燃生物質固硫型煤導熱油爐節能措施及自動控制

汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心  上海  200042）

摘  要：分析了燃生物質固硫型煤導熱油爐的立式圓形盤管型、臥式管架型、臥式方箱盤管型的結構型式，討論了導熱油爐的節能措施，研究了空氣型、熱水型、蒸汽型的煙氣余熱回收裝置的結構形式，探討了導熱油爐的自動控制及保護，包括檢測顯示、自動調節、操作控制、信號保護及聯鎖等。

關鍵詞：生物質固硫型煤；導熱油爐結構；節能措施；煙氣余熱回收；自動控制及保護

前  言

生物質固硫型煤是內部含有纖維狀生物質的干式冷態成型煤，其制作加工方法是采用固硫劑和膠粘劑及添加劑混和后的混合體，與制備好的原料煤和生物質一并混合。也可以采用二步混合的工藝方法：混合好的混合體先與制備好的煤粉混合，然后再與制備好的生物質混合，最后進行成型。

因為生物質不僅起到粘結作用，而且有助燃作用，所以當型煤進入爐膛后，由于爐膛的高溫輻射，生物質首先燃燒，型煤表面會形成蜂窩狀，使氧氣能夠逐漸進入型煤內部，同時增大了燃燒面積，加快了燃燒速度，使得燃燒充分而完全。當生物質固硫型煤進入爐膛后，使得燃燒過程中產生的SO₂與固硫劑發生作用，生成硫酸鹽后被固定在灰渣中，從而可減少SO₂的排放量，達到節能環保的效果。

1．燃生物質固硫型煤導熱油爐

燃生物質固硫型煤導熱油爐的結構有許多種型式^[1]，以下介紹幾種常用的典型結構型式。

1.1 立式圓形盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐

立式圓形盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐的受熱面是由幾個圓形盤管圈同心布置而成，圓形盤管圈既作為受熱面、又作為隔煙墻，生物質固硫型煤在燃燒室內燃燒后，燃燒火焰向上加熱，由內圈圓形盤管內表面組成的爐膛輻射受熱面后，高溫煙氣由爐體上部反轉折向內圈圓形盤管與中圈圓形盤管之間構成的第二回程煙氣通道，再從爐體下部折向中圈圓形盤管與外圈圓形盤管之間構成的第三回程煙氣通道，進行對流傳熱，煙氣經過幾個回程的上、下流動，最后從爐體上部的出煙口排出^[2]。

立式圓形盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐的燃燒裝置一般可采用固定爐排、鏈條爐排、往復爐排等結構型式。

立式圓形盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油的優點是結構布置緊湊，導熱油循環回路布置簡單；但也存在著對于受壓圓形盤管的檢修及維護不方便的缺陷。而對于大容量的燃生物質固硫型煤導熱油爐，爐內的圓型盤管受熱面與機械化燃燒裝置不容易很好地協調匹配；所以，立式圓形盤管型結構一般適用于中、小容量的燃生物質固硫型煤導熱油爐。

1.2 臥式管架型的燃生物質固硫型煤導熱油爐

臥式管架型的燃生物質固硫型煤導熱油爐是通過爐管受熱面與集箱互相連接構成爐體的整體支撐框架，爐管受熱面是由門形爐管、頂棚爐管、蛇形爐管片等組成。門形爐管及蛇形爐管片兩端與布置于爐體兩側的下集箱連接，頂棚爐管的前端與前部下集箱連接、頂棚爐管緊貼爐體前墻、并通過爐體頂端引至后部上集箱互相連接，既可作為爐管受熱面，又能起到支撐爐體頂部爐墻的作用。而對于較大容量的燃生物質固硫型煤導熱油爐，頂棚爐管需要具備一定的剛度，以便于做適當的吊掛之用途。

臥式管架型的燃生物質固硫型煤導熱油爐的受熱面是由門形爐管和頂棚爐管組成的輻射受熱面、蛇形爐管片組成的對流受熱面、尾部空氣預熱器三個部分構成。生物質固硫型煤燃燒產生的高溫火焰經過爐膛輻射放熱后，高溫煙氣從爐膛后墻上部的出煙窗口流出、進入對流段向下沖刷高溫段蛇形管組，然后煙氣在對流段的下部空間進行爐內慣性除塵后，煙氣向上沖刷低溫段蛇形管組，最后煙氣經過尾部空氣預熱器后從排煙口排出進入煙囪。

