【锅炉百科】锅炉燃烧理论
锅炉燃烧理论
1燃烧煤粉对炉膛的要求
1）创造良好的着火、稳燃条件，并使燃料在炉内完全燃尽；
2）炉膛受热面不结渣；
3）布置足够的蒸发受热面，并不发生传热恶化；
4）尽可能减少污染物的生成量；
5）对煤质和负荷复合有较宽的适应性能，以及连续运行的可靠性。
2煤粉在炉膛内的燃烧过程
1）着火前准备阶段
从燃料入炉至达到着火温度这一阶段称准备阶段。在这一阶段内，要完成水份蒸发，挥发份析出、燃料与空气混合物达到着火温度。显然，这一阶段是吸热过程，热量来源是火焰辐射及高温烟气回流。影响准备阶段时间长短的因素除燃烧器本身外，主要是炉内热烟气为煤粉气流提供热量的强弱，煤粉气流的数量、温度、浓度、挥发份含量及煤粉细度等。
2）燃烧阶段
当达到着火温度后，挥发份首先着火燃烧，放出热量，使温度升高，焦炭被加热到较高温度而开始燃烧。燃烧阶段是强烈的放热过程，温度升高较快，化学反应强烈，这时碳粒表面往往会出现缺氧状态。强化燃烧阶段的关键是加强混合，使气流强烈扰动，以便向碳粒表面提供氧气，而将碳粒表面的二氧化碳扩散出去。
3）燃尽阶段
主要是将燃烧阶段未燃尽的碳烧完。燃尽阶段剩余的碳虽然不多，但要完全燃尽却很困难，主要是存在着诸多不利于完全燃烧的因素，如少量的固定碳被灰包围着；氧气浓度已较低；气流的扰动渐趋衰减；炉内温度在逐步降低。如果燃料的挥发份低、灰份高、煤粉粗、炉膛容积小，完全燃尽将更困难。据试验，对细度R90=5%的煤粉，其中97%的可燃物可在25%的时间内燃尽，而其余3%的可燃物却要75%的时间才能燃尽。这也是实际锅炉中不可能使可燃物彻底燃尽的基本原因。
3影响燃烧的因素
由于燃烧是复杂的物理化学过程，燃烧速度的快慢，取决于可燃物与氧的化学反应速度以及氧和可燃物的接触混合速度。
前者称化学反应速度，也称化学条件；后者称物理混合速度，也称物理条件。
化学反应速度与反应空间的压力、温度、反应物质浓度有关，且成正比。
对于锅炉的实际燃烧，影响化学反应速度的主要因素是炉内温度，炉温高，化学反应速度快。
燃烧速度除与化学反应速度有关外，还取决气流向碳粒表面输送氧气的快慢，即物理混合速度。
而物理混合速度取决于空气与燃料的相对速度、气流扰动情况、扩散速度等。
化学反应速度、物理混合速度是相互关联的，对燃烧速度均起制约作用。
例如，高温条件下应有较高的化学反应速度，但若物理混合速度低，氧气浓度下降，可燃物得不到充足的氧气供应，结果燃烧速度也必然下降。
因此，只有在化学条件和物理条件都比较适应的情况下，才能获得较快的燃烧速度。
燃烧能迅速而又完全燃烧的基本条件主要有：
1）相当高的炉膛温度：
温度是燃烧化学反应的基本条件，对燃料的着火、稳定燃烧、燃尽均有重大影响，维持炉内适当高的温度是至重要的。当然，炉内温度太高时，需要考虑锅炉的结渣问题。
2）适量的空气供应：
适量的空气供应，是为燃料提供足够的氧气，它是燃烧反应的原始条件。空气供应不足，可燃物得不到足够的氧气，也就不能达到完全燃烧。但空气量过大，又会导致炉温下降及排烟损失增大。
3）良好的混合条件：
混合是燃烧反应的重要物理条件。混合使炉内热烟气回流对煤粉气流进行加热，以使其迅速着火。混合使炉内气流强烈扰动，对燃烧阶段向碳粒表面提供氧气，向外扩散二氧化碳，以及燃烧后期促使燃料的燃尽，都是必不可少的条件。
4）足够的燃烧时间：
燃料在炉内停留足够的时间，才能达到可燃物的高度燃尽，这就要求有足够大的炉膛容积。炉膛容积与锅炉容量成正比。当然炉膛容积也与燃料燃烧特性有关，易于燃烧的燃料，炉膛容积可相对小些。比如相同容量的锅炉，燃油炉的炉膛容积要比煤粉炉的小，而烧无烟消云散煤的炉膛容积要比烧烟煤的炉膛容积稍大些。
4改善燃烧的措施
