第二节　链条锅炉炉拱优化强化燃烧技术

截至2006年，全国在用的50多万台工业锅炉中，燃煤锅炉约48万台，占工业锅炉总容量的85％左右，其中链条炉约占80％。链条炉排锅炉历史悠久，其结构成熟，设计、制造、运行经验丰富，单台容量可达100t/h。链条炉排仍是燃煤锅炉的主要燃烧方式，在工业锅炉中居主导地位。但从总体上看，运行效率偏低、污染严重的问题较为普遍，因此，研究链条锅炉节能减排具有普遍意义。造成链条锅炉运行效率偏低、污染严重的原因，除了设计制造存在缺陷、使用管理运行操作不善外，燃用煤种偏离设计的问题最为突出。

影响链条锅炉热效率的首要问题是完全燃烧，而良好燃烧的关键在于炉拱。实践证明，改善炉拱的布置是提高锅炉燃烧效率和扩大锅炉燃煤范围的有效措施。为了优化炉膛结构，首先要弄清链条炉排燃烧特性以及与煤质特性的相互关系。

一、链条炉排燃烧特性

1.燃烧特性

链条炉排属于移动层燃，其工作方式是由链条炉排驮载着一定厚度的煤层进入燃烧室，从前至后（沿炉排长度方向）连续移动；燃烧所需要的空气通过炉排的间隙自下而上与移动着的煤层垂直相交；燃烧和热能由煤层表面垂直向下传播，由此形成如下燃烧特性。

（1）燃料层单向引燃特性。随炉排移动进入燃烧室的燃料，主要是靠其上方的热源来点燃，它包括前拱及炉墙辐射传热；燃烧室前部空间高温烟气辐射传热；由后拱导向燃烧室中部高温烟气的对流传热及其夹带的炽热炭粒的热量。

（2）随炉排连续移动的燃料，依次完成燃烧的热力准备阶段、燃烧阶段和燃尽阶段。

①进入燃烧室的燃料在上方热源加热下立即进入干燥预热升温过程，当燃料达到一定温度时，开始析出挥发分，这个过程的长短，也就是燃料进入燃烧室后延续的时间和距离，一方面取决于燃煤湿度大小和挥发分的性质，另一方面取决于空间热源强化程度。

②当析出的挥发分与空气组成的可燃混合物达到一定浓度时立即出现着火，挥发分的燃烧是整个燃烧过程的开始和发动，释放大量的热能使固定碳得以充分预热。这个阶段的放热强度，除通风因素外，主要取决于挥发分含量的多少和性质。

③固定碳得到充分预热达到一定温度时，使整个燃烧过程进入了活泼的固定碳燃烧阶段并放出大量热能。这个阶段的进行，除了要有充分的氧气供给外，还取决于温度水平。

④大部分固定碳燃烧后，煤层的温度急剧下降。煤层中残余的固定碳缓慢燃尽形成灰渣，随着炉排移动到末端排出。

这几个阶段沿着炉排移动方向依次连续进行，由于煤层的运动方向与垂直向下的热能传递方向合成的结果，使得不同燃烧阶段的分区界限不是垂直线，而是形成相当倾斜的界限。链条炉排上煤层燃烧区域分布见图3-1。

（3）沿着炉排运动方向的燃料层处于不同的燃烧阶段，各需不同的空气量，并产生相应的气体生成物向燃烧室扩散。

垂直于移动煤层的空气流，在沿炉排长度方向的不同位置，流经着不同的燃烧阶段，不同的可燃成分，不同的温度、厚度、阻力的煤层，离开煤层的气体生成物也必然呈现各不相同、不均匀的特性，但从总体看表现出十分严谨的规律性。气体成分及分布见图3-2。

火床前后两端出现过剩氧，而在中部存在大量可燃气体，二氧化碳分布曲线呈马鞍形。这种气化产物分布规律与燃烧强度无关，只是分布长度有所改变，燃烧强度升高，曲线范围缩短，反之扩大。

（4）燃烧过程中煤层的气化特性。

进入燃烧室的燃煤，当完成热力准备阶段达到一定温度时析出挥发分，形成气相可燃物，与空气混合实现着火，这是燃煤气化的第一种形式。接下来燃煤进入了固定碳直接氧化区域，由于在高温下氧化反应进行得非常快，大大超过空气的供给与燃料的混合速度，因此在实际上仅仅与炉排接触不太厚的煤层范围内进行着真正的氧化过程，如式（3-1）。而煤层的绝大部分因氧气不足而出现还原反应，如式（3-2）。这种性质与通风强度无关。

C+O2＝CO2↑　　（3-1）

CO2+C＝2CO↑　　（3-2）

因此，该区域燃烧过程，实质是煤的气化产物的气相燃烧，这是燃煤气化的第二种形式。所以，链条炉排燃烧既有煤颗粒表面的燃烧，也有燃煤气化生成物的燃烧，也就是燃烧既在燃料层中进行，也同时在燃料层上方的空间进行。因此既要组织好炉排上煤层的燃烧，又要组织好炉膛空间的燃烧。

2.燃料特性对链条炉排燃烧过程的影响

燃料特性对燃烧状况产生极其重大的影响，它是确定炉膛结构的依据，即一定的煤种对应着一种炉膛结构，或者说炉膛结构一旦确定，就适用于一定的煤种。

（1）挥发分的影响　在煤的各项特性中，挥发分的性质含量占有特殊的地位，它决定着火的难易程度和整个焦炭燃烧过程。挥发分是燃煤分解出来的气体和煤的成分中含有的凝结性物质蒸气的混合物。不同化学年代的燃料，挥发分析出温度不同，含挥发分高的烟煤挥发分在170℃即可析出。而炭化程度较深、挥发分较少的无烟煤则在400℃才开始析出。前者500～600℃即可起燃，而后者则需700～800℃才能起燃。由于链条炉排燃烧方式固有的燃料单向引燃特性，使得挥发分含量较高的煤易于起火，且燃烧稳定。此外挥发分析出区域的宽度也有很大差异，图3-1中bK与cL之间距离，含挥发分较高的烟煤，这个区域较为宽广，而无烟煤变得非常狭窄。燃料特征在燃烧区段表现出来的这一特点对整个燃烧过程的完全程度带来极为重大的影响。挥发分析出和燃烧区愈宽广，则放出的热量愈大，加热固定碳的过程愈长，加热愈强烈，这就大大改善了难以燃烧的固定碳的燃烧条件，促进其强烈地气化和燃烧；反之，挥发分析出和燃烧区段愈狭窄，则为固定碳提供的热量、伴随的时间愈短，固定碳完全燃烧趋于困难，降低了完全燃烧程度。挥发分含量越高的煤，挥发分燃烧后，剩下的焦炭量越少，且焦炭比较疏松，燃尽时间也越少，易于燃尽。可见，煤中挥发分含量的多少是决定炉膛结构及通风条件的关键因素。燃用烟煤的链条炉排锅炉适宜燃用Vdaf≥22％的煤种，对于Vdaf<22％的煤炭以至挥发分含量更低的无烟煤，则需要特殊的炉膛结构、通风配置和其他强化燃烧的措施。

