（热能工程专业论文）工业锅炉炉内结构的试验研究.pdf

山东大学研究生毕业论文稿纸 工业锅炉作为重要的热能动力设备，在我国得到 了广泛的应用。目前工业锅炉的使用中普遍存在能耗 高、污染严重的问题，解决这个问题对于我们这样一个 能源匮乏国有着十分重要的意义。 炉内空气动力场在强化炉内燃烧、降低污染物排放 中起着重要作用，本课题旨在通过炉内空气动力场测试 寻找良好的空气动力场，从而达到提高燃烧效率、减少 污染物的目的。 厂( 为此我们以一台1 4 m w 的热水锅炉为研究对象， j t 制作了空气动力场测试实验台。对炉膛内部结构、形状 进行变化，形成三种不同的测试工况，在炉膛空间x 向、 y 向、z 向等间距划分网格，布置测点，利用七孔探针 测试不同炉膛形状下的空气动力场，得出各测点上的压 力值，经探针数据处理软件处理实验数据，得出各点的 速度值，再经v b 可视化程序作出不同工况下、不同截 面上的速度矢量图，对速度矢量图进行分析、比较，即 第l 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 可知道通过各种工况下的空气动力场特性。 通过分析表明炉膛形状对炉内燃烧状况、初始排尘 浓度、烟气黑度有一定影响。合适的炉膛结构形状可以 可以在炉内形成良好的空气动力场，加强了炉内气流的 扰动，在炉膛空间形成涡旋，延长了烟气在炉内的停留 时间，使烟气中的碳粒进一步燃烬，从而降低了不完全 燃烧热损失，同时又使一部分烟尘沉降下来，降低了锅 i 炉初始排尘浓度和烟气黑度1 本课题以锅炉产品的节能、环保为目标，符合工业 锅炉的发展方向，其成本相应较低，具有一定的经济和 社会效益，这对于工业锅炉的设计、改造具有较大的现 实意义。 关键词】：工业锅炉炉膛形状空气动力特性 七孔探针燃烧状况静t 勺膪确 第2 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 a b s t r a c t i n d u s t r i a lb o i l e ri sa l l i m p o r t a n tp o w e re q u i p m e n ti n o u rc o u n t r y ，i ti sw i d e l yu s e de v e r y w h e r e t h e r ea r es o m e p r o b l e m ss u c h a se x p e n s em o r e e n e r g y ，p o l l u t i n gh e a v i l yi n t h eu s eo f i t ，t os o l v et h i sp r o b l e mi sv e r yi m p o r t a n ti no u r c o u n t r y w h i c h l a c k i n g o f e n e r g y t h ea i r d y n a m i c f i e l di ni n n e rf u r n a c e p l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i ni m p r o v i n gc o m b u s t i o na n dr e d u c i n gt h e d r a i no fp o l l u t a n t ，t h i sp a p e ri st of e n dab e t t e rd y n a m i c f i e l db yt e s ti 1 1o r d e rt oi m p r o v ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d d e c r e a s ep o l l u t a n t w eu s ea1 4 m wh o tw a t e rb o i l e ra sa n e x a m p l e ，c h a n g i n gt h e c h a m b e r7 s s h a p eo ft h eb o i l e r t o e s t a b l i s ht h r e ed i f f e r e n ts i t u a t i o n b yf o r m i n gn e ts q u a r ei n x 、ya n dzd i r e c t i o n a c c o r d i n g t ot h es a m e d i s t a n c e ，s t u d y i n gt h ed y n a m i c f i e l db ys e v e n p r o b e s w ec a r l g e tt h ep r e s s u r ev a l u eo f e a c hp o i n t t h ed a t ai sh a n d l e db y s e v e np r o b e sp r o g r a m m et og e te v e r yv e l o c i t y , t h e nw eu s e v b p r o g r a m m e t of o r mv e l o c i t yf i e l dp i c t u r e ，b