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    2. 【鍋爐百科】鍋爐燃燒理論

      發布時間:2022-09-05 10:09:36 閱讀次數:35


      1燃燒煤粉對爐膛的要求


      爐膛作為燃燒室,是保證爐膛正常運行的先決條件之一。燃燒煤粉時,對爐膛的要求是:
      1)創造良好的著火、穩燃條件,并使燃料在爐內完全燃盡;
      2)爐膛受熱面不結渣;
      3)布置足夠的蒸發受熱面,并不發生傳熱惡化;
      4)盡可能減少污染物的生成量;
      5)對煤質和負荷復合有較寬的適應性能,以及連續運行的可靠性。


      2煤粉在爐膛內的燃燒過程


      燃料從入爐內開始到燃燒完畢,大體上可分為如下三個階段:

      1)著火前準備階段
      從燃料入爐至達到著火溫度這一階段稱準備階段。在這一階段內,要完成水份蒸發,揮發份析出、燃料與空氣混合物達到著火溫度。顯然,這一階段是吸熱過程,熱量來源是火焰輻射及高溫煙氣回流。影響準備階段時間長短的因素除燃燒器本身外,主要是爐內熱煙氣為煤粉氣流提供熱量的強弱,煤粉氣流的數量、溫度、濃度、揮發份含量及煤粉細度等。

      2)燃燒階段
      當達到著火溫度后,揮發份首先著火燃燒,放出熱量,使溫度升高,焦炭被加熱到較高溫度而開始燃燒。燃燒階段是強烈的放熱過程,溫度升高較快,化學反應強烈,這時碳粒表面往往會出現缺氧狀態。強化燃燒階段的關鍵是加強混合,使氣流強烈擾動,以便向碳粒表面提供氧氣,而將碳粒表面的二氧化碳擴散出去。

      3)燃盡階段
      主要是將燃燒階段未燃盡的碳燒完。燃盡階段剩余的碳雖然不多,但要完全燃盡卻很困難,主要是存在著諸多不利于完全燃燒的因素,如少量的固定碳被灰包圍著;氧氣濃度已較低;氣流的擾動漸趨衰減;爐內溫度在逐步降低。如果燃料的揮發份低、灰份高、煤粉粗、爐膛容積小,完全燃盡將更困難。據試驗,對細度R90=5%的煤粉,其中97%的可燃物可在25%的時間內燃盡,而其余3%的可燃物卻要75%的時間才能燃盡。這也是實際鍋爐中不可能使可燃物徹底燃盡的基本原因。


      3影響燃燒的因素


      燃燒速度反映單位時間燒去可燃物的數量。

      由于燃燒是復雜的物理化學過程,燃燒速度的快慢,取決于可燃物與氧的化學反應速度以及氧和可燃物的接觸混合速度。
      前者稱化學反應速度,也稱化學條件;后者稱物理混合速度,也稱物理條件。
      化學反應速度與反應空間的壓力、溫度、反應物質濃度有關,且成正比。
      對于鍋爐的實際燃燒,影響化學反應速度的主要因素是爐內溫度,爐溫高,化學反應速度快。

      燃燒速度除與化學反應速度有關外,還取決氣流向碳粒表面輸送氧氣的快慢,即物理混合速度。
      而物理混合速度取決于空氣與燃料的相對速度、氣流擾動情況、擴散速度等。
      化學反應速度、物理混合速度是相互關聯的,對燃燒速度均起制約作用。
      例如,高溫條件下應有較高的化學反應速度,但若物理混合速度低,氧氣濃度下降,可燃物得不到充足的氧氣供應,結果燃燒速度也必然下降。
      因此,只有在化學條件和物理條件都比較適應的情況下,才能獲得較快的燃燒速度。

