碱回收锅炉优化改进和探讨.doc

云景林纸2#碱回收锅炉优化改进的探讨
王大伟1 唐华2
(1. 武汉特种锅炉成套设备工程有限责任公司,武汉市,430070)
(2. 云南云景林纸股份有限公司,景谷,666400)
摘　要：介绍了云景林纸2#碱回收锅炉优化目标和具体的改进措施，分析了改进后运行结果。将数值仿真技术运用到碱炉燃烧调整，分析了改进前后的炉内流场、空气射流、温度场、速度场、黑液流动和机械携带的变化，结果显示燃烧调整对碱回收锅炉的高效稳定运行至关重要。
关键词：碱回收锅炉；数值仿真；燃烧
中图分类号：TQ038.1 　　文献标识码：A

0 引言，
碱回收锅炉是制浆企业碱回收系统的重要设备，是以制浆废液浓缩后的浓黑液为燃料的特种锅炉。燃烧的目的在于回收制浆废液中的碱和有机成份的热量，因而碱回收锅炉同时又是造纸行业环境保护和节约能源的重要设备[1]。随着制浆造纸行业的发展，碱回收锅炉已经成为造纸行业制浆厂必不可少的设备，而碱回收锅炉能否安全经济运行往往成为制浆企业的瓶颈，以及环境保护和经济性的关键[2]。目前我国在运行的碱回收锅炉近300台，但很大一部分碱炉设备陈旧，性能较差，亟待改进和优化升级。
在碱回收锅炉设计中，受热面结构布置和燃烧效果是影响锅炉性能的两个重要方面。受热面结构在设计完成后就已经固定下来，运行过程中无法调节。燃烧效果主要靠入炉黑液和供风来进行调节，它对锅炉整体性能影响很大，包括燃烧效率、蒸发量、污染物排放量、芒硝还原率等[3]。可以将受热面结构和燃烧称为锅炉的硬件和软件，在锅炉优化改进中应以调整燃烧为主，并适当对受热面进行调整，这样可以起到改动小，效果好，投资少，回报高的作用。
数值仿真技术（CFD）在碱回收锅炉上的应用开始于上世纪80年代末，现在已经比较成熟[4]。利用CFD模拟碱炉燃烧空气动力场，可以弥补传统冷态空气动力场试验的不足，对碱炉配风设计提供重要的参考依据。
武汉特种锅炉成套设备工程有限公司（简称武汉特锅）在对多家造纸企业的碱回收锅炉优化改进中均遵循上述原则，以期为用户创造更大效益。本文所述云南云景林纸股份有限公司（简称云景林纸）日处理固形物量250吨碱回收锅炉（2#碱回收炉），系该公司2003年技改时从其它设备厂家购进，自投运行以来，就问题不断，后于2008年委托武汉特锅对该炉进行改进，并于年末投产至今已有8个多月，期间经过双方的共同努力，目前2#碱回收锅炉各项运行指标优良，完全达到了优化改进目标。本文以此炉优化改进的实例，介绍碱回收锅炉优化改进的一般原则和方法。

1 2#碱回收锅炉概况
于2003年投产，原设计参数如下：
处理固形物量：250tds/d
产汽量：35t/h
蒸汽参数：3.82MPa，450℃
排烟温度：180℃
黑夜浓度：65%
实际运行中固形物处理量最大280tds/d，产气量约30t/h，连续运行周期在1～2个月。
改进后要求：在不改变炉膛断面和高度的情况下达到如下参数：
固形物量：350～380tds/d
排烟温度：<200℃
黑夜浓度：60%

2 存在问题
2.1燃烧系统
2.1.1配风不合理：一次风紊乱，造成垫层不稳；二次风在炉膛中心交汇，形成沟流，烟气携带量大。三次风直接对冲，加剧了空气动力场的恶化（详见仿真模拟分析）。
2.1.2黑液喷枪布置不合理：左右墙各一支，前墙两支，共四支，此布置方式造成炉膛断面内黑液分布不均匀，干燥不充分。
2.2过热器
2.2.1过热器支吊方式和主蒸汽管布置不合理，造成过热器集箱管接头和弯管处多次开裂。
2.2.2低温过热器设置数量过多，片间距太小，造成积灰严重。
2.2.3采用传统的自冷凝喷水减温无法适应运行过程中负荷波动的需要。
2．3吹灰系统
2.3.1吹灰枪布置：吹灰枪布置不合理，过热器区域存在吹灰死角，运行过程中碱灰不断堆积，堵塞烟道或大块碱灰下落，砸坏布置在炉内的蒸发受热面。
2.3.2吹灰蒸汽来源：吹灰蒸汽取自高温过热器出口蒸汽，经过减温减压后用于吹扫，造成能源浪费。

