锅炉低负荷燃烧建模及要素分析

陈建帮

广州粤能电力科技开发有限公司



锅炉低负荷燃烧建模及要素分析

陈建帮

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通过对影响煤粉在炉内燃烧的几大因素做简要分析，并作出燃烧建模方法。结合锅炉在实际低负荷运行期间，提出了适当的风煤比和配风方式，在此基础上，进一步对锅炉运行参数进行深度优化，改善了锅炉低负荷的运行性能，提高了锅炉整体安全稳定性和经济性。

低负荷；燃烧建模；燃烧机理；应用

一、前言

煤粉几乎是大型燃煤锅炉唯一的燃烧方式。近年来由于各种因素的影响，电厂机组在低负荷运行时间在持续增长，因为煤粉在炉膛内的燃烧过程非常复杂，在此期间机组运行的安全稳定性和经济性受到较大的威胁。为了获得煤粉在炉内较好的燃烧效果，提高锅炉低负荷运行的安全稳定性和经济性，本文对主要影响煤粉在炉内燃烧的因素做简要分析，通过建立燃烧模型，以达到锅炉低负荷运行的整体目标。

二、燃烧模型的建立

燃烧建模：将锅炉燃烧的内在规律用具体的语言和方法表述出来，并将用这种方法分析出的结果返回到锅炉的燃烧调整中去指导燃烧，利用这种方法进行燃烧分析及调整的过程就称为建立锅炉燃烧模型，简称燃烧建模。

燃烧建模的基本条件：

熟悉锅炉设备的生产流程。

图1 锅炉设备的流程

锅炉燃烧的基本机理

（一）着火温度：煤粉由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程被称为着火。着火时反应系统的温度称为着火温度。

表1 各煤种着火温度一览表

（二）着火热：将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量称为着火热。它包括加热煤粉和一次风所需热量以及煤粉中水分蒸发、过热所需热量。

1 ）煤粉接受着火热的方式有三种：

卷吸高温烟气。

接受火焰的辐射。

上游邻角高温火焰的直接冲刷。

一般来说，单位质量的煤粉的着火热越小，说明该煤粉气流越容易着火。

2 ）煤粉燃烧的过程及分析：

参加燃烧的氧气从周围环境扩散到煤粉表面。

氧气被煤粉表面吸附。

在煤粉表面进行燃烧化学反应。

燃烧产物由煤粉表面解吸附。

燃烧产物离开煤粉表面，扩散到周围环境中。

煤粉的燃烧速度就取决于上述过程中进行的最慢的过程。

当炉膛温度较低时（＜1000℃），煤粉表面的化学反应速度很慢，燃烧的化学反应所需要的氧量比起可能扩散到煤粉表面的氧量要少的多。这时对燃烧速度的影响主要就是燃烧化学反应的速度，也就是动力因素（炉膛温度和煤的特性），所以这个温度区被称为动力燃烧区。

当炉膛温度很高时（＞1400℃），由于反应速度随着炉膛温度升高急剧增大，以致煤粉表面的化学反应速度显著地超过空气向反应表面的输氧速度。这时扩散到煤粉表面的氧远不能满足化学反应的需要，扩散速度已经成为制约燃烧速度的主要因素，因而将这个温度区称为扩散燃烧区。

在上述两燃烧区的中间温度区，煤粉表面的化学反应速度和氧的扩散速度差不多，两者对燃烧都有影响，这个温度区被称为过渡区。

3 ）影响煤粉着火的因素

1 、燃料的性质

挥发份

煤粉挥发份Vr降低时，煤粉气流的着火温度显著升高，着火热也随之增大，着火距离增加，着火困难。

水分

原煤水分增大时，着火热也随之增大。同时由于一部分燃烧热消耗在加热水分并使其汽化和过热上，也降低了炉膛温度，对煤粉的着火产生不利影响。

灰份

煤中的灰份在燃烧过程中不但不能放出热量，还要吸收热量。灰份增加时，煤粉在着火和燃烧时就需要吸收更多的热量，炉膛温度降低，使着火稳定性降低。

2 、煤粉细度

由于煤粉愈细，燃烧反应的表面积就愈大，而煤粉本身的热阻就越小，所以愈细的煤粉能更快的达到着火温度，从而加速了着火的过程。

3 、炉内散热条件

当锅炉低负荷的时候，燃烧器周围的散热条件就显得特别重要。低负荷时禁止吹灰理。当炉膛吹灰时会增加水冷壁的吸热量，同时降低了炉膛温度。在低负荷降低炉膛温度是很危险的。