      燃燒能迅速而又完全燃燒的基本條件主要有:
      1)相當高的爐膛溫度:
      溫度是燃燒化學反應的基本條件,對燃料的著火、穩定燃燒、燃盡均有重大影響,維持爐內適當高的溫度是至重要的。當然,爐內溫度太高時,需要考慮鍋爐的結渣問題。
      2)適量的空氣供應:
      適量的空氣供應,是為燃料提供足夠的氧氣,它是燃燒反應的原始條件??諝夤蛔?,可燃物得不到足夠的氧氣,也就不能達到完全燃燒。但空氣量過大,又會導致爐溫下降及排煙損失增大。
      3)良好的混合條件:
      混合是燃燒反應的重要物理條件?;旌鲜範t內熱煙氣回流對煤粉氣流進行加熱,以使其迅速著火?;旌鲜範t內氣流強烈擾動,對燃燒階段向碳粒表面提供氧氣,向外擴散二氧化碳,以及燃燒后期促使燃料的燃盡,都是必不可少的條件。
      4)足夠的燃燒時間:
      燃料在爐內停留足夠的時間,才能達到可燃物的高度燃盡,這就要求有足夠大的爐膛容積。爐膛容積與鍋爐容量成正比。當然爐膛容積也與燃料燃燒特性有關,易于燃燒的燃料,爐膛容積可相對小些。比如相同容量的鍋爐,燃油爐的爐膛容積要比煤粉爐的小,而燒無煙消云散煤的爐膛容積要比燒煙煤的爐膛容積稍大些。


      4改善燃燒的措施


      1)適當提高一次風溫度:
      提高一次溫可減小著火熱需要量,使煤粉氣澈入爐后迅速達到著火溫度。當然,一次風溫的高低是根據不同煤種來定的,對揮發份高的煤,一次風溫就可以低些。

      2)適當控制一次風量:
      一次風量小,可減小著火熱需要量,利于煤粉氣流的迅速著火。但最小的一次風量也應滿足揮發份燃燒對氧氣的需要量,揮發份高的煤一次風量要大些。

      3)合適的煤粉細度:
      煤粉越細,相對表面積越大,本身熱阻小,揮發份析出快,著火容易于達到完全燃燒。但煤粉過細,要增大廠用電量,所以應根據不同煤種,確定合理的經濟細度。

      4)合理的一、二次風速:
      一、二次風速對煤粉氣流的著火與燃燒有著較大影響。因為一、二次風速影響熱煙氣的回流,從而影響到煤粉氣流的加熱情況;一、二次風速影響一、二次風混合的遲早,從而影響到燃燒階段的進展;一、二次風速還影響燃燒后期氣流擾動的強弱,從而影響燃料燃燒的完全程度。因此,必須根據煤種與燃燒器型式,選擇適當的一、二次風速度。

      5)維持燃燒區域適當高溫:
      適當高的爐溫,是煤粉氣流著火與穩定燃燒的基本條件。爐溫高,煤粉氣流被迅速加熱而著火,燃燒反應也迅速,并為保證完全燃燒提供條件。故在燃燒無煙煤或其它劣質煤時,常在燃燒區設衛燃燒帶或采取其它措施,以提高爐溫。當然,在提高爐溫時,要考慮防止出現結渣的可能性。

      6)適當的爐膛容積與合理的爐膛形狀:
      爐膛容積大小,決定燃料在爐內停留時間的長短,從而影響其完全燃燒程度,故著火、燃燒性能差的燃料,爐膛容積要大些,這種燃料還要求維持燃燒區域高溫,故常需要選用爐膛燃燒區域斷面尺寸較小的瘦高型爐膛。

      7)鍋爐負荷維持在適當范圍內:
      鍋爐負荷低時,爐內溫度下降,對著火、燃燒均不利,使燃燒穩定性變差。鍋爐負荷過高時,燃料在爐內停留時間短,出現不完全燃燒。同時由于爐溫的升高,還有可能出現結渣及其它問題。因此,鍋爐負荷應盡可能地在許可的范圍內調度。


      5鍋爐運行中穩定燃燒的措施


      1.實現穩定著火的兩個條件:
      1)放熱量和散熱量達到平衡,放熱量等于散熱量。
      2)放熱速度大于散熱速度如果不具備這兩個條件,即使在高溫狀態下也不能穩定著火,燃燒過程將因火焰熄滅而中斷,并不斷向緩慢氧化的過程發展。