3、数值模拟分析
武汉特锅将改造前后的碱炉运行状况做了数值仿真计算，改造前运行工况为case1，改造后为case2。主要从以下几个方面进行比较分析：
—空气射流
—温度场
—速度场

—机械携带
3.1空气射流
Case2 air jets

Case1 air jets

图1 流场和空气射流
从以上图中中可以明显看出，case1有如下问题：
1. 一次风紊乱，易造成垫层不稳；
2. 二次风在炉膛中心交汇，形成沟流；
3. 三次风直接对冲，加剧了空气动力场的恶化；
4. 整个炉膛的烟气充满度不好；
5. 过热器区域流场不好，鼻拱上部有很大区域烟气没有冲刷到。
在优化改进后的case2中，一次风区域空气流动平稳，二次风区域空气混合充分，没有形成沟流，三次风的穿透力明显提高。这些较case1都有相当大程度的改进进。
3.2 温度场分布

图2 温度场分布
从上图中可以看出，case1由于配风不合理导致炉膛高温区上移，造成过热器区域烟气温度过高，影响过热器的安全，并且在炉膛中心形成狭长的高温带，不利于黑液的干燥和炉膛传热，很难提高燃烧负荷。
case2中高温区在炉膛下部，并且温度分布均匀，有利于黑液干燥和燃烧，并且有利于提高垫层区域的芒硝还原率。
3.3 速度场分布

图5 速度场分布
Case1图中炉膛内部垂直方向速度分布很不均匀，炉膛中心烟气速度过高。case2图中整个速度流场比较均匀，并且流速比case1低很多，延长了可燃物在炉内的停留时间，提高了燃烧效率，降低了污染物（CO，CH4，H2S等）的排放
3.4 机械携带
Case2 liquor flow

图3 黑液流动及机械携带
在case1中在三次风上部依然有较高浓度的熔物，造成机械携带增加。炉膛出口处部分区域机械携带量甚至高达10g/m2/s以上，这会加剧尾部受热面的积灰程度。
Case2中三次风上方熔物的量明显降低，并且机械携带也明显降低，特别是在炉膛出口处，机械携带量已经降低到0.1g/m2/s，有利于降低对流受热面的积灰，延长碱回收锅炉的运行周期。

4、改进措施
4.1配风调整
根据仿真模拟分析结论2#碱回收锅炉优化改进从燃烧配风、改善空气动力场入手，以期提高燃烧负荷和燃烧效率。主要内容包括一、二、三次风改造和黑液喷枪改造。
4.1.1一次风改造
一次风改为四周均布，同一高度，这样有利于垫层稳定。
一次风的主要作用：保持垫层稳定，将黑液干燥裂解后的焦炭烧掉，并保证较高的芒硝还原率。在这次改造中充分考虑了这三点作用。
4.1.2二次风改造
二次风改为前后墙大风口布置，有利于黑液和空气的充分混合，避免形成沟流，炉内烟气充满度好，炉内热偏差小，有利于传热，并能控制垫层形状和高度。
4.1.3三次风改造
在新设计中三次风风口较少，采用前后墙布置，增加了空气射流速度，有效的屏蔽下部上升烟气携带的碱灰，减少过热器和尾部受热面的积灰。
4.2黑液喷枪改造
黑液喷枪改为同一标高，每面墙各一支，这样可以使喷洒黑液在炉膛断面内分布更为均匀，干燥更充分。
4.3吹灰枪
4.3.1调整吹灰枪位置和增加数量
按既往的运行情况看，过热器和凝渣管为碱炉积灰最为严重的区域，在这两个部位要保证没有吹灰盲区。
图4为改进后吹灰系统的布置图，新增吹灰器5台，调整位置4台。从图中可以看出改进后吹灰枪布置更为合理，在其1.2～1.5m的吹灰半径内，已没有盲区，可保证过热器和凝渣管都可以被吹灰蒸汽吹扫到，可有效的减轻此区域的积灰，延长运行周期。

图4 过热器区域吹灰布置
4.3.2吹灰蒸汽取点调整
新设计的吹灰蒸汽取自低温过热器出口集箱，只需经过减压后便可用于吹扫炉内积灰，系统简单，能源损失少。

4.4过热器
4.4.1改变过热器支吊方式
武汉特锅在过热器的支吊结构上做了改进，如图5所示。改进前过热器管束全部吊在集箱上，这样限制了过热器管接头的膨胀，造成热应力过大，较长时间运行后就会产生疲劳破坏。改进后用吊杆直接吊挂，这样过热器集箱自由膨胀，不会产生热应力，。