臥式管架型的燃生物質固硫型煤導熱油爐具有爐內導熱油容量小、導熱油爐運行啟動快、鋼材耗量低、檢修維護方便、制造工藝簡單的優點，并且爐內的爐管受熱面與各種機械化燃燒裝置如鏈條爐排或往復爐排互相配套；但缺點是由于爐內與高溫煙氣接觸的耐火材料面積較大，且耐火材料具有蓄熱特性、而爐管內導熱油容量較小，如果遇到突然停電的故障時，操作人員需要及時采取停電保護措施，以防止爐管內導熱油過熱超溫、結焦積垢的現象發生。

1.3 臥式方箱盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐

臥式方箱盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐的輻射受熱面是由螺旋方形盤管組成，爐管與爐管之間是密集排列布置，方形盤管的后墻既可作為輻射受熱面、又能作為隔煙墻。方形盤管的后墻上面密集排列布置的爐管向后拉升，形成爐膛出煙窗口，爐膛內的高溫煙氣從出煙窗口流出、再進入對流受熱面區域，且對流受熱面是由兩組蛇形管片組成。

方形盤管螺旋上升至爐頂上部后，并從前墻位置分散排列、水平位置向后引至爐體尾部，并組成頂棚爐管。水平布置的頂棚爐管組件之間通過前集箱、后集箱串聯連接。輻射燃燒室出來的高溫煙氣進入對流段、向下沖刷高溫段蛇形管片組，煙氣在對流段的下部空間進行爐內慣性除塵后，然后煙氣向上沖刷低溫段蛇形管片組，最后煙氣經過空氣預熱器后從煙囪排出^[3]。

臥式方箱盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐的爐膛四周方形盤管可作為導熱油循環回路，該循環回路是由若干根爐管并聯而成，但由于方形盤管的管程長，為了減少爐管之間的流量偏差與熱量偏差，同一回程的并聯爐管應該盡量使管子的結構特性：如爐管長度尺寸、爐管彎頭數目相同或接近。另外，臥式方箱盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐內的導熱油流動方向，最好采用爐體下部進入導熱油、爐體上部輸出導熱油的方式，這樣將有利于爐管內導熱油的脫水排氣。

臥式方箱盤管型的燃生物質固硫型煤導熱油爐內的輻射受熱面爐管為密集排列布置，從而具有密封性能好、保溫材料用量少、爐體重量輕等優點，同時又能較好地與機械化燃燒裝置相互匹配；但也存在鋼材利用率低、爐管耗量大等缺點。

另外，由于方形盤管的制造加工方法不能像圓形盤管的加工方法：可以先對接焊好爐管后，再采取專用圓形螺旋盤管加工設備直接盤繞爐管的加工方式，故方形盤管的制造加工方式造成了爐管對接的接頭焊縫較多，從而對于方形盤管的制造工藝要求較高。

2．節能措施及煙氣余熱回收利用

燃生物質固硫型煤導熱油爐的節能措施包括以下幾個方面：降低爐子的排煙溫度、控制排煙熱損失；安裝煙氣余熱回收裝置、回收利用煙氣余熱^[4]；加強爐墻保溫、減少爐體的散熱損失；增加導熱油輸送管道的保溫層厚度、減少導熱油管道的散熱損失；提高導熱油爐的熱效率；進行熱平衡試驗、摸清導熱油爐的能源利用情況；提高運行管理水平及技術水平；完善規程制度、進行操作人員的技術考核及培訓等。

燃生物質固硫型煤導熱油爐輸出的導熱油出口溫度一般都在280℃以上，并且導熱油進、出口溫差為20℃～30℃，當煙氣溫度降至350℃以下時，將使得煙氣溫度與爐管內導熱油溫度之間的溫差減小，如果再增加爐體管束中的對流受熱管的傳熱面積，則爐管內導熱油的吸熱效果提高并不太明顯，并且爐管的金屬耗量也會太多、制造成本也不太經濟合算。因此一般情況下，導熱油爐的爐本體排煙溫度都在350℃以上。

但是如果爐子的排煙溫度每降低15℃～25℃，導熱油爐就可以降低排煙熱損失約為1%；所以，若是將導熱油爐的排煙溫度從350℃降至160℃～180℃范圍內，則導熱油爐的熱效率將會提高8%～10%，其節能效果非?？捎^。