（2）灰分的影响　煤中灰分增加使得可燃物含量减少，对煤的着火和燃烧带来不利影响。当燃用多灰的煤种时，在焦炭周围覆盖了过多灰渣，阻碍了与空气的接触，延长了燃烧时间，加大了不完全燃烧热损失。燃用灰分高的劣质煤，焦渣特征大，很容易在炉排上结焦，破坏燃烧过程，严重时还可能堵塞炉排通风间隙，造成炉排过热烧坏。大块的焦渣堵塞灰渣通道，危及正常运行。链条炉排锅炉用煤灰分最好小于25％，不宜超过30％，焦渣特征2～4号为宜。燃用灰分较多的煤种时，应配置强化引燃的炉膛结构，使用热风，并采取碎渣措施。

（3）水分的影响　煤中水分增加使燃煤入炉后干燥时间加长，水分的蒸发需要吸收热量，这对煤的着火不利。蒸发了的水与可燃气体混合，既增加了可燃气体的热容量，又降低了其浓度，对可燃气体燃烧也不利，这些都促使燃烧室温度下降，不利于燃烧的强化。但煤中水分也不宜过低，尤其是对于煤末多的燃煤，煤中适当的水分能使碎煤屑粘接在一起，使漏煤和飞灰减少。适当的水分也可使煤层不致过分结焦；煤层中水分蒸发后能使煤层疏松利于燃烧。链条炉排燃烧要求煤中全水分不得超过12％。对于高水分的煤，要求强化引燃的炉膛结构。

（4）发热量的影响　发热量是煤的综合性指标，发热量低的煤，水分或灰分的含量必然高，因此当Qdaf低于16.50MJ/kg（3940kcal/kg）时，炉内的燃烧温度、拱的温度和辐射的热量低，使煤的着火和燃尽困难。同时在燃用发热量低的煤时，燃煤量增加，煤层厚，链排速度加快，这对着火和燃尽是不利的。因此当燃用Qdaf低于16.50MJ/kg的煤种时，在炉拱的设置、热风温度、炉排的有效面积等方面均需采取相应的措施。

（5）煤粒度的影响　链条炉排适合燃用洗选煤，其粒度为6～25mm，当燃用未经洗选的原煤时，小于3mm不得超过30％，最大颗粒度不大于40mm。链条炉排上的煤层相对于炉排是静止的，在燃烧过程中，没有拨火作用，所以不适用黏结性强以及煤灰的熔融软化温度ST≤1250℃（当煤中灰分小于18％时，ST允许降低到1150℃）的煤种。

3.链条炉排燃烧的基本要求和基本方法

为了满足链条炉排上述燃烧特性，使燃烧能够正常稳定进行，达到充分燃尽的基本要求：一是要有足够高的引燃热源温度的提供和可靠的热传递；二是要有符合不同燃烧阶段的合理配风和调控措施；三是要有满足空间烟气充分混合的燃烧室结构以及空间气流组织手段。采用的基本方法：一是配置适合于燃料特性的炉拱结构；二是沿炉排长度方向的分室配风和二次风的合理配置等方法来实现链条炉排的燃烧要求。

二、炉拱特性与功能

1.炉拱特性

为了适应链条炉排燃烧特性要求，燃烧室需设置特有的结构——炉拱。它起着新燃料引燃和促进炉内烟气混合等作用。炉拱特性一是辐射传热。炉拱通常由耐火砖或耐火混凝土筑成，炉拱本身不产生热量，属于灰体，其表面法线方向上的辐射黑度约为0.8左右。来自火床上燃料燃烧产生的热量和燃烧室炽热烟气的热量，被炉拱所吸收，提高了炉拱的温度，炽热的炉拱把热量再辐射到炉排的燃料上。前拱主要功能是通过辐射传热实现新燃料的引燃；后拱通过辐射传热保持高温，促进燃料的燃尽。其辐射功能的强化程度决定于温度水平的高低和辐射面积的大小。炉拱辐射特性取决于炉拱在炉排上投影面积而与其形状无关，因此炉拱在炉排上的投影长度是炉拱结构的主要参数之一。二是促进炉内烟气混合。由于链条炉排分段燃烧的特性，即使采取分室送风，燃料层区段所放出的气体成分仍然各不相同。在炉排头尾两端存在着过量空气而在炉排中部，燃烧层始终存在着还原区，不断产生大量可燃气体。前后炉拱迫使这些平行气流相互接触混合，由前后炉拱组成的喉口提升了烟气流速，强化了烟气扰动，利于可燃气体充分燃烧。三是组织炉内烟气流动。组织高温烟气对新燃料和着火区炉拱的冲刷，形成强烈的对流传热，将大量高温烟气输入着火区，提高了炉拱温度，强化了炉拱引燃功能。炉拱之间的有机配合，构成良好的烟气动力场，延长了烟气在燃烧室的路径，有效分离出烟气携带的颗粒物，利于引燃和降低烟尘排放。对于低矮燃烧室，炉拱还利于促进燃烧区高温环境，加速燃烧的进行。

2.前拱功能

前拱的主要功能是组织辐射引燃，包括前拱对新燃料直接辐射传热引燃以及前拱和相邻的炉墙围成空间的火焰和高温气体对新燃料的辐射引燃；有效地吸收后拱导入的烟气热量，提高前拱温度辐射给新燃料；与后拱相配合组织空间烟气形成涡旋，促进空间气体混合，并促使烟气携带的炽热炭粒分离出来落在新燃料上加速引燃。

3.后拱功能

后拱的主要功能是导流引燃和维持燃烧区高温水平，促进燃料的燃尽。后拱组织引导火床中部强燃烧区和后部烟气流涌向前拱区，提供新燃料着火的热源，是稳定前拱区的关键因素。一方面使前拱区提升温度强化辐射引燃，另一方面促使高温烟气中携带的炽热炭粒散落在火床前端新燃料上，形成高温覆盖层直接点燃新燃料；后拱的有效覆盖和辐射传热维持了后拱区的高温，利于主燃区的形成和燃料的燃尽；与前拱相呼应，促进空间气体的混合并强化了气体的燃烧。

4.目前炉拱存在的主要问题

炉拱特性理论研究和实践探索，使炉拱结构优化取得了显著进展，效果明显。但是仍有相当数量原有锅炉炉拱结构不理想，炉拱覆盖率偏小，特别是后拱覆盖率偏小尤为突出；前后炉拱坡度较大，喉部截面积较大；前拱距炉排距离较大，尤其是与煤闸板相邻拱段位置过高。这样的炉膛结构，不利于燃煤点燃，削弱了炉拱混合作用，缩短了烟气流程，造成燃烧不稳定，灰中可燃物高，浪费煤炭，影响出力。

三、炉拱优化原则、主要结构参数及细部结构

1.炉拱优化原则

①在炉拱长度和炉拱高度相同的情况下，辐射传热性能与其形状无关，前后炉拱应有足够的覆盖长度。炉拱形状取决于燃烧室空气动力场性能的要求。前拱一般设计成凹面形，包括人字形，不必刻意将前拱做成抛物线形，因为炉拱辐射传热并不遵循光的反射原理。后拱一般设计成直线形或人字形。