      2.實現穩定著火的措施
      放熱速度與散熱速度是相互作用的。在實際爐膛內,當燃燒處于高負荷狀態時,由于燃煤量增加,燃燒放熱量比較大,而散熱量變化不大,因此使爐內維持高溫狀態。在高負荷運行時,容易穩定著火。
      當燃燒處于低負荷運行時,由于燃煤量減少,燃燒放熱量隨之減小,這時相對于單位放熱量的散熱條件卻大為增加,散熱速度加快,因此爐內火焰溫度與水冷壁表面溫度下降,使燃燒反應速度降低,因而放熱速度也就變慢,進一步使爐內處于低溫狀態。
      在低負荷運行狀態下,穩定著火比較困難,因此需要投入助燃油等燃料來穩定著火燃燒。對于低反應能力的無煙煤和劣質煙煤,不但著火困難,而且難于穩燃,因而容易熄火“打炮”。

      從以上分析,可得到提示:
      1)著火和燃燒溫度與水冷壁面積、進入爐內的新氣流初溫度相關。
      2)在爐內可自動到達穩定著火狀態,如果點火區的溫度與燃料的活性不相適應,就需投入助燃油或采用強化著火的措施。


      6影響鍋爐熱效率的因素分析


      1.氧 量
      入爐總風量的大小與鍋爐熱效率的高低密切相關,總風量過大會使排煙熱損失增加;總風量過小,則會使煤粉燃燒不充分,煙氣中CO含量、飛灰可燃物含量和爐渣可燃物含量增加,致使化學和機械未完全燃燒損失增加;總風量的大小也對主汽溫和再熱汽溫產生影響,因此選取合理的入爐總風量,可使總的熱損失最小,鍋爐熱效率達到最高,同時在低負荷時又能保持較高的汽溫。

      2.爐膛—風箱壓差
      在鍋爐負荷與爐膛出口氧量不變的條件下,爐膛—風箱壓差的高低關系到輔助風、燃料風和燃燼風彼此間風量的比例,比例大小對煤粉燃燒的穩定性、燃燼性及NOx的排放量有極大的影響,因此選擇合理的爐膛—風箱壓差,會提高鍋爐的安全性和經濟性。

      3.燃盡風風量
      燃燒器最上1層為燃燼風噴口,燃燼風的作是實現分級燃燒,減少熱力型NOx生成,補充燃燒后期所需氧。燃盡風風量的大小影響NOx的排放量和碳粒子的燃燼程度。此項試驗只考慮燃盡風風量對鍋爐燃燒的影響。

      4.燃燒器擺角
      燃燒器噴嘴設計為上下可擺動,主要是通過改變爐膛火焰中心高度調節再熱汽溫和過熱汽溫,但火焰中心高度的改變對煤粉燃燼產生一定影響。燃燒器向上擺動,飛灰可燃物增加,鍋爐效率降低,減溫水量增加。

      5.一次風風速
      機組帶600MW負荷,鍋爐其它運行參數不變,通過改變磨煤機入口風量來改變一次風噴嘴風速。由于受制粉系統的限制,一次風風速很難大范圍變化,因此鍋爐熱效率幾乎沒有變化,這說明一次風風速在小范圍內變化對鍋爐熱效率沒有多大影響。

      6.煤粉細度
      煤粉細度變小,飛灰可燃物含量和爐渣可燃物含量降低,鍋爐熱效率提高。

      7.投磨方式
      磨煤機分別組合運行,鍋爐熱效率相差較小,但對汽溫影響較大。



      7爐膛結渣的運行因素



      受熱面結渣過程與多種復雜因素有關。
      任何原因的結渣都有兩個基本條件構成,一是火焰貼近爐墻時,煙氣中的灰仍呈熔化狀態,二是火焰直接沖刷受熱面。

      但是,與這兩個因素相關的具體原因很復雜。這些因素是:
      1.煤灰特性和化學組成煤灰特性主要表現在兩個方面:一是煤灰的熔點溫度,二是灰渣的粘性。一般灰熔點低的煤容易結渣,與此同時,低灰熔點的灰份通常粘附性也強,因而增加了結渣的可能性。
      在運行條件變化時,煤灰的結渣特性也可能灰變化。例如,爐膛溫度升高,或受熱表面積灰導致壁面溫度升高,火爐內局部地區產生還原性氣氛,使灰的熔點溫度降低時,結渣傾向就可能增加。