提高一次温可减小着火热需要量，使煤粉气澈入炉后迅速达到着火温度。当然，一次风温的高低是根据不同煤种来定的，对挥发份高的煤，一次风温就可以低些。
2）适当控制一次风量：
一次风量小，可减小着火热需要量，利于煤粉气流的迅速着火。但最小的一次风量也应满足挥发份燃烧对氧气的需要量，挥发份高的煤一次风量要大些。
3）合适的煤粉细度：
煤粉越细，相对表面积越大，本身热阻小，挥发份析出快，着火容易于达到完全燃烧。但煤粉过细，要增大厂用电量，所以应根据不同煤种，确定合理的经济细度。
4）合理的一、二次风速：
一、二次风速对煤粉气流的着火与燃烧有着较大影响。因为一、二次风速影响热烟气的回流，从而影响到煤粉气流的加热情况；一、二次风速影响一、二次风混合的迟早，从而影响到燃烧阶段的进展；一、二次风速还影响燃烧后期气流扰动的强弱，从而影响燃料燃烧的完全程度。因此，必须根据煤种与燃烧器型式，选择适当的一、二次风速度。
5）维持燃烧区域适当高温：
适当高的炉温，是煤粉气流着火与稳定燃烧的基本条件。炉温高，煤粉气流被迅速加热而着火，燃烧反应也迅速，并为保证完全燃烧提供条件。故在燃烧无烟煤或其它劣质煤时，常在燃烧区设卫燃烧带或采取其它措施，以提高炉温。当然，在提高炉温时，要考虑防止出现结渣的可能性。
6）适当的炉膛容积与合理的炉膛形状：
炉膛容积大小，决定燃料在炉内停留时间的长短，从而影响其完全燃烧程度，故着火、燃烧性能差的燃料，炉膛容积要大些，这种燃料还要求维持燃烧区域高温，故常需要选用炉膛燃烧区域断面尺寸较小的瘦高型炉膛。
7）锅炉负荷维持在适当范围内：
锅炉负荷低时，炉内温度下降，对着火、燃烧均不利，使燃烧稳定性变差。锅炉负荷过高时，燃料在炉内停留时间短，出现不完全燃烧。同时由于炉温的升高，还有可能出现结渣及其它问题。因此，锅炉负荷应尽可能地在许可的范围内调度。
5锅炉运行中稳定燃烧的措施
1）放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。
2）放热速度大于散热速度如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。
2．实现稳定着火的措施
放热速度与散热速度是相互作用的。在实际炉膛内，当燃烧处于高负荷状态时，由于燃煤量增加，燃烧放热量比较大，而散热量变化不大，因此使炉内维持高温状态。在高负荷运行时，容易稳定着火。
当燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量减少，燃烧放热量随之减小，这时相对于单位放热量的散热条件却大为增加，散热速度加快，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，使燃烧反应速度降低，因而放热速度也就变慢，进一步使炉内处于低温状态。
在低负荷运行状态下，稳定着火比较困难，因此需要投入助燃油等燃料来稳定着火燃烧。对于低反应能力的无烟煤和劣质烟煤，不但着火困难，而且难于稳燃，因而容易熄火“打炮”。
从以上分析，可得到提示：
1）着火和燃烧温度与水冷壁面积、进入炉内的新气流初温度相关。
2）在炉内可自动到达稳定着火状态，如果点火区的温度与燃料的活性不相适应，就需投入助燃油或采用强化着火的措施。
6影响锅炉热效率的因素分析
入炉总风量的大小与锅炉热效率的高低密切相关,总风量过大会使排烟热损失增加;总风量过小,则会使煤粉燃烧不充分,烟气中CO含量、飞灰可燃物含量和炉渣可燃物含量增加,致使化学和机械未完全燃烧损失增加;总风量的大小也对主汽温和再热汽温产生影响,因此选取合理的入炉总风量,可使总的热损失最小,锅炉热效率达到最高,同时在低负荷时又能保持较高的汽温。
2．炉膛—风箱压差