yc o m p a r i n g 第3 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 a n d a n a l y z i n g v a r i o u s p i c t u r e ，w e k n o w d y n a m i c s p r o p e r t i e so fe a c hs i t u a t i o n i ti n d i c a t e st h a tt h ec h a m b e r s s h a p em a y i n f l u e n c et h ei n n e rc o m b u s t i o ns i t u a t i o n ，i n i t i a l d e n s i t yo ff l u ed u s ta n dt h ed a r k n e s so ff l u eg a s p r o p e r c h a m b e r s h a p e c a r lf o r mb e t t e r d y n a m i cf i e l d ，i n c r e a s e d i s t u r b i n ga n dp r o d u c ew h i r l p o o li n t h ec h a m b e r ，i t p r o l o n g t h et i m eo ff l a m ep a r t si n s i d et h ef u r n a c e ，t h ec a r b o ng r a i n i sb u r n e dm o r ec o m p l e t e l y , t h i sm a yd e c r e a s et h eh e a tl o s s a n dk e 印d o w np a r to fd u s t ，i m p r o v et h eb o i l e rsb u r n i n g e f f i c i e n c y , i tl e a dt ot h er e d u c t i o no f f l u ed u s td e n s i t ya n d d e c r e a s eg a sd a r k n e s s w ed e s i g nt op r o d u c ea ni n d u s t r i a l b o i l e rw h i c hc a r l s a v ee n e r g ya n dp r o t e c te n v i r o n m e n t ，i ti s a c c o r d i n gw i t ht h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n ，i t sc o s ti sc h e a p s o t h a ti tw i l lo f f e rs o m ee c n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t t h i s m a yb ea l lu s e f u lk n o w l e d g ef o rd e s i g n i n ga n di m p r o v i n g t h ei n d u s t r i a lb o i l e r k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lb o i l e ra i r d y n a m i c sp r o p e r t i e s c h a m b e r s h a p e s e v e n p r o b e s c o m b u s t i o ns i t u a t i o n 第4 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 符号说明 q 锅炉热损失， u x 方向分速度，m s v y 方向分速度，r i g s w z 方向分速度，1 1 1 s r 雷诺数 r i 临界雷诺数 a 前拱覆盖炉排长度，m a ：后拱覆盖炉排长度，m h r 前拱出口高度，m h ：后拱出口高度，m p 压力，p 。 p 0 基准压力，p 。 山东大学研究生毕业论文稿纸 1 前言 1 1 我国的能葬状况与工业锅炉现状 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，它 对于国民经济的发展起着十分重要的作用。虽然许多新 型能源如风能、太阳能、核能可以被人利用，但由于技 术条件的限制目前还不能大规模的开发。近期只能以 煤、石油、天然气等化石燃料为主要能源，而化石燃料 是不可再生的。从能源储量上看，我国常规能源总量位 居世界第三位，但由于人口众多，人均可呆能源占有量 非常低，我国属于能源贫乏国。能源开发受到多方面因 素的限制，因而在短时间内不可能大幅增长，所以我国 的能源方针是开发节约并重，近期要把节能放在优先地 位( n 。 锅炉作为将一次能源转换为二次能源的重要设备， 是一个耗能大户，目前其燃煤消耗量达3 亿多吨，占全 国燃煤量的3 0 ( 舢。