4 、煤粉气流的初温度

煤粉气流的初温度也就是一次风温。

5 、一次风量和风速

增大一次风量，就相应的增加了煤粉气流的着火热，将使着火过程推迟。减小一次风量，会使着火热显著降低，因而在同样的卷吸烟气量下，可将煤粉气流更快地加热到着火温度。但是，如果一次风量过低，会由于着火燃烧初期得不到足够的氧气而使反应速度减慢阻碍着火的继续扩展，由此可见，从煤粉着火燃烧考虑，对一定的煤种，一次风量有个最佳值。

一次风的出口风速对着火过程也有一定影响。风速过快，则通过气流单位截面积的流量将过大，势必降低煤粉气流的加热程度，使着火推迟。但一次风速过低时，会引起燃烧器喷口过热烧坏，或者煤粉管道煤粉沉积，分层，甚至堵粉的现象。

6 、锅炉的负荷变化

锅炉负荷降低时，炉膛平均烟温降低，燃烧器区域的烟温也将降低。所以锅炉负荷降低对煤粉着火是不利的。负荷越低，燃烧的稳定性也就越差，当锅炉负荷低到一定程度，就将危及着火的稳定性，甚至引起灭火。

三、锅炉燃烧模型的应用

1 、风煤比

风煤比即在一定容器中，风量与煤量混合时的比值。在实际的锅炉燃烧过程中，风煤比存在着三种层次的含义：

一次风的风煤比

一次风的风煤比为1.5～1.8。

全炉膛的风煤比。

当炉膛的风量大于入炉燃料的实际需要风量时，燃烧反应后多余的风量不但不能促进燃烧，还会增加锅炉的排烟损失，降低炉膛温度，降低锅炉燃烧的稳定性。当炉膛的风量小于入炉燃料的实际需要风量时，会造成入炉燃料燃烧的不完全，飞灰含碳量大幅度升高。适当的减少风量，可以提高炉膛温度，增强炉膛燃烧的稳定性，但当锅炉燃烧严重缺风时会造成炉膛火焰发红发暗，同样使炉膛温度下降，降低炉膛燃烧的稳定性，同时当锅炉燃烧缺风时会造成炉膛内还原性气氛的加重，降低了灰渣的熔点，使炉膛结焦。

对于整个锅炉的燃烧而言，能体现风煤比的参数就是炉膛过剩氧量。只要能够将炉膛过剩氧量控制在合适的范围，就能够将整个炉膛燃烧的风煤比基本控制在合适的范围。

假设目前锅炉的总煤量是100t/h。灰份占30%，10%的挥发份，60%的固定碳。10%的挥发份需要的氧气大致相当于7%碳所需要的氧气，所以我们可以简化为灰份30%，固定碳67%。也就是67t/h的碳需要的空气量。

C+O2=CO2+热量

123244

由上反应式可得，大约需要氧气178t/h，折算成空气为850t/h，按过剩空气系数1.2来算，则需要1020t/h。折算到标立方米为1020×103×22.4÷29=787kNm3/h区域性的风煤比。

炉膛局部区域的风煤比，对各煤层区域风煤比的控制就是调整各层二次风挡板的开度，也就是锅炉燃烧调整上经常说的“配风”。

2 、低负荷配风原则

1 、下层煤量多点，二次风量少一点，而上层煤量少点，风量多点（倒宝塔配风）；总体来说炉膛氧量放小点。

2 、如果倒宝塔配风时，主、再热汽温偏低，可考虑使用腰鼓式配风，即中间风量小，上下风量大，但同样，炉膛的氧量要小一点。

3 、应视锅炉喷口出粉情况适当降低一次风压，但为了防止堵管，应保持一次风速18m/s以上。

4 、适当降低二次风压，相对延迟二次风与一次风的切入点。

四、结束语

通过对影响煤粉在炉内燃烧的因素进行简要分析，并建立燃烧模型，更清晰地了解锅炉低负荷的运行特性，获得了较为合适的经济运行参数，使得机组安全稳定性和经济性得到进一步的提高。

［1］赵敏.基于神经网络的电厂锅炉燃烧系统建模及优化研究［D］.浙江大学，2010.

［2］孙剑.大型循环流化床锅炉燃烧系统特性与建模研究［D］.华北电力大学（北京），2010.