陳建幫

廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司

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鍋爐低負荷燃燒建模及要素分析

陳建幫

廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司

通過對影響煤粉在爐內燃燒的幾大因素做簡要分析，并作出燃燒建模方法。結合鍋爐在實際低負荷運行期間，提出了適當?shù)娘L煤比和配風方式，在此基礎上，進一步對鍋爐運行參數(shù)進行深度優(yōu)化，改善了鍋爐低負荷的運行性能，提高了鍋爐整體安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

低負荷；燃燒建模；燃燒機理；應用

一、前言

煤粉幾乎是大型燃煤鍋爐唯一的燃燒方式。近年來由于各種因素的影響，電廠機組在低負荷運行時間在持續(xù)增長，因為煤粉在爐膛內的燃燒過程非常復雜，在此期間機組運行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性受到較大的威脅。為了獲得煤粉在爐內較好的燃燒效果，提高鍋爐低負荷運行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，本文對主要影響煤粉在爐內燃燒的因素做簡要分析，通過建立燃燒模型，以達到鍋爐低負荷運行的整體目標。

二、燃燒模型的建立

燃燒建模：將鍋爐燃燒的內在規(guī)律用具體的語言和方法表述出來，并將用這種方法分析出的結果返回到鍋爐的燃燒調整中去指導燃燒，利用這種方法進行燃燒分析及調整的過程就稱為建立鍋爐燃燒模型，簡稱燃燒建模。

燃燒建模的基本條件：

熟悉鍋爐設備的生產(chǎn)流程。

圖1 鍋爐設備的流程

鍋爐燃燒的基本機理

（一）著火溫度：煤粉由緩慢的氧化狀態(tài)轉變到反應能自動加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程被稱為著火。著火時反應系統(tǒng)的溫度稱為著火溫度。

表1 各煤種著火溫度一覽表

（二）著火熱：將煤粉氣流加熱到著火溫度所需要的熱量稱為著火熱。它包括加熱煤粉和一次風所需熱量以及煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需熱量。

1 ）煤粉接受著火熱的方式有三種：

卷吸高溫煙氣。

接受火焰的輻射。

上游鄰角高溫火焰的直接沖刷。

一般來說，單位質量的煤粉的著火熱越小，說明該煤粉氣流越容易著火。

2 ）煤粉燃燒的過程及分析：

參加燃燒的氧氣從周圍環(huán)境擴散到煤粉表面。

氧氣被煤粉表面吸附。

在煤粉表面進行燃燒化學反應。

燃燒產(chǎn)物由煤粉表面解吸附。

燃燒產(chǎn)物離開煤粉表面，擴散到周圍環(huán)境中。

煤粉的燃燒速度就取決于上述過程中進行的最慢的過程。

當爐膛溫度較低時（＜1000℃），煤粉表面的化學反應速度很慢，燃燒的化學反應所需要的氧量比起可能擴散到煤粉表面的氧量要少的多。這時對燃燒速度的影響主要就是燃燒化學反應的速度，也就是動力因素（爐膛溫度和煤的特性），所以這個溫度區(qū)被稱為動力燃燒區(qū)。

當爐膛溫度很高時（＞1400℃），由于反應速度隨著爐膛溫度升高急劇增大，以致煤粉表面的化學反應速度顯著地超過空氣向反應表面的輸氧速度。這時擴散到煤粉表面的氧遠不能滿足化學反應的需要，擴散速度已經(jīng)成為制約燃燒速度的主要因素，因而將這個溫度區(qū)稱為擴散燃燒區(qū)。

在上述兩燃燒區(qū)的中間溫度區(qū)，煤粉表面的化學反應速度和氧的擴散速度差不多，兩者對燃燒都有影響，這個溫度區(qū)被稱為過渡區(qū)。

3 ）影響煤粉著火的因素

1 、燃料的性質

揮發(fā)份

煤粉揮發(fā)份Vr降低時，煤粉氣流的著火溫度顯著升高，著火熱也隨之增大，著火距離增加，著火困難。

水分

原煤水分增大時，著火熱也隨之增大。同時由于一部分燃燒熱消耗在加熱水分并使其汽化和過熱上，也降低了爐膛溫度，對煤粉的著火產(chǎn)生不利影響。

灰份

煤中的灰份在燃燒過程中不但不能放出熱量，還要吸收熱量。灰份增加時，煤粉在著火和燃燒時就需要吸收更多的熱量，爐膛溫度降低，使著火穩(wěn)定性降低。

2 、煤粉細度

由于煤粉愈細，燃燒反應的表面積就愈大，而煤粉本身的熱阻就越小，所以愈細的煤粉能更快的達到著火溫度，從而加速了著火的過程。

3 、爐內散熱條件

當鍋爐低負荷的時候，燃燒器周圍的散熱條件就顯得特別重要。低負荷時禁止吹灰理。當爐膛吹灰時會增加水冷壁的吸熱量，同時降低了爐膛溫度。在低負荷降低爐膛溫度是很危險的。

