鍋爐低負(fù)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

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鍋爐低負(fù)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(guò)對(duì)影響煤粉在爐內(nèi)燃燒的幾大因素做簡(jiǎn)要分析，并作出燃燒建模方法。結(jié)合鍋爐在實(shí)際低負(fù)荷運(yùn)行期間，提出了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比和配風(fēng)方式，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行深度優(yōu)化，改善了鍋爐低負(fù)荷的運(yùn)行性能，提高了鍋爐整體安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

低負(fù)荷；燃燒建模；燃燒機(jī)理；應(yīng)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(lái)由于各種因素的影響，電廠機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間在持續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)槊悍墼跔t膛內(nèi)的燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，在此期間機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性受到較大的威脅。為了獲得煤粉在爐內(nèi)較好的燃燒效果，提高鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)主要影響煤粉在爐內(nèi)燃燒的因素做簡(jiǎn)要分析，通過(guò)建立燃燒模型，以達(dá)到鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行的整體目標(biāo)。

二、燃燒模型的建立

燃燒建模：將鍋爐燃燒的內(nèi)在規(guī)律用具體的語(yǔ)言和方法表述出來(lái)，并將用這種方法分析出的結(jié)果返回到鍋爐的燃燒調(diào)整中去指導(dǎo)燃燒，利用這種方法進(jìn)行燃燒分析及調(diào)整的過(guò)程就稱為建立鍋爐燃燒模型，簡(jiǎn)稱燃燒建模。

燃燒建模的基本條件：

熟悉鍋爐設(shè)備的生產(chǎn)流程。

圖1 鍋爐設(shè)備的流程

鍋爐燃燒的基本機(jī)理

（一）著火溫度：煤粉由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到反應(yīng)能自動(dòng)加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過(guò)程被稱為著火。著火時(shí)反應(yīng)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(fēng)所需熱量以及煤粉中水分蒸發(fā)、過(guò)熱所需熱量。

1 ）煤粉接受著火熱的方式有三種：

卷吸高溫?zé)煔狻?/p>

接受火焰的輻射。

上游鄰角高溫火焰的直接沖刷。

一般來(lái)說(shuō)，單位質(zhì)量的煤粉的著火熱越小，說(shuō)明該煤粉氣流越容易著火。

2 ）煤粉燃燒的過(guò)程及分析：

參加燃燒的氧氣從周圍環(huán)境擴(kuò)散到煤粉表面。

氧氣被煤粉表面吸附。

在煤粉表面進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng)。

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(kuò)散到周圍環(huán)境中。

煤粉的燃燒速度就取決于上述過(guò)程中進(jìn)行的最慢的過(guò)程。

當(dāng)爐膛溫度較低時(shí)（＜1000℃），煤粉表面的化學(xué)反應(yīng)速度很慢，燃燒的化學(xué)反應(yīng)所需要的氧量比起可能擴(kuò)散到煤粉表面的氧量要少的多。這時(shí)對(duì)燃燒速度的影響主要就是燃燒化學(xué)反應(yīng)的速度，也就是動(dòng)力因素（爐膛溫度和煤的特性），所以這個(gè)溫度區(qū)被稱為動(dòng)力燃燒區(qū)。

當(dāng)爐膛溫度很高時(shí)（＞1400℃），由于反應(yīng)速度隨著爐膛溫度升高急劇增大，以致煤粉表面的化學(xué)反應(yīng)速度顯著地超過(guò)空氣向反應(yīng)表面的輸氧速度。這時(shí)擴(kuò)散到煤粉表面的氧遠(yuǎn)不能滿足化學(xué)反應(yīng)的需要，擴(kuò)散速度已經(jīng)成為制約燃燒速度的主要因素，因而將這個(gè)溫度區(qū)稱為擴(kuò)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(xué)反應(yīng)速度和氧的擴(kuò)散速度差不多，兩者對(duì)燃燒都有影響，這個(gè)溫度區(qū)被稱為過(guò)渡區(qū)。

3 ）影響煤粉著火的因素

1 、燃料的性質(zhì)

揮發(fā)份

煤粉揮發(fā)份Vr降低時(shí)，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(shí)，著火熱也隨之增大。同時(shí)由于一部分燃燒熱消耗在加熱水分并使其汽化和過(guò)熱上，也降低了爐膛溫度，對(duì)煤粉的著火產(chǎn)生不利影響。

灰份

煤中的灰份在燃燒過(guò)程中不但不能放出熱量，還要吸收熱量?；曳菰黾訒r(shí)，煤粉在著火和燃燒時(shí)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(xì)度

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

3 、爐內(nèi)散熱條件

當(dāng)鍋爐低負(fù)荷的時(shí)候，燃燒器周圍的散熱條件就顯得特別重要。低負(fù)荷時(shí)禁止吹灰理。當(dāng)爐膛吹灰時(shí)會(huì)增加水冷壁的吸熱量，同時(shí)降低了爐膛溫度。在低負(fù)荷降低爐膛溫度是很危險(xiǎn)的。

