燃煤锅炉直流一次风粉着火距离的预测模型及其理论分析

第 4 2卷第 2 期 2 0 1 1年 3月 锅 炉 技 术 BOI l ER TECHNOI ( ) GY Vo 1 4 2，NO 2 M a r 2 0 1 1 文章 编号 ： C N3 1 1 5 0 8 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 3 6 0 5 燃煤锅炉直流 一次风粉着火距 离的预测模型 及 其理论分析 李凤瑞 ( 浙江省电力试 验研 究院 ，浙江杭州 3 1 0 0 1 4 ) 关键词 ： 煤粉 ；燃烧 ；着火距离 摘要 ： 用一个实用模型 ， 从理论上解决了直流一次风 粉着火距 离的计算 问题 ， 同时 阐明 了挥 发分析 浓 度而不是着火温度对工程应用更有价值 ， 分析 了影 响着火距 离的各种 因素 ， 另外 ， 指 一 个有趣 的现象 即燃 煤锅炉的管道长度对燃烧具有一定的影响 。 中图分类号 ： T K2 2 9 6 文献标识码 ： A O 前 言 一 次风粉煤 粉气流 的着 火距 离对 锅炉 燃烧 来 说是个非常重要的概念 ， 一般来讲 ， 我们希望煤粉 气流的 着 火在 离 喷 口0 3 1 5 m的 范 围 内 ， 着 火 距 离太近 ， 可能 会烧 喷 口或 造成 结渣 ； 太远 则 可能 发生灭火 。但 是 ， 长 期 以来 ， 对着 火距 离 的计算 一 直没有一个 明确的计算公式 ， 作 者通过将传统燃 烧 理 论与工作实践 相结合 ， 提 出了一个 具有实用价 值 的着火距离计 算公 式 ， 通 过该 公式 ， 可 以清 楚地 理 解影 响着火 距 离 的 各种 因素 ， 并 已编写 成 实 用 软 件 ， 对 锅炉燃烧 系统 的设计 、 运行 、 改造 提供 了理 论 计算依 据 ， 具有重要 的指导意 义。 1 在 经典 燃烧 理论 基础 上 提 出的 着火 距 离预测模型 为建立 预测模 型 ， 首 先 提 出如下假 设 ： ( 1 )喷 人炉膛 的煤 粉颗 粒在 炉膛 高温 烟气 的 辐射 和对 流作 用 下 ， 煤 粉 颗 粒 析 出挥 发 分 ， 当局 部挥 发 分 析 出 的浓 度 和 氧 气 的 比值 达 到 某 一 合 适比值时， 挥 发分开始着火燃烧 ， 该 比值是不 同 的环境温度 、 挥发分成分等参量 的函数， 但在初 始着火这一条件上一般可认为该值为 c o n c e n = 0 O 2 7 丁， 丁为燃烧 区 附近平 均 的热力 学温度 。 ( 2 )挥发分析出遵守文献 2 3 中 B a d z i o c h等 人 的试验 结果 ， 即 w1 3 Vf ( 1 一 C】 ) Q 1 一e x p 一C 2 ( e x p ( 一( 3 丁 ) ) f ( 1 ) 式 中 ： 为分析基挥发 分 含量 ， 考 虑到工 程应 用实 际， 我们用更能反映实际煤质燃烧特性的可燃基挥 发分与低 位发热量 的乘 积来代替分析 基挥 发分 。 即 ： Vf l V Q 式 中 ： 经 验转 换 系数 ， k g k J ； ， 一 一可燃 基挥发 分 ， ； Q 一次 风 所 携 带 煤 粉 的 低 位 发 热 量 ， k g k J 。 式 中 ： C 一一 调节常数 ， 它 是假定把 计算式 外推 到 无 限长时间后得 到的工业分析挥 发分 的残 余 值， 一 般其 最 佳 值 为 C = 0 1 4； Q 由试验确定的系数 ， 其典型数值为 Q一 1 3 ； C 频率因子 ， 与煤粉细度 、 加热速率等有 关 ， S 。其典型数值为 一1 5 1 0 ( S ) ： G 通 用 常 数 ， k ， 其 典 型 数 值 为 G 一 8 8 0 0 k： t 加热 时 间 ， S ； 丁 一燃烧 器 出 口附近 的绝对 温度 ， K。 ( 3 )不论煤 粉射 流 的喷 口尺寸 和喷 出速 度 的 大小如何， 射流的角 、 核心部分 的长度都是相似 的， 一般其扩展角为 2 8 。 左右 ， 射流核心的长度为 喷 口半 径 的 8 8 9 6 倍 ， 因此 ， 煤 粉 气 流 从 燃 烧 器喷 口喷 出到 射 流 着 火 这 段 距 离 可 以假 设 其 气 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 1 0 作者简介： 李凤瑞 ( 1 9 7 2 ) ， 男 ， 博士后 ， 高级工程师， 主要从 事锅炉燃烧及相关新技术开发 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李凤瑞 ： 燃煤锅 炉直流一次风粉着火距离 的预测模 型及其理论 分析 3 7 流 速度 不变 。 则加 热 时 间为 ( 2) 式 中 ： Z 着 火距 离 ， 1T I ； 喷入炉 膛后 的一 次 风速 ， m s 。 ( 4 )假设 给粉 机 出 口到燃烧 器 喷 口这一 段 距 离 挥发 分 的析 出遵 守 同样规 律 。 ( 5 )一次 风 中氧 气 含量 对 着火 浓 度 的 影 响 ， 为 氧气 含 量 下 降 ， 着 火 距 离 增 加 ， 由于 空 气 中 氧 气 质量 比近 似 正 比与 体 积 比 的 1 1 0 9 倍 ， 为 方 便 起 见 ， 这 里 的使 用 的氧 气 浓 度 为 体 积 浓 度 ， 其 影 响估计 为 ( ) ， 为一 次风 中氧气 浓度 对 着 火 浓度 影 响 的系 数 。 的 数值 可取 为 1 ； 。0 为 一 次风 粉 中真实 的 氧气浓 度 ， 。 ( 6 )煤粉 细度 的影 响 ， 煤粉 细 度 越细 ， 相 同质 量的煤粉比表面积越 大， 即析 出挥发分的表面积 越大 ， 越 容易达 到燃 烧所需要 的着火浓 度 ， 这里 ， 假 设 煤 粉 细 度 对 表 面 积 的 影 响 是 未 ， 为 系 数 。 ( 7 )不 考 虑压 力 对 燃 烧 速 度 的影 响 ， 实 际燃 烧过 程 中一般 调 节炉膛 负 压在 一5 O P a 左 右 ， 炉膛 负压 变化 不 大 ， 所 以压 力 的影 响可 以忽 略 。 ( 8 )煤粉 挥 发分 析 出的浓 度 与空气 中氧 气 的 浓度 达 到一定 比例 时才 开 始 燃烧 ， 当 析 出 的挥 发 分刚 好 与空气 中的 氧气 燃 烧 时燃 烧 最 猛 烈 ， 这 里 ( ) l I r ( I ) 2 与煤 粉浓 度 的关 系近 似为 。 式 中 ： C 常数 ； c o a l 当量 煤粉 浓度 ， 计 算公 式为 一 C C O a l d V d a fQ ne t p ： 式 中 ： C 经验参 数 ， 一般 采 用 2 9 4 1 ， k J k g ； V 可燃基 挥 发分 ， ； Q 。 一次 风 所 携 带 煤 粉 的 低 位 发 热 量 ， k J k g。 ( 9 )挥发分析 出达到一定浓度后燃烧需要高 温 点火 源 的存 在 ， 由 于 在 稳 定 燃 烧 情 况 下 ， 炉 膛 温 度 温 度 一 般 在 1 3 0 0 以上 ， 所 以这 个 问题 可 不 考虑 。 则 着火 点处 的着 火浓 度 可用 下式 表示 ： n f Q p ( 1 -G) Qc o n c e n = , c o a l C 一 ( 1 - e x p 一 ( ex p ( 一 )鲁 ( 3 ) 这 里值 得指 出 的是 O 为 实 验 室 测 得 的 挥 发 分 含量 和煤 粉混 合器 人 口处 的氧 含 量 ， 在 计 算 公 式 中保持 不 变 。为方 便 起见 ， 我们 提 出煤 质 参 数 的概 念 ， 即 M Vd a f Q K1 一 1 ( 1 一C ) Q0 1 4 0 2 1 一 。 