4 、煤粉氣流的初溫度

煤粉氣流的初溫度也就是一次風溫。

5 、一次風量和風速

增大一次風量，就相應的增加了煤粉氣流的著火熱，將使著火過程推遲。減小一次風量，會使著火熱顯著降低，因而在同樣的卷吸煙氣量下，可將煤粉氣流更快地加熱到著火溫度。但是，如果一次風量過低，會由于著火燃燒初期得不到足夠的氧氣而使反應速度減慢阻礙著火的繼續(xù)擴展，由此可見，從煤粉著火燃燒考慮，對一定的煤種，一次風量有個最佳值。

一次風的出口風速對著火過程也有一定影響。風速過快，則通過氣流單位截面積的流量將過大，勢必降低煤粉氣流的加熱程度，使著火推遲。但一次風速過低時，會引起燃燒器噴口過熱燒壞，或者煤粉管道煤粉沉積，分層，甚至堵粉的現(xiàn)象。

6 、鍋爐的負荷變化

鍋爐負荷降低時，爐膛平均煙溫降低，燃燒器區(qū)域的煙溫也將降低。所以鍋爐負荷降低對煤粉著火是不利的。負荷越低，燃燒的穩(wěn)定性也就越差，當鍋爐負荷低到一定程度，就將危及著火的穩(wěn)定性，甚至引起滅火。

三、鍋爐燃燒模型的應用

1 、風煤比

風煤比即在一定容器中，風量與煤量混合時的比值。在實際的鍋爐燃燒過程中，風煤比存在著三種層次的含義：

一次風的風煤比

一次風的風煤比為1.5～1.8。

全爐膛的風煤比。

當爐膛的風量大于入爐燃料的實際需要風量時，燃燒反應后多余的風量不但不能促進燃燒，還會增加鍋爐的排煙損失，降低爐膛溫度，降低鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。當爐膛的風量小于入爐燃料的實際需要風量時，會造成入爐燃料燃燒的不完全，飛灰含碳量大幅度升高。適當?shù)臏p少風量，可以提高爐膛溫度，增強爐膛燃燒的穩(wěn)定性，但當鍋爐燃燒嚴重缺風時會造成爐膛火焰發(fā)紅發(fā)暗，同樣使爐膛溫度下降，降低爐膛燃燒的穩(wěn)定性，同時當鍋爐燃燒缺風時會造成爐膛內還原性氣氛的加重，降低了灰渣的熔點，使爐膛結焦。

對于整個鍋爐的燃燒而言，能體現(xiàn)風煤比的參數(shù)就是爐膛過剩氧量。只要能夠將爐膛過剩氧量控制在合適的范圍，就能夠將整個爐膛燃燒的風煤比基本控制在合適的范圍。

假設目前鍋爐的總煤量是100t/h。灰份占30%，10%的揮發(fā)份，60%的固定碳。10%的揮發(fā)份需要的氧氣大致相當于7%碳所需要的氧氣，所以我們可以簡化為灰份30%，固定碳67%。也就是67t/h的碳需要的空氣量。

C+O2=CO2+熱量

123244

由上反應式可得，大約需要氧氣178t/h，折算成空氣為850t/h，按過剩空氣系數(shù)1.2來算，則需要1020t/h。折算到標立方米為1020×103×22.4÷29=787kNm3/h區(qū)域性的風煤比。

爐膛局部區(qū)域的風煤比，對各煤層區(qū)域風煤比的控制就是調整各層二次風擋板的開度，也就是鍋爐燃燒調整上經(jīng)常說的“配風”。

2 、低負荷配風原則

1 、下層煤量多點，二次風量少一點，而上層煤量少點，風量多點（倒寶塔配風）；總體來說爐膛氧量放小點。

2 、如果倒寶塔配風時，主、再熱汽溫偏低，可考慮使用腰鼓式配風，即中間風量小，上下風量大，但同樣，爐膛的氧量要小一點。

3 、應視鍋爐噴口出粉情況適當降低一次風壓，但為了防止堵管，應保持一次風速18m/s以上。

4 、適當降低二次風壓，相對延遲二次風與一次風的切入點。

四、結束語

通過對影響煤粉在爐內燃燒的因素進行簡要分析，并建立燃燒模型，更清晰地了解鍋爐低負荷的運行特性，獲得了較為合適的經(jīng)濟運行參數(shù)，使得機組安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性得到進一步的提高。

［1］趙敏.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)建模及優(yōu)化研究［D］.浙江大學，2010.

［2］孫劍.大型循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)特性與建模研究［D］.華北電力大學（北京），2010.