而我国的能源利用率很低，一方面 是由于设备的热效率低下，大量的热能未发挥经济效益 山东大学研究生毕业论文稿纸 而浪费，另一方面是能源管理比较落后。工业锅炉在节 能方面也有很大潜力可挖，锅炉运行使用中存在的问题 不仅造成能源浪费，还给消烟除尘带来了很大困难，导 致环境污染加重。 工业锅炉作为我国重要的热能动力设备，使用面 广、需求量大，包括工业用蒸汽锅炉、采暖热水锅炉、 民用生活锅炉等。至1 9 9 1 年年底中国在用工业锅炉装 机总量已达4 3 万台约9 8 万蒸吨，而当前有关资料介绍 装机总量已达5 1 万台( 孙。 袁l中国在用工业锅炉按大区分布情况袁 序号地区工业锅炉总量其中热水锅炉 台数蒸吨台数兆瓦 j 华北 1 0 1 4 7 72 3 9 5 4 35 0 6 1 37 0 6 7 1 2 东北 1 1 6 6 5 42 4 9 6 4 77 2 6 2 28 6 6 4 1 3 酉北 2 8 9 7 49 9 3 2 i1 3 6 0 22 5 0 2 1 三北旮计 2 4 7 1 0 85 8 8 5 1 11 3 6 8 3 71 8 2 3 3 3 4 华东 1 0 4 2 9 3i s 7 4 7 68 3 3 51 1 0 2 6 5 中南 5 7 1 5 91 4 4 0 6 32 3 4 72 5 3 9 6 西南 2 3 5 6 16 3 0 1 62 1 0 75 3 5 全国合计 4 3 2 1 0 l9 8 3 0 8 61 4 9 6 2 61 9 6 4 3 3 从表一可以看出，中国在用工业锅炉总量中( 按蒸吨) 华北及东北两区各占2 5 ，华东占2 0 。 热水锅炉主要用于华北、东北及西北的所谓“三北 地区”，占热水锅炉总量的9 3 。 第7 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 全国3 1 个省、市、自治区中，在用工业锅炉以辽宁、 黑龙江、山东、河北、吉林、山西、北京、江苏等八省 市为最多，其工业锅炉拥有量约占全国的6 0 。 中国工业锅炉主要集中在城市，郊县及村镇较少。 以北京为例在用锅炉总台数中市区占8 1 ，郊县仅占 1 9 。在采暖锅炉总台数中，市区占8 4 ，郊县仅占 1 6 。 在用工业锅炉以中小容量为主。北京市曾对1 3 9 3 0 台工业锅炉做过普查分析，在用工业锅炉总容量中2 - 4 t h 锅炉占6 5 4 ，小于l t h a 锅炉占1 2 9 ，而大于6 t h 锅 炉不过占2 1 7 。 1 2 工业锅炉存在问惠 1 2 1 锅炉运行使用中存在的问题 中国在用工业锅炉的运行使用中，普遍存在锅炉 运行负荷低、炉渣含碳量高、排烟处过量空气系数大、 排烟温度高等问题，因而实际运行热效率比较低。广州、 兰州、上海等城市在用工业锅炉运行中随机测试情况表 弟8 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 明，燃煤锅炉实测热效率平均为5 0 5 7 7 6 ，比锅炉产 品鉴定热效率低5 1 0 个百分点以上。广州市9 1 年测试 了3 1 3 台锅炉，平均热效率仅为6 7 ( 3 、，而近几年工 业锅炉的鉴定热效率和运行热效率基本上没有什么提 高，停留在我国九十年代初的水平上。 兰州市1 9 9 1 年对1 5 0 台在用锅炉进行运行实测， 锅炉总计容量为4 6 2 蒸吨。其构成为：水火管锅炉1 2 1 台计3 3 8 蒸吨，水管锅炉2 2 台计9 8 蒸吨，其他为管架 式热水炉7 台计2 6 蒸吨。 表2兰州市工业锅炉运行实测隋况表 序项目 堕 锅炉( t h ) 号 位 小于o 5 12 d 61 0 l 实测台数 31 15 57 551 2 容量合计蒸 1 21 11 1 03 0 03 21 0 吨 3 平均锅炉出 t h0 3 90 7 31 2 12 3 75 0 65 8 1 力 4 排烟温度度 2 1 11 3 91 3 41 4 51 3 31 2 8 最高 2 9 l2 】2 1 22 】01 6 9】2 8 最低 1 3 97 69 67 89 8 5 过量空气系 2 9 72 7 33 2 83 4 83 _ 3 63 3 7 数 最大 3 7 36 7 95 5 35 8 85 1 3 最小 2 0 31 6 81 7 92 1 01 9 03 3 7 6 灰渣台碳量 2 0 52 7 、61 8 92 3 42 5 41 8 2 最大 5 8 76 6 、55 9 65 7 63 2 1 最小 2 6 42 - 3 52 7 13 0 31 6 71 8 2 7 锅炉热效率 6 3 56 7 26 86 9 97 2 27 4 5 最高 6 9 97 6 37 5 78 17 8 最低 6 4 15 4 35 2 35 5 36 07 4 5 第9 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 从表中实测统计数据可以看出： ( 1 ) 锅炉利用率低，实际负荷平均为6 1 ，最低的仅 为1 9 。 ( 2 ) 锅炉排烟温度平均1 4 1 度，有l o o d 呙炉不达标。 ( 3 ) 排烟过量空气系数平均为o 【- 3 3 9 ，9 8 锅炉不达 标，一方面园地处高寒，另一方面由于负荷不足。 ( 4 ) 灰渣含碳量平均为2 2 ，7 4 的锅炉不达标。 ( 5 ) 锅炉运行热效率平均为6 8 7 ，不达标的占1 0 。 1 2 2 工业锅炉排放控悄方面存在的问题 锅炉运行使用中的低效率不仅造成了能耗商的问 题，而且带来了严重污染。目前锅炉排放中存在的问题 有： ( 1 ) 锅炉原始排尘浓度偏高。我国工业锅炉9 0 以上 是层燃炉，近年来在链条炉排锅炉和往复炉排锅炉上做 了不少工作，锅炉原始排尘浓度有所下降，但与新标准 的要求有一定的差距。 ( 2 ) 锅炉烟尘排放浓度偏高。原因是锅炉初始排尘浓 度偏高，以及除尘器运行效率不高所致。 山东大学研究生毕业论文稿纸 ( 3 ) 锅炉脱硫技术尚待发展和推广。燃煤工业锅炉炉 内脱硫技术开展了不少工作，但在实用化方面还需做大 量的工作，烟气脱硫工作虽已起步，但还没系统的开展 全面治理，这都与新标准要求有一定差距。 ( 4 ) 温室气体控制的途径。减少二氧化碳等温室气体 排放的最好途径是提高锅炉热效率，减少燃煤消耗量。 目前中国工业锅炉平均运行效率6 0 。7 0 ，与国外保证 效率相比差1 0 一1 5 个百分点，因此提高设计水平和锅炉 的运行效率是急等解决的问题。 表3几种新型工业锅炉原始排尘浓度表 序号锅炉型号制遣厂家a = 1 8 琢始排尘 浓度m m 3 1s z l - 4 1 3 a 天山锅炉厂 2 7 3 5 2s z l _ 4 13 a 西安锅炉厂 2 7 6 6 3k z l l 1 0 a 南通锅妒厂 2 3 2 3 4d z l 4 13 a 湘潭锅炉厂 3 0 1 0 5s h l l 0 1 3 一a 鞍山锅炉厂 1 2 2 5 6d z l 4 - 1 3 a 武昌锅炉厂 1 2 0 j 平均 2 2 l3 表中所列的为9 0 年代新开发的几种工业锅炉，其 初始排尘浓度平均为2 2 0 0 m g m 3 ，有的高达 3 0 0 0 m g m 3 ，工业锅炉量大面广，往往位于工业区和居 民区，烟囱低空排放，如不进一步严格控制，污染将更 加严重。 第1 l 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 1 3 课题研究的甘的和方法 1 3 1 课题研究的目的 工业锅炉目前存在的问题主要有燃烧效率低、污 染物排放浓度高，除了所用的燃料不合适及运行管理不 当外，还与锅炉的设计水平有很大关系。工业锅炉中炉 膛的结构、形状对炉内燃烧状况及节能和环保有较大的 影响，本课题旨在通过实验找出合适的炉内结构形状， 达到改进炉内燃烧状况，提高锅炉热效率，降低烟气含 尘量的目的，从而为锅炉产品的开发、设计提供理论依 据。 目前，国内外对炉膛内部结构、形状的研究主要 集中在大型电站锅炉中，对工业锅炉的研究甚少，本课 题以工业锅炉的节能、环保为目标，符合工业锅炉的发 展方向，因而对工业锅炉的改造设计有较大的现实意 义。 我们以一台1 4 m w 的节能环保型热水锅炉为研 究对象制作了实验台。该炉测试热效率为7 8 ，锅炉 山东大学研究生毕业论文稿纸 初始排尘浓度为4 5 4 m g m 3 ，除尘后烟尘排放浓度为 8 9 m g m 3 ，烟尘黑度在林格曼一级以下，达到g b l 3 2 7 1 9 1 锅炉大气污染排放标准) ) 中一类地区的要求。 1 3 2 课题的研究方法 通过改变炉膛的结构、形状使炉内的空气动力场 发生变化，布置好探针的测点，利用七孔探针测量各个 测点的压力，用探针数据处理软件进行实验数据的处 理，得出各点的速度矢量值。根据所得速度矢量值，经 过可视化软件处理，显示出不同炉内结构形状下炉内不 同截面上速度矢量分布图，从而得出炉内冷态空气动力 场。对冷态空气动力场进行分析、比较，找出有利于燃 烧的空气动力场，进而得出合适的炉内结构。 山东大学研究生毕业论文稿纸 2 工业锅炉炉内燃烧过程的研究 2 1 煤的燃烧过程 煤的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程，从其 进行的先后过程来看，大致可分为以下四个阶段( 以层 燃为例) ( 4 ： 1 水分蒸发阶段。进入炉膛的煤受到炉内高温热源加热 而迅速升温。当温度升高到1 0 0 左右，煤中水分便 开始蒸发，煤被干燥。水分越多的煤需要更多的热量 和更长的时间进行干燥。 2 挥发份析出阶段。干燥后的煤继续受热升温，达到一 定温度时即开始分解并大量释放出挥发份。挥发份开 始析出的温度对不同燃料有不同的数值，大致规律是 挥发份越高的煤种，挥发份析出的温度就越低。这个 温度从烟煤到无烟煤约为1 5 0 4 0 0 。c ，析出挥发份后， 煤即成为疏松多孔的焦碳。挥发份多的燃料碳氢化合 物也多，碳氢化合物在较高温度下缺氧时易分解成固 态的碳黑，及很小很轻的碳粒，这就是烟囱冒出的黑 第】4 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 烟。 3 挥发份、焦碳的着火燃烧阶段。随着煤粒温度的继续 升高，当析出的挥发份气体在空气流中达到一定浓度和 温度时，即首先着火燃烧。挥发份着火燃烧时放出大量 热量，能把焦碳加热到赤红程度，但挥发份火焰包围着 碳粒，激烈的氧化反应暂时夺去了几乎全部扩散过来的 氧，使得焦碳的燃烧过程通常只能在挥发份燃烧之后进 行。 4 燃烬阶段。该阶段焦碳的可燃部分越来越少，加只裹 灰又阻碍了空气与可燃物的接触，燃烬过程进行的十分 缓慢。燃料的燃烬阶段放热量不大，所需空气量也少。 