组装水管锅炉的发展和前景

134火床燃烧中煤的着火丁仁荣机械部科林燃烧工程公司摘要：本文从着火时间的估算来分析煤的特性对着火的影响，以便对不同煤种采取必要的强化着火措施，使燃料及时、稳定地燃烧，从而达到提高锅炉效率、增加出力的目的。关键词：火床燃烧，着火，强化措施。0前言工业锅炉是我国基本的热能动力设备，广泛应用于工厂动力、建筑采暖、民用生活、热电联产、……，在用量及需求量均很大。据统计，到1998年末，全国工业锅炉装机总量达50万台，126万蒸吨，1998年一年中，工业锅炉年产量达4万台，9.7万蒸吨。我国的工业锅炉以燃煤为主，层燃炉又占燃煤工业锅炉台数的96%以上，占总容量的93%左右，而链条炉排和往复炉排的规格品种和数量在层燃炉中又占压倒一切的多数。现有的工业锅炉几乎每年耗用掉全国原煤产量的三分之一左右，近几年来，通过广大锅炉工作者的努力，全国工业锅炉的运行效率有了一定的提高，但与国外先进水平仍有较大的差距，能源浪费仍相当严惩其中差距最大的是固体不完全燃烧热损失，q4较大。q4取决于燃料状况、燃烧技术，因此针对不同燃料进一步提高燃烧技术仍是我们提高锅炉效率、赶上国外先进水平的重要一环。从国内外的经验可见，研究各方面影响着火的因素，采取必要的措施，无论什么样的燃料，都能实现其及时、稳定地着火来提高燃烧效率及扩大对煤种的适应范围。例如：苏联一台Дкв10-13锅炉燃用Vr=4%~5%的无烟煤，只把后拱加长800毫米，后拱遮盖度a2从0.51提高到0.651，锅炉因着火及时了，出力从6t/h增加到10t/h；湖南一电厂35t/h链条炉燃用Vr=8.8%的无烟煤，仅停用前墙二次风，加大后墙二次风，稳定了着火，锅炉出力从21t/h提高到30t/h，锅炉效率增至78%；江西锅炉厂在6t/h往复炉排锅炉上，由于采用了后墙蒸汽引射二次风，在燃用贫煤、Q=11.68MJ/kg的褐煤、Q=12.558MJ/kg左右的劣煤时均取得了稳定、及时地着火；北京锅炉厂对7MW热水锅炉的炉拱作了改进，在燃用Ⅱ类烟煤下限煤种的条件下，锅炉效率提高了4.4%……。综上所述，探讨火床燃烧中煤的着火特性，以期在煤与炉的匹配上，燃烧组织上，运行方式上来实现及时，稳定地着火是很有意义的一项工作，而此项工作的关键在于对着火所需要的时间及其影响因素的研究。1着火时间的估算着火时间是指煤随着炉排进入炉内起通过干燥、析出挥发物至开始着火所需时间，这段时间所吸收的热量来源于炉膛中的热辐射以及附件已燃烧着的煤的热传导。起主要作用的是135热辐射。如果稳妥地简化一下，只考虑热辐射，则对半径为r的煤粒所能取得的辐射热为：Q辐=πr2·ε·σ。（Τl4-Τ4）(1)其中：ε---煤的黑度，约为0.8σ。---辐射常数，千瓦/米饭·°K·4时Τl---引燃区有效辐射温度，°KT---煤的温度，°K煤粒从T初至T着所需要吸收的热量为：Q吸=4/3πr3Cp（Υ着-T初）（1-Wy）+4/3πr3Υwy×670(2)式（2）第一项表示干燥了的煤粒自室温升至着火温度所必须吸收的热量，第二项是煤粒中水分蒸发所需的热量。如果忽略引燃时空气所带入及带走的热量，则着火时间τ为：τ=Q吸/Q辐(3)把式（1），（2）代入式（3），并把干煤比热Cp，重度Υ煤粒初温T初等常量代入，对煤粒温度从T初至T着进行积分即可得：43)1000/(2.34)30022300300()1000/()1(1.4lyllllnllnlyTrWTarctgTTarctgTTLTTTTLTwr×-+-+-++-×=着初着t通过上式可绘出图1从公式与图1可知：a.着火时间与煤粒半径成正比。b.引燃区有效辐射温度Tl愈高，τ愈小。c.煤的挥发分愈多（即T着愈小）τ愈小。但T着对τ的影响不如Tl对τ那样强烈，即V小的无烟煤在较高的辐射温度下也能具有比较稳定的着火线；相反V大的褐煤在较低的辐射温度下着火线也可能显著地后移。d.水分W愈多，τ愈大。