在锅炉负荷与炉膛出口氧量不变的条件下,炉膛—风箱压差的高低关系到辅助风、燃料风和燃烬风彼此间风量的比例,比例大小对煤粉燃烧的稳定性、燃烬性及NOx的排放量有极大的影响,因此选择合理的炉膛—风箱压差,会提高锅炉的安全性和经济性。
3．燃尽风风量
燃烧器最上1层为燃烬风喷口,燃烬风的作是实现分级燃烧,减少热力型NOx生成,补充燃烧后期所需氧。燃尽风风量的大小影响NOx的排放量和碳粒子的燃烬程度。此项试验只考虑燃尽风风量对锅炉燃烧的影响。
4．燃烧器摆角
燃烧器喷嘴设计为上下可摆动,主要是通过改变炉膛火焰中心高度调节再热汽温和过热汽温,但火焰中心高度的改变对煤粉燃烬产生一定影响。燃烧器向上摆动,飞灰可燃物增加,锅炉效率降低,减温水量增加。
5．一次风风速
机组带600MW负荷,锅炉其它运行参数不变,通过改变磨煤机入口风量来改变一次风喷嘴风速。由于受制粉系统的限制,一次风风速很难大范围变化,因此锅炉热效率几乎没有变化,这说明一次风风速在小范围内变化对锅炉热效率没有多大影响。
6．煤粉细度
煤粉细度变小,飞灰可燃物含量和炉渣可燃物含量降低,锅炉热效率提高。
7．投磨方式
磨煤机分别组合运行,锅炉热效率相差较小,但对汽温影响较大。
7炉膛结渣的运行因素
任何原因的结渣都有两个基本条件构成，一是火焰贴近炉墙时，烟气中的灰仍呈熔化状态，二是火焰直接冲刷受热面。
但是，与这两个因素相关的具体原因很复杂。这些因素是：
1．煤灰特性和化学组成煤灰特性主要表现在两个方面：一是煤灰的熔点温度，二是灰渣的粘性。一般灰熔点低的煤容易结渣，与此同时，低灰熔点的灰份通常粘附性也强，因而增加了结渣的可能性。
在运行条件变化时，煤灰的结渣特性也可能灰变化。例如，炉膛温度升高，或受热表面积灰导致壁面温度升高，火炉内局部地区产生还原性气氛，使灰的熔点温度降低时，结渣倾向就可能增加。
2．炉膛温度水平炉内燃烧器区域的温度越高，煤灰越容易达到软化或熔融状态，结渣的可能性就越大。而影响燃烧器区域温度水平的因素也很多。例如，前述的断面热强度与燃烧器区域的壁面热强度、燃料的发热量、水份含量以及锅炉负荷的变化等。
如果锅炉改烧发热量大的同类煤时，由于燃放热增多，燃烧器区域温度水平就高，结渣的可能性就大。而锅炉负荷越高，送入炉内的热量也越多，结渣的可能性也越大。
3．火焰贴墙对于四角布置直流式燃烧器的炉膛，煤粉气流由于受到气流刚度，补气条件和邻角气流的撞击等影向而引起火焰贴墙时，这必然结渣。对于布置旋流式燃烧器的炉膛，当旋流强度太大时，会引起火焰贴壁。
或某只燃烧器的旋流强度过小，气流射程太长时，可能使气流直冲对面炉墙或顶撞对面的火焰而导致结渣。
4．过量空气系数当炉内局部区域过量空气过小且煤粉与空气混合不均匀时，可能产生还原性气氛，而煤粉在还原性气氛不能充分氧化，灰份中的Fe2O3被还原成FeO，FeO与SiO2等形成共晶体，其熔点温度就会降低，有时会使熔点下降150～200oC，因而，结渣倾向随之增加。
或者，采用高煤粉浓度燃烧方式时，由于燃烧放热过于集中，使局部区域温度升高且处于还原性气氛，结渣也会倾向严重。当然这也与灰的熔融特性有关。
5．煤粉细度粗煤粉的燃烧时间比较长，当煤粉中粗煤粉的比例增加时，容易引起火焰延长，导致炉膛出口处的受热面结渣。
6．吹灰吹灰器长期不投，受热面积灰增多时，可能导致结渣。
7．燃用混煤锅炉燃用混煤时，灰渣的特性有可能改变。一般结渣性强的煤与结渣性弱的煤混合时，结渣会减轻。
锅炉结渣是多种因素综合影响的结果，不过总是有几个关键因素起先导作用。比较重要的因素是煤灰的熔融特性、水冷壁的冷却能力、以及火焰贴墙等。
8炉膛负压
维持正常的炉膛负压，不仅对锅炉经济运行作用很大，而且对运行调节十分有益。正常的炉膛负压值是依靠调节送风机和引风机的挡板开度实现的，但主要是靠调节引风机的挡板开度来控制的。如果引风机出力不足，或挡板调节失灵时，炉内可能出现正压状态。此时，烟气或火焰向外泄漏，不仅污染工作环境，而且对设备及人身构成危险。
