不久，空气供给又不足，则更易冒黑烟。因此，手烧炉在着火燃烧刚开始时冒黑烟的现象最为严重。手烧炉并不是每次加煤都除灰，而是较长时间，经过很多次加煤后才除一次灰。也就是说，在燃烧阶段，煤在炉内停留的时间较长。

可以看出，手烧炉中，燃烧过程的三个阶段是按时间划分的；燃料是双面引火，着火条件好，煤在炉内停留的时间较长，因而对煤种的适应性好；燃烧周期的前半周期需要空气量多，而供给不足形成不完全燃烧，后半周空气又大量过剩，因此热效率很低；挥发分的挥发是在缺氧的情况下，因而冒黑烟。特别是加煤后燃烧周期开始时空气供给不足，更易大量冒黑烟。

（4）手烧炉改进燃烧的措施

①改进操作，加煤做到“少、勤、匀、快”。少就是每次加煤要少加；勤就是勤加，缩短燃烧周期；匀就是煤要在炉排上加得均匀；快就是加煤要快，使炉门开启的时间短。

②将固定炉排改成摇动炉排。在炉外有手柄，手柄连接在拉杆上，每块炉排都有短杆与拉杆相连。除灰时只要摇动手柄，经拉杆的摆动，带动炉排片向左、右各有30%的转动，使灰渣落至灰坑。需要拨火时，也可将手柄轻轻摇动几下，使燃烧层松动。这样就可以减轻除灰和拨火的劳动强度，也有利于提高热效率。

③改变燃烧层结构，使挥发分在富氧情况下挥发，而消除冒黑烟。图5.15所示的双层炉排炉就是采用的这种方法。双层炉排设有上、下两层炉排和上、中、下三个炉门。上炉排通常用直径为51～76mm的水管管排组成，称为水冷炉排。炉排管间净距一般为20～30mm，形成35%～45%的通风截面比。水冷炉排倾斜布置，向炉门侧下倾8°～12°，水管两端与锅炉的水空间连通，并形成单独的水循环回路。

图5.15　双层炉排手烧炉结构示意图

1—下炉门（灰门）；2—下炉排；3—中炉门；4—水冷炉排下集箱；5—上炉门；6—汽锅；7—水冷炉排；8—炉膛出口；9—烟气导向板

图5.16　双层炉排燃烧层结构示意图

Ⅰ—灰渣区；Ⅱ—氧化区；Ⅲ—还原区；Ⅳ—干燥干馏区

下炉排为一般的铸铁固定炉排。煤由上炉门间歇地加在上炉排上，燃烧层厚度保持150～200 mm左右。一些燃烧着的煤粒和尚未燃尽的焦炭颗粒，籍自重或捅拨作用落至下炉排上继续燃烧。上炉门一直开启，所需空气主要从上炉门送入，穿过燃烧层，火焰和高温烟气也向下流动。下炉门为灰门，运行时微开，下炉排上焦炭燃烧所需的空气由下炉门进入。上炉排向下流的烟气，与下炉排向上流的烟气，在上、下炉排之间的炉膛汇集，由炉膛出口进入对流受热面的烟道。中炉门用于点火及清炉，运行时常闭。

双层炉排燃烧层的结构如图5.16所示。煤中挥发分是在上炉排挥发，挥发时由上炉门进入的空气尚未进入氧化区，挥发是在富氧情况下进行，这就从根本上避免黑烟的形成。

2.抛煤机炉

抛煤机炉本质上是指抛煤机和固定火床的一种组合。这种炉子在容量不太大的锅炉（一般D≤10t/h）中得到较广泛的应用。

（1）抛煤机的分类

按照抛煤的原理，抛煤机可以分为机械的、风力的以及机械与风力联合的三种。机械抛煤机用旋转的叶片或摆动的刮板来抛散燃料，风力抛煤机用气流来吹播燃料，而风力机械抛煤机则兼用以上两种抛煤方式。各种抛煤机的工作原理如图5.17所示。

机械抛煤机所抛成的煤层中，粗粒落于远处，细粒落于近处，细粒煤甚至就落在抛煤机出口之下，堆成小丘。风力抛煤机则与之相反。风力机械抛煤机由于同时采用了风力和机械播煤，燃料在火床上的颗粒度分布较为均匀，因此得到广泛应用。

（2）风力机械抛煤机的结构和工作过程

风力机械抛煤机如图5.18所示。与各种抛煤机一样，这种抛煤机是由抛煤机构和给煤机构所组成。

机械抛煤工作是由叶片式转子7完成的。转子被置于圆柱形槽中，槽外有冷却风道3，以免抛煤机构过热。冷却风由喷口5喷入炉内，也起了一些风力抛煤的作用。主要的风力抛煤工作是由播煤风槽8的喷口和侧风管9喷出的气流来完成的。播煤风均来自炉排一次风的总风管，约占总风量的13%～25%。