为减少灰渣含碳量，宣控制火床尾部通风和让灰渣在较 高温度条件下适当延长在炉内的停留时间。 以上四个燃烧阶段在时间上基本上是依次进行的 但在实际燃烧过程中往往也不能截然分开。例如挥发份 析出的过程有可能一直延续到燃烬阶段，而在煤加热速 率很高时，焦碳的着火也可能先于挥发份而直接实现。 各个阶段经历的时间不仅受到各种因素的影响而不同， 山东大学研究生毕业论文稿纸 且彼此之间也发生影响作用。如焦碳的燃烧阶段进行的 越激烈就会使烟气回流至炉排头部，使准备区域上的温 度水平提高，从而缩短了准备阶段并相应地延长了燃烬 阶段在炉内占据的炉排长度。 1 一一燃科预热干燥区段2 一一挥发分析出与燃烧区段 3 a 一一焦碳氧化层区段3 b 一一焦碳还原层区段4 一一灰渣燃烬区段 囤2 - i链条炉中燃烧区段分布田 2 2 燃烧反应速度及炉内工况对燃烧的影响 2 2 1 燃烧反应逮度的影响 燃烧反应速度指燃烧过程中反应物质浓度对时间 的变化率( 勤。既可用反应物浓度的减少率也可用生成物 浓度的增加率来表示。对于气体均相燃烧( 如挥发份在 空气中燃烧) 燃烧速度主要取决于燃烧温度和反应物浓 度，可表达为： 山东大学研究生毕业论文稿纸 w=k c a 8c b 6 ( 2 - 1 ) 武中w 一燃烧反应速度；k - 反应速度常数 c a ，c b 反应物a 、b 的浓度a ，b - 反应指数； 对于固体碳非均向燃烧，燃烧反应速度还与碳粒 的总表面积和氧的扩散能力有关，用单位时间碳反应表 面上完成反应的物质量来描述，可写为： ：= 鲁 ( 2 2 ) i + i w 0 2 一以碳表面处氧消失量表示的燃烧速度； k 一反应速度常数；o 【物质扩散速度常数 a 碳粒的总反应表面积； 由上武可知，非均相燃烧速度既与燃烧的化学条 件有关，又取决于燃烧过程所提供的物理过程因素。 温度对燃烧速度的影响通过反应速度常数表现， 这个关系称为阿雷尼乌斯定律： k = k o e 。f j r t( 2 - 3 ) k o 与分子碰撞总数有关的因子，可视为常数； e 反应活化能；t 反应温度 提高温度对燃烧速度影响的程度与燃料自身的活 山东大学研究生毕业论文稿纸 性有关。升高温度对于反应能力差的燃料更为有利，因 此工业锅炉在燃用无烟煤、贫煤或其它劣质煤时都非常 注意提高炉膛温度，促进煤的着火、燃烧及燃烬。 在煤的燃烧中，空气中氧分子必须首先扩散到固 体碳的表面，才能与之发生反应。气流的扩散能力对燃 烧速度的影响由物质扩散系数o 【反映。气流扩散能力越 强，碳表面附近的氧浓度就越大，因而燃烧进行的越快。 影响气流扩散系数c 【的主要因素是气流与煤块的相对速 度和煤块的直径。气、固相对速度越大，固体煤快的直 径越小，则c t 值就越大。 2 2 2 炉内燃烧工况的影响 炉内燃烧的实际过程中，反应温度和空气中氧的 扩散能力对燃烧速度的影响，有时表现为以化学条件为 主，有时表现为物理过程因素为主。可以根据燃烧温度 和气体扩散能力影响的相对强弱将固体燃料的燃烧分为 如下三个区间： 动力燃烧区燃烧速度基本上取决于化学反应能 力，与燃烧温度、燃料性质等的关系很大，而和气流的 第】8 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 相对速度关系不大。动力燃烧在炉温较低，燃烧速度较 缓时出现。 扩散燃烧区发生于燃烧温度很高，反应速度极大 时的情况，由于反应异常迅速，氧的输送能力相对与化 学反应能力太弱，以致反应表面处氧浓度几乎为零，能 否将大量氧送到碳的表面成为控制条件，这时燃烧速度 主要取决于空气的供应速度，而与燃料性质、温度等关 系不大。 过渡燃烧区化学反应能力和氧的输送水平大致相 差不多，对燃烧速度的影响都不能忽略。 若反应处于动力区，则强化燃烧的主要手段是提 高温度；若反应处于扩散区，则强化燃烧的主要措施是 增大送风。根据扩散原理，增大空气量的结果不但使煤 层各层次的氧浓度增加，也提高了空气和煤块的相对速 度。 不论燃烧反应处于动力区、扩散区还是过渡区， 增大气相介质的初始浓度和扩大煤的总表面积都将使燃 烧速度成比例增大。 山东大学研究生毕业论文稿纸 总的来说为了组织好整个燃烧过程需要有如下三 个基本条件： ( 1 ) 足够高的炉膛温度。炉温的高低对于煤的预热干 燥和挥发份的析出着火有直接的影响，温度高，焦碳与 氧或二氧化碳的反应速度也快，燃料完全燃烬也越有条 件。对于煤质较差的贫煤、无烟煤及高灰分、水分、低 热值的褐煤应维持较高的炉膛温度。 过分的提高炉温也没有必要，因为炉温达到一定 程度后控制燃烧速度的已不是温度而是空气供给速度 了。此外炉温过商会引起结渣，恶化妒排面上的通风工 况，还可能烧坏燃烧设备。 ( 2 ) 适当的空气量及正确组织气流流动。在炉温较高 条件下燃烧速度很快，空气迅速消耗掉，所以必须供给 足够的空气量。空气量太少不仅限制了燃烧速度，而且 会使烟气中的气体不完全燃烧产物c o 、c h 4 等成分增 加造成燃烧损失。但过多的空气量会降低炉温，同时使 排烟量过大导致排烟热损失q ：增大。 山东大学研究生毕业论文稿纸 l 燃烧设备手烧炉机械层燃炉沸腾炉油炉、气 炉 la 。j 1 4 1 61 3 - 1 51 1 1 1 2 1 1 1 2 在炉温足够高和空气量充分情况下，关键在于按 照燃烧规律的要求合理组织炉内气流，使氧化剂与燃料 充分接触并与可燃气体良好混合。 