从图1所邮，W的影响同样也不如Tlπ那样强烈，但考虑到水分的蒸发还将使理论燃烧温度T下降并导致T下降的话，水分W对τ的影响乃是巨大的。公式（4）是对τ的粗略的理论估算，影响τ的因素只有几个，这是因为估算中作了很多的简化。在实际运行中，影响的τ的因素还有煤的灰分，炉排的通风强度。2着火时间的测定装置近十多年来，采用新式仪器以热分析法来研究煤的着火、燃烧特性受到国内外的重视。但基于煤粒在床面上燃烧的特点，还必须寻找、设计一种模拟火床燃烧的试验装置来研究其在火床上的着火特性。在日本，模拟了下述测定装置（图2）来研究火床上煤的着火特性。装置的上部是套筒形电炉，在底部砖的中央设有圆形的孔，内径为45毫米的试料盘从下面136抬上去，进入炉内。在炉子的前门上有嵌着玻璃的小观察窗，来观察试料盘的上方。在后壁上设有插入温度计用的孔。装入镍铬热丝的发热板组成顶棚和两侧壁。炉内的尺寸是：高105mm，宽155mm，深300mm。为了保持试料有一定的温度，在电炉的下部设有恒温桶。煤的试样放入陶瓷试料盘中，置于试料盘支承筒的上方。在支承筒的下方带有兼作空气输入管，可慢慢往上抬的管子。电炉里有指示基准炉温的温度计，还有一支校正炉温恒定程度的温度计。测定时电炉保持一定的温度，煤试样填满至试料盘边缘的高度，试料盘上抬至上边缘正好和床面同样高的位置，用秒表来测定从装入试料到最初发生火焰的时间作为着火时间。文献1通过大量的试验提供了一组因素与着火时间的关系曲线：(a)炉温与着火时间的关系。（图3）(b)通过火床的空气流速与着火时间的关系。（图4）(c)试料粒度的影响。（图5）(d)试料预热的影响。（图6）(e)煤中灰分和着火时间的关系。（图7）上述这些曲线，从定性上给我们提供了分析火床燃烧中煤的着火特性的依据。3煤的特性对着火的影响3.1挥发物挥发物愈少，着火温度愈高。用精密热天平绘制出煤的微商热重曲线（即挥发物释放特性曲线）可更确切地表明煤样随着温度变化而变化的释放量及释放速度，释放速度猛增的温度就是着火温度。3.2水分水分愈多，煤的着火愈推迟。这是因为（a）干燥时间随着水分增大而延长；（b）水汽化吸热会降低煤层的温度；（c）也会降低理论燃烧温度而使Tl降低；（d）水蒸汽混入挥发物，降低了可燃气体的浓度。从图1可见，引燃区有效辐射温度愈低，水分对着火温度的影响愈大。3.3灰分从图7可见，煤的含灰量在达到某一程度以前，对着火时间影响不大，但一超过此值着火时间就急剧地增长。灰分超过一定量就会阻碍炭粒子接受辐射热，就会阻碍氧气和可燃气体接触，灰分愈大，着火愈难。3.4颗粒度从公式（4）及图5可知，颗粒度愈细，着火时间愈短，着火愈容易。这是因为（a）粒度愈细，提高了温度的表层向下热传导的阴力下降；（b）粒度愈细，每个颗粒的热容量愈小；（c）粒细，单位重量的反应面积大，反应放热量大。但颗粒细也有不利着火的一面，煤粒小，自上而下的辐射换热减弱；煤粒小，迎风面大，自下而上的空气对流带走的热量增大。137因此，实际试验性情况不像公式（4）那样无限地τ与Υ成正比，而是煤粒大到一定程度，着火时间不再有增大的趋势。无论是理论分析、试验台试验还是实际运行经验都表明：煤的特性对其着火影响甚大，能及时、稳定地着火，或者可能点不起火来；按照劣质煤设计的锅炉改烧优质烟煤，有可能会出现着火过早而烧坏加煤设备，因此从着火的观点看，煤与炉有匹配问题，烧什么煤就应力争配置按什么煤设计的锅炉。对于难着火的煤只能在炉上采取强化着火的措施后才能保证其及时、稳定地着火。4强化着火的措施4.1炉拱炉拱强化着火的有效性已由本文前言中二个实例所表明。炉拱所以能强化着火，主要在于炉拱组织了炉内高温烟气的流动，使在炉膛内入炉新煤的上方形成一个稳定的具有强烈热辐射的高温中心，源源不断地供给新煤大量的辐射热。从图1与图3均可看出，如果能保持一个很高的Tl就可使着火时间大大缩短，文献1中指出，着火时间竟与炉温（绝对）的8~11次方成反比例地减少。对于无烟煤、贫煤、劣质烟煤，依靠炉拱来实现上述目标，主要应采取如下三项措施：（a）采用低而长的后拱。