（热能工程专业论文）工业锅炉炉内空气动力场及结构研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文对工业锅炉当前存在的一些问题进行了分析、综述，提 出了工业锅炉当前仍存在热效率较低，烟尘含量较高的两大技术 难题，并对国内常用的提高燃煤工业锅炉热效率和减少污染的措 施进行阐述。 如何提高工业锅炉热效率，如何进一步降低锅炉初始排尘浓 度? 本文首先从工业锅炉炉内结构形状、炉内空气动力场分析入 手，依据利用七孔探针所测得的一台d z l l 4 m w 热水锅炉炉内在 各种工况下的炉内空气动力场数据，并利用l a g r a n g c 插值多项式 进行数据优化，进而调用m a t l a b 三维绘图程序绘出该锅炉的三 维空气动力场图，并依据旋度值得计算和比较最后得出：原锅炉 燃烧室出口水平折烟墙改为向左与水平面夹角为2 8 。一3 4 。的斜 墙时，炉膛内烟气充满度最好，扰动最强烈，烟气在炉内行程最 长，这有利于飞灰的沉降，有利于飞灰可燃物的进一步燃尽，有 利于节能环保。 在前后拱配合的空气动力场测试中，经过对测试数据优化和 对旋度值得计算后，又根据三维绘图得出：在前后拱配合中，炉 拱对炉排的遮盖面积为6 7 左右时，燃用类烟煤，后拱采用后 直弧前倾斜，即后段为直弧拱，前段与水平面夹角1 0 。，前拱适 当抬高，该锅炉前拱出口高度7 1 0 m m ，后拱出口高度为4 5 0 m m ， 后段直弧拱高度为4 0 0 m m 时，燃烧室内空气动力场旋度最大，扰 动最强烈，混合最好，这有利于后拱下炽热烟气喷向前拱，有利 于前拱对新煤的加热、烘干、引燃，有利于可燃气体的燃烧和灰 渣含碳量的降低，有利于降低化学未完全燃烧热损失和机械未完 全燃烧热损失，有利于提高工业锅炉的热效率。 在对炉内“v ”形炉底的试验研究中，经对测试的空气动力 场进行数据优化并同时对旋度值计算，然后采用三维绘图，最后 得出：当炉底开度为8 0 0 m m 一9 0 0 m m 时，烟气在上升过程中形成 的回旋最强，此时，炉排上燃烧中的飞灰可燃物及飞灰颗粒被送 山东大学硕十学位论文 风机送入炉排上的空气吹起，一边被吹起，一边燃烧。燃烧基本 结束时，正是炉排上升烟气速度较小时，此时燃烧室火焰中心处 风速最高，周围风速低，形成四周回流，飞灰及没有燃尽的飞灰 可燃物则又沉降下来，这有利于消烟，有利于炉内的除尘，有利 于降低飞灰可燃物含量。由于在燃烧室内降低了飞灰及飞灰可燃 物含量，这有利于减轻工业锅炉尾部受热面的磨损，延长了工业 锅炉的使用寿命。 上述研究及结论为工业锅炉新产品的设计和旧的工业锅炉的 改造提供了技术，将会创造较好的经济效益和社会效益，有利于 提高工业锅炉的热效率，有利于降低工业锅炉的初始排尘浓度， 对于工业锅炉的节能与环保具有现实意义。 关键词：工业锅炉；节能环保；空气动力场 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e f ，t h ep r o b l e m si nj n d u s t f i a lb o i l e r sa r ea n a l y z e d ， a n di ti sf 0 1 l n dt h a tt h e f ea r et w om a j o ft e c h n i c a lp r o b l e m s ，w h i c h a r el o w e ro ft h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dh i g h e rd u s tc o n t e n t ，a n d a l s 0e x p o u n d i n gm e a s u r e so ft h et h e r m a ie f f i c i e n c yo f i n d u s t r y b o i l e ro fb u r n i n gc o a la n dt h cr e d u c i n gp o l l u t i o n h o wt oi m p r o v ct h et h e r m a le “i c i e n c yo fi n d u s t r yb o i l e f ，h o w t of u r t h e rr e d u c i n gt h ei n i t i a ld u s t - e m i s s i o nd e n s i t yo ft h eb o i l e r ? b c g i n n i n gw i t hi n d u s t r i a lb o i l e rc o n f i g u r a t i o na n da e r o d y n a m i c f i e l di nt h i s p a p e f ， t h e d a t ai s o p t i m i z e d w i t ht h c l a g r a