      2.爐膛溫度水平爐內燃燒器區域的溫度越高,煤灰越容易達到軟化或熔融狀態,結渣的可能性就越大。而影響燃燒器區域溫度水平的因素也很多。例如,前述的斷面熱強度與燃燒器區域的壁面熱強度、燃料的發熱量、水份含量以及鍋爐負荷的變化等。
      如果鍋爐改燒發熱量大的同類煤時,由于燃放熱增多,燃燒器區域溫度水平就高,結渣的可能性就大。而鍋爐負荷越高,送入爐內的熱量也越多,結渣的可能性也越大。

      3.火焰貼墻對于四角布置直流式燃燒器的爐膛,煤粉氣流由于受到氣流剛度,補氣條件和鄰角氣流的撞擊等影向而引起火焰貼墻時,這必然結渣。對于布置旋流式燃燒器的爐膛,當旋流強度太大時,會引起火焰貼壁。
      或某只燃燒器的旋流強度過小,氣流射程太長時,可能使氣流直沖對面爐墻或頂撞對面的火焰而導致結渣。

      4.過量空氣系數當爐內局部區域過量空氣過小且煤粉與空氣混合不均勻時,可能產生還原性氣氛,而煤粉在還原性氣氛不能充分氧化,灰份中的Fe2O3被還原成FeO,FeO與SiO2等形成共晶體,其熔點溫度就會降低,有時會使熔點下降150~200oC,因而,結渣傾向隨之增加。
      或者,采用高煤粉濃度燃燒方式時,由于燃燒放熱過于集中,使局部區域溫度升高且處于還原性氣氛,結渣也會傾向嚴重。當然這也與灰的熔融特性有關。

      5.煤粉細度粗煤粉的燃燒時間比較長,當煤粉中粗煤粉的比例增加時,容易引起火焰延長,導致爐膛出口處的受熱面結渣。

      6.吹灰吹灰器長期不投,受熱面積灰增多時,可能導致結渣。

      7.燃用混煤鍋爐燃用混煤時,灰渣的特性有可能改變。一般結渣性強的煤與結渣性弱的煤混合時,結渣會減輕。

      鍋爐結渣是多種因素綜合影響的結果,不過總是有幾個關鍵因素起先導作用。比較重要的因素是煤灰的熔融特性、水冷壁的冷卻能力、以及火焰貼墻等。


      8爐膛負壓


      煤粉爐通常采用負壓燃燒,負壓燃燒是指爐內壓力比外界大氣壓力低2~6mm水柱。

      維持正常的爐膛負壓,不僅對鍋爐經濟運行作用很大,而且對運行調節十分有益。正常的爐膛負壓值是依靠調節送風機和引風機的擋板開度實現的,但主要是靠調節引風機的擋板開度來控制的。如果引風機出力不足,或擋板調節失靈時,爐內可能出現正壓狀態。此時,煙氣或火焰向外泄漏,不僅污染工作環境,而且對設備及人身構成危險。

      當然負壓太大也是不允許的。爐膛負壓太大,說明引風機抽吸力過大。此時,爐內氣流明顯向上翹,火焰中心上移,爐膛出口煙溫升高,引起汽溫升高或過熱器結渣。氣流上翹,火焰行程縮短,導致不完全燃燒。
      爐膛負壓急劇升高時,還可能發生爐膛內爆事故。

      內爆會造成水冷壁損壞或人身事故。
      內爆產生的原因一:引風機運行不正常,靜壓頭過高或擋板運行不良;二:因滅火而切斷燃料供應時,爐膛負壓急劇升高。
      因此,在切斷燃料的同時,應適當關小引風機擋板,以免負壓劇增。

      此外,大型機組應設置爐內壓力報警和安全保護裝置。爐膛負壓波動時,也可能是爐內壓力波動變化造成的。此時表明燃燒處于不穩定狀態。燃燒脈動時,負壓也隨著脈動。所以,爐膛負壓是燃燒調整和鍋爐保護的重要參數。