通常要使后拱遮盖度达（0.6~0.75）1，（1为炉排有效长度）；后拱的倾角α=8°~10°；后拱出口的烟气速度达到8~9m/s，让火焰中心前移。（b）前拱的设计应造成一个高温烟气空间，应配合后拱，反射后喷出的高温气流以及沉积部分灼热焦粒至新灶层上。（c）前后拱的喉口烟速控制在7~8米/秒，让前拱下出现一个用耐火层包覆的高温气流拥塞的引燃区。对于极难着火的煤，可以采用超低长型后拱，后拱头部可以有平直段，甚至可以成反倾角的人字形拱，这在小容量工业锅炉上容易实现，但此时应注意（a）煤的结焦特性，结焦与着火是矛盾的二个方面坚结焦性强的煤决不能采用；（b）后拱根部距煤渣层的最小距离不影响炉排的顺利排渣。（c）不应让人字形拱影响后拱喷出的灼热焦粒射至新煤上。（d）低长后拱不应造成后拱下的烟气拥塞。为了在一定程度上扩大拱的设计对煤种适应的范围，大容量工业锅炉上可以改变后水冷壁管上耐火混凝土敷设长度来改变后拱遮盖度，小容量工业锅炉可以增设中拱。对煤种变化不大的情况下，利用适宜的炉拱来保证煤的着火已是行之有效的常用措施。4.2炉排下的配风按照燃烧阶段，沿炉排长度供给适量的空气，这不仅是组织燃烧的要求，也是控制着火快慢的手段。推迟送风、防止风室隔板不严而产生的向炉前风室漏风，可以缩短着火时间，引燃条件愈不利的情况下推迟送风将愈有利。煤一着火，就必须加强通风，这样才能使引燃向煤层深处扩展的速度提高。煤层温度提高愈快，单位时间内挥发物析出量愈多，需要的空气量亦愈多。但对于难着火的煤仍需进一138步推迟配风，不应在拱区出口的下方配以强风，致使后拱下烟气的拥塞，只有在火床层进入后拱区之后配以强风才能使后拱下形成一个强烈燃烧区，得到一股温度很高，烟气量很大的气流通过后拱出口带着很高的动量喷向前拱下，这样的配风就能配合拱的设计，充分发挥出上述低长后拱的强化着火效应。4.3二次风二次风的功能很多，它可以搅拌炉内的气体使之混合；它可以延长悬浮细煤粒在炉内的行程，使飞灰量及飞来可燃物减少，另外，二次风也能控制炉内火焰中心帮助煤层着火。为了帮助链条炉排上煤层的着火，二次风喷咀布置在后拱鼻端上最有效，它能把高温烟气压向火广东省前部而所需的射程最短。二次风的射入位置尽可能低，但也不得太低而破坏火床的平整，一般距煤层600mm以上。根据炉膛的深度及二次风喷咀的位置，确定二次风必需的射程，而射程主要决定于二次风的动量（风量与风速乘积），一般风量取总风量的5%~10%，风速不宜低于50m/s。风咀形状并不影响二次风效果，但贺形风咀直径不宜太小，一般内径40~60毫米，长方形风咀的长宽比不宜大于6：1，否则气流刚度差，风咀易堵塞。二次风的介质可以用冷风、热风、蒸汽，利用蒸汽喷射或蒸汽引射不仅可以省掉二次风机，而且可利用蒸汽压力的调节来适应范围更广的煤种，由于蒸汽二次风需多消耗一定量的自用蒸汽，一般蒸汽二次风只运用在小容量工业锅炉上。4.4配风的预热从上述图6中可见，煤粒预先加热能够降低着火所需时间，特别对高水份煤降低的速率是较大的，但现实运行中预热炉排下配风决非预热燃料。炉排下的配风当采用预热温度很高的空气时，能够使巾近炉排表面的煤层加快升温和干燥过程，但对炉排来说，空气的预热温度是有限制的，太高，容易造成燃烧旺盛区炉排金属过热。在实用上，对烟煤，预热温度不大于200℃，对于湿泥煤则不大于300℃，而这种温度远不能构成燃料层下部着火。有文献表明，褐煤鼓送200℃热风时，上部煤层干燥速度不变，下部煤层干燥速度提高，但仍低于上部，中间煤层的干燥速度最慢，而且由于下部挥发的蒸汽上升凝结，它的水分反而稍有提高。空气的预热既不可能超过煤的着火间谍形成下部着火的条件，也不能得到加快上、中部煤层干燥速度的效果，因此预热炉排下的配风对层燃炉上煤的着火作用不大。4.5倒抽炉烟图8示出的装置，乃在预热着火区炉排下装有抽烟室，另布置一风机通过接通抽烟室的管道把炉膛内的高温烟气流经着火区而抽出，然后再打入一次风管道。由于预热区抽