燃烧的稳定性

燃烧的稳定性影响因素分析煤粉气流燃烧的稳定性直接影响锅炉的安全性，锅炉能否稳定、持续的燃烧是关系燃烧安全性的最重要的因素。合理的燃烧工况应该是迅速的着火、快速的火焰传播、强烈的燃烧强度和充分的燃尽。着火阶段是整个燃烧阶段的关键，要使燃烧能在较短时间内完成，必须强化着火过程，即要保证着火过程能够稳定而迅速地进行。稳定着火是燃烧过程的良好开端，而充分燃烧且燃尽是实现锅炉稳定经济燃烧的关键。要组织好良好的燃烧过程，其标志就是尽量接近完全燃烧，也就是在保证炉内不结渣的前提下，燃烧速度快，而且燃烧完全，得到最高的燃烧效率，保证燃料在炉膛内完全燃烧的条件，一是着火要及时稳定；二是要控制燃烧速度并使燃料在炉内有足够的燃烧时间，使煤料尽量燃尽。1炉内燃烧的关键环节当煤粉与空气的混合物进入炉内后，首先从高温烟气中吸收热量而升温；此时，煤粉中一部分挥发份开始释放出来，并继续加热新煤粉。当新燃料和空气的混合物拥有足够的着火热量时，最初析出的一部分挥发分首先开始着火；接着是残余挥发分的继续燃烧与焦炭的着火燃烧同时进行。燃料燃烧过程中，不断释放热量，使炉膛升温，并促进燃烧过程加速发展。到燃烧结束时，焦炭全部燃尽形成灰渣。燃料的燃烧过程首先取决于燃料自身的燃烧特性。所谓燃烧特性是指燃料的着火特性和燃尽特性。同时，燃料的燃烧过程还与许多外部条件有关。例如，炉内温度水平，空气与燃料的混合比例和混合位置，配风方式，燃料—空气的混合物与炉内高温烟气的热量交换，燃料燃烧时的放热速度，燃烧放热量，水冷壁的吸热能力等。因为煤粉火焰的着火稳燃机理是分析锅炉燃烧稳定性的影响因素的理论基础，为了弄清燃烧稳定性的影响因素，必须先了解煤粉火焰的着火稳燃机理。2煤粉的着火稳燃机理煤粉燃烧稳定性既反映了煤粉着火的难易程度，又体现了煤粉着火后的燃烧状况。煤粉在炉膛里燃烧，一般讲来，要经历三个阶段：一是煤粉的热解阶段，在此阶段水分蒸发、挥发分析出，一次风粉加热到着火温度；二是煤粉的燃烧、着火阶段，在此阶段挥发分和焦炭着火燃烧；三是燃尽阶段，是焦炭燃尽组织好坏的关键阶段，需要的时间较长。此三个阶段相互联系、相互制约。合理的燃烧工况应该是迅速的着火、快速的火焰传播、强烈的燃烧强度和充分的燃尽。按照煤粉着火燃烧的三个阶段，分析影响煤粉燃烧稳定性的因素，整体结构如下图所示：煤粉着火燃烧的三个阶段一、煤粉的热解：矿物成分和含量、粒径、升温速率、温度、停留时间二、煤粉气流的着火的影响因素挥发分煤粉品质水分灰分1煤粉发热量煤粉细度煤粉气流的初温一次风量、一次风温、一次风速二次风量、二次风温、二次风速燃烧器配风方式及燃烧器结构形式单只燃烧器的热功率2结构Aq、Rq炉膛散热条件：卫燃带3运行锅炉负荷合适的空气量：过量空气系数适当高的炉温：炉膛温度三、煤粉的燃尽足够的停留时间：vq，min燃烧器结构特性空气和煤粉的良好扰动和混合一、二次风的良好配合2.1煤粉的热解阶段热解是煤的燃烧过程的一个重要的初始过程，对着火有极大的影响。煤的热分解就是煤被加热到足够高的温度时开始分解，产生煤焦油和挥发分气体。对于燃烧过程来说，热解的影响大致有两个方面。①直接作用：挥发分的释放一方面造成煤粒质量的直接消耗，同时这些释放出来的挥发物质会在气相环境中或煤粒表面燃烧，产生的热量或者使环境温度升高，或者使煤粒本身迅速被加热，提高煤粒温度，又反过来加速煤粒的多相着火与燃烧。②间接作用：由于挥发分的释放，使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙结构发生了很大变化，从而改变了煤焦的反应性能；此外，由于挥发分的析出与燃烧抑制了氧化剂向煤粒表面和孔隙内部的扩散作用，从而改变了煤焦的燃烧速率。由于煤本身具有复杂性、多样性和不均一性，因此影响煤热解的因素繁多，如煤阶、矿物成分和含量、粒径、升温速率、温度、停留时间、压力、煤的显微组分等。由于煤粉的裂解阶段主要与煤粉本身的性质有很大关系，煤质的讨论放在煤粉气流的着火阶段中详细说明。2.2煤粉气流的着火阶段煤粉气流一般是指以一定速度运动的煤粉空气混合物，电站锅炉中的燃烧是以煤粉气流的形式进行的。只有以煤粉气流为对象研究燃烧过程，才能真正认识煤粉气流的着火特性。