锅炉燃烧原理

1锅炉燃烧原理副标题：如何提高锅炉燃烧效率一、基本概念1.1.自由射流流体经小孔、缝隙或管子等的引导，射入较大流体空间的流动现象，如烟气经烟囱排入大气就是射流。射流进入静止的与之互溶的流体中，这种射流称为自由射流，是射流最简单的情况。自由射流遵守动量守恒原理。1.2.配风燃烧设计。早期手烧炉的固定炉排到工业锅炉链条炉排是一次飞跃，它减少人工体力劳动。悬浮燃烧是燃烧设计的又一次革命，它摆脱了链条炉排较大煤块的原煤燃烧面积不足以及氧分子扩散速度慢的问题，燃烧强度大幅度提高。悬浮燃烧主要种类有煤粉悬浮燃烧、油气悬浮燃烧、沸腾炉或流化床锅炉悬浮燃烧。煤粉悬浮燃烧是工业锅炉和电力锅炉主要燃烧方式。按燃烧器出口气流的特性，出口气流为直接射流的称为直流燃烧器，出口气流含有旋转射流的称为旋流燃烧器。也有按火焰种类分的，如两侧墙交叉射流W型火焰，旋转切圆火焰，对冲式火焰三种等。逆时针旋转切圆悬浮燃烧是国内多数工业和电力锅炉的燃烧方式。直流燃烧器配风（指二次风热空气，370℃左右），有均等配风、分级配风和特殊配风等方式。所谓均等配风，是从上到下，每个角的一次风粉相间布置入二次风，这种布置方法适合早期燃烧速度较快的煤种如烟煤褐煤，它的优点是早期补充氧气的速度快。分级配风是每个角的一次风粉口集中布置在一起，下二次风布置在下面，中上二次热风布置在上面，这种布置方法适合早期燃烧速度慢的煤种，如无烟煤和贫煤，它的优点是早期空气量少，燃烧区温度高。21.3.下图为某一角煤粉燃烧配风垂直面示意图：我厂为贫煤和无烟煤的集中配风方式，二个一次风粉集中布置在一起。一次风携带煤粉，二次风为热空气提供燃烧所需要的氧气。3二、锅炉煤粉燃烧原理2.1、煤粉燃烧空气动力场示意图，以下是煤粉锅炉典型直流燃烧假想切圆示意图逆时针的龙卷风，中心风速为0，四边风速为0。原煤中含有约有15-30%的不能燃烧的灰分、盐类杂质。这些灰分中，夹带没有燃烧的煤量越小，煤燃烧效率越高。煤粉锅炉飞灰可燃物含量一般在1-8%左右。设计有问题的锅炉，飞灰可燃物含量最差可达Cfh20%，按原煤Qar20500kJ/kg，Aar25%灰分，αfh90%飞灰计算qfh=328.66×Aar×αfh×Cfh/(100-Cfh)×Qar.net，仅飞灰可燃物中热损失可达9.02%。炉渣含二部分，一是锅炉结大块红渣含碳量约2%左右，二是没有燃烧完全的直接落入冷灰斗内的原煤含碳量约20-35%左右。炉渣可燃物含量大小取决于锅炉原煤以及测试、设计人员对燃烧过程和燃烧原理的理解程度，也影响锅炉燃烧器的燃烧方式的设计和布置。2.2、燃烧基本原理2.2.1风量配比4示例：以下为单套制粉系统运行时的风量比，总风量12.5万Nm3/h。一次风量：占总风量的20%。每个一次风量约占2.5%，共8个，单个风量3125Nm3/h热态约7417m3/h(测点处温度按375℃计)，一次风管按内径300计，风速29.15m/s。锅炉运行时要求：一次风热态风速控制在18-22m/s，不小于15m/s，防止一次风管被煤粉堵塞。二次风量：占总风量的65%。每个二次风量约占5.4%，共12个，单个风量6750Nm3/h热态约16022m3/h(测点处温度按375℃计)。二次风量：占总风量的15%。每个三次风量约占7.5%，共2个单个风量9375Nm3/h热态约11950m3/h(测点处温度按75℃计)。2.2.2直流燃烧器切圆基本要求国内电站煤粉锅炉燃烧器布置约60%以上炉膛为正(长)方形，燃烧器四角布置，逆时针假想切圆燃烧。燃烧假想切圆，煤粉在炉膛燃烧象逆时针的龙卷风，最大空气速度场在几何正中心到炉墙壁的一半处，其中靠近炉墙水冷壁空气速度为0，炉膛几何正中心的空气速度也为0。