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不同燃料对锅炉燃烧影响分析

放大字体 缩小字体 发布日期:2017-05-10  来源:环保锅炉网  编辑:环保锅炉网  浏览次数:2481
燃烧不同种类的燃料,对应不同的锅炉结构、燃烧基本环节和工作过程以及温度控制等。主要针对不同煤种对锅炉本体结构、受热面、温度、安全性、水循环等方面的影响进行简要的分析。

1 引言

电站锅炉燃料包括固体燃料、液体燃料、气体燃料。其中消耗最大的是煤。煤的关键参数包括元素分析成分(包括碳、氢、氧、氮、硫)、工业分析成分(包括固定碳、挥发分、水分、灰分)和低位发热量等。不同燃料,或者同种燃料成分不同,都会对锅炉的本体结构、燃烧情况和控制量产生较大影响。

2 固体燃料、液体燃料、气体燃料燃烧的区别

固体燃料如煤、城市垃圾等,首先经过干燥、加热,挥发性成分析出后,其中的可燃部分与空气中的氧气反应,燃烧,剩下的固体残留物中的可燃物与氧气发生燃烧反应,最后剩下不可燃固体物质,如无机矿物质等。固体燃料的燃烧是扩散燃烧,即使温度较低时也可能发生,但仍然是氧气向固体表面扩散、燃烧、产物向周围空间扩散的过程。

液体燃料如各种油,首先需要加热、降低黏度,然后雾化,在高温下液滴群蒸发形成油蒸汽流,与空气接触、燃烧。液体燃料的燃烧过程是一个依靠扩散实现的燃烧过程。

气体燃料的燃烧可以通过人为控制燃料和空气的混合时间。预混燃烧是指燃烧前燃料与空气已按所需的空燃比混合,火焰长度最短,火焰几乎无色,温度最高。而半预混火焰的形成是由于燃烧前燃料与少量空气混合,火焰长度及温度中等。如果在燃烧前燃料与空气没有混合,只在燃烧时在火焰面上接触、燃烧,这种火焰称为扩散火焰,火焰长度最长,火焰温度最低。

3 不同煤种的影响

3.1 锅炉本体结构

3.1.1 煤的发热量及挥发分降低

燃煤发热量、挥发分降低会使着火热提高,着火难度增加,煤粉锅炉的炉膛截面积应有所降低;会延长煤粉气流的燃尽时间,煤粉锅炉的炉膛高度应有所增加;要求热风温度达到380-400℃,因此省煤器的烟气出口温度有所提高,在给水温度不变的条件下,为保证省煤器的吸热量不变,需增加省煤器的受热面积;会影响摆动燃烧器喷嘴对再热蒸汽温度的调节效果,应改用分隔尾部烟道、挡板调温。

3.1.2 煤粉粒径改变

如果将煤粉粒径降低到1-100nm,煤粉颗粒可分为可燃质颗粒和非可燃质颗粒。可燃质颗粒的比表面积增加很多,燃烧反应速度非常快,则炉膛高度会大大降低,而锅炉的结构随着煤种的变化而变化的幅度会降低。非可燃质颗粒的比表面积也很大,大部分颗粒会聚团、熔化形成粒径较大的飞灰颗粒。因此纳米煤粉颗粒的燃烧过程形成的底渣份额很低。但由于纳米煤粉的快速反应性能,磨煤机、煤粉仓及煤粉管道中的一次风发生爆炸燃烧的可能性会大大增加,因此纳米煤粉气流的燃烧器一次风喷嘴要增设防止回火的装置。

3.2 受热面

3.2.1 挥发分降低

燃煤挥发分降低,锅炉炉膛容积不变,炉膛横截面积减小,炉膛高度增加,水冷壁面积增加;热风温度升高,空气预热器面积增加;热风温度升高,省煤器进口烟气温度升高幅度小于出口烟气温度升高的幅度,为达到额定吸热比例,省煤器面积增加;过量空气系数增加,烟气的温度有所降低,过热器及再热器的面积增加。

3.2.2 省煤器

(1)省煤器面积与煤质参数的关系(锅炉容量一定)。

对于燃烧优质烟煤、劣质烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤的锅炉,热风温度依次升高,省煤器所在烟道出口烟气温度也依次升高,省煤器的烟气与工质之间的温差则依次减小,而省煤器的面积依次增大。