n g e i n t e r p o l a t i o n ，w h i c hi sm e a s u r e db ys c v e n h o l ep r o b ei n ad z l 1 4 m wh o tw a t e rb o i l e rf u r n a c e0 na v a r i e t y 0 fc o n d i t i o n s c 0 m p a r i n g3 dd r a w i n g s ，w h i c ha r cd t a w nb y3 dd t a w i n gm a t l a b p r o g r a m ，a n da l s oc o m p a r i n gt h cr o t a t i o nd e g r e e ，i tw i l lb eg e tt h a t w h i i et h eo f i g i n a ls m o k e t u r n i n gw a l ia tf i r e b o xe x p o r t a t i o ni s c h a n g e dt ol e f ta n dt h ea n g l eo ft h ew a l lw i t ht h eh o f i z o n t a lp l a n e i n c l u d i n gi s2 8 。3 4 。，t h eh e a r t hi sp e r m e a t e db e s tb ys m o k e ，a n d d i s t ur b a n c ei st h es t r o n g e s t ，t h et r i po fs m o k ei nt h eh e a r t hi st h e l o n g e s t t h e s ea r ec o n d u c i v ct 0 t h ea s hf a l l i n g ，t h ec o m b u s t i b l e a s hb u r n o u t ，a n dt h e ni sc o n d u c i v et o e n c r g y - s a v i n g a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i nt e s ta b o u tt h ea f c h ，b yc o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dt e s td a t aa n d 3 dd r a w i n go ft h ea c r o d y n a m i cf i e l da n dt h er o t a t i o nv a l u e s ，i ti s g e tt h a tw h i l et h ec o v e r i n go ft h ea r c ht ot h ef u r n a c er a f ti s6 7 o f t h ca f e a ，b u f n i n gi ic o a l ，t h er e a ra r c ha r cs t r a i g h tt i l t i n g 一一t h a t t h er e a ri sa r ca r c ha n dt h ea n 9 1 e0 fh o r i z o n t a la n 矗t h ef r o n ta r c hi s 1 0 。，a n da l s ot h ew h i l et h eh e i g h to ft h ef r o n ta r c he x i tj s7 1 0 m m a n dt h e h e i g h t o ft h er e a ra r c hi s 4 5 0 m m ， t h e r ei st h e l a r g e s t r o t a t i o nv a l u ei t h ef i r e b o x ，t h es t r o n g e s td i s t u r b a n c e ，t h eb e s t m j xe d t h e s ea r ec o n d u c i v et ot h ei n c a n d e s c e n c es m o k ei nr e a r i 山东大学硕+ 学位论文 a r c hr u n n i n gt ot h ef r o n ta r c h ，a r ec o n d u c i v et 0t h en e wc o a l h e a t i n g ，d r y i n ga n dk i n d l i n g ，a f ec o n d u c i v et ot h ec o m b u s t i o n0 f t h ec o m b u s t i b i eg a s e sa n dr e d u c