②炉拱的动量原则。主要是指烟气在后拱出口应具有足够的动量，才能使其达到火床前端，实现引燃并形成烟气涡旋，改善火焰充满度，强化烟气的混合。关键是使烟气在后拱出口达到一定的速度，特别是燃用无烟煤或劣质煤要达到较高的烟气流速。

③前后拱相协调原则。前后拱应形成一个有机的整体，才能实现炉拱对新燃料引燃以及烟气的混合功能。

④对燃料特性广泛适应的原则。对煤种变化适应性的强、弱是评价炉拱优劣最主要的依据之一，也是锅炉工作者为之长期探索的方向。

2.炉拱主要结构参数

链条炉前后拱结构如图3-3所示，链条炉炉拱主要结构尺寸经验值见表3-1。

①炉排有效长度l值大，则取h1、h2偏大值。

②对多灰或灰熔点低的煤，h取大值。对Vdaf小的煤，h取小值。

③对水分高的褐煤，h1、取大值，、a取小值。

④对难着火的Ⅱ类烟煤，取大值。

⑤h1主要取决于与后拱的配合。

⑥Vdaf高的贫煤，按Ⅱ类烟煤设计。Vdaf偏低的贫煤按无烟煤设计。

（1）后拱至炉排面的最小高度h　h值的大小直接影响到后拱出口烟气流速以及后拱与炉排面的距离，是炉拱的重要结构参数。减小h值有利于提高后拱出口烟气流速，并可利于挥发分较低煤种的引燃。但h值不可过小，以免造成检修出入困难，也不利于多灰易结焦灰渣的顺利排除。

（2）后拱的倾角α　后拱倾角α的确定，应能确保后拱区燃烧所产生的烟气能顺利流出并使烟气在其出口具有足够的流速。后拱改进的趋势是压低，加长、减小倾角，以适应包括较差煤质在内的煤炭资源燃烧。燃用烟煤的链条炉，原后拱倾角大多15°～30°，后来一般采用15°。大量改造实践证明，后拱倾角α取12°为宜，可以使烟气在后拱出口获得足够的流速，引燃和燃烧都可以达到很好的效果。但倾角α不可太小，因后拱区从炉排尾部至后拱出口烟气量是逐渐增加的，在不同断面烟气流速逐渐加大，因此烟气在后拱下的流动阻力也将随之增大。要使烟气顺利流出后拱，炉排尾部至后拱出口必然要有一定的压差，这个压差由引风产生的炉膛负压提供，当后拱倾角α过小时，可能造成后拱下出现正压。采用低长后拱时，后拱倾角α不宜小于8°。

（3）后拱覆盖炉排的长度a2　a2值是炉拱结构最重要的参数。它既影响后拱辐射传热量的大小，关系后拱区温度水平，又决定着导向前拱区烟气量的大小和深入前拱区的程度，是实现后拱功能的关键，也是决定炉拱优劣的主要参数。后拱覆盖炉排长度a2增大趋势明显，燃用烟煤以及挥发分偏低的煤种时，a2值应不小于炉排长度的50％，燃用劣质烟煤时，可取值为60％左右，燃用无烟煤时a2值为60％～70％。应注意，a2值过大会引发结焦的出现。

（4）h2值及后拱出口烟气流速w2　当选用直线形后拱，在确定了h、α、a2值之后，h2值经计算可得，不须选定。它是后拱布置合理性的重要指标，h2值的大小直接影响着后拱出口烟气流速w2的大小。w2值大，后拱下的烟气射得远，火焰中心向前移，为前拱提供更多的热量，同时强化了火焰对新燃料的辐射传热，并促使后拱射出烟气中所携带的炽热炭粒子更多地撒落在新煤层上。增大w2值是强化后拱引燃功能的主要手段。w2值一般为5～10m/s。烟煤着火比较容易，采用小值，无烟煤着火困难，则采用大值。计算w2值可用式（3-3）求取。

w2=（a2/l）BjVy（Te+273）/273Fy　　（3-3）

该公式计算w2值设定了以下三个假设条件：

①有（a2/l）Bj的燃料在后拱下燃烧；

②烟气温度Te为1370℃；

③烟气含CO2为15％。

式中，Bj为计算燃料消耗量；Vy为烟气体积；Fy为后拱烟气出口截面积。为了达到较高的w2值，近来出现出口拱段的折线形后拱，俗称“人字拱”。

（5）前拱覆盖炉排的长度a1及h1值　前拱的辐射引燃功能通过前述三个作用来实现。要提高前拱辐射功能，应维持一定的a1值，一般可取炉排有效长度的15％～25％；为实现与后拱的配合，应突出前拱对后拱射入气流的吸纳和包容。因此h1值应高于h2值，直至h1值为h2值的2倍。对于小型锅炉h1值不宜过大，此外还应兼顾前后拱形成的喉口对空间气体混合功能的要求。前拱的拱形还应防止出口烟气直达出烟窗，造成烟气短路。

（6）喉口烟气流速wh　前拱与后拱之间的最小距离（前拱烟气出口端点与后拱鼻突之间的距离）称为喉口，是促使燃烧室气体混合的特有结构。喉口处烟气流速wh的大小是体现炉拱混合功能强弱的重要参数。喉口大，wh值偏小，混合功能减弱；喉口小，wh值增大，混合功能增强。因此应尽量减小喉口尺寸，增大喉口烟气流速wh。但是喉口太小，烟气阻力增加，会造成燃烧室正压，冒烟喷火。燃用烟煤时wh值可取5～7m/s，燃用无烟煤时wh值可取7.5～9m/s。

3.炉拱细部结构

①拱前端与煤闸板相邻部分的拱段与炉排的距离以及此拱段出口形状，与煤层的起火点位置有极其密切的关系。早些时候设计的炉拱，此拱段与炉排距离偏大，约为400mm，拱段长度最长不超过500mm，且出口为较大曲率半径R的弧形结构，如图3-4（a）所示。当燃用挥发分较高的煤种（Vr>30％）、链条速度较低时，煤斗中的煤起火冒烟，甚至煤斗、炉排局部结构过热变形的现象屡见不鲜。这是此拱段位置较高、出口圆弧大，炉膛炽热烟气辐射热深入传递到煤层前端，促使起燃点前移所造成的后果。其次，前端烟气有沿拱面流动的趋势，出口圆弧半径太大，烟气易直接导向出烟窗，缩短了烟气流程。特别是紧贴拱面烟气中挥发分与空气得不到充分混合，造成燃烧不完全，易冒黑烟。再次，易造成漏风，尤其是两侧，对于分层给煤装置，小拱过高引起漏风更为突出。为了减少炉膛辐射热传递过度靠前，而把这段拱压低，出口圆弧曲率半径减小，如图3-4（b）所示，以遮挡热量的输入，控制煤层起火点距煤闸板150～300mm。后期的设计都把这段拱高控制在250mm以下，4t/h以下控制在200mm，做成水平，或上倾不大于10°，也有做成反倾1～3°的带凸台的小拱出口，可获得最佳效果，如图3-5所示。缺点是施工复杂，10t/h以上的锅炉，小拱长度在500mm左右，可以杜绝烧煤闸板现象的发生。这段炉拱可称为煤闸保护拱。