因此，在燃生物質固硫型煤導熱油爐的尾部安裝煙氣余熱回收裝置是非常必要的節能措施。目前在導熱油爐尾部設置安裝的煙氣余熱回收裝置一般有空氣型、熱水型、蒸汽型三種結構形式。

2.1 空氣型的煙氣余熱回收裝置

空氣型的煙氣余熱回收裝置是利用導熱油爐排出的煙氣加熱燃燒所需的空氣，一方面降低了排煙溫度，提高了導熱油爐的熱效率；另一方面提高了送入導熱油爐內的助燃空氣溫度，改善導熱油爐內的燃燒條件，并且提高爐膛內理論燃燒溫度，增強爐管傳熱效果，提高導熱油爐的出力。另外，由于空氣型的煙氣余熱回收裝置能夠很好地與導熱油爐組合成一體；因此，是目前最常用的一種煙氣余熱回收裝置。

在燃生物質固硫型煤導熱油爐上采用的煙氣余熱回收裝置，最常見結構是垂直布置管式空氣預熱器，它是由￠40×1.5或￠51×1.5的有縫鋼管組成。煙氣由上而下在管內流動，做縱向沖刷；空氣在管外進行來回往返折流，做橫向沖刷。管子兩端與管板相連，為了增加空氣流與煙氣流的交叉次數，還可以裝設中間折流管板；管子一般采用錯列布置，以減小管子節距，使整體結構布置更加緊湊。

空氣型的煙氣余熱回收裝置的空氣出口熱風溫度一般在200℃以上，若要繼續提高熱風溫度，就要增加較多的鋼管受熱面積，從而使得金屬耗量增大，經濟性變差。同時由于空氣熱風是輸送到導熱油爐膛內的，會對一些燃燒裝置的工作條件產生惡化，如燃煤導熱油爐最常用的鏈帶式鏈條爐排，在正常運行時需要采用空氣風來進行冷卻，但如果余熱回收裝置空氣出口熱風溫度太高，將會造成爐排片過熱燒損。

隨著熱管技術的推廣，熱管式空氣預熱器作為煙氣余熱回收裝置，在導熱油爐上也得到了應用。熱管式空氣預熱器對流換熱是通過重力熱管完成的，重力熱管的管殼采用金屬管，管內抽真空后兩端封死，管內底部吸熱段是低沸點的液體，吸熱段（蒸發段）吸收煙氣熱量后，管內工作液（水）發生相變，蒸發成氣態，氣態介質（蒸汽）將熱量導向熱管的放熱段（冷凝段），并與管外冷空氣進行換熱，氣態介質（蒸汽）放熱、冷凝成液體（水），再依靠重力流返回到熱管吸熱段（蒸發段），從而完成一個吸熱/放熱的循環過程。

由于熱管具有以下幾個優點：傳熱系數高、傳熱能力大，單向導熱性；良好的等溫性，熱管在傳熱過程中，由于是相變傳熱，因此，熱管內的溫度基本上是恒溫的；單管作業性，由于每根熱管是單獨的傳熱單元，所以，如果一根或多根熱管損壞后，煙氣和空氣兩種介質不會互串^[5]。

綜上所述，熱管式空氣預熱器與普通管式空氣預熱器相比，其優點是傳熱效果更好、整體結構布置更加緊湊、煙氣阻力更小，但缺點是制造價格會更高。

2.2 熱水型的煙氣余熱回收裝置

熱水型的煙氣余熱回收裝置是利用導熱油爐排出的煙氣來加熱裝置中的冷水變為熱水，從而達到降低排煙溫度、提高導熱油爐熱效率的目的。熱水型的煙氣余熱回收裝置是利用煙氣向水傳熱，由于水比空氣傳熱系數要高；因此，與空氣型的余熱回收裝置中煙氣向空氣傳熱相比，熱水型的煙氣余熱回收裝置的排煙溫度可以降得更低、整體結構尺寸更小、金屬利用率更高。另外，熱水型的煙氣余熱回收裝置可作為單獨的低溫供熱系統向外界提供熱水，用于廚房與生活用水、房屋采暖與供熱等用途。