改进前 改进后
图5 过热器支吊方式
4.4.2调整低温过热器间隙
另外改进前低温过热器每片间距为240mm，这个间距易造成此区域积灰严重。改进后改为320mm的片间距，片数由原来的19片改为14片，烟气流通面积得到相应增加，减轻了此处积灰程度。
低温过热器管子由原来的Ф38×4改为Ф42×4，高温过热器由三管圈改为四管圈，增加了蒸汽的流通面积，减少了过热器的阻力损失。
4.4.3取消自冷凝喷水减温，改为给水喷水减温
由于碱回收锅炉负荷波动较大，传统的自冷凝喷水减温方式很难适应这种波动变化，造成过热蒸汽温度调节困难，影响供汽品质。此次改进中改为工艺冷凝水喷水减温，单独设立一套系统，减温水量可根据过热蒸汽温度要求进行快速调节。

5 2#碱回收锅炉优化改进后运行结果分析
2#碱回收锅炉优化改进投运后，已经有半年时间，期间对2#碱炉改进前后运行数据进行了全面分析，主要包括黑液固形物处理量、产汽量、排烟温度、绿液澄清度，如表1所示。
表1 2#碱炉改进前后性能参数对比
项目参数
单位

燃料类别
松木浆黑液
桉木浆黑液
黑液固形物量
tds/d
改进前
287～307
281～325
改进后
348～369
368～411
对比
60
90
蒸发量
t/h
改进前
30～31
30～32
改进后
42～44
42～44
对比
12
12
排烟温度
℃
改进前
150～170
150～170
改进后
150～170
150～170
对比
无明显变化
绿液澄清度
mg/L
改进前
1075
556
改进后
510
402
对比
565
154
从表1中可以看出，改进后碱炉黑液固形物处理量和蒸发量均有较大幅度的提高，并且排烟温度没有明显变化，说明整个碱炉的燃烧状况得到了有效的改善，并且降低了尾部受热面的积灰程度，提高了受热面的有效换热系数。
改进后绿液品质得到提高，绿液澄清度较改进前有较大改善，这对绿液苛化是非常有利的。这说明改进后良好的空气动力场，使垫层燃烧稳定充分，进入溶解槽的熔融物中含有可燃质大幅降低。
另外改进后碱炉连续运行周期大于4个月，芒硝还原率大于96%，比改进前均有较大提高。
从以上分析可以看出经过这次优化改进，云景林纸2#碱炉性能得到全面提高，为长期安全稳定生产打下了坚实的基础。

6 结论
云景林纸2#碱回收锅炉系统的优化改进的成功，不仅为用户创造了效益，同时也为武汉特锅公司在以后此类锅炉的改造提供了非常重要的参考。在前文分析和讨论的基础上可以得出如下结论：
1) 传统的二次风布置是不可取的。这种配风布置会在炉膛中心形成沟流，造成燃烧效率低和很高的机械携带。
2) 新的二次风布置，风口射流有足够空间，能够增强射流的刚性和穿透性，气流混合充分，燃烧效率高、机械携带少。
3) 新布置的三次风系统，可使空气与未燃尽气体更加充分混合，减少污染物排放，提高燃烧效率。
4) 吹灰器的布置原则很重要，要与各个受热面的积灰程度相一致。
5) 过热器的支吊方式要考虑热膨胀问题，以免造成过热器管子疲劳破坏。
参考文献：
[1] Joban Gullicbsen，Carl-Joban Fogelbolm.Chemical Pulping[M]. Fapet Oy，2000，B95-B99.
[2] Esa Vakkilainen.Development of recovery boiler technology[R].Jaakko Pöyry Oy,Vantaa,Finland. 2003.
[3] Empie, Howard Louis,et. .BLACK LIQUOR COMBUSTION - VALIDATED RECOVERY BOILER MODELING CAPABILITY[D]. Atlanta, GA,1991,1-4.
[4] 袁建伟.碱回收锅炉的计算机模拟及在燃烧系统设计上的应用[J].中国造纸，2009，28（8）：39.

Discussion on optimization and improvment of YunJing Forestry&Pulp 2#RB
Wang Dawei1,Tang Hua2
（1. Wuhan Special Boiler Complete Equipment Engineering Co.,Ltd，Wuhan 430070）
（2. Yunnan Yun-Hubg Forestry&Pulp Mill Co.Ltd.,JingGu, 666400)
Abstract： The optimization goals and improvement measures of YunJing Forestry&Pulp 2#RB was introduced, and operating results after improvement were analyzed. The simulation technology was used for the combustion improvement of 2#RB. And the changes of the air flow,air jets, temperature, vertical velocity, black liquor flow,carryover in fore-and-aft improvmen was analyzed. The simulation results show that combustion adjustment is very important for high efficiency stability work of RB.
Keyword： RB; simulation; combustion