②前拱出口凸型单曲拱（突台）结构。图3-6为凸型单曲拱结构，能使紧贴拱面的烟气气流脱离拱面，改变流向，具有部分二风的作用，促进气流的扰动，在炉膛形成强烈旋涡，有利于可燃气体、炭粒与空气良好混合；有利于延长烟气流程，改善充满度，以使可燃物得到充分燃烧。凸型单曲拱结构，还可促使烟气中所携带的炭粒分离并落在前拱下方，利于新燃料引燃，减少飞灰排出量。

③后拱折线结构（人字形拱）。人字形炉拱是将后拱出口段由直线形改变成折线形，将其做成水平段或反向倾斜段。实质上是压低后拱出口高度，这样的结构既保持了后拱中部强烈燃烧区具有足够的燃烧容积，又利于提高后拱出口烟气流速，使之具有冲入火床前端的动量。后拱出口折线段长度一般在500mm左右，反倾角为0°～20°。后拱出口折线段长度过长或反倾角太大，会造成高温烟气所携带的炽热炭粒碰到反向倾斜拱时过早地掉落下来，而削弱引燃作用。双人字形炉拱如图3-7所示。

④后拱出口端部（鼻突）结构。以往的后拱出口都做成曲率半径很大的圆弧，目的是使烟气很顺畅地流出。然而，实践证明，这样的结构不利于空间气体的混合，后拱区高温烟气容易沿后拱壁导向出口烟窗，不利于涌向前拱区，削弱了引燃功能。现在后拱出口端部大多设计成直角或锐角结构，以消除圆弧结构的弊端，如图3-8所示。

四、中拱强化燃烧机理和结构优化

前后拱结构具有强化引燃，组织空间气流混合，创造高温条件等作用。目前小型燃煤锅炉在运行中，燃料引燃并不是关键，炉膛结构的不适应表现在大量焦炭不能充分燃尽，造成燃烧效率低，影响锅炉热效率。固定碳的燃烧，属于扩散燃烧范围，反应过程中氧化速度大大超过氧气的供给速度。因此固定碳的完全燃烧不但需要创造一个高温条件，而且还在于组织好炉排上的一次混合和空间的二次混合过程。前者取决于炉排通风的合理组织，而后者则取决于空间混合作用的强化程度。

在燃煤挥发分低于设计煤种时，固定碳燃烧区相对扩展，原有的炉膛结构在强化混合作用方面显得钝化，增加中拱结构使固定碳燃烧得以改善，从而强化了整个燃烧过程。

1.中拱强化燃烧的机理分析

（1）强化空间混合作用　中拱位于原有燃烧室喉口中前部，即固定碳的燃烧带，这里进行着炭的直接氧化和还原过程，是一个包括完全氧化生成CO2及不完全氧化生成还原产物CO的过程。这里的“中拱”把CO以及挥发过程残存的少量H2、CH4可燃气体分成两股，使之与前后拱汇拢来的过剩氧充分混合，迫使原来不同气体组分的平行气流相互接触混合，得以充分燃烧。中拱把原来一个较宽阔的喉口分割成为两个或多个喉口，其结构与布置如图3-9～图3-11所示。中拱减少了喉口处烟气流通断面，不仅延长了烟气行程，而且提高了烟气流速，强化了空间混合效果。在实践中可明显地观察到，“中拱”前后有两道明亮修长的火焰流上升，可以说明“中拱”强化空间混合效果。

（2）强化固定碳燃烧区辐射传热，创造高温条件。固定碳的燃烧较困难，是灰渣中可燃物的主要来源。当温度在750℃以下时燃烧速度缓慢；到1200℃以上时，反应速度急剧加快，整体燃烧进程取决于扩散速度。因此固定碳完全燃烧除了具备良好的混合条件外，最主要的是创造一个高温环境。

固定碳燃烧包括底部的直接氧化层生成CO2放出大量的热，上部的还原层生成CO并吸热，造成这一区段的相对冷却。如果CO不能及时燃烧放热则使完全燃烧趋于困难，多见火焰短，燃烧逐渐衰减。在该区段布置“中拱”后，促进CO的空间燃烧放热，加热了的“中拱”以较强的热辐射加速了燃料层的燃烧，形成一个稳定的高温燃烧区。

加中拱后，可以观察到位于中拱下方炉排固定密封块的颜色有明显改变，可以说明“中拱”增强辐射传热的效果。

（3）“中拱”具有很大的蓄热能力，可以促进空间可燃气体和炭粒的燃尽，稳定燃烧工况。“中拱”由耐火材料筑成，具有很大的蓄热能力，是一个热载体，比其占有的同体积的烟气高千倍，因此它不仅可以增强对燃料层的辐射传热，而且迫使周围空间的可燃气体和炭粒充分燃烧。可以观察到气流中的炭粒在“中拱”附近形成明亮的颗粒燃烧。此外这种蓄热能力对负荷波动还有稳定燃烧工况的作用。

（4）对于低矮炉膛，特别是卧式内燃炉膛，“中拱”的遮冷卫燃、强化燃烧作用更加突出。卧式内燃锅炉燃烧室的特征为：

①水冷程度高，整个燃烧室几乎为全水冷圆筒形，燃烧热很快被水冷面吸收，难以维持较高炉温，虽然已采取了容积热强度较一般锅炉高两三倍，以维持燃烧过程持续进行的措施，但机裓及化学不完全燃烧热损失仍然较大，对于挥发分低的煤种尤甚，表现出对煤种适应性很差。

②炉膛容积小，不仅造成混合空间小，而且受热面对燃料层吸热能力强，使整个温度水平下降，从而固定碳的燃烧更趋困难。

③烟气沿燃烧室纵向流动，从前至后流速逐步提高。在这类炉膛中布置“中拱”在于发挥它的遮热能力，有效地提高炉膛温度。同时中拱不接触炉胆，并保持一定距离，留出一个烟气通道。这样不仅能扰动纵向气流加强混合作用，而且不至于过多地影响辐射受热面的吸热。此外由于提高了烟气流速，还利于增强受热面对流换热效果。实地观察与测试发现，加中拱后炉膛温度可维持在1300℃左右，火焰均匀充满炉膛。

2.中拱结构参数的优化

（1）中拱位置的确定　中拱应布置在固定碳起燃的位置，即固定碳气化区的上方。对于不同炉型，可按以下具体情况选定：①原喉口宽度前起1/3处；②炉排有效长度前起40％处；③距煤闸板1.5m处；④开式炉膛，中拱前沿距前拱不小于250mm，卧式内燃炉膛，中拱前沿距前拱500～700mm。

（2）中拱的宽度和数量　中拱总有效宽度，对于开式炉膛，可按加装中拱后，喉口处的烟气流速按5～7m/s的条件计算而得。对于卧式内燃炉膛，按照中拱遮蔽辐射受热面积的50％～60％来计算。

为了防止中拱上表面积灰，可将中拱分几段布置，每段宽度等于或小于460mm，每段之间距离不小于250mm，以防结焦黏合。

中拱布置过多，烟气阻力增大，炉膛出现正压，同时燃烧生成的气体不易扩散，影响正常燃烧。

（3）中拱高度的选定　开式炉膛中拱净高（中拱底面最高点至炉排距离）500～600mm；第二段中拱可比第一段低100mm，可采取水平布置，也可与后拱采取同样角度，以提高对烟气的扰动作用。