i n gt h ec o n t e n to fc a r b o ni nr e s i d u c ， a r ec o n d u c i v et o r e d u c i n g t h el o s s o fc h c m i c a l i n c o m p l e t e c o m b u s t i o na n dt h el o s so fm e c h a n i c a li n c o m p l e t ec o m b u s t i o n a t l a s t ， i ti s h e l pt 0i m p r o v i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fi n d u s t r i a l b o i l e r s i nt h es t u d yo fv - s h a p e df u r n a c eb o t t o m ，b yo p t i m i z i n gt h ed a t a o ft h ea c r o d y n a m i cf i e i da n dc a l c u l a t i n gt h c r o t a t i o nv a l u e s ，a n d a l s 0d r a w i n gt h e3dg f a p h i c s ， i ti s g e tt h a tw h i l et h eb o t t o m o p e n i n gi s8 0 0 m m 9 0 0 m m ，t h ec o n v o l u t i o n0 fs m o k eo nr i s i n g i s t h es t r o n g e s t a tt h es a m et i m e ，t h ec o m b u s t i b l ei nf l ya s ho nt h e f u r n a c er a f ta n dt h ef l y i n ga s ha r eb l o w nu pb yt h ea i r ，a n db u f n i n g a n db e i n gb 1 0 w nu p w h e nt h ec o m b u s t i o ne n db a s i c a l l y ，i ti st h e t i m et h a tt h ev e i o c “yo fr i s i n gs m o k es l o w e f t h e r ei st h el a r g e s t v e l o c i t yi nt h eb l a z ec e n t e ri nf i r e b o xa n dl h ev e l o c i t y0 fp e r i p h e r y i ss m a l l e r ，s ot h e yf o r mc i r c u m f l u e n c e i ti sc o n d u c i v et of a l l i n go f f l y i n ga s ha n dt h ec o m b u s t i b l eo fn o b u r n o u tf l y i n ga s h ，c o n d u c i v e t or e d u c i n gs m o k ea n da s h ，c o n d u c i v et or e d u c i n gt h ec o n t e n lo f c o m b u s t i b l ei n f l y i n g a s h f o rt h ec o n t e n to f f l y i n ga s h a n d c o m b u s t i b l ei nf l y i n ga s hr e d u c i n gi nf i r e b o x ，i ti sc o n d u c i v et o l i g h t e i n g t h ea b r a s i o no fr e a rh e a t i n gp a f ta n dc x t e n d i n gt h e s e r v i c el i f e0 fi n d u s t r yb o i l e r t h es t u d yc o n c l u d e si nt h i s p a p e rp r 0 v i d e st e c h n o l o g y t ot h e n e wp r o d u c td e s i g n i n ga n dt h er e c o n s t r u c t i n go f0 l di n d u s t r i a l b o i l e f t h e s ew i l lc r e a t eab e t t e re