o 0 2 7 ( 4 ) K2一 C2； K3一 C3 ； K4一 C4 则 公式 简化 为 = 妻 1 c o a L e 一 K1 M 1 一e x p 一K2 ( e x p ( 一K3 T ) ) ( 5 ) 从煤 粉混合器 到炉膛 内一次 风 着火 这一 流 动 过程中， 若煤粉浓度、 煤粉细度、 一次风速 、 一次风 温度 任一参数发 生改变 ， 则设 为新 的一段计 算该段 的挥 发分析 出量并 与前段进行 叠加 ， 分段计 算对进 行过燃 烧器改造 的一次风管 道非常适用 。 式 中 ： c o n c e n 着 火点 处 的着火浓 度 ， ； c o a l 流 动段 的煤 粉浓 度 ， k g ( C k g A) ： Z 流 动段 的长 度 ， 最 后一 段 即为 着火 距离 ， m； T ， 流 动段 的一 次风 粉温 度 ， K。 2 对预测模型 的理论仿真分析 对 于确定 的机 组 ， 其 常 数 和一 次 风 管 道 基 本 是 固定 的 。这 里 假 设 一 台 2 0 0 Mw 热 风 送 粉 机 组 ， 该 炉燃 烧 器 未 经 过 改 造 ， 则 一 般 可 将 整 个 燃 烧流 动过 程分 为两 段 ， 即从 煤 粉分 配 器 到 燃 烧 器 喷 口的一 次 风 流 动 过 程 阶 段 和 及 喷 人 炉 膛 后 的 加热 着火 阶段 ， 下 面 分别 分 析 着火 距 离 与 各 参 数 的关 系 。为方 便 计 算 ， 可 编 写 程 序 模 块 ， 以便 快 捷 计算 着 火距 离与 各种 参数 的关 系 。 表 1 着火 距 离与 喷 口附近燃 烧 区温度 关 系 计 算 的基本 参数 设定 基本参数 数值 一 次风管道长度 m 一 次风温度 一 次 风 速 m S 煤粉浓度 k g k g 煤粉细度 R 。 。 氧量 体积 比 煤质参数 45 26 O 30 0 4 1 4 0 21 3 6 54 ( 1 )着火 距离 与喷 口附 近燃烧 区温度 的关 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技 术 第 l 2巷 将 上述 参数带 入方 程 ( 5 ) 。 fi - 算结 果 l 。 南 I可 见 ， 在 给 定 参数 条 件 下 ， 炉 膛 内 喷 口附近 预热 温度在 低 于8 5 0 D( 1 以后一 次 风着 火距 离 迅速 恶 化 ， 着 火 距 离 急 剧 增 加 一 般 可 导致 陔 喷 口局 部灭 火 ， 即存 在 一燃 烧 下 限 温 度 。存 锅 炉 燃烧 调整 和锅 炉设 计 巾 。 应 保 汪 喷 口附 近 的 预 热 环境 温 度 高 于燃 烧 下 限 温 度 以确 保 燃 烧 稳 定 。 兰 毫 芷 镕 王： 一 f 、 、 一 、 燃 烧【 温度一 1 炉 膛 喷 门附近环境 温度 -i 着火距离的天系 ( 2 )着火距 离 与煤 质参 数的关 系 将 上述 参数 带 入方程 ( 4 ) 计 算结 果 图 2 。 表 2着火 距离 与煤质 参数 关 系 计算 的基本 参数 设定 基本参数 一 次 管 道 长 度 iT l 一 次 J x 【 温 度 一 次 风速 , I 1 l 煤 粉浓度 k g k g 。 煤粉 细度 氧蛩 体积 比 喷 口燃 烧 温 度 三 艇 迦 f | 一 、 一 煤质 参数， J 罔 2 煤质参数 一次风着火距离 的关 系 甫图 2可 见， 在 给定参 数 条件 下 ， 煤 质参 数 对 一 次风着 火距离 的影 响很大 ， 且在其 他运行 条件 不 变 的情况下 存在 一 下限 ， 当低 于该 下 限后 ， 一次 风 着火距离迅 速增 加 ， 这 意 味着燃 烧 稳定 性 变差 ， 稍 有不慎 即可能发生 灭火 ， 可定 义在 给定条件下 当一 次风着火距 离 为 l m 时 的煤 质参 数 为下 限 。