4 、煤粉氣流的初溫度

煤粉氣流的初溫度也就是一次風(fēng)溫。

5 、一次風(fēng)量和風(fēng)速

增大一次風(fēng)量，就相應(yīng)的增加了煤粉氣流的著火熱，將使著火過(guò)程推遲。減小一次風(fēng)量，會(huì)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(fēng)量過(guò)低，會(huì)由于著火燃燒初期得不到足夠的氧氣而使反應(yīng)速度減慢阻礙著火的繼續(xù)擴(kuò)展，由此可見，從煤粉著火燃燒考慮，對(duì)一定的煤種，一次風(fēng)量有個(gè)最佳值。

一次風(fēng)的出口風(fēng)速對(duì)著火過(guò)程也有一定影響。風(fēng)速過(guò)快，則通過(guò)氣流單位截面積的流量將過(guò)大，勢(shì)必降低煤粉氣流的加熱程度，使著火推遲。但一次風(fēng)速過(guò)低時(shí)，會(huì)引起燃燒器噴口過(guò)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(fù)荷變化

鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，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(fù)荷降低對(duì)煤粉著火是不利的。負(fù)荷越低，燃燒的穩(wěn)定性也就越差，當(dāng)鍋爐負(fù)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(yīng)用

1 、風(fēng)煤比

風(fēng)煤比即在一定容器中，風(fēng)量與煤量混合時(shí)的比值。在實(shí)際的鍋爐燃燒過(guò)程中，風(fēng)煤比存在著三種層次的含義：

一次風(fēng)的風(fēng)煤比

一次風(fēng)的風(fēng)煤比為1.5～1.8。

全爐膛的風(fēng)煤比。

當(dāng)爐膛的風(fēng)量大于入爐燃料的實(shí)際需要風(fēng)量時(shí)，燃燒反應(yīng)后多余的風(fēng)量不但不能促進(jìn)燃燒，還會(huì)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(dāng)爐膛的風(fēng)量小于入爐燃料的實(shí)際需要風(fēng)量時(shí)，會(huì)造成入爐燃料燃燒的不完全，飛灰含碳量大幅度升高。適當(dāng)?shù)臏p少風(fēng)量，可以提高爐膛溫度，增強(qiáng)爐膛燃燒的穩(wěn)定性，但當(dāng)鍋爐燃燒嚴(yán)重缺風(fēng)時(shí)會(huì)造成爐膛火焰發(fā)紅發(fā)暗，同樣使?fàn)t膛溫度下降，降低爐膛燃燒的穩(wěn)定性，同時(shí)當(dāng)鍋爐燃燒缺風(fēng)時(shí)會(huì)造成爐膛內(nèi)還原性氣氛的加重，降低了灰渣的熔點(diǎn)，使?fàn)t膛結(jié)焦。

對(duì)于整個(gè)鍋爐的燃燒而言，能體現(xiàn)風(fēng)煤比的參數(shù)就是爐膛過(guò)剩氧量。只要能夠?qū)t膛過(guò)剩氧量控制在合適的范圍，就能夠?qū)⒄麄€(gè)爐膛燃燒的風(fēng)煤比基本控制在合適的范圍。

假設(shè)目前鍋爐的總煤量是100t/h?；曳菡?0%，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(dāng)于7%碳所需要的氧氣，所以我們可以簡(jiǎn)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(yīng)式可得，大約需要氧氣178t/h，折算成空氣為850t/h，按過(guò)?？諝庀禂?shù)1.2來(lái)算，則需要1020t/h。折算到標(biāo)立方米為1020×103×22.4÷29=787kNm3/h區(qū)域性的風(fēng)煤比。

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

2 、低負(fù)荷配風(fēng)原則

1 、下層煤量多點(diǎn)，二次風(fēng)量少一點(diǎn)，而上層煤量少點(diǎn)，風(fēng)量多點(diǎn)（倒寶塔配風(fēng)）；總體來(lái)說(shuō)爐膛氧量放小點(diǎn)。

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

3 、應(yīng)視鍋爐噴口出粉情況適當(dāng)降低一次風(fēng)壓，但為了防止堵管，應(yīng)保持一次風(fēng)速18m/s以上。

4 、適當(dāng)降低二次風(fēng)壓，相對(duì)延遲二次風(fēng)與一次風(fēng)的切入點(diǎn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)影響煤粉在爐內(nèi)燃燒的因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并建立燃燒模型，更清晰地了解鍋爐低負(fù)荷的運(yùn)行特性，獲得了較為合適的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，使得機(jī)組安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性得到進(jìn)一步的提高。

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