熱水型的煙氣余熱回收裝置的結構類型很多，按照受熱面結構型式的不同，一般可分為鑄鐵鰭片管、螺旋鰭片管、熱管及光管等多種類型，設計選型時采用何種結構類型，需要綜合考慮制造成本、煙氣特性、傳熱效果、煙氣阻力等諸多影響因素。另外，熱水型的煙氣余熱回收裝置在水介質側的配套輔件，例如循環泵、安全排放裝置、壓力表、溫度計等應與一臺熱水鍋爐的配置要求是基本相同的。

2.3 蒸汽型的煙氣余熱回收裝置

蒸汽型的煙氣余熱回收裝置是利用導熱油爐排出的煙氣余熱，加熱常溫的水產生蒸汽的一種節能裝置，按照壓力容器結構型式的不同，可分為管殼式蒸汽發生器、熱管式蒸汽發生器，以及煙管式蒸汽發生器等幾種結構形式，蒸汽發生器的設計、制造、安裝、使用、管理應嚴格按照《壓力容器安全技術監察規程》的相關規定與要求。而按照鍋爐結構類型的不同，可分為煙道式余熱鍋爐或水管式余熱鍋爐，余熱鍋爐本體承壓元件的設計、制造、安裝、使用、管理應嚴格遵循《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》的相關規定與要求。

一臺額定熱功率為7MW燃生物質固硫型煤導熱油爐，若排煙溫度為350℃，通過蒸汽型的煙氣余熱回收裝置可將煙氣溫度降至200℃以下，從而將這部分煙氣余熱充分回收利用，就可產生一定壓力下的飽和蒸汽約1000kg/h～1500kg/h。這樣既能回收煙氣余熱、節約能源，又能提供高溫與低溫熱源、滿足一爐多用的需要。

然而水管式結構與煙管式結構的蒸汽型的煙氣余熱回收裝置，由于進口煙氣溫度較低（低于350℃），從而煙氣側溫差較小，但是水的氣化需要吸收汽化潛熱，且要求吸引熱量很大，因此需要布置大量的受熱面，從而使得鋼材耗量較大，結構體積龐大，其結果是造成了導熱油鍋爐房占地面積較大。

而熱管具有傳熱系數高、傳熱能力大，單向導熱性，良好的等溫性，單管作業等優點；所以，熱管式蒸汽型的煙氣余熱回收裝置具有結構布置緊湊、煙氣阻力小的優點。

3．自動控制及保護

燃生物質固硫型煤導熱油爐的自動控制及保護的改進與完善，決定了導熱油及導熱油爐運行使用的安全性、經濟性和使用壽命的延長性。導熱油爐的自動控制及保護的關鍵任務是根據用熱設備的要求，自動調節燃生物質固硫型煤導熱油爐內導熱油的出口溫度、壓力等過程量^[6]。同時在導熱油及導熱油爐運行使用過程中，自動監測運行狀態和參數，當參數出現超限或運行狀態異常時，即會發出聲光報警信號、直至采取停爐保護措施。

燃生物質固硫型煤導熱油爐的自動控制及保護應包括檢測顯示、自動調節、操作控制、信號保護及聯鎖等設備組成的一套完整的控制系統，從而可確保導熱油及導熱油爐運行使用的安全性，同時達到節能減排和環境保護的效果，并且還可提高生產效率與經濟效益。

（1）檢測顯示

用檢測元件和顯示儀表或其他自動化設備，對導熱油爐和循環供熱系統的溫度、壓力等參數進行連續測量和顯示，以監測生產安全運行的情況，為自動控制及保護提供檢測信號。

（2）自動調節

當用熱設備的用熱工況發生改變時，可通過自動調節導熱油爐燃燒系統和循環供熱系統，使某些被調節的量自動地保持在所要求的合理范圍內，從而保證導熱油供熱循環工藝過程的穩定性^[7]。

（3）操作控制

對某一用熱設備進行單個操作，或對多臺用熱設備按一定規律進行分組操作或程序自動控制。

（4）信號保護及聯鎖

為了保證導熱油及導熱油爐的安全生產和防止誤操作，對導熱油爐鍋爐房的一些重要工藝設備設置電氣聯鎖裝置。當參數超過規定值時，即會發出聲光報警信號，提醒值班操作人員注意，同時要馬上采取有效措施，以保證正常生產運行，或自動地按照一定順序操作某些工藝設備或緊急停爐保護。