冷态(20℃)空气动力场试验时，在上中二次风处的最大速度场风速一般在3.0～3.5m/s(热态1400℃时，20m/s)，垂直面从上到下即中上二次风平面、一次风平面到下二次风平面以下最大速度场风速从3.5减少到0m/s，即热态最大速度场从上到下风速从约20m/s下降到0m/s。我们从煤粉锅炉典型直流燃烧假想切圆示意图可以看到，理想状态下一次风煤粉出燃烧器到炉膛几何正中心，浓侧向火的煤粉和一次风已经卷入最大速度场中，因此没有煤粉和一次风进入炉膛正中心无风区。即一次风煤粉出煤粉燃烧器后速度迅速衰减溶入龙卷风中。但事实常常并不是这样的。在此，我们粗略假定，在炉膛内，煤粉的一次风和二次风燃烧射流，也是遵守动量守衡基本原理的。要达到理想的燃烧状态，首先是风粉混合要好，氧气扩散的速度能符合煤粉在0.2秒内燃烧失重95%的要求。另一个基本要求是，燃烧经过的距离适当延长，尾部燃烧要较强飞灰含碳量要小，这和燃烧假想切圆直径有关，假想直径越大飞灰越小。上述二个基本要求，设计较好的煤粉直流假想切圆燃烧，基本上能够符合要求，有时还会存在飞灰含碳量较高的问题。第三个基本要求是，一次风携带的煤粉不能进行炉膛正中心无风区，否则，较粗的煤粉会直接下落，没有完全燃烧落入冷灰斗中被水冲走。直流燃烧器设计恰恰是第三个基本要求，严重不能达标。由于一次风量较大，按动量守恒原理，部分速度分量不能被上一邻角来的二次风速度分量消除，因此有部分一次风粉进入炉膛正中心无风区。参见下图。一次风进入炉膛后，如下图可以分解成向Y和向X的基本速度分量，如果要一5次风和煤粉不进入无风区，必须使向Y的速度分量在最大速度场符近下降到零。从上面我们知道，一次风量单个风量3125Nm3/h热态约7417m3/h(测点处温度按375℃计)，一次风管按内径300计，风速29.15m/s，因此向Y的速度分量20.4米/秒，我们知道，来自邻角的下二次风平面热态风速不会超过6米/秒(最大处的上二次风平面，风速约20米/秒)，因此从动量守恒原理来看，如果要煤粉不进入无风区，邻角来的下二次风量及射流卷吸的风量应为本角一次风量的3.4倍以上。此处仍有一个假定问题，即下二次风一次风向上出炉膛风速假定问题，此处假定邻角一次风已经离开本角一次风平面，而邻角下二次风上升后的风速正处于本角一次风平面上。按设计参数，下二次风量仅为一次风量的2.16倍应能满足防止邻角一次风进入炉膛正中心无风区要求。但是，实际运行时并不是这样，仍有部分煤粉进入炉膛正中心无风区。2015年某厂大块“炉渣”和炉渣与煤灰“渣灰混合样”可燃物含量表。随机取样，代表性一般。日期样本1#炉2#炉3#炉4#炉2月15日炉渣2.411.101.282.283月3日炉渣3.001.4111.792.603月14渣灰11.5.4911.098.636日163月25日混合样2.915.6711.3611.144月1日混合样17.959.6517.6018.074月8日渣灰19.0610.8220.0110.234月15日混合样6.002.9312.288.31上表，理想状态下炉渣灰含碳量为1～3%，但实际上由于部分煤粉灰进入无风区，导致渣灰含碳量大幅度上升。三、常见问题浓淡直流燃烧器的缺点缺点一：不分煤种，设计燃烧假想切圆直径越改越小最常见的主要问题为锅炉厂设计燃烧假想切圆直径有越来越小的趋势。以220吨/时高温高压电站锅炉为例，锅炉设计规范建议，燃烧假想切圆直径为锅炉炉膛水冷壁内部边长的8-12%，用烟煤时可取8%，贫煤时可取10%，无烟煤时取12%，用长焰煤褐煤时取小于8%。以上原则，当锅炉设计负荷流量上升时，可向下限调。当锅炉较小时如设计出力130吨/时或75吨/时，可向上限调。[9，10]燃烧假想切圆直径越大，空气和煤粉旋转角动量越大，煤粉经过的距离越长，风粉混合越好，煤粉燃烬度越好。对长焰煤和褐煤来说，燃烧假想切圆直径对煤粉燃烧效率影响微乎其微，出于减少锅炉炉膛结渣的考虑，燃烧假想切圆改小是有利的。