卧式内燃炉膛中拱上表面最高点距炉胆表面：2t/h炉可取80～100mm；4t/h炉可取120～150mm。

中拱过低，易结焦甚至影响煤层的均匀性，且砌筑困难，坚固性差；中拱太高，不仅降低了对燃料层的辐射传热效果，且由于可燃气体浓度下降，削弱了中拱的混合功能。

（4）中拱的厚度　开式炉膛中拱厚度可取230mm；卧式内燃炉膛，对于2t/h炉可取115mm，4t/h炉可采取230mm。

中拱太薄，削弱了蓄热能力，容易损坏；中拱过厚，尤其在内燃炉膛里，烟气阻力增大。

诚然，实现中拱强化燃烧的功能，除了合理布置中拱外，还需要其他条件的配合，诸如燃煤的合理混配、加水、改进配风、精心操作等。实践证明，“强化固定碳的燃烧”是提高燃烧效率的关键。中拱提高了炉膛温度，改善了混合过程，强化了燃烧条件，是一项简单易行的实用技术。

五、燃用无烟煤、劣质煤、挥发分较高煤的炉拱特点

1.无烟煤的特征

（1）无烟煤的形成、成分与分类　古代植物经地壳运动埋藏于地下，隔绝空气长期经受高温高压以及微生物的综合作用，发生复杂的物理化学变化，不断分解出二氧化碳、水、甲烷等气体，碳含量逐渐增加，这就是煤形成的炭化过程。随着地质条件和埋藏年代长短不同，炭化程度不同，形成了煤的成分和性质的各不相同，可依次分为褐煤、烟煤和无烟煤，并具有不同的燃烧特性。

无烟煤是炭化程度最深的煤种，色黑、质坚、密度大、气孔少、破碎面具有金属光泽。无烟煤含固定碳在60％以上，氢、氧含量较少，挥发分含量低，在10％以下。尤其是Ⅱ类无烟煤，含碳量在70％以上，挥发分在6.5％以下，燃料比（固定碳/挥发分）高达7～12。故无烟煤的着火温度高、性能差、着火困难。我国无烟煤预测资源量达4742亿吨，居世界首位，储量仅次于烟煤，山西、贵州储量占70％以上。高效地利用好这些资源，对于实施西部大开发战略，缓解资源紧张状况，保证我国国民经济可持续发展具有重要意义。有关工业锅炉行业用无烟煤见表3-2，工业锅炉设计用无烟煤代表煤种见表3-3。

（2）无烟煤的燃烧特性　无烟煤的形成和成分决定了它的燃烧特性，由于埋藏年代久远、炭化程度深、固定碳含量高、挥发分含量低，Ⅱ类无烟煤挥发分Vr<6.5％，使得无烟煤燃烧化学反应性能很差，着火温度高达700～900℃（Ⅰ类约800℃，Ⅱ类约900℃，Ⅲ类约700℃）。在燃烧初期释放出的可燃气体极少，产生的热量较少，难于着火和维持稳定的燃烧，因此解决新煤的点燃在炉拱设计中居于首位。另外，燃烧时呈青蓝色的短火焰，颗粒中气孔少，空气不易与煤的表面接触，因此燃烧速度缓慢，燃尽需要时间更长。无烟煤燃烧过程中，易爆破成碎片，故其炉排面积热负荷低（580～815kW/m2），煤层通风阻力系数高（机械通风时ζ=350～525），因而燃用无烟煤的链条炉排应有足够的长度和面积。

2.燃用无烟煤炉拱的特点

如上所述，无烟煤着火非常困难，因此燃用无烟煤炉拱首先应保证无烟煤的可靠点燃，还应保证良好的燃烧工况。由于无烟煤挥发分极低，火焰短，炉拱辐射引燃作用有所减弱，而炉拱导流引燃起着极其重要的作用。为了强化炉拱导流引燃功能，其后拱的显著特点是低而长，后拱覆盖率在60％以上，对于Ⅱ类无烟煤，后拱覆盖率高达68％～75％，后拱倾角小α为6°～8°。Ⅱ类无烟煤链条炉排锅炉炉拱布置如图3-12。后拱长，其出口更接近火床前端，可以有效地将燃烧区的火焰和高温烟气导入并将炽热炭粒撒落在新燃料上，提供充分的热源，促进着火的稳定。后拱较低的倾角，提高了后拱出口烟气流速，维持在w2值为7～10m/s左右，使高温烟气获得足够的动量得以冲入新煤区，强化对流传热，尽快引燃着火。燃用无烟煤前拱应与后拱相呼应，密切配合才能形成强化引燃并促使燃尽。前拱的特点是短而高，包括炉墙形成一个高温烟气空间，强化对新煤的热辐射；吸收后拱导入的高温烟气热量，提高了前拱温度，同样可强化对新煤的辐射；与后拱组成良好的空气动力场，以组织高温气流对新煤对流传热并分离炽热炭粒，保证新煤能尽快起燃。前拱出口高度应高出后拱出口端，并要有一定高度差，一般可取h2的2倍左右，前拱覆盖率为20％～25％，喉口烟气流速控制在7.5～9m/s。应用耐火材料包覆前拱区前墙及侧墙水冷壁，在燃烧室拱区内侧墙水冷壁上覆设卫燃带至喉口鼻突高度，以维持高温环境。有关后拱参数见表3-4。

3.强化无烟煤在链条炉排上燃烧的其他措施

①燃料层前部区域采取高温烟气下抽。将炉排下第一风室单独密封，专门设置风机，将燃烧室高温烟气向下穿过煤层抽出。利用1000℃左右烟气将入炉新煤加热，使其迅速升温、干燥、预热、析出挥发分，完成热力准备阶段，有效地解决无烟煤着火迟缓的难题。吸风机机前要有除尘装置，抽出的气体排空。

②采用较高预热空气温度。为了改善无烟煤引燃和燃尽条件，燃用无烟煤的锅炉必须加装空气预热器。热管式空气预热器体积小，传热效率高，布置简单方便，近年来得到了广泛采纳。有关热管技术，详见第九章论述。它通过液体的相变进行热量的传递，冷、热端温度比较均匀，壁温高，可避免低温腐蚀，用于无烟煤燃烧热风温度应在150℃以上。

此外，燃用无烟煤通常还可采用分层分行给煤、炉外炉内松煤、安装二次风等措施，在第二章中已作了简介。

4.劣质煤燃烧特性

（1）劣质煤是指高灰分、低热质烟煤，发热量在12.979～17.585MJ/kg（3100～4200kcal/kg），挥发分Vdaf>20％。其燃烧特性：

①着火点后移。由于高灰分的存在，达到着火温度的热力准备阶段需要吸收更多的热量，导致着火点后移。

②燃烧缓慢。炭粒被更多的灰分包裹，氧气向炭粒内部扩散速度减小，燃烧速度减慢，燃尽困难。

③易结焦。灰分多，在炉排主燃区易形成低熔点的共晶体，熔融状态的灰将炭粒包裹，炭粒燃尽更加困难，多见黑心炉渣，灰中可燃物增高。严重时，在火床上形成大块或大片焦渣，破坏了通风，使燃烧状况恶化，危及正常运行。链条炉排不宜燃用灰的变形温度低于1200℃的煤。此外，为了输入额定热量，既要增加煤层厚度，增加炉排面积，又要加大通风，增加烟尘量，加大了排烟热损失。

