高海拔环境对链条燃煤锅炉燃烧及传热的影响

李锦宏

（云南省特种设备安全检测研究院 昆明 650228）

链条燃煤锅炉基本按标准状态（海拔0m、大气压力760mmHg)设计和制造。在高海拔地区使用时，随着海拔升高，将形成低气压、低空气密度及低含氧量的使用环境，将使链条燃煤锅炉的床层燃烧火焰面变厚、火焰拉长，在同等燃氧当量比时，当绝对压力与标准大气压比为0.7时，空气补给量则为标准大气压力时的1.43倍；空气补给量增加，会使炉内的气流速度大幅上升，烟气通过锅炉的流速会大幅增加，煤焦在炉内的停留时间减少，飞灰含碳量上升，严重影响火和火焰的稳定性，直接影响锅炉的运行工况，可能发生出力不足、热效率低下及烟风阻力大等问题。

1 高海拔环境对链条燃煤锅炉燃烧的影响

链条燃煤锅炉运行时，链条炉排自前向后缓慢移动，煤块从炉排前端进入炉膛后，与炉排面相对静止，随着炉排逐渐由前向后移动并燃烧，煤块相互堆叠，床层形成多孔介质形态。由于我国燃煤含灰量高，链条燃煤锅炉使用的煤块颗粒直径大，颗粒内部导热缓慢，表面焦炭燃尽成灰层时，内部碳核尚未燃尽，甚至仍然为原煤，灰层较厚时明显阻碍了氧气向碳核的扩散。高海拔低气压环境对链条燃煤锅炉燃烧过程的水分析出、挥发份析出与燃烧、焦炭燃烧的物理化学过程将产生影响。

1.1 链条燃煤锅炉燃烧的过程

链条燃煤锅炉的燃烧大致可分为炉膛气相燃烧和床层燃烧。床层燃烧是煤层在炉排上部与下部风仓供应的一次风发生反应，产生CO、H2等气体产物并释放热量的过程。由于一次风中的O2在床层燃烧不可能完全耗尽，剩余的O2穿过煤层后和床层燃烧产生的气体燃料在炉膛内进一步发生气相反应，形成了炉膛气相燃烧过程。这一过程可以将CO等不完全燃烧产物燃尽，减少不完全燃烧损失，相当于“空气二次利用”[1]。炉膛气相燃烧和床层燃烧并非独立进行的，而是密切联系的。炉膛气相燃烧的气体温度梯度、速度分布等入口条件均来自于床层燃烧，而床层燃烧时，又会吸收（或发射）炉膛的热辐射，尤其在燃料引燃期，必须吸收来自于炉膛的热量才能着火。两者的配合决定了整个燃烧的优劣。链条燃煤锅炉中煤块颗粒直径一般较大，由于内部存在较大的温度梯度，颗粒实际上是分层燃烧的。开始是最外层的水分析出，内部依然是原煤，当外层已经干燥的壳层开始热解时，干燥区向煤块中心逐渐扩展，热解和焦炭燃烧逐渐向中心移动。因此颗粒燃烧就是一个“层燃”过程。

床层燃烧时将发生复杂的物理化学过程，如焦炭氧化与还原反应，床层空隙中CO、H2等气体的氧化还原反应等。煤块由四个组分组成，即水分，挥发份，焦炭和灰分。进入炉膛后，煤块表层在炉膛热辐射和对流辐射作用下，经历干燥并析出水分，之后挥发份析出并燃烧，进一步提高煤块温度并引燃焦炭，出现焦炭与O2、焦炭与CO2等气固异相反应。各气体组分同时在煤层空隙内发生气相均相反应。整个燃烧过程伴随气相与固相之间的质量、热量交换。质量变化主要由气固异相，气体均相化学反应引起。例如氧气和焦炭燃烧反应产生的CO和CO2进入气相。床层内的传热主要包括固体与固体，固体与气体，以及气体与气体之间的相互热传递。

1.2 煤块燃烧的物理化学过程及高海拔环境对燃烧的影响

煤块燃烧的物理化学过程，首先是水分析出，进而挥发份析出与燃烧，最后为焦炭燃烧与气化（见图1）。这三个过程并没有明确的界限，很可能在某一时间，几个过程同时进行。但总体上，水分析出最早，然后是挥发份析出燃烧，最后是焦炭燃烧与气化。

图1 煤颗粒燃烧的基本过程

●1.2.1水分析出

煤块在进入炉膛后，受到对流和辐射加热，水分首先析出。经物理分析，在1800m高海拔环境下，水的沸点为94℃，当温度小于94℃时，受到传质控制，当环境温度不小于94℃时，吸收的热量后水分直接蒸发，因此水分蒸发速率Rw表述为[3]：

式中：

Tn——煤块表面温度，℃；

Dm——表面传质系数，m/s；

Cw,s——固体表面的水汽密度，kg/m3；

Cw,g——气相中的水汽密度，kg/m3；

S——比表面积，m2/m3；

Q——颗粒的吸热量；

Hevp——水的蒸发潜热。

高海拔地区随着大气压力的降低，当Tn≥94℃时，水的蒸发潜热下降，由式（1）可知水的蒸发速率增加，即高海拔地区利于水分析出。

●1.2.2 挥发份析出与燃烧

煤块经过干燥，且温度上升到一定值后，挥发份开始析出，残留下焦炭和灰分。挥发份采用一级模型，则析出速率与剩余挥发份含量成正比[3]：

式中：

Yvol——瞬时挥发份质量分数；

煤块在高海拔、低气压环境压力下炉内燃烧，挥发份析出加快，挥发份在颗粒内部的停留时间缩短[4]，并且挥发份的燃烧几乎瞬间完成，燃烧过程更加剧烈，因而高海拔低气压环境利于燃烧。同时，由于挥发份的快速析出燃烧会增加耗氧量，导致扩散到煤块表面的氧气量减少，使得碳核燃烧变慢，这种影响在挥发份快速析出和燃烧的初期较严重。