图5.17　抛煤机工作原理图

（a）、（b）机械抛煤机；（c）风力抛煤机；（d）风力机械抛煤机

1—给煤装置；2—击煤装置；3—倾斜板；4—风力播煤装置

图5.18　风力机械抛煤机

1—煤斗；2—推煤活塞；3—冷却风道；4—调节板；5—冷却风喷口；6—叶片；7—叶片式抛煤转子；8—播煤风槽；9—侧风管

当给煤机构的推煤活塞2在调节板4上往复移动时，从煤斗1下来的煤即被推给转子，然后被转子的叶片抛出，从而达到了给煤的目的。推煤活塞移动的动力来自转子轴，其间通过减速齿轮系统、曲柄连杆机构到达摇臂，摇臂和推煤活塞之间利用传动销联结在一起。而转子的驱动则由电动机通过减速皮带来实现。此外，电动机可沿滑轨上下滑动，从而得以改变两皮带轮的直径比而调节转子轴的转速。

给煤量的调节主要通过改变推煤活塞2的往复频率和冲程来实现。提高活塞的往复频率还可以改善给煤的连续性，使燃烧的脉动和炉膛负压的波动现象减轻。但频率过高又会使运动机件易于磨损，发生松动，以致互相撞击而影响运行的可靠性，加大冲程则还有利于消除燃用湿煤时的堵塞现象。推煤活塞右上方有一块可转动的挡板，当改变其固定角度时也可用以控制下煤量，并能防止燃用干煤时产生煤的“自流”现象。

风力机械抛煤机所抛成的煤层，其煤粒分布情况要比机械抛煤机或气力抛煤机均匀。但炉排后部大颗粒还是较多，反映出这种抛煤机实际上是以机械抛煤为主，风力播煤以辅。为了保证煤层均匀，获得良好的燃烧效果，对燃料颗粒尺寸有一定要求，一般希望最大煤块不超过30～40 mm，小于6mm的不超过60%，小于3mm的不超过30%。

抛到炉排上的煤层煤粒分布特性取决于粗细不同的煤粒的抛程。实践证明，抛煤机对燃煤颗粒粒度的变化是敏感的。运行中，每当燃煤的性质和颗粒特性改变时，就需要调整以保证煤层厚度和颗粒分布的均匀。

改变转子的转速或改变调节板4的位置可以改变煤粒的抛程。提高转子的转速可以加大所有煤粒的抛程。但是转速过大则叶片可能反而不易打着煤块，因此转速有一个合理的调节范围。改变调节板的位置可以改变叶片、击煤的角度，从而改变煤粒的抛程。如图5.19所示，当调节板推向前时，叶片击煤的仰角减小，抛程也就缩短。反之，当调节板拉向后时，抛程就增大。

（3）抛煤机固定炉排炉的燃烧特点

抛煤机固定炉排炉的燃烧过程具有如下特点：

①燃料受双面引燃，因而属于无限制着火。从无烟煤到褐煤都可以燃用。而且燃烧用的空气无需预热。燃料适应性较好，对水分较多，粘结性强、灰分熔点较低和着火较困难的燃料都适用。

②燃料在炉内实现层燃与悬浮状态的综合燃烧。大颗粒下落在炉排上作层燃燃烧，细粒煤末则被吹入炉膛空间中呈悬浮状态燃烧。由于这种悬浮燃烧占有较大的比例而给燃烧也带来一些明显的不利影响，例如，飞灰大量增多，并且稍大的飞灰颗粒会来不及燃尽就飞出炉膛，机械不完全燃烧损失增加，当燃用低挥发分燃料时，飞灰机械不完全燃烧损失就更大。另一个问题是冒黑烟，当燃用高挥发分燃料时，冒黑烟现象更加严重。为了减小机械不完全燃烧损失，可采用飞灰回收复燃装置。飞灰是从锅炉烟道的灰斗或初级除尘装置中回收来的，再用气力通过管路输送到炉膛中再燃。运行经验证明，采用飞灰回收复燃后能提高锅炉效率2%～4%，所以飞灰回收装置已成为抛煤机炉子的一个组成部分。但该装置的结构和布置存在缺陷，经常发生堵塞等事故。

图5.19　调节板作用原理

（a）调节板放在最后位置；（b）调节板放在最前位置

1—叶片；2—煤粒

③抛煤对燃料有分选作用。一部分细末已在炉膛空间悬浮燃尽，落在火床上是较粗的颗粒，因此炉排通风可以强化，而且燃料层厚度沿炉排长度分布又比较均匀，所以炉排面的利用较好，这些都会使炉排的面积热负荷提高，q_lp＝820～1300kW/m²。

④由于着火迅速，燃料在炉排上形成薄煤层燃烧，燃烧层厚度平均在20～50mm左右。由于火床较薄，因此炉膛的热惰性小。这样，一方面使得炉子调节灵敏，另一方面也能尽快地使燃料燃尽。同时，通风阻力也比较小（100～350Pa）。正是由于煤层较薄，空气分布不易均匀，同时还由于采用风力播煤与飞灰复燃的二次风等，不得不使过量空气系数较高（α″_l＝1.4）。

⑤煤层不易粘结。因新燃料在被抛出后的飞行过程中就已受热焦化，所以在落到炉排上相互接触时也不致粘结，同时还由于煤层薄，火床温度较低，煤层更不易结渣。因此可以燃用易结焦的和低灰分熔点的燃料。