这 点 对 实际锅炉运行 中的燃料配煤具 有重要 的意义 ， 应 用本公式可以非常方便地确定煤种的适应范同。 ( 3 )着 火距 离与煤 粉浓 度 的关 系 表 3着 火距 离与煤 粉浓 度关 系 计算 的基 本参 数设 定 小参数 数f I I_ 次 ： 道 K度 m 次 温度 ， u ( 次 速 n 1 s 煤质参数 煤 粉 细 度 R 氧 址 体 积 比 喷 燃 烧 I ) ( = 温 度 口 ( ) 26 0 3 ( ) 6 5 I l ) 2】 【 ) () ( ) 煤粉 浓 度埘 着火距 离 的影 响要 复杂 一些 。 将 I 述 参数带 入方 程 ( 4 ) 。 计算 结果 如 图 3 。 f f l I - I 煤 粉浓 度 l k ) Kg ( A)。 _ 划3 煤粉浓度 -j 次 符 火距 离的天系 文献 3 巾提 _r当量煤 粉浓度的概念， 、 J ， 量煤 粉浓 度 就 是一 次风 中 的 氧 量 刚 好 能 够 将 一 次 风 巾的煤 粉 完 全燃 烧 时 的 浓 度 。这 个 概 念 非 常 重要 ， 实际 I j 一次 风 r r I 的煤 粉 浓 度小 于 量 煤粉 浓度 时 随 着煤 粉 浓 度 的 增 加 ， 着 火距 离 在 缩 短 而 当煤 粉 浓 度 超 过 煤 粉 时 。 由 于 燃 烧 所须 的 氧量不 足 ， 随着 煤 粉浓 度 的 增 加 着火 距 离 存缩 短 。 另外 ， 随 着 煤 粉 浓 度 的提 高 。 一次 J x 【 着 火 距 离缩 短 。 且 当煤粉 浓 度 高 于0 8 k g k g 后 ， 其 使 一 次 风着火距 离 缩短 的幅 度 已经 很 小 这点 对浓 淡 燃 烧 器 的设 计 非常 有 价值 ， 【 大 i 为 浓 淡燃 烧 器 为 达 到浓 缩效 果 ， 往 往要 消耗 一 定 的 阻 力 过 分 追 求 煤粉 浓度 的提 高而 产 生非 常 大 的 阻 力 ， n 能 得 f 偿失， 同时， 在一定条件下 ， 煤粉浓度存在其相 的煤 粉浓 度下 限 。定 义在 给 定 条件 下 ， 一次 风 着 火距离 为 1 m时 的相 应煤 粉 浓度 为煤 粉浓 度 下 限 。在本 例 巾 煤 粉 浓 度 下 限 为 0 3 5 k g k g 。煤 粉浓 度下 限 的存在 对 实 际燃 烧 捌 整非 常 有 意 义 ， 低 于 陔煤 粉浓 度运 行 将 使燃 烧 稳 定 灭火 的 n f 能性 大 大增 加 ， 同 时 可 在 D ( 7 S没定 巾根 据 煤 粉 浓度 下 限没定 卡 H 应 的给粉 机最 低转 速 。 ( 4 )着 火距离 与一 次风 速 的火系 8 6 4 28 6 4 2 0 0 0 0 0 u | 鲢 j 啦 作【 l m O m 数 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李凤瑞 ： 燃煤锅炉直流一次风粉着火距离 的预测模 型及 其理 论分析 3 9 表 4着火 距 离与 一次 风速 关 系 计算 的基 本 参数设 定 基 本参 数 数值 一 次风管道长度 m 一 次风温度 煤粉浓度 k g k g 煤质参数 煤粉 细度 R 氧量 体积 比 喷 口燃烧区温度 o 4 5 26 O O 4 3 65 4 1 4 O 21 9 00 将 。 萋 ： 梅0 _ r r 一 P-一 20 2 5 3 O 35 4 0 一 次风速 m s 一 1 冈 4 一次风速与一次风着火距离 的关 系 一 次 风 速 与一 次 风 着 火距 离 的 关 系 基 本 上 呈 线性 关 系 ， 即 随 着 一 次 风 速 的提 高 ， 一 次 风 着 火 距离 线性 增 加 ， 由 于一 次 风速 调 整 起 来 非 常 容 易 ， 因此 ， 在 实 际燃烧 调 整 中 ， 往 往 采 用 调 整 一 次 风 速 的方法 调 节一 次风 着火距 离 的远 近 。 ( 5 )着火 距离 与一 次风 温 的关 系 表 5 着火 距 离与 一次风 温 关 系 计算 的基 本参 数设 定 基本参 数 数值 一 次 风 管 道 长 度 m 一 次 风 速 m s 煤 粉 浓 度 k g k g 煤质参数 煤粉细度 R 氧量 体 积 比 喷 口燃烧 区温度 4 5 3 O 0 4 3 65 4 l 4 O 21 9 O O 将 上述 参数 带入 方 程 ( 4 ) ， 计算 结果 见 图 5 。 O 8 0 6 蓝o 4 0 2 0 、 、 、 、 、 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 00 50 0 一 次风温 一 次风温与一次风着火距离 的关 系 过去我们分析 一次风 温对燃烧 的影 响， 一 般采 用着火温度的分析 方法 ， 认 为任何 一煤种 有一着 火 温度 ， 提高一次风温 ， 减 少了达到着火温度所需要的 着火热 ， 因而着火必然提前 ， 而实际上着火温度非常 不确定 和不准确 ， 在不 同的给定 条件 下着火 温度 的 变化很大 。应用本模 型 ， 由图 5 可见 ， 一次风温 的提 高必须高于一定 的温度才有 意义 ， 在 本例 中一次风 温高于2 5 0才开 始起 作用 ， 并 且 随着一 次风 温 的 增加着火点而缩短 ， 应该注意到 ， 对调整着火距 离来 说 ， 本 例中一次风温为 1 5 0和 5 0的着火距离是 相差很小 ， 可 以认为是一致的。 ( 6 )着 火距离 与氧 量 的关 系 表 6 着 火距 离与 氧量 关 系计 算 的基本 参 数设定 基 本参 数 数值 一 次风管道长度 m 一 次 风温 度 煤粉浓度 k g k g 。 。 煤 质参 数 煤粉细度 尺 。 ， 一 次 风 速 m S 喷 口燃烧区温度 4O 26 O O 6 3 65 4 13 5 30 1 OOO 将 上述 参数 带入 方程 ( 4 ) ， 计算 结果 见 图 6 。 皇 褪 梅 0 1 0 1 5 0 2 0 2 5 0 3 一 次风中氧气含量， 图 6 一 次风 中体 积比氧量与着火距离的关系 正 常 情 况 下 ， 空 气 中 氧 气 的 体 积 比含 量 为 2 0 9 3 ， 在 实际 锅炉 运 行 中 ， 一 般 氧量 都 等 于 或 小 于这 一数 值 。例 如 由于 夏 天 阴雨 ， 空 气 中水 分 含 量增 加使 氧量 降 低 ； 乏气 送 粉 中 由 于乏 气 中含 有大量的水分氧量会降低 ； 采用炉烟干燥 的褐煤 直 吹式 制 粉 系 统 由于 炉 烟 和水 分 的 大 量 存 在 氧 量也会大大降低。煤 粉仓中为防止粉仓爆 炸而 采用通二氧化碳的方法降低 氧量等。由图 6可 见 ， 氧气含量的降低使一次 风着火距离增加。我 们 也可 以 采 用 提 高 局 部 大 幅度 氧 气 浓 度 的 方 法 提 高燃 烧效 果 ， 即采用 富 氧燃烧 方式 。 ( 7 )着 火距 离与 一次 风管 道长 度 的关系 表 7着火 距离 与一 次风 管道 长度 关 系 计算的基本参数设定 基本参数 数值 氧 量 一 次风温度 煤粉浓 度 k g k g 煤 质参 数 煤粉细度 R 一 次 风 速 m S 喷 口燃烧 区温 度 c O 21 2 6O 04 3 65 4 1 4 3 0 9O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 锅 炉 技 术 第 4 2卷 将上述参数带人方程( 4 ) ， 计算结果见图 7 。 