●1.2.3 焦炭燃烧与气化

煤块在析出水分、析出挥发份并剧烈燃烧后，所形成的焦炭温度得到提高，开始燃烧与气化。焦炭与氧气反应如下：

同时，伴有气化、还原反应：

以上3个反应的过程是：反应气体（O2、H2O、CO2）穿透颗粒表面的气膜和碳核表面的灰壳，在特定温度下与内部的碳核发生反应，如图2所示。因此，反应主要受到温度，气膜阻力以及灰层（见图3）扩散阻力的影响。燃烧速率是由这三者综合决定的。

图2 碳核燃烧示意图

图3 碳核外层多孔灰层照片

煤块在燃烧初期以挥发份析出和燃烧为主，而燃烧后期以焦炭燃尽为主，二者连续并存在一定的重叠，挥发份的析出燃烧时间比焦炭的燃尽时间短得多。根据文献[6]介绍，焦炭燃尽时间可用式（6）、（7）表示：

式中：

τD、τK——分别为焦炭扩散燃烧和动力燃烧的燃尽时间，s；

ρC——焦炭密度，kg/m3；

KD、KK——分别为扩散燃烧和动力燃烧的燃烧常数；

Cf——环境氧气含量，mol/m3；

D——气体在灰层中的分子扩散系数，m2/s。

从式 （6)和式 （7)可看出，τD、τK都与Cf成反比，即焦炭燃尽时间与环境氧含量成反比关系。高海拔环境，例如云南省平均海拔约1900m，大气压力约为80.5kPa，空气中氧分压约为17%，氧含量比标准大气压力低，如果不考虑煤质和其他因素的影响，焦炭的燃尽时间会更长，甚至不容易燃尽。因此，高海拔环境下燃煤锅炉的燃烧速度将变慢，导致锅炉出力不足。

2 高海拔环境对链条燃煤锅炉传热影响

传热的三种方式为对流、导热和辐射，而链条燃煤锅炉炉内传热主要以炉膛热辐射和对流传热为主，高海拔环境将影响链条燃煤锅炉炉膛热辐射和对流辐射传热。

2.1 对炉膛辐射传热的影响

高海拔低气压环境会影响炉膛火焰黑度，从而影响炉膛辐射传热。由传热学可知，火焰被看作灰体，则有：

式中：

k——火焰辐射减弱系数，即火焰中各介质成分的辐射减弱系数代数和，1/（m.MPa）；

p——炉膛压力，MPa；

S——有效辐射层厚度，m。

由于煤为固体燃料，因此还需要考虑烟气中三原子气体、灰粒子和焦炭粒子的减弱系数。从式（8）可以看出，火焰黑度与炉膛压力成正比，大气压力下降，则火焰黑度下降，从而炉膛黑度也会下降，导致炉膛出口温度升高，若忽略大气压力对对流受热面的影响则排烟温度将升高，排烟热损失增加，热效率下降。因此，理论上讲按标准大气压力设计和制造的锅炉，若在高海拔地区运行，很难达到在标准大气压环境运行的效果，出力不够，热效率下降。

2.2 对炉膛对流传热的影响

根据传热学原理， 表征对流换热强烈程度的努塞尔数为：

式中：

Pr——普朗特准则数；

Re——雷诺准则数。

高海拔低气压环境对炉膛对流传热的影响可以从普朗特准则数和雷诺准则数两个方面来分析。

●2.2.1 大气压力对普朗特准则数的影响

普朗特准则数的表达式为：

温度一定时，比定压热容Cp随压力变化极小[7]，可以认为Cp与压力无关；而动力黏度μ和气体导热系数λ不随压力变化，由式（10）可知：当温度一定时，可以认为普朗特准则数与压力无关。

●2.2.2 大气压力对雷诺准则数的影响

根据文献[8]，对于锅炉烟气，雷诺准则数表达式为：

对于空气来说，雷诺准则数表达式为：

式（11）和式（12）中：

Rep和Re0——分别是p压力、标准大气压力下烟气的雷诺准则数；

Bj，p和Bj，0——分别是p压力、标准大气压力下的计算燃料消耗量，kg/s；

∂p和∂0——分别是p压力、标准大气压力下锅炉烟气的平均温度，℃。

高海拔地区，大气压力随着海拔升高而降低，计算燃料消耗量会有所增加，由式（11）和式（12）可知，Rep随之增加，Nu因而变大，即大气压力降低后，对流放热系数会有所增加。

3 结束语

1)煤块在高海拔、低气压环境压力下炉内燃烧，挥发份析出加快，挥发份在颗粒内部的停留时间缩短。在燃烧的初期，挥发份的快速析出和剧烈燃烧消耗大量氧气，导致扩散到碳核的氧气量减少，使得后期燃烧变慢。

2)焦炭燃尽时间与燃烧环境含氧量成反比关系。高海拔环境下含氧量降低，如果不考虑煤质等因素的影响，焦炭的燃尽时间会更长，甚至不容易燃尽。

3）火焰黑度αhy与炉膛压力成正比，大气压力下降，则火焰黑度下降，从而炉膛黑度也会下降，导致炉膛出口温度升高，若忽略大气压力对对流受热面的影响则排烟温度将升高，排烟热损失增加，热效率下降。

4）当温度一定时，普朗特准则数与大气压力无关。

5）高海拔地区随着大气压力降低，计算燃料消耗量会有所增加表征对流换热强烈程度的努塞尔数Nu变大，对流放热系数会有所增加。