④采用洗选煤措施。从源头上对其进行洗选，脱除灰分50％～80％，再专设炉拱，效果更好，详见第六章有关论述。

（2）燃用劣质煤炉拱特点　为使劣质煤及早着火充分燃尽，应适度加大前、后拱覆盖率，后拱出口烟气流速控制在8～10m/s，喉口烟气流速控制在7～9m/s。同时应设置空气预热器，采用热风助燃以强化燃烧。此外在炉排强燃烧区加装炉内松煤器，以翻松煤层、脱落灰层、破碎焦渣，提高燃烧效率，详见第二章有关论述。

（3）设置空气预热器，使热风温度达到150℃以上，以利于劣质煤的尽早点燃和维持炉膛内的高温环境，促其燃尽。在难以达到较高热风温度时，可采用两段送风方法，即将部分空气加热到理想温度，仅送到炉排前部，包括燃料预热段和主燃区前一部分，其余部分仍送入未经预热的空气。这种方式有助于解决劣质煤的点火和固定碳起燃的问题。

5.高挥发分煤燃烧特性

（1）高挥发分煤与无烟煤相反，它埋藏年代短，炭化程度低，挥发分含量高，Vr在30％以上。其燃烧特性与无烟煤有很大的差异。

①挥发分热分解析出温度低，从褐煤到烟煤此温度约在130～400℃，陕西神府煤为222.7℃。

②挥发分析出量大而且集中，仍以陕西神府煤为例，从挥发分开始析出的222.7℃到析出终止的289.2℃，挥发分析出量达78.3％。

③易着火。

④着火后形成较长的火焰，挥发分是由碳氢化合物组成的复杂混合物，在热分解产物被烧成灼热状态时发出光亮而修长的火焰。

⑤高挥发分煤中重碳氢化合物较多，受热分解经历一系列复杂变化后生成炭黑粒子和芳香族碳氢化合物。这些物质很难燃烧，有时即使有较多的过量空气，仍不能与氧完全反应，出现不完全燃烧。一部分未燃炭粒子被空气冷却，或在燃烧中过早地与受热面（壁温约在200℃左右）接触被冷却，即形成炭黑，因此燃用高挥发分煤极易冒黑烟，严重污染环境。燃烧很难组织好，包括这种炭黑在内不完全燃烧热损失高达10％以上。

（2）高挥发分煤对链条炉排燃烧过程的影响

①高挥发分煤在热力准备阶段析出大量挥发分且易着火，因此在链条炉排燃烧方式中燃料引燃不是主要障碍，容易实现燃烧前部的稳定。但由于燃料着火过快，燃煤一进煤闸即迅猛着火，极易发生在煤斗内提前燃烧的问题，致使煤斗构件过热变形，炉前窜烟。

②由于挥发分集中在火床前端大量析出并立即起燃，炉排前部配风要有良好的适应能力，以足够的通风满足挥发分充分燃烧的空气量。但是往往因难以与空气实现最佳混合，前拱面附近局部缺氧，火焰呈暗红色。为了有效克服炭黑的形成易冒黑烟、污染环境问题，应保持燃烧室前部的高温环境，且应具有良好混合结构，保证可燃气体和炭粒的燃尽。

③由于高挥发分煤易燃的特性，沿炉排长度方向，燃烧强烈区前移，炉排中后部煤层急剧减薄，甚至炉排裸露，漏风严重，导致该区域温度低。尽管有较高的氧量和停留时间，燃料还是不能充分燃烧，造成灰渣含碳量高，燃烧效率降低。因此，燃用高挥发分煤必须具有良好混合性能的炉膛结构、合理的二次风配置以及燃烧室中后部区域应具有良好的保温措施。

（3）燃用高挥发分煤炉拱特点　燃用高挥发分煤炉拱要具有良好的混合功能，适当增加炉拱覆盖率，尤其是要增加后拱覆盖率。

①视挥发分含量高低情况，后拱覆盖率维持在50％以上。

②增加炉拱覆盖率，有利于强化炉内燃烧以及沿炉排长度方向燃烧室大范围气体的混合作用。适当加长后拱，组织后拱区过剩空气高速进入缺氧的前拱区。采用人字形后拱提高后拱出口烟气速度，加大烟气扰动，强化混合作用，延长烟气在燃烧室停留时间，利于可燃气体以及固体炭粒燃尽。

③适当加长后拱，减少受热面的吸热，利于维持后拱区较高温度，促使固定碳尽快燃尽，降低灰中可燃物。

（4）良好的前拱结构是消烟的关键　黑烟形成的部位，在沿炉排长度方向煤的着火线后0.5～1m范围内，高度方向在煤层表面以上0.1～0.3m区间，是在高温缺氧条件下CnHm分解形成的，而黑烟一旦形成就很难消除。控制着火区温度，减缓挥发分析出速度，尤其是要迫使贴壁流动的黑烟层与拱面分离，避免直接进入低温区排出燃烧室。要将其与后拱导入含充足氧气的高温烟气剧烈混合使之燃烧充分，是消除黑烟生成的主要应对措施。可采用带预燃室结构的消烟炉拱，如图3-13所示。应适当降低其出口高度，减少来自炉内高温烟气的大量辐射传热；以减缓煤层挥发分析出速度和热裂解速度；并应通过自身空间内的燃烧，来抑制黑烟的生成，迫使烟气脱离拱壁面并以一定的速度进入高温区，与后拱涌入的富氧、高温烟气流充分混合，实现消烟，可见预燃室出口应尽量压低，但须防止过分降低，造成预燃室正压的发生；通常还需采取在后拱上加筑挡墙或格子墙以及合理布置二次风，及时补充氧气的措施来消除黑烟。

六、可调炉拱和卫燃带

针对煤炭供应紧张、质量差、供应渠道多元化、燃用煤种多变的客观状况，在过去的二十多年中，一方面在提高炉拱适应性，开发新型宽煤种炉拱方面取得了显著成就；另一方面，运用“以变应变”思路来解决固定炉拱适应的单一性与煤种多变的矛盾方面也做出了有益的尝试，出现了“活动拱”和“可调节拱”等应用技术，都取得了很好的经济效益和环境效益，使炉拱技术有了新发展。

1.活动炉拱

（1）活动炉拱结构　用改变后拱覆盖率的方法，满足不同煤种和负荷的燃烧要求。对比燃用不同煤种链条炉的后拱，它们之间的区别主要在于拱的高度、倾角和长度的变化，其中长度变化的影响是主要的。图3-14所示炉膛结构，后拱高而短，开阔的炉膛适于燃用挥发分较高的Ⅱ、Ⅲ类烟煤；图3-15所示炉膛结构，后拱低而长，出口靠前，利于燃烧室中后部高温烟气及炽热炭粒涌向前拱区，适于燃用挥发分较低的无烟煤和劣质煤。若将燃用不同煤种的炉拱叠合在一起，可形成图3-16所示炉膛结构。