0 6 8 蠢 0 l6 0 6 4 O 62 O 6 20 3 O 4O 5 O 6 0 7O 80 一 次风管道 长度 m 图 7 一次风管道长度与着火距离 的关 系 由图 7 可见 ， 即使在一次风速等其它条件一 致 的情况 下 ， 由于 四 角切 圆 锅炉 前 后 墙 一 次风 管 道相 差很 大 ， 有 时后 墙 一 次 风管 可 能 比前 墙 一 次 风管 长 1 5 m以 上 ， 对 于燃 烧 调 整 来 说 ， 由于 后 墙 管道 长 ， 煤 粉停 留时 间长 ， 挥 发 分 析 出要 多 一 些 ， 更容 易达 到 燃 烧 所 需 的挥 发 分 浓 度 ， 因此 ， 后 墙 其 燃烧 条 件 要 比前 墙 好 ， 一 次 风 着 火 距 离 要 提 前 。当然 ， 管道 长阻 力增 大 ， 也存 在 不利 的方 面 。 ( 8 ) 着 火距 离 与煤粉 细度 的关 系 表 8着火距 离与 煤粉 细度 关 系计 算 的基本 参数 设定 基本参数 数值 氧 量 一 次 风 温 度 煤粉浓度 k g k g 煤质参数 一 次风管道长度 m 一 次风速 m S 一 喷 口燃 烧 区 温 度 O 2 1 2 6O 04 3 6 5 4 4 5 3 0 9 O O 将 上述 参数 带人方 程 ( 4 ) ， 计 算结 果 见图 8 。 由图 8可 见 ， 当煤 粉 细度 变 粗 时 ， 由于 其 比 表 面积 相应 减 少 ， 挥 发 分 析 出 的 面 积 减 少 ， 所 以 使 着 火 点延 长 ， 在 给定 条 件 下 ， 若定 义 当一 次 风 昌 褪 | 一一 煤 粉 细 度 ， 图 8一次风着火距离与煤 粉细度的关系 着 火距 离为 1 m时 的 煤 粉 细 度 为 额 定 煤 粉 细 度 。 当煤 粉细 度 大 于 该 值 时 ， 由于 煤 粉 变 粗 ， 将 使 燃 烧 变得 不稳定 。 3 结语 本 文 提 出 了具 体 的计 算 直 流 一 次 风 着 火 距 离 的计算 模 型 ， 并 应用 该 公 式讨 论 了影 响燃 烧 的 各种 因素 。根 据该 模 型 ， 可 以清 楚 地 解 释影 响 着 火距离的各种 因素 ， 对锅炉设计 、 锅 炉运行 、 燃烧 系统改 造均具 有重 要 的指导 意义 。 需要指 出 的是 ， 当直 流燃 烧 器 喷 口具有 周 界 风 ， 尤其是 向火侧 具 有侧边 风 的情 况下 ， 对着 火距 离 的影 响很 大 ， 但 该风量来 自二次风箱 ， 其 风量 、 风 速 、 角度均 不可测量 ， 对着火距 离的影响复 杂 ， 作者 在经过 多年尝试后还是 没有进展 。另外 ， 本文是作 者对燃烧过 程经验 的总结 ， 有些 参数 的选择 不见得 准确 ， 还需 要进一步在实践 中修正 。 参考 文献 ： 1 冯俊凯 ， 沈幼庭锅炉原理及 汁算( 第二版) E1 北京 ： 科学 出版 社 ， 1 9 9 2 ： 1 5 0 1 5 3 2 MAF i e l d ， D WGi l l ， B B Mo r g a n ， P GWHa w k s l e y著 ， 章明川 I， 许方 杰， 许传凯译煤 粉燃烧 M 北 京 ： 水 利电力 版社 ， 1 9 8 7 ： 1 3 0 1 3 5 P r e di ct i v e M o de l a n d R el a t e d Th e o r et i c aI An aI y s e s f o r t h e I gn i t i o n Di s t a n c e o f P r i ma r y Ai r a n d Co a l P o w d e r i n a Boi l er s w i t h I i n e a r F l O W P u I v er i z e d Co a I Bu r n e r s LI Fe ng r u i ( Z h e j i a