c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s a n d a r ec o n d u c i v et o i m p r o v i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c yo f i n d u s t r i a l b o i l e r sa n dc o n d u c i v et 0r e d u c i n gt h ei n i t i a ld u s t - e m i s s i o nd e n s i t y s o ， t h e s eh a v e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t o e n e r g y s a v i n g a n d e n v ir o n m e n t a lp r o t e c t i o no fi n d u s t r i a lb o i l e r s 1 【e y w o r d ： i n d u s t f i a lb o i l e r ； e n e r g y s a v i n g a n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ；a e r o d y n a m i cf i e i d 山东大学硕士学位论文 符号说明 炉膛过量空气系数 r 烟气供应量与燃料完全燃 烧所需氧气量之比 p i 焦炭单位表面积的氧气消 耗速度，m 3 ，s p o 化学反应速度常数 w 焦炭表面上氧气浓度 c 氧气扩散速度 f 氧气扩散速度常数 f 周围介质中氧气浓度 w 焦炭消耗速度 r e 碳与氧气反应时的化学当 量比 r 。u 频率因子y 反应活化能h j 折算反应常数 4 j 焦炭表面温度h 2 碳表面处氧消失量表示的 燃烧速度 气体常数 口 碳粒表面总反应面积 h 排烟热损失u 化学不完全燃烧损失y 机械不完全燃烧热损失 形 煤粒所受重力与浮力的合 力，n l f 炉排下送风对煤粒所产 生的动压力，n 煤粒的密度，k g m 3 空气的密度，k g ，m 3 空气的流速，m s 煤粒对空气流的迎风面 阻力系数 煤粒所受重力，n 煤粒所受浮力，n 临界风速，m s 雷诺数 临界雷诺数 火床稳定准则数 前拱出口高度，m 前拱覆盖炉排的长度，m 后拱出口高度，m 后拱覆盖炉排的长度，m 后拱倾角 后拱末端最小高度，m x 方向分速度，m s y 方向分速度，m s z 方向分速度，m s x 方向旋度分量，m s v q w k 岛 岛 k 9 b e b t 慨 c a 啦驰 g 山东大学硕+ 学位论文 y 方向旋度分量，m ，s sz 方向旋度分量，m s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：竺墓鲞日期：丝盟塑! 塑 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂塞叁导师签名：隧丛塞日期：丝竖塑鲤 山东大学硕士学位论文 1 1 我国能源结构及现状 l 绪论 我国能源资源并不丰富，现在已知的是煤炭、石油与天然气、 水能、核能和太阳能虽相应丰富，但由于我国人口众多，能源的人 均资源占有量是世界人均资源占有量的1 2 ，仅是美国人均资源量 的1 1 0 【。 根据第1 5 届世界能源会议提供的资料，世界煤炭经济可采储 量如表1 1 所示。 表1 1世界煤炭经济可采储量【2 1 ( 单位：亿吨) 国家烟煤次烟煤褐煤总计 独联体1 0 4 0 o o3 7 0 0 01 0 0 0 0 02 4 1 0 o o 美国1 1 2 6 6 89 5 9 2 93 1 9 6 32 4 0 5 6 1 ； 中匿 6 2 2 o o3 3 7 o o 1 8 6 o e1 1 4 5 0 9 澳大利亚4 5 3 4 03 7 0 04 1 9 0 09 0 9 o o 德国2 3 9 1 95 1 6 5 0 08 0 0 0 印度6 0 6 4 8 1 9 0 06 2 5 4 8 南非 5 5 3 3 3 ，5 5 3 3 3 波兰 2 9 6 0 0 |1 1 6 0 04 1 2 o o 印度尼西亚9 6 27 0 5 42 4 0 4 73 2 0 0 0 全世界5 2 1 4 1 31 8 9 4 8 63 2 8 2 8 41 0 3 9 1 8 3 随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国人均耗能量将有 很大的增加。2 0 0 0 年我国年耗能总量为1 3 亿吨标准煤，年人均能 耗约为1 吨标准煤【引。根据2 0 0 1 年中国能源发展报告( 如表1 2 所 示) ，我国总资源量、探明总储量和探明可采储量占世界的比例分 别为3 9 、2 5 和1 0 1 。