对于层燃炉还要求沿炉排长度分段送风，以及沿 炉排宽度送风均匀，良好的空气动力场对炉内燃烧有很 大影响，本课题的目的是利用合适的炉内结构形成良好 的空气动力场，合理组织炉内气流，从而达到促进燃烧 的目的。 ( 3 ) 保证燃烧需要的时间和空间。对于燃烧时间来说： 一要尽可能缩短煤完全燃烬所必需的时间。二是力求延 长燃料在炉内实际停留时间。若煤粒屑或可燃气体的妒 内停留时间小于燃料所需的最短时间势必造成燃烧损 失。 烟气中的可燃物质是在炉膛空间一边运动一边燃 烧，如果炉膛容积过小，烟气流速快，可燃物质在炉内 停留时间短，来不及燃烬即离开炉膛，就会形成气体和 山东大学研究生毕业论文稿纸 固体的不完全燃烧热损失。炉膛的形状应使气流有良好 的充满度，以保证充足的燃烧时间。 2 3 炉内燃烧过程的流动特性分析 煤粒在不同气流速度下会呈现不同的运动形式。 层燃炉中大块的煤在炉排上燃烧，气流从煤层间的缝隙 通过，气流速度w 愈大则飞走的煤粒愈多，煤粒的直 径愈大( 鄂。 上述现象可以通过单个煤粒的受力情况来说明， 如图2 - 2 ，单个煤粒主要受到两个力作用，一个是煤粒 的重力另一个是气流对煤粒的举升力。 g = 丁下下 重力 f ：圭唑二堕! ! 2 9 f 气流的浮升力 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 山东大学研究生毕业论文稿纸 v ，煤粒的真实重度；ya 空气的重度 v 。煤粒的体积；毛一煤粒在空气中的阻力系数 w 气流的实际速度；v 一煤粒受重力作用的下降速度 b 煤粒的迎风面积；g - 重力加速度 如果假定煤粒是圆球形，则无论煤粒怎样转动其 迎风面积都不变，此时煤粒与气流间呈现三种不同的状 态。 第一种状态，当w 比较小时，f ( g 此时煤粒下沉 或在炉排上不动。 第二种状态，当w 增大到某一定值时，f - - g 此时 煤粒不下落也不飞走，而是浮在气流之中自由运动。 第三种状态，当w 继续增大时，则f ) g ，此时煤 粒被气流带走。 由于实际情况下煤粒的尺寸是极不相同的，不可 能使全部颗粒都满足f = g 的要求。对于同一颗粒而言， 因其实际上并非球形，迎风面积必然随运动而变化，所 以有时f = g ，有时f ( g ，有时f g 。 合适的炉膛形状可以形成良好的炉内空气动力 第2 3 页 | 山东大学研究生毕业论文稿纸 场，使大多数的煤粒处于f = g 状态，从而延长煤粒在 炉内停留时间，降低烟气黑度。 小结： 通过本章讨论，为提高工业锅炉燃烧效率，必须使 炉膛结构符合燃料的燃烧规律，因此燃烧中除对煤本身 有一定要求之外，还必须使炉膛结构、氧气的供给和气 流的流动具有最优的条件。 炉膛结构对室燃炉、层燃炉各有相应要求，但促进 燃烧、强化燃烧必需的条件是： 1 ) 炉内结构能使其形成良好的空气动力场即合理 的气流流动。 2 ) 炉膛的形状应使气流有良好的充满度，没有死 角，不发生气流短路且有必要的扰动、环流。 为达到上述要求，工业锅炉的研究者已做了大量工 作，当前提高锅炉效率的各种措施，都是这些要求的体 现。 j i 山东大学研究生毕业论文稿纸 3 提高工业锅炉效率，减少污染的几种方法 要提高锅炉热效率，减少污染，除了对燃料的要求 外，改善锅炉内燃料的燃烧状况起着关键作用。为了组 织好整个燃烧过程，首先必须使炉膛保持适合燃料燃烧 的高温，尤其在着火区，应设法创造一个高温的环境， 为燃料及时稳定的着火提供热源，其次应为燃料的完全 燃烧创造条件，这包括及时输送燃料所必需的适量空 气。对于层燃炉还要注意合理的配风及沿炉排宽度送风 的均匀性，对于室燃炉需尽量提高燃料与空气混合的均 匀程度。此外应保证燃料在炉中有足够的停留时间，以 便最大限度地减少化学及机械未完全燃烧热损失，提高 锅炉运行的经济性。因为众所周知，燃烧过程是一个复 杂的化学物理过程，燃烧的好坏及快慢与化学条件及物 理条件密切相关。对于化学反应来说，在锅炉技术中温 度的影响最大，在物理条件中，起主要作用的是气流的 扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和燃烧产物的反 向扩散卜伸。为了达到上述目的可以采取以下方法： 从燃料着手，对锅炉的燃料进行优化。或对燃烧设备和 第2 5 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 锅炉的本体进行改造。 3 1 改进锅炉燃料，提高效率，降低污染 我国的工业锅炉在相当长的一段时间内仍将以燃 煤为主，这是由我国的能源状况决定的。虽然近年来随 着国内油、气生产的发展和城市环保要求的严格，燃油、 燃气锅炉有了一定发展，但非常缓慢。从长远来看由于 煤的储藏量远大于油、气，所以燃煤锅炉有很大的发展 前途。 锅炉的燃煤以燃用未经洗选加工的原煤为主，颗 粒度没有保证。原煤中粒度小于3 m m 细末的含量高达 4 5 - - - 6 5 ，而粒度大于l o m m 的块粒含量仅占1 5 - - 3 0 。 粒度不均使碎屑堵塞予大块之间，煤层堆得很结实，使 热量不易传到煤层深处，且干燥过程中的水蒸气也不 易散发出来，因而煤层着火很困难。另一方面，在运行 中如果颗粒度不均，加之沿炉排宽度的煤层阻力不一， 容易形成局部火口，同时还使炉排通风不均匀。煤中的 水份对燃烧有一定影响，适量的水份可以减少漏煤与飞 灰损失。同时由于水份蒸发为水蒸气，体积增加，在煤 山东大学研究生毕业论文稿纸 层留下许多空隙，疏松煤层，有利于通风和强化燃烧。 