当然负压太大也是不允许的。炉膛负压太大，说明引风机抽吸力过大。此时，炉内气流明显向上翘，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，引起汽温升高或过热器结渣。气流上翘，火焰行程缩短，导致不完全燃烧。
炉膛负压急剧升高时，还可能发生炉膛内爆事故。
内爆会造成水冷壁损坏或人身事故。
内爆产生的原因一：引风机运行不正常，静压头过高或挡板运行不良；二：因灭火而切断燃料供应时，炉膛负压急剧升高。
因此，在切断燃料的同时，应适当关小引风机挡板，以免负压剧增。
此外，大型机组应设置炉内压力报警和安全保护装置。炉膛负压波动时，也可能是炉内压力波动变化造成的。此时表明燃烧处于不稳定状态。燃烧脉动时，负压也随着脉动。所以，炉膛负压是燃烧调整和锅炉保护的重要参数。
炉膛负压由极低突变正压，此过程发生的时间极短，只有1～2秒，正压值极高。这种情况下，极可能发生炉膛爆炸或“打炮”。
对于自动化程度比较高的锅炉，炉膛负压超限时，控制系统会自动发出报警或保护动作。但当控制系统处于手动状态时，则必须做出准确、迅速的判断和处理。
大型锅炉运行中，炉膛爆炸现象极少发生，但是一旦发生，破坏性很大。因为炉膛爆炸的发生时间很短，只有1～2秒。所以，如何把燃料安全适当地送入炉内并对可能发生的爆炸做出判断是十分重要的。
炉膛爆炸的原因是数量过多的燃料和空气在炉膛内未能及时着火燃烧，而以极高的速度进行化学反应，当具有足够的着火热源时，在瞬间形成可燃性气体，气体容积急剧增加，炉内压力和温度急剧升高。
需要注意的是，在锅炉点火阶段或燃烧不稳定时，如果炉内积聚了大量的未燃燃料，此时点火这很有可能造成爆炸。因此，运行人员必须严格，准确地按照运行规程的操作顺序控制燃料和空气的投入并熟练掌握点火程序以及具有快速、准确的判断能力。
事实上，在破坏性炉膛爆炸发生之前，总要发生一些先导性事件。
例如，燃料的着火性能变差或点火装置的能量不足以及未及时投入点火装置。由于这些条件的变化，使送入炉内的燃料与空气未能及时转变为不易反应的氧化物或惰性产物，因而积累了大量活性可燃易爆产物。这种积累过程需要持续相当长的时间。即爆炸发生前总要有一段较长的孕育时间。
9炉膛负低负荷稳燃技术
这三个条件集中在一起，强化了着火条件，使着火稳定性提高。
当然，煤粉浓度并不是越高越好。煤粉浓度过高时，由于着火区严重缺氧，而影响挥发份的充分燃烧，造成大量煤烟的产生，此时还因挥发份中的热量没有充分释放出来，影响颗粒温度的升高，延缓着火。或者因挥发份燃烧缺氧，使火焰不能正常传播，而引起着火不稳定。
可见，存在一个有利于稳定着火的最佳煤粉浓度。有利于着火的最佳煤粉浓度与煤种有关，挥发份大的烟煤，其最佳煤粉浓度低于挥发份小的贫煤。
2．提高煤粉气流初温提高煤粉气流初温，可减少煤粉气流的着火热，并提高炉内温度水平，使着火提前。提高煤粉气流初温的直接办法是提高热风温度。
3．提高煤粉颗粒细度煤粉的燃烧反应主要是在颗粒表面上进行的，煤粉颗粒越细，单位质量的煤粉表面积越大，火焰传播速度越快。燃烧速度就越高，火焰传播速度越快，燃烧放热速度越快，煤粉颗粒就越容易被加热，因而也越容易稳定燃烧。
试验研究发现，煤粉燃尽时间与颗粒直径的平方成正比，当锅炉燃用煤质一定时，提高煤粉细度能显著提高煤粉气流着火的稳定性。不过煤粉颗粒细度受磨煤出力与磨煤电耗的限制，不可能任意提高。
4．在难燃煤中加入易燃燃料当锅炉负荷很低或煤质很差时，可投入助燃用雾化燃油或气体燃料，混入燃烧器出口的煤粉气流中，来改善煤粉的燃烧特性，维持着火的稳定性，有时为了节省燃油，也可混入挥发份较大的煤粉，以提高着火的稳定性。
END