在有经济意义的探明可采储量方面， 煤炭所占的比例为5 8 8 ，较其它能源相应较高i4 1 。 所以，我国以煤为主的能源结构在较长时期内尚难改变。据预 测，即使到2 0 5 0 年，煤炭在我国能源消费构成中的比例仍达5 0 山东大学硕十学位论文 以上【引。因此，要解决我国能源紧张的状况，只能靠开源节流来解 决，并把节约放在首位【引。 表1 2中国一次能源的资源结构【7 世界总中国占世界探中国占世界探中国 名称资源量世界比明总储世界比明可采占世 结构例( )量( )例( )储量结界比 ( )构( )例( ) 总量1 0 03 91 0 02 51 0 01 0 1 煤炭8 9 3 4 2 8 7 42 95 8 91 1 6 石油 3 52 0 2 8o 63 42 3 天然气 1 3 o 50 3o 11 3o 9 水能 5 91 4 39 51 6 4 3 6 51 7 2 我国煤炭消费比例约为世界煤炭消费比例的3 倍，煤炭资源在 满足我国能源需求的同时，其开采与燃烧也是造成我国大气污染的 主要原因【3 1 。在我国s 0 2 排放总量中煤炭占9 0 ，在n 0 ：排放中煤 炭占6 0 ，在c 0 2 的排放中煤炭占8 5 ，烟尘排放量的7 0 也是由 燃煤引起的i 引。今后，随着煤炭消费量的大幅增长，如不增加环保 投资，不改进燃烧技术，不加强管理，那么s 0 2 ，烟尘和c 0 2 的排 放量到2 0 5 0 年还会比现在增加3 倍。 因此，大力加强在煤炭燃烧的节能与环保上的技术创新，对于 我国建设有中国特色的社会主义以及构建和谐社会的目标都有非 常积极的意义。 1 2 我国燃煤工业锅炉的现状及存在的问题 1 2 1 我国工业锅炉的现状 工业锅炉是我国国民经济的重要热能动力设备，它使用面广、 需求量大，各行各业都离不开它。工业锅炉包括工业蒸汽锅炉、热 水锅炉、民用低压生活锅炉、企业自备发电锅炉、城市热电联供锅 炉、特种用途和余热锅炉等。 2 山东大学硕十学位论文 我国是煤炭大国。工业锅炉主要燃料是煤。近十几年来，由于 受国家环保政策影响，以及大型油气田的开发，我国工业锅炉产品 结构也随之发生了一些变化，燃油燃气锅炉所占比例由1 9 9 1 年不 足6 ，提高到2 0 0 1 年的1 5 以上；电热锅炉开始出现，少量燃 生物质燃料的锅炉也投入使用；燃煤锅炉按容量所占比例，由1 9 9 1 年的9 0 降至2 0 0 1 年的8 1 1 10 1 。 但是，我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”，煤炭因其 储量大和价格相对较低，因此预计在本世纪前5 0 年内仍将在我国 一次能源构成中占主导地位。我国工业锅炉仍将以燃煤锅炉为主 【1 们。 根据2 0 0 3 年全国在用工业锅炉分类统计数据，中国六大行政 区域在用工业锅炉拥有量情况见表1 3 【 。由表中可见，2 0 0 3 年统 表1 32 0 0 3 年中国在用工业锅炉按大区分布情况表 工业锅炉总量热水锅炉 序 地区 台数容量台数容量 号 ( 万台)( 万m w )( 万台)( 万m w ) 1华北8 8 3 12 1 2 5 04 8 8 51 1 4 4 2 2东北1 0 1 6 02 5 0 0 86 8 8 01 7 1 9 3 3西北3 4 5 02 7 。4 5 52 0 1 51 6 4 6 8 4 华东 1 9 0 7 33 4 2 1 02 0 7 73 2 9 5 5 西南 3 2 0 94 0 8 70 5 7 0o 2 6 8 6 中南 8 0 2 01 3 3 9 30 5 1 l1 0 8 8 全国总计 5 2 7 41 2 5 4 01 6 9 3 84 9 7 5 4 平均单台容量2 3 7 8 m w 台2 9 3 7 m w ，台 三北地区合计 2 2 4 4 17 3 7 1 31 3 7 8 04 5 1 0 3 三北地区占总 4 2 5 4 8 5 8 7 8 1 8 1 3 5 6 9 0 6 5 2 量的比例 三北地区单台 3 2 8 5 m w 台3 2 7 3 m w 台 容量 计显示的平均容量为2 3 7 9 m w 台，小于3 5 t h 的锅炉约占总容量的 3 山东大学硕+ 学位论文 9 8 9 ，其中大于等于2 0 t h 的不到2 0 ，2 1 0 t h 的占7 5 ，小 于等于1 t h 的占5 。 我国工业锅炉以层燃为主，并且链条炉排锅炉占主导地位，其 产量占工业锅炉总台数的5 2 7 ，占总容量的5 9 ；其次为往复炉 排，分别占总台数的2 1 ，和总容量的1 7 ；再次为固定炉排，约 占总台数的1 7 ，总容量的4 ；抛煤机在我国未得到发展，其比 例不足1 。循环硫化床锅炉也正在开始发展，但在工业锅炉中所 占比例不高i 】。 因此，我国目前的工业锅炉主要是以链条炉排锅炉为主。 1 2 2我国工业锅炉存在的问题 在过去的5 0 多年里，我国工业锅炉技术水平取得了长足的进 步。特别是最近发展起来的燃油燃气锅炉，其技术水平与国外同类 产品差距不大。