另一方面，煤中水份的增加使预热干燥时间加长，水份 的蒸发要吸收热量，水蒸气与可燃气体的混合对可燃气 体的燃烧不利，甚至导致气体未完全燃烧热损失q ，和 气体未完全燃烧热损失q 。的增加。水份增加的同时也 会引起烟气量和排烟热损失q ：增加。 煤中灰份对着火是不利的，因为灰份极大部分与 煤中焦碳共生在一起，阻碍了碳粒子与空气中的氧接 触，因此也就阻碍了燃烧，拖长了燃烬时间，增加了不 完全燃烧热损失。同时灰渣中的氧化铁还可能处在还原 状态中，有助于氧化铁还原成氧化亚铁，使灰渣的融化 温度降低许多，可能因结渣而阻碍通风，破坏燃烧过程。 由于燃料供应中存在的问题，严重的影响了工业锅炉运 行热效率的提高和烟尘排放浓度的降低，所以今后需按 工业锅炉的燃煤要求来改善供煤状况和优化锅炉燃煤。 但我国的洗煤加工能力有限，极难使工业炉燃用洗 选燃煤。虽然北京、上海等大城市为改善工业锅炉的燃 烧而供应部分专供工业锅炉燃用的动力配煤，但据中国 山东大学研究生毕业论文稿纸 工业锅炉市场及制造体系调研报告，目前全国各城市动 力配煤的配制总能力不过2 0 0 0 万吨年，仅占工业锅炉 年燃煤总量的6 - 8 。所以解决工业锅炉燃煤的主要出 路在于颗粒分级和型煤化。工业型煤和炉前成型煤正在 我国研究开发，实验表明燃用型煤可使工业锅炉提高热 效率5 个百分点以上，节煤7 左右，可降低烟尘浓度 5 0 6 0 ，还有可能部分脱硫。由于集中供应的工业型 煤生产投资大，成本高，相比较而言炉前成型煤更具有 实用推广意义，但尚处实验阶段1 们。因此从配备燃 料上入手解决燃烧污染的问题目前来说还达不到要 求。 3 2 增加受热面，改进配风装置的可行性分析 影响工业锅炉热效率提高的是各项热损失，主要 的是排烟热损失q 2 ，气体未完全燃烧热损失q ，固体未 完全燃烧热损失q 4 。 工业锅炉排烟热损失一般是各项损失中最大的一 项，多在1 0 以上。影响排烟热损失的因素有两项： 一是排烟温度，排烟温度越高，排烟热损失越大。另一 山东大学研究生毕业论文稿纸 项是排烟量，烟气量越大，同样的排烟温度，排烟热损 失越大。排烟量大小与工业锅炉的过量空气系数有关， 过量空气系数越大，说明锅炉送风量大，排烟热损失大。 过量空气系数亦与锅炉受热面的漏风有关，各处漏风越 大，过量空气系数亦大，排烟热损失亦大，因此应设法 使炉内空气与烟气充分混合，使炉内烟气形成旋涡，延 长烟气在炉内停留时间，使换热增强，有利于节约燃料 和减少锅炉初始排尘浓度。虽然可以通过增加局部受热 面、省煤器、空气预热器来降低排烟温度从而降低排烟 热损失，但这样导致锅炉的钢材耗量增加，成本提高。 另外锅炉的排烟温度太低，易造成锅炉尾部受热面的低 温腐蚀，锅炉的使用寿命不易保证，因此从进一步降低 排烟温度，增加受热面来提高工业锅炉的热效率是否可 取还有待进一步讨论。 气体未完全燃烧热损失是由于工业锅炉炉内温度 不高，空气不足，混合不好，碳与氧结合后生成一氧化 碳，放出热量少，可燃气体由于炉内缺氧，没有参加 燃烧造成的。气体未完全燃烧热损失多为l 3 ，如果 山东大学研究生毕业论文稿纸 增加炉内扰动，保证空气适量，可以降低这项损失。工 业锅炉中的固体未完全燃烧热损失q 。是由于燃料中的 碳未燃烬引起的。对于层燃炉，工业锅炉的固体耒完全 燃烧热损失约占1 0 左右，它是仅次于排烟热损失的 一项。影响固体未完全燃烧热损失的因素比较多，它与 燃料燃烧方式、炉膛结构、几何尺寸、链条炉炉拱对炉 排的遮盖面积、炉拱形状及炉温、过量空气系数的大小、 运行水平高低有关。燃煤发热量低、挥发分少、炉膛结 构不合理、炉拱对炉排遮盖面积不合适、炉内扰动小、 过量空气系数过大、炉温降低都会使此项损失增加。解 决此项损失可通过改进配风装置来实现。因为煤在炉排 上的燃烧是分阶段、分区进行的，沿炉排长度方向所需 的空气量是不同的。 煤预热干燥时，可以不需要空气，其后是挥发物 与焦碳的燃烧区，此区为燃烧过程的主要部分，需大量 送入空气，最后是灰渣形成区，燃烧过程接近基本完成， 只需送入少量空气，以冷却炉排之用。据此原则，一次 风量应进行调节，沿炉排长度方向应当分段送风。具体 山东大学研究生毕业论文稿纸 合理的方法是将炉排下分成几个区域，互相隔开，形成 风室，分段送风。同时为减少沿炉排宽度方向风量不均， 还应采用双面进风或其它匀风措施。合理配风在降低的 q 4 的同时也可以降低q 3 。 燃料燃烧由于阶段不同，区域不同，所需空气量也 不相同，需要空气的阶段送入空气可降低气体与固体不 完全燃烧热损失；不需要空气的区域，不送空气或减少 送入量，可以降低排烟热损失，达到提高锅炉热效率的 目的。但实际上有些过程交织在一起，并无明显分界面。 因此燃烧调整时，各风室的调整还需结合炉内具体情况 来调整。同时只对风室进行调节还不够，还需对锅炉送 引风机风量进行调节，如果燃烧状况得以改善，此时过 量空气系数大小合适，说明调整有效。如情况相反，则 需重新调整。在调整中还要注意观察炉内负压的大小， 只有这样才能达到提高热效率，降低排烟热损失，降低 烟气黑度和烟气中的含尘量。实际运行过程中，对配风 装置的调整、改造比较复杂，也存在着成本上升的问题。 第3 l 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 3 3 从改进燃烧设备入手的可行性 燃烧设备的好坏对锅炉的影响较大，从而又直接影 响到炉内的燃烧状况，对燃烧设备进行改造也可以改进 燃烧。