(2)燃煤挥发分降低、发热量降低、灰分增加。

燃煤的挥发分降低会使煤粉的燃尽时间延长,水冷壁吸热相对不足,锅炉蒸发量减小,出力不足。为了维持锅炉出力,必须投入更多的煤,烟气温度升高、烟气量增加,增加了省煤器的吸热量,同时也降低了飞灰颗粒对省煤器的磨损。而燃煤的发热量降低,一般会伴随着煤的挥发分的降低和灰分的增加,过量空气系数会增加,烟气量增加,烟气流速加快,烟气中含有的飞灰浓度有所提高,省煤器的磨损会更加严重。

3.2.3 水冷壁、过热器吸热比例

为了稳定燃烧,若燃煤的挥发分、发热量降低,必须增加过量空气系数,则炉膛烟气温度必然降低,水冷壁的蒸发量下降,由炉膛的辐射换热量公式可知,炉膛烟气温度的降低对辐射换热量的影响是4次幂的关系。为了维持锅炉的蒸发量,需按相同的空燃比增加燃料和空气,烟气流量增加,因烟道通流面积不变,过热器所在烟道的烟气流速也增加,根据稳态强制对流的准则方程得,烟气流速的增加对烟气侧对流换热系数的影响是烟气流速的n次幂,n=0.6-0.65。综上所诉,燃煤的挥发分和发热量降低,较多的减少了炉膛辐射换热量,而较少的增加了过热器的对流换热量,即水冷壁的吸热比例下降,过热器的吸热比例上升。

3.2.4 燃煤的发热量与水冷壁污染系数的关系

若所燃用的煤种的发热量明显低于设计煤种,则煤粉颗粒群的燃尽时间延长,过量空气系数大于设计值,理论燃烧温度降低,炉膛内的烟气温度也降低,使较少的灰分熔化、蒸发,水冷壁的污染程度降低,污染系数增加。反之,污染系数降低。

3.3 温度

3.3.1 不同煤种的速率常数对温度的敏感性

根据阿雷尼乌斯定律k=k0exp(-E/(RT)),通用气体常数R和频率因子k0不变,活化能E与煤种有关,活化能的数值排序为无烟煤>贫煤>烟煤>褐煤,因此煤粉燃烧速度对温度的敏感性为无烟煤>贫煤>烟煤>褐煤。

3.3.2 对汽温的影响

水分、灰分增加,或挥发分、发热量、煤粉细度降低,都会造成煤粉着火推迟,火焰中心位置上移,水冷壁吸热能力降低,过热器、再热器吸热能力相对增加,过热蒸汽和再热蒸汽温度升高。

3.4 煤粉锅炉低NOx燃烧技术

燃煤的发热量、挥发分降低,使着火不稳定,使煤粉燃尽时间延长,炉膛内的燃烧中心位置垂直向上移动。低NOx燃烧技术要求在主燃区的过量空气系数a<1.0,这对着火稳定性不利,会使焦炭在燃烧过程形成的烟气中CO浓度升高,造成较多的气体不完全燃烧损失。可以通过增加燃烧器区域的卫燃带面积,以提高燃烧器区域的温度,从而保证燃烧稳定。

3.5 煤粉锅炉水循环动力

燃煤的发热量降低、挥发分降低、水分提高、或者灰分提高,均导致过量空气系数提高,烟气量增加,炉膛烟气温度降低,水冷壁吸热量相对不足,自然循环水动力下降。反之,如果燃煤的发热量升高、挥发分提高、水分降低、或者灰分降低,都会使过量空气系数降低,烟气量减少,炉膛烟气温度提高,水冷壁吸热量相对过剩,自然循环水动力提高。

对于自然循环锅炉,考虑到其自补偿特性,燃煤的煤质参数波动不会引起自然循环的故障。对于控制循环锅炉和超临界直流锅炉,煤质参数的小幅度变化也不会破坏其水循环稳定性,循环正常进行。

3.6 传热恶化

煤粉炉的炉膛热负荷分布不均匀。对于挥发分高、燃烧反应速度快的燃煤,如烟煤,过量空气系数校,炉膛烟气温度高,在垂直方向和水平方向上,高温区域比较集中,更容易发生传热恶化。反之,如贫煤,高温区域比较分散,较不容易发生传热恶化。


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