燃生物質固硫型煤導熱油爐的自動控制主要是對燃燒系統進行自動調節，即是對鼓風量及引風量和爐排速度進行自動調節。因為當用熱設備的負載發生變化時，則需要相應地調節生物質固硫型煤供應量和助燃空氣量，但對助燃空氣量來說，主要是對鼔風量及引風量進行自動調節^[8]。即根據負荷變化的要求，自動調節生物質固硫型煤供應量和助燃空氣量以及兩者之間的比例是燃燒調節的關鍵任務。

而對于小容量的燃生物質固硫型煤導熱油爐，所采用的控制方式一般是采用分段式調節，控制系統采用停爐、啟動運行的方式或根據負荷大小分段控制爐排運行速度、鼓風及引風轉速的調節方式。這種分段式調節方式的調節精度是比較差的，而且被控參數的波動也是比較大的。

因此，對于大容量的燃生物質固硫型煤導熱油爐，燃燒控制方式則是采用連續調節方式，爐排采用無級變速控制、鼓風及引風量控制采用調風門方式。也就是說燃燒系統的自動連續調節控制是根據負荷變化，采用改變爐排運行速度、調整鼓風門及引風門的大??；并且隨著電動機變頻控制技術的提高和普及，爐排、鼓風機、引風機采用電機變頻控制也會越來越多，從而為燃燒連續調節控制提供了良好的技術基礎。

燃生物質固硫型煤導熱油爐的燃燒自動調節是當負荷變化時，相應地調節燃料供應量、送風量及引風量，它不僅要求保持爐膛負壓在一定范圍內，從而保證操作人員的安全，而且還要求導熱油爐膛內的燃燒要處于最佳的狀態；它要求將熱負荷調節系統、燃燒經濟性調節系統和爐膛負壓調節系統，這三個相對獨立、又互有影響的調節系統相互協調起來；它涉及到燃料的制備及傳送、燃料的燃燒、爐管壁導熱及爐管內導熱油加熱等多個過程；它取得的信號不僅來自于常規的物性數據，例如：壓力、溫度等傳感器，而且還有爐管內導熱油流速、爐膛內煙氣成分等特殊的傳感器。

另外，由于層燃爐的熱惰性很大，則層燃爐的燃燒速度要比室燃爐的燃燒速度緩慢得多，因而滯后時間較長，參數檢測反饋遲緩，而且燃燒調節又是一個多輸入和多輸出的復雜環節，故給燃燒系統智能化監控帶來很大的困難。

其難點可歸納為以下四方面：第一是在信號輸入方面，因為燃燒調節是多輸入，由于燃燒過程進行較慢，需要實現間歇調節，從而對儀表及變送器的要求更高，但是目前制造出廠的導熱油爐上安裝的儀表傳感器及變送器檢測裝配水平較低，達不到上述的要求；第二是由于滯后現象以及型煤種類的多變性，而且在燃燒時對型煤種類變化的適應性較差等諸多原因，給燃燒調節控制方法及軟件設計編程上帶來很大的困難；第三是由于執行機構不少是采用機械方式調節，使得機械設備笨重不夠靈活，從而導致指令的執行發生諸多困難；第四是型煤供應量及灰渣量的精準計算非常困難。

綜上所述，燃生物質固硫型煤導熱油爐的燃燒系統智能化監控方面，還存在很多的開發工作和研究課題，有待于今后的開發與解決^[9]。

4．結束語

燃生物質固硫型煤導熱油爐常用的典型結構有：立式圓形盤管型、臥式管架型、臥式方箱盤管型三種結構形式。主要的節能措施是：降低爐子的排煙溫度、控制排煙熱損失；加強爐墻保溫、減少爐體散熱損失；安裝煙氣余熱回收裝置、回收利用煙氣余熱；常用的煙氣余熱回收裝置有：空氣型、熱水型、蒸汽型三種結構形式。

自動控制及保護是根據用熱設備的要求，自動調節爐內導熱油的出口溫度、壓力等參數，自動監測運行狀態和參數，當參數出現超限或運行狀態異常時，即會發出聲光報警信號、直至采取停爐保護措施。

參考文獻：

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[9]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等. 預防導熱油變質劣化的智能監測系統研究[J].上海節能,2020,(09):1010-1014.

作者簡介：

汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的研究設計開發工作。

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