锅炉中煤粉气流的着火，或者可以说火焰在煤粉一次风混合物中的传播，是靠对流传热和辐射热来进行的。在一般情况下，煤粉气流的着火热量来自三个方面：辐射、导热、和对流。辐射加热的热源是火焰的辐射和炉墙的辐射，接受辐射热的受体主要是煤粉粒。煤粉浓度越高，参与吸热的粒子越多，尽管煤粉之间存在屏蔽现象，但吸收的热量相对还是较多的，升温较快，着火时间较短。煤粉颗粒加热的结果是把它本身的热量很快地传给气体，在均相着火的火焰锋面上，温度差别较大，导热的效果很好；但煤粉火焰是多相、大范围的燃烧，这时的导热作用是较小的。相反，对流换热在煤粉气流的着火中起着主要作用，是着火热量的主要供应者。因为煤粉气流的着火较难，燃烧的时间也比较长，着火区的温度较高，较难维持稳定连续着火，必须组织高温热烟气的回流来加强煤粉－空气的混合，加强对流换热，提供足够的着火热量，使煤粉快速加热和着火。电站锅炉煤粉着火的实质是：煤粉空气混合物经由燃烧器以射流方式喷入炉膛后，通过紊流扩散和内回流卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，而将悬浮在气流中的煤粉迅速加热。煤粉气流着火所需吸热量的70％～90％来源于卷吸高温烟气时的对流换热，10％～30％来源于炉膛四壁及高温火焰的辐射。当煤粉与一次风气流通过对流传热与辐射热获得了超过煤粉气流着火所需热量时，入炉煤粉气流即可被点燃进入正常燃烧，当燃料热释放速率大于炉膛水冷壁吸热速率，入炉新燃料流可在无引燃能量支撑下稳定着火。着火阶段是整个燃烧阶段的关键，要使燃烧能在较短时间内完成，必须强化着火过程，即要保证着火过程能够稳定而迅速地进行。组织强烈的烟气回流和燃烧器出口附近煤粉一次风气流与高温烟气的激烈混合，是保证供给着火热量、稳定和着火过程的首要条件；提高煤粉气流初温，采用适当的一次风量和风速，是降低着火热的有效措施。通过以上对煤粉气流着火过程的分析表明，影响煤粉着火的主要因素如下：①煤质。煤质中挥发分含量对着火过程影响很大，若挥发分含量很低，其着火温度高，煤粉气流就必须加热到很高温度才能着火。因此除非采取相应措施，煤的挥发分降低将使着火点推迟。当原煤的水分增大时，着火热随之增大，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，也降低了炉内烟气温度，这对着火显然是不利的。然而，煤粉的内在水分析出的结果使煤的孔隙度增加，即活性增大，所以容易着火，从这方面来说煤中水分对着火稳定性是有利的。灰分含量影响着火速度，在挥发分相同的情况下，燃料灰分越多，其着火速度越低。灰分增加还使火焰温度降低，因为加热灰分会增加热量消耗，灰分越多，炉膛的理论燃烧温度越低，使燃烧稳定性变差。煤的热值低，灰分高，使炉膛烟气温度降低，造成燃烧不稳定、不完全，甚至发生熄火事故。②煤粉细度。细煤中挥发分比粗煤粉容易析出，也容易加热，因而细煤粉容易着火，也容易燃尽。③煤粉气流的初温。提高煤粉气流的初温，减少了把煤粉气流加热到着火温度所需的热量，从而加快了着火，有利于煤粉的稳定燃烧。实际中采用较高温度的预热空气来输送煤粉，降低着火热，使着火点前移。④一次风量。一次风量主要取决于煤质的挥发分含量和挥发分的发热量。当煤质一定时，一次风量是影响煤粉气流着火速度和着火稳定性的主要因素。一次风量越大，煤粉气流加热至着火温度所需要的热量就越多，即着火热就越多，着火速度越慢，着火推迟使火焰在炉内的总行程缩短，即燃料在炉内的有效燃烧时间减少，导致燃烧不完全。一次风量增加时着火点推迟，而一次风速提高时着火所需的孕育时间仍需保证某一数值，所以着火点也要推迟。此外，一次风中的氧是煤中挥发分着火和燃烧所需要的，为了使挥发分尽可能迅速地烧掉，一般采用的一次风量应差不多等于挥发分燃烧的理论空气量(即一次风量与挥发分大致符合燃烧化学的化学当量比)。⑤一次风速。一次风速不但决定着火燃烧的稳定性，而且还影响着一次风气流的刚度。一次风速大于火焰传播速度时，就会吹灭火焰或者引起脱火。即使能着火，也会引起其它问题。例如煤粉气流直冲对面的炉墙，引起结渣。一次风速过低，对稳定燃烧和防止结渣也是不利的。