当煤种发生变化需要改变炉拱尺寸时，可通过对活动拱调节的方式来满足，从而实现了炉拱与煤种动态匹配，使燃料的燃烧始终处于最佳状态。

（2）活动拱设计原则　①首先应根据煤种变化范围和负荷变化情况进行设计；②选择后拱出口烟气流速范围为15～5m/s；③控制炉拱下温度，使燃煤不致结焦；④便于不停炉调节和除去拱上积灰；⑤炉拱调节机构的金属机械零件，在炉膛1000℃以上高温环境下工作，不被烧坏，保证使用寿命3～5年，且改造费用低廉。

（3）活动炉拱的调节　活动拱的调节，可在锅炉运行中通过自动控制装置来实现。当煤质变差、负荷变低、着火线后移、炉温下降时，热电偶发出低温信号，启动电机传动装置，将活动拱推向炉膛前部。增加对炉排的覆盖长度，后拱出口烟气流速加大，高温烟气及炽热炭粒导向前拱区，温度升高，加速着火并燃尽。

当煤质变优，负荷增高，着火线前移，前拱区温度过高，可能结焦或出现烧煤闸的危险时，热电偶发出高温信号，启动电机传动装置，将活动拱推向炉膛后部。减少后拱对炉排的覆盖长度，后拱出口烟气流速减小，燃烧中心后移，前拱区温度下降，达到正常安全燃烧，使煤种和负荷变动中始终维持最佳燃烧状态。

2.可调节炉拱

（1）可调节炉拱结构　可调节炉拱，是通过调节后拱出口高度和出口段倾角的办法，针对燃用不同煤种，实现拱区空气动力场的最佳组织，达到燃料的燃烧处于最佳状态。

当煤种发生变化时，燃煤的挥发分、发热量、燃烧所需空气量以及燃烧生成的烟气量随之发生变化。这时后拱出口烟气速度、烟气动量也发生改变，应及时调整后拱出口高度，改变后拱出口截面积，使后拱出口烟气速度、烟气动量达到理想状态。调节后拱出口段倾角，后拱出口烟气流动方向发生改变，使前拱高温区位置和烟气涡旋更加合理，燃煤着火燃烧更加稳定充分。可调节锅炉炉拱工作状态如图3-17所示。

（2）可调节炉拱设计原则

①后拱出口段可实现自由转动，最大旋转角度为180°。调节升降装置用手轮在炉外操作，可在180°范围内调整到任一角度。

②应满足炉膛高温环境下正常工作的要求，主轴材质应采用耐高温合金钢。选取较大安全系数，并有相应技术措施加以保护。

③在炉膛宽度较大情况下，主轴和转动段要有足够的强度和刚度，确保不变形，载荷均匀合理。有实例表明，可调节炉拱支点为6m（29MW锅炉），运行两个取暖期未发现任何问题。

3.卫燃带

用耐火材料或其他材料，把燃烧室中一部分受热面包覆或遮挡起来，减少辐射传热，创造高温环境，提高炉膛温度，以实现燃料的尽快着火和稳定燃烧。被遮挡起来的部分称为卫燃带或燃烧带。敷设卫燃带是改善煤质低劣、发热量不高、运行负荷低导致燃烧状况恶化，普遍采用的有效技术措施。

（1）煤种劣化、负荷降低对锅炉燃烧带来的影响　锅炉燃烧室结构总是对应于设计煤种特性的，而在实际运行条件下煤种会经常发生变动。当煤质劣化，尤其是挥发分低于设计煤种时，很容易出现推迟着火，炉膛温度降低，锅炉出力减小，不能满足用户要求；当锅炉运行负荷较低时，由于总燃料量的供给减少，也会造成温度水平降低。两种情况都会因温度水平降低而导致煤炭燃烧效率下降，严重影响锅炉热效率。

当其他条件一定时，燃料的燃烧效率主要取决于燃烧温度及燃料在高温区停留的时间。燃烧速度与温度呈指数函数关系，炉温降低会大大恶化燃料燃烧特性，降低燃烧速度，特别是燃料发热量主体固定碳部分难以燃尽，多见灰渣可燃物陡增，造成煤炭的严重浪费。

（2）设置卫燃带是提高燃烧区温度的主要措施　为改善链条炉对煤种、负荷的适应性，除采取优化炉拱与结构尺寸设计、改善炉排横向配风均匀性、在炉排上部加装燃尽风、对入炉煤进行颗粒分级外，尚可采用活动炉拱、卫燃带、活动遮热板等技术措施，用以抑制锅炉受热面的吸热，创造高温环境，为提高燃烧效率创造基本条件。

布置在燃烧室高温区两侧的水冷壁受热面，是锅炉主要的辐射受热面。它的换热强度比对流受热面要大得多，其布置数量的多少是通过热力计算，在设计煤种、额定负荷保证炉膛燃烧温度条件下确定的。当煤质劣化，或锅炉运行负荷降低时，由于燃烧区水冷壁的强烈吸热，加剧了该区域温度下降的程度。此时可在强烈燃烧区两侧的水冷壁受热面上敷设卫燃带。具体做法是用耐火混凝土把水冷壁管包埋起来，减弱吸热能力，以求在不结焦的前提下获得最高的炉膛温度，加快燃烧速度，提高燃烧效率。敷设卫燃带是非常简单有效的改善炉膛温度的办法。一般卫燃带的厚度为距水冷壁管表面3～4cm，卫燃带高度按煤的挥发分减少数值而定，直至达到喉口部分。为了适应煤种、负荷变化，近年来有关部门已研制成功可调整包敷面积的活动遮热板和可调卫燃带装置，能有效提高锅炉设备运行中对煤种、负荷变化的适应能力。

（3）敷设卫燃带应注意的几个问题

①卫燃带敷设位置的顺序应为由前至后，由下至上，高度应按燃煤挥发分的多少、负荷减少程度确定，一般自炉排起700～1300mm，最高可至喉口处。

②卫燃带应由水冷壁承重，不直接与炉墙连接。因此在浇筑耐火混凝土卫燃带时应与炉墙留有一定间隙，实际施工时可贴炉墙放一层2～3mm隔离填充物。

③合理布置膨胀缝，水平方向每隔0.5～1m留膨胀缝4～5mm，竖直方向每隔1～1.5m留膨胀缝4～5mm。

④卫燃带厚度的确定。卫燃带损坏主要由于温度变化造成的热应力和焦渣的侵蚀，因此厚度的选择至关重要。耐火混凝土层太厚，则表面温度升高，增加结焦倾向；太薄则易脱落，卫燃带表面距水冷壁管壁一般30～40mm。为使耐火混凝土层附着更牢固，可在水冷壁（竖直）管上焊接销钉，为了施工简便，通常用ϕ2～3mm左右的镀锌低碳钢丝（12～15号）绑扎在管子上形成扭辫，代替焊接销钉，扭辫间距250mm左右错列布置。卫燃带结构如图3-18所示。