      爐膛負壓由極低突變正壓,此過程發生的時間極短,只有1~2秒,正壓值極高。這種情況下,極可能發生爐膛爆炸或“打炮”。
      對于自動化程度比較高的鍋爐,爐膛負壓超限時,控制系統會自動發出報警或保護動作。但當控制系統處于手動狀態時,則必須做出準確、迅速的判斷和處理。

      大型鍋爐運行中,爐膛爆炸現象極少發生,但是一旦發生,破壞性很大。因為爐膛爆炸的發生時間很短,只有1~2秒。所以,如何把燃料安全適當地送入爐內并對可能發生的爆炸做出判斷是十分重要的。

      爐膛爆炸的原因是數量過多的燃料和空氣在爐膛內未能及時著火燃燒,而以極高的速度進行化學反應,當具有足夠的著火熱源時,在瞬間形成可燃性氣體,氣體容積急劇增加,爐內壓力和溫度急劇升高。

      需要注意的是,在鍋爐點火階段或燃燒不穩定時,如果爐內積聚了大量的未燃燃料,此時點火這很有可能造成爆炸。因此,運行人員必須嚴格,準確地按照運行規程的操作順序控制燃料和空氣的投入并熟練掌握點火程序以及具有快速、準確的判斷能力。

      事實上,在破壞性爐膛爆炸發生之前,總要發生一些先導性事件。
      例如,燃料的著火性能變差或點火裝置的能量不足以及未及時投入點火裝置。由于這些條件的變化,使送入爐內的燃料與空氣未能及時轉變為不易反應的氧化物或惰性產物,因而積累了大量活性可燃易爆產物。這種積累過程需要持續相當長的時間。即爆炸發生前總要有一段較長的孕育時間。


      9爐膛負低負荷穩燃技術


      1.提高一次風氣流中的煤粉濃度提高一次風氣流中的煤粉濃度,減少一次風量,可減少著火熱;同時又提高了煤粉氣流中揮發份的濃度,使火焰傳播速度提高;再加上燃燒放熱相對集中,使著火區保持高溫狀態。

      這三個條件集中在一起,強化了著火條件,使著火穩定性提高。

      當然,煤粉濃度并不是越高越好。煤粉濃度過高時,由于著火區嚴重缺氧,而影響揮發份的充分燃燒,造成大量煤煙的產生,此時還因揮發份中的熱量沒有充分釋放出來,影響顆粒溫度的升高,延緩著火?;蛘咭驌]發份燃燒缺氧,使火焰不能正常傳播,而引起著火不穩定。

      可見,存在一個有利于穩定著火的最佳煤粉濃度。有利于著火的最佳煤粉濃度與煤種有關,揮發份大的煙煤,其最佳煤粉濃度低于揮發份小的貧煤。

      2.提高煤粉氣流初溫提高煤粉氣流初溫,可減少煤粉氣流的著火熱,并提高爐內溫度水平,使著火提前。提高煤粉氣流初溫的直接辦法是提高熱風溫度。

      3.提高煤粉顆粒細度煤粉的燃燒反應主要是在顆粒表面上進行的,煤粉顆粒越細,單位質量的煤粉表面積越大,火焰傳播速度越快。燃燒速度就越高,火焰傳播速度越快,燃燒放熱速度越快,煤粉顆粒就越容易被加熱,因而也越容易穩定燃燒。
      試驗研究發現,煤粉燃盡時間與顆粒直徑的平方成正比,當鍋爐燃用煤質一定時,提高煤粉細度能顯著提高煤粉氣流著火的穩定性。不過煤粉顆粒細度受磨煤出力與磨煤電耗的限制,不可能任意提高。

      4.在難燃煤中加入易燃燃料當鍋爐負荷很低或煤質很差時,可投入助燃用霧化燃油或氣體燃料,混入燃燒器出口的煤粉氣流中,來改善煤粉的燃燒特性,維持著火的穩定性,有時為了節省燃油,也可混入揮發份較大的煤粉,以提高著火的穩定性。


      文章來源:鍋爐專業


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