原因在于：（1）煤粉气流刚性减弱，易弯曲变形，偏斜贴墙，切圆组织不好，扰动不强烈，燃烧缓慢；（2）煤粉气流卷吸能力弱，加热速度缓慢，着火延迟；（3）气流速度小于火焰传播速度时，可能发生“回火”现象；（4）易发生空气、煤粉分层，甚至引起煤粉沉积、堵管现象。⑥一次风温。提高一次风温，可降低着火热，使着火位置提前。根据煤质挥发分含量的大小，一次风温不仅应该满足使煤粉尽快着火、稳定燃烧的要求，而且应保证煤粉输送系统工作的安全性。一次风温过高，可能发生爆炸或自燃；一次风温过低时，除了会导致推迟着火，燃烧效率降低外，还会使炉膛出口烟温升高，引起过热器超温或汽温升高。⑦二次风量、风温和风速。二次风量、风速、风温和投入位置对着火稳定性起着重要作用。由于高温火焰的粘度很高，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦炭粒子表面的接触与混合。从燃烧的角度看，二次风温越高，越能强化燃烧，并能在低负荷运行时增强着火稳定性。但是二次风温的提高收到空气预热器传热面积的限制，传热面积越大，将使预热器结构庞大，不便布置。对于不同的煤种，为了保证燃料的稳定着火和完全燃烧，需选择合适的一次风速、二次风速以及煤粉细度，如表1所示。表1煤种与风速及煤粉细度的关系煤种一次风速（m/s）二次风速（m/s）煤粉细度（R90）%无烟煤20~2340~4510~15贫煤23~2645~5015~20烟煤26~3050~5520~25褐煤30~3555~6025~30⑧配风方式及燃烧器结构形式。二次风则应在煤粉着火后并把一次风中的氧消耗掉的时候分批限量加入，二次风混入时间不宜过早，并需保证部分燃烧的煤粉气流与新加入的二次风混合后的温度不低于着火温度，以免中途熄火。配风方式还关系到结渣、火焰中心高度变化和炉膛出口烟温的控制。直流煤粉燃烧器按结构形式分为均等配风和一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器。其中均等配风燃烧器适用于燃烧容易着火的煤，一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器适用于燃烧着火比较困难的煤。旋流式燃烧器按结构可分为蜗壳式、动叶轮式和可动叶片式三类。⑨单只燃烧器的热功率。为了调节燃烧调节的灵活性和避免水冷壁以及燃烧器喷口结渣，趋向于采用小功率燃烧器。单只燃烧器功率过大，会带来以下四个问题：（1）炉膛受热面局部热负荷过高，容易结渣；（2）引起水冷壁传热恶化和直流锅炉的水动力多值性；（3）切换或启停燃烧器对炉内火焰燃烧的稳定性影响较大，影响过热器安全性和气温调节；（4）一、二次风气流太厚，不利于风粉混合；⑩炉膛结构。从着火角度看，评价炉膛结构的参数有：炉膛截面热负荷Aq，燃烧器区域的壁面热负荷Rq。当锅炉容量和参数一定时，Aq值过大，就表明炉膛周界过小，所能布置的水冷壁管子根数就越少，燃烧器区域温度水平高，有利于稳定着火，但容易引起结渣；Aq过小时，则表明炉膛周界过大，所能布置的水冷壁管子根数就越多，这时有利于减轻结渣，减少污染物的生成量，但由于燃烧器区域的温度水平低，不利于稳定着火。而值Rq越大，说明火焰越集中，燃烧器区域的温度水平就越高，对于着火有利。另外，炉膛内的散热条件也会对燃烧产生影响。如用卫燃带将燃烧室周围的水冷壁覆盖起来，目的是提高燃烧区域的温度，因为一部分水冷壁被耐火材料覆盖后，吸热量减少，烟气温度自然升高为燃料的及时着火及稳定燃烧创造了条件。另外，锅炉负荷的变化也会对煤粉气流的着火产生较大影响。锅炉负荷发生变化时，炉膛平均烟温发生变化，燃烧器区域的烟温随之发生变化，从而引起锅炉燃烧稳定性发生变化。锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量相应减少，水冷壁的吸热量虽然也减少一些，但减少的幅度却较小。相对于每公斤燃料来说，水冷壁的吸热量却反而增加了，致使炉膛平均烟温降低，燃烧器区域的烟温也降低，因而锅炉负荷降低，对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