（4）可调卫燃带　卫燃带可以改善煤质劣化、运行负荷降低工况下的燃烧状况。为了更好地适应煤种与负荷变化，做到实时跟踪，达到最好的燃烧工况，近年来出现了可调节卫燃带——活动遮热板装置，工作原理如图3-19所示。活动遮热板装置由外层固定板和内层可上下移动的活动板、顶密封、驱动装置及导轨组成。活动遮热板装置炉内布置及结构如图3-20所示。由内层活动板向下移动位置的变化，改变遮挡受热面积的大小，从而改变辐射受热面的吸热量，以维持燃烧区在不结焦前提下的最高温度，达到较高的燃烧效率。活动遮热板装置位于燃烧室内，长期在高温条件下工作，环境恶劣，构件均由耐高温材料制成。其中导轨直接焊接在水冷壁上以强制冷却，遮热板由铝基微孔陶瓷材料嵌入耐热钢构架复合而成。研究证明，铝基微孔陶瓷材料是一种理想的耐热材料，耐热钢构架靠近水冷壁一侧，在700℃温度下可安全工作达100000h。

七、炉拱构筑和新型材料的应用

1.炉拱的设计与构筑

（1）异型耐火砖砌筑的炉拱

①利用楔形耐火砖，中部起拱，两侧承力，筑成炉拱，两侧支承面（拱脚）除承受垂直重力外，尚承受水平分力，砌筑时应注意结构上的这种要求。此种炉拱结构简单，易砌筑，但炉拱跨度受到一定限制，仅限于在小型锅炉上应用。具体做法是首先按拱形设计尺寸制作并架设拱胎，沿拱胎自两侧向中间砌筑，当最高点的一行砖用木锤敲入后，拱胎承力即大为减轻，便可抽出。

②借助于专用金属支架，来支撑或吊挂异型耐火砖组成炉拱，可以构成沿炉排等高度的平面或曲面，获得任意形状的炉拱。但这种炉拱金属支架复杂，全套异型砖种类繁多，需专门订制，因此近年来应用逐渐减少。吊拱构造如图3-21所示。

③将异型耐火砖挂装在水冷壁管子上组成炉拱，再通过水冷壁管子上的吊装件将炉拱重量传递到锅炉钢架上，此种炉拱的构筑形式应用较为广泛。

以上三种炉拱所用的普通耐火砖，均为耐火材料厂加工烧制的成品砖。其质量应符合国标要求，可以保证炉拱的质量，同时对烘炉的要求不高。

（2）耐热混凝土炉拱　以矾土水泥为结合剂的各种耐火骨料和粉料按比例配制，经水搅拌浇注成型后养护而成。耐火温度为1400℃左右，（耐火）强度为5.5×106Pa。矾土水泥耐热混凝土，采取现场支模捣制的办法来完成，施工制造方便，热稳定性、整体性、气密性好，比用耐火砖砌筑的炉拱经久耐用。

①矾土水泥耐火黏土炉拱，现场浇注主要材料配比（质量比）如下：

a.矾土水泥（400#以上），15％，（12％～20％）；

b.高铝矾土熟料粉（细粉），10％，（0～15％）；

c.高铝矾土细骨料（中骨料），30％，（30％～40％）；

d.高铝矾土粗骨料（大骨料），45％，（35％～45％）；

e.水灰比　10％～15％。

②注意保持合理膨胀间隙。如在水冷壁管上要包覆一层隔断层，使水冷壁管在温度变化时可以自由膨胀。在炉拱与燃烧室侧墙之间要留有伸缩缝，待拆除模板后，将缝隙清理干净，用硅酸铝绳涂上耐火泥整齐地塞入其中，保证炉拱在升温膨胀时不致胀裂炉墙。

③严格按照炉拱设计尺寸支设模板。模板内表面要平整光滑，严密不漏浆；模板支撑要牢固，确保正常振捣施工中不断裂、不变形。炉拱面积较大时，应分段支撑，便于振捣均匀，保证整体质量。

④在浇注施工中，首先严格按配比分别对不同组分称量，干料要搅拌均匀，特别是要严格掌握加入水量，不可超过标准配制。快速搅拌均匀，注入模板后应快速振捣，要达到灰浆均匀饱满。在浇注大型炉拱时可分批搅拌，分段浇注，但必须连续作业，整个炉拱要一气呵成。同时，要按热膨胀规定，合理留有膨胀缝。

⑤对于大型锅炉，前拱前端以及后拱头部，这些部位相对体积较大，耐火混凝土较厚，在运行中冷却条件差，尤其是在锅炉启停较频繁时炉拱局部易脱落损坏。此时可在这些部位配置钢筋，但应特别注意此处钢筋长期处于高温环境，另外钢材与耐热混凝土热膨胀系数相差甚大［钢材热膨胀系数为11×10-6℃-1，耐热混凝土热膨胀系数为（5.0～6.5）×10-6℃-1］。鉴于这些特殊情况，首先要采用耐热钢筋，如1Cr13，ϕ14～16mm，其次要使钢筋与混凝土构件之间留有适当间隙，即在钢筋表面要有一定厚度的隔离层，再次是保证钢筋与向火面要保持12cm以上的保护层。

⑥浇筑后强度达到50％以上时即可拆除模板（视环境温度条件，一般在浇筑后24～48h），自然养护10～15天，再按升温曲线的要求烘炉，一般需7～10天。

2.新型材料炉拱

（1）新型碳化硅炉拱　传统炉拱多采用普通黏土质耐火材质炉拱，而新型碳化硅炉拱具有更高的耐压强度和耐火度、较低的热膨胀系数，同时附有较强的远红外辐射性能。因而碳化硅炉拱耐烟气流冲刷，使用寿命长，可提高炉膛温度，煤种适应性强，节能效果好。如某台2.8MW锅炉，应用效果见表3-5。

碳化硅是一种半导体材料，受热后能产生远红外辐射效应，由于红外线波长较长，透过炉膛内烟尘向四周辐射，被受热面吸收。而黏土质耐火炉拱属灰体材料，远红外辐射能力较差，热反射能力也相当差。因此碳化硅炉拱能有效地促进煤在炉膛内的燃烧，加快氧化反应速度，缩短反应时间，煤中挥发分及其他可燃成分得以充分燃烧，节能减排效果好，减少对环境的污染。

碳化硅分子式为SiC，其中Si占70.45％，C占29.55％。其分子结构是共价晶体，通过固相反应在高温下生成具有α相和β相多晶体。其化学成分和结构决定了它具有高硬度、高熔点、高稳定性和半导体的理化性能，硬度可达13新莫氏硬度，在1600℃以下可长期稳定使用，2000℃以下耐酸性物侵蚀，1000℃以下耐碱性物质侵蚀。

（2）高温远红外辐射涂料的应用　改善炉拱性能的另一种常用方法，是在前后炉拱、侧墙及卫燃带表面上，涂刷高温远红外辐射涂层。由于涂料层直接暴露在燃烧室的表面，在高温下远红外辐射率增大（大于燃煤和火焰的辐射率），辐射传热量增大，强化了炉拱辐射传热功能，从而促进炉排上的煤和空间的可燃物比较充分地燃烧，利于燃料引燃，提高燃烧效率，对于难以着火的无烟煤尤为适用。

炉拱涂刷远红外涂料后，直觉反应：一是炉排上层燃烧工况改善，燃烧加快了；二是炉膛平均温度提高30～70℃；三是灰渣含碳量、飞灰含碳量都有所下降，使机械不完全燃烧损失下降（有的实例显示q4下降达6.3个百分点）。

高温远红外涂料可以用涂刷的方法，也可以喷涂施工，对高温远红外涂料的基本要求是在高温工况下不挂焦，涂层不脱落。