我国工业锅炉的燃烧设备以层燃炉为主，层燃炉 中又以链条炉排为主，约占锅炉总容量的6 0 ，占总 台数的6 5 。根据课题的需要以链条炉为例进行讨论。 链条炉排的形式有链带式、横粱武及鳞片式及鳞片式三 种。 链带式炉排中又分为轻型炉排，大块型炉排及活络 芯片型炉排片。轻型链带式炉排具有结构简单，重量轻， 成本低，燃烧效率高，环保指标好等优点，但炉排片易 拉断，漏煤量多。大块型链带式炉排运行安全可靠，金 属耗量省，制造检修方便但自身清洁能力差，制造工艺 要求高。活络芯片链带式炉排则综合了上述两种炉排的 优点，因而应用较广泛。 横梁式炉排的优点是只受热，不受拉力，因而经久 耐用，运行时前后炉排片可相互交叠，减少漏煤量，降 低了固体未完全燃烧热损失。炉排冷却条件良好，炉排 山东大学研究生毕业论文稿纸 片更换方便。缺点是结构笨重，金属耗量大，受热不均 时横梁可能扭曲，框架结构复杂，制造要求高。 鳞片式炉排运行安全可靠，通风均匀，燃烧效率 高，炉排片便于维修和更换，缺点是结构复杂，金属耗 量大，比链带式炉排笨重，制造工时高。 燃烧设备虽然影响到炉内燃料的燃烧，但经过国内 外上百年的研究和完善已基本定型。虽然近几年国内在 使用可靠，合理配风等方面作了一些改进，但没有大的 突破，因此从改造燃烧设备着手来提高锅炉效率，消烟 除尘意义不大。 3 4 改造炉内结构，以提高效率，减少污染 如果从另一个角度着手，找出合适的炉拱配合，合 理的炉内结构形状，从而能够设计出更适应燃料燃烧的 炉内结构形状，进一步提高工业锅炉热效率2 一【1 引。 下面我们对炉拱进行一下讨论5 卜。炉拱的作 用有两个，一是加强炉内气流的混合，二是合理组织炉 内的热辐射和烟气流动。以上两个作用是通过不同拱形 的良好配合达到的。加强炉内气流的混合是为了是炉膛 第3 3 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 前后的过剩空气能为炉膛中部还原区可燃气体的燃烧提 供必要的氧气，从而减少热损失q ：、q ，、q 4 ；而合理组 织炉内的热辐射及烟气流动，则是为了提高火床头部着 火区的温度，改善着火条件，并强化火床中部的主燃区， 使燃烧更加旺盛，炉前燃料着火迅速，炉后灰渣燃烬， 进一步降低q 。的损失，达到提高热效率的目的。 炉拱的作用还与燃煤的种类及特性有关。当燃用 挥发分低的无烟煤时，应保证燃料的着火为主；而当燃 用挥发分高的烟煤时，由于大量挥发分的集中析出，使 炉膛内气体分布的不均匀性更加突出，此时炉拱的主要 作用是加强气流混合，以利于挥发分的充分燃烧。 炉拱按其所处位置的不同可分为前拱、中拱及后 拱三类。前拱位于火床前部上方，有水平式、倾斜式及 反倾斜式等，它的主要作用是创造燃料引燃所需高温环 境，帮助燃料及时引燃。其工作机理为通过再辐射为主， 漫反射为辅的方式，将高温火床面的辐射热和部分火焰 的辐射热传递到燃料着火区。 后拱位于火床后部的上方，有单倾斜式、水平倾 山东大学研究生毕业论文稿纸 斜式及双倾斜式。后拱的作用是通过它与前拱的适当配 合取得间接引燃和强化混合的效果。后拱对新燃料的引 燃有两个方面，一方面是直接引燃，另一方面是间接引 燃。所谓直接引燃是指后拱将拱区内的高温烟气及悬浮 的炽热碳粒逼向火床前部，以加速燃料的引燃过程。间 接引燃是指后拱提供的热烟气是通过前拱再辐射至火区 的。研究表明间接引燃是后拱引燃的主要方式，其引燃 机理为；后拱将大量高温烟气和炽热碳粒输送到燃料的 燃烧区，强化该处的燃烧，使之发出更多的热量，并以 此形成更高的温度，从而大大增强了前拱的辐射引燃作 用。另外后拱还具有对燃烬区的保温促燃作用。 后拱的强化混合效果表现为：后拱将拱区内平行上 升的可燃气体及尾部过剩空气导向妒前，与前拱下出来 的烟气碰撞，搅拌，延长了烟气在炉内的流动行程和停 留时间，又增强了炉前，炉后各种成分气体的扰动与混 合，使可燃气体及悬浮灰粒在此得到进一步的燃烬。 中拱位于火床中部的上方，可进一步加强对新燃料 的间接引燃作用，同时设置中拱可避免后拱过长带来的 第3 5 页 山东大学研究生毕业论文稿纸 烟气闷塞问题，其缺点是对尾部燃烬区的保温作用较 差，不能促使后部过剩空气与前部挥发分的混合。 前拱的布置应具有足够的敞开度，不能过低否则对 着火不利，但也不能过高，因为拱区内的三原子气体对 辐射热有强烈的吸收作用，并随气体层厚度的增加而急 剧增大，从而削弱了前拱本身对新燃料层的辐射作用。 当气体层厚度过大时，就相当于取消了前拱的辐射，而 代之以三原子气体的辐射，一般前拱高度大于后拱高 度。另外前拱也不可过短，应具有一定的长度，研究表 明拱长及拱高对辐射换热的影响都很显著。且拱长的影 响比拱高大的多。一般规定挥发分高的煤，前拱应设计 高些，覆盖长度a ，相应长些，以满足挥发分燃烧的需 要；反之挥发分低的煤，前拱可适当矮些，其覆盖长度 可相应短些。此外拱高h ，必需与后拱的出口高度h 2 密 切配合，以取得最佳的炉内气流流动工况。 为了充分发挥后拱的问接引燃，强化混合及尾部保 温作用，后拱应具有足够的长度，其遮盖炉排的长度a ： 足以覆盖住旺盛的燃烧区；后拱要有足够的拱下容积， 山东大学研究生毕业论文稿纸 及一定的拱高值，以保证空间燃烧的需要，并避免后拱 下的烟气闷塞；此外，还应有足够高的烟气喷出速度， 尤其对难以燃烧的无烟煤及