但对不容易燃烧着火的贫煤、无烟煤，减少燃烧假想切圆直接后果是烟气飞灰可燃物含量上升，锅炉热效率大幅度下降，最差时煤粉炉正平衡热效率不到83%。对于燃烬度较差的煤种，燃烧假想切圆直径改小，飞灰可燃物大幅度上升，排烟温度也约上升5-10℃，经济损失太大。缺点二：机械照搬浓淡分离装置从浓淡直接燃烧器切圆图，我们可以看到，理想的一次风煤粉浓淡分离后，浓侧的煤粉刚出燃烧器不远，就被强大的邻角旋转高温热风带入旋转气旋中，煤粉不会进入炉膛中心。这种理想状态需要下一次风粉量小，如果一台炉有八个一次风粉，每个一次风粉的占总风量约2%，则邻角下二次风量不应小于6%。实际情况相差很7远。首先是一次风粉速度很高，正常在20-30米/秒，而燃烧器出口到炉膛中心一般在5米左右（炉膛边长6332×6332，约4.4米），时间很短就容易到炉膛正中心。其次是邻角引燃二次风旋转速度不快，一般只有15米/秒左右（热态温度1300℃，冷态20℃约3米/秒）。第三风量不适配。每个一次风量约占总风量的2.5-4%，而邻角引燃二次风约占3.8-5.5%。特别是多台制粉系统运行时，一二次风量不匹配问题较为突出。因此导致部分较粗的煤粉直接穿越最大速度场的旋转区(宽度不到1米)进入炉膛正中心无风区，没有完全燃烧直接落入冷灰斗中，被水冲走。在实际生产中，我们不得不取消4号锅炉煤粉浓淡分离装置，减小一次风门开度到30-60%，加大下二次风的风量到全开，即使这样，进入炉膛正中心落下的没有完全燃烧的煤粉含碳量仍高达11%左右。而取消煤粉浓淡分离装置前，冷灰斗内最高含碳量经常在30-40%之间。当然这并不表明浓淡分离装置完全不能用，只是应在一次风切圆较大时采用较为适宜。缺点三：下二次风量托粉差，需要增加下二次风量。锅炉冷灰斗的炉渣有二种，较大块的熔渣，粉状的灰。其中粉状的灰有二种来源，一是在烟气离心力作用下甩向水冷壁由水冷壁面落下的灰，一是炉膛燃烧几何中心落下的没有完全燃烧的煤粉。炉膛燃烧几何中心没有风，旋转速度接近于0，煤粉进入炉膛几何中心区后自然下落；锅炉燃烧假想切圆直径的改小，有些锅炉厂燃烧器，为减少炉膛出口烟气速度偏差和温度偏差，一次风粉设计成对冲，假想切圆直径为0，一部分煤粉直接进入炉膛中心，其中较粗的煤粉重力自然下落；还有一个重要原因为运行时配风失当，司炉工对下二次风量补充氧量对燃烧速度的影响和托粉的作用认识不足，下部的下二次风量风量不足，造成煤粉自然下落。炉膛内煤粉燃烧呈逆时针的龙卷风，在炉膛出口乙侧有一个进入的旋转速度，总风速大，而在甲侧有一个返回的旋转速度总风速小，从而形成速度偏差。为减少炉膛出口烟气速度偏差，减少蒸汽温度偏差，建议在锅炉燃烧区最上部三次风对冲或反切圆，它对炉膛燃烧几何中心落粉影响较小，消除速度偏差效果良好。缺点四：一次风量太大来自邻角的下二次风平面热态风速不会超过6米/秒，因此从动量守恒原理来看，如果要煤粉不进入无风区，邻角来的下二次风量及卷吸的风量应能满足要求防8止邻角一次风进入炉膛正中心无风区的要求。即使按设计一二次风率，下二次风量为一次风量的2.12倍，我们看到，下一次风风量达单个风量3125Nm3/h热态约7417m3/h(测点处温度按375℃计)，一次风管按内径300计，风速29.15m/s。锅炉运行时要求：一次风热态风速控制在18-22m/s，不小于15m/s，防止一次风管被煤粉堵塞，风速29m/s明显偏高，因此我们可以减少一次风量到19.4m/s，如果不堵粉的，甚至可以下调到15-18m/s，就可以控制一次风粉不进入炉膛无风区。因此对逆时针假想切圆燃烧来说，锅炉煤粉燃烧调整的最主要任务是全开下二次风，关小一次风量，保持正常的燃烧氧量。2015.04.26声明：版权所有连云港孙维兵，指导老师南京航空大学谢乃明出版发信件到[e-mail]