然而，我国燃煤锅炉与国外产品相比还存在较大差 距，主要表现为： ( 1 )热效率不高。我国的工业锅炉主要是燃煤锅炉，且链条 炉排锅炉占大多数，锅炉设计效率一般在7 2 一8 0 之间【1 0 l 。实际 运行中，工业锅炉普遍存在运行负荷低于额定负荷，存在炉渣含碳 量高，过量空气系数大，排烟损失大等问题，因此运行热效率一般 比设计效率低。世界先进国家的层燃燃煤锅炉热效率可达8 0 8 5 ，锅炉投入运行多年仍可以保持很高的热效率。如美国n i o s h 锅炉房的一台容量为5 5 0 0 0 l b h ( 约2 5 t h ) 的蒸汽锅炉，1 9 8 0 年投 入运行，至2 0 0 3 年热效率仍达到8 3 i ”j 。 表1 4 是兰州1 9 9 1 年对1 5 0 台不同容量的在用锅炉进行实测 数据统计【”l ，测试情况表明燃煤锅炉实测热效率平均为6 0 7 5 ，比锅炉产品的鉴定热效率平均低5 1 0 个百分点【l “，实际运 行负荷平均仅6 l ，最低为1 9 ，1 0 不达标。这种“大马拉小车” 的现象的出现主要是由于多数企业在进行锅炉选择以及锅炉房设 计时过分地考虑了企业长期发展或按最大需求量考虑并留有一定 的余地，使得在实际运行中，锅炉经常处于低负荷下运行，使运行 4 山东大学硕士学位论文 效率变得更低。而且锅炉在5 0 负荷下运行，散热损失比在额定负 荷运行时增大一倍，同时容易造成漏风量增大，火床和炉膛温度偏 低，燃烧速度明显减慢，炉渣含炭量增加，不完全燃烧热损失和排 烟热损失增大，运行效率下降。同时由于烟速降低，有可能增大了 尾部受热面腐蚀与积灰。 表1 4 不同容量锅炉运行实测数据统计表 序 锅炉容量( t h ) 项目内容单位 号112 4 61 0 1 实测台数 31 15 57 551 锅炉实际出力 2t h0 3 90 7 31 2 12 3 75 0 65 8 l ( 平均) 灰渣舍碳量 32 0 52 7 6 1 8 92 3 4 2 5 41 8 2 ( 平均) 过量空气系数 4 2 9 72 7 3 3 2 83 4 83 3 6 3 3 7 ( 平均) 排烟温度 52 1 11 3 91 3 41 4 51 3 31 2 8 ( 平均) 锅炉运行热效 66 3 56 7 26 86 9 77 2 27 4 5 率( 平均) ( 2 ) 煤炭质量不稳定，煤种多变。我国的燃煤工业锅炉主要 以层燃为主，以链条炉排为主导产品，煤的品质、颗粒度对燃烧效 率和污染物排放影响很大i 。而我国工业锅炉的燃煤主要是未经洗 选加工的原煤，颗粒度没有保证，热值、灰分、挥发分经常变化， 小于3 m m 的细煤屑含量一般高达4 0 6 0 。这会使锅炉效率降 低，锅炉烟尘排放量升高。我国工业锅炉洁净煤技术进展缓慢【1 4 l 。 我国工业锅炉燃煤中，动力配煤仅占7 左右【”】，洗煤和型煤 等使用比例很小。若工业锅炉燃用洗选煤，在减少排放的同时，运 行效率也会有较大的提高。调研结果表明，工业锅炉改造和燃用洗 选煤相结合，平均运行效率可由6 0 提高到7 8 左右。燃用其它加 工煤，如固硫配煤，固硫型煤可以明显的减少污染和提高效率，当 5 山东大学硕十学位论文 然，运行成本与采用原煤相比，会有一定幅度的增加【1 6 】。 由上分析可以看出，燃用洗选加工煤与锅炉改造相结合，是降 低工业锅炉污染和提高热效率问题的最佳途径之一。 ( 3 ) 工业锅炉烟尘排放浓度偏高。我国工业锅炉每年烟尘排放量 约6 0 0 万到8 0 0 万吨，占全国烟尘总排放量的3 3 。目前工业锅炉 的原始排尘浓度偏高，国外先进国家的烟尘初始排尘浓度一般小于 1 0 0 0 m g m 3 ，而国内中小型企业锅炉的初始排尘浓度一般达1 0 0 0 3 0 0 0 m g m 3 【10 1 。表1 5 为国内部分型号锅炉的初始排尘浓度【1 7 1 由于锅炉的初始排尘浓度较高和除尘器运行效率不高等原因 的存在，造成锅炉的排尘浓度大约在3 0 0 4 0 0m g m 3 左右，与国 家大气污染物排放一类地区 1 ) ； 而在中部区段，氧气却相当缺乏，不完全燃烧产物c o 和h 2 则很 多( d 1 ) 。显然，如不采用任何混合措施，会使炉内过量空气系 数口，”过高，使炉温降低，这对燃烧不利，会使排烟热损失增加，过 路热效率降低。 2 4 影响炉内燃烧效率的因素 2 4 1 炉内工况对焦炭燃烧的影响 从前面的讨论可以看出，煤在炉内燃烧的各个阶段中，主要以 山东大学硕士学位论文 焦炭燃烧阶段放出热量最多，燃烧最猛烈，焦炭的燃烧时间占了煤 燃烧的绝大多数时间。因而，焦炭的燃烧是煤燃烧的关键。提高焦 炭的燃烧速度和完全程度，将有利于降低能耗，提高锅炉的出力。 根据l a n g m u h 的异相反应理论，碳和氧的异相反应是氧分子 溶入碳的晶格结构的表面部分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面 上。而对于多孔性的焦炭，碳的异相反应不仅在外表面进行，而且 能在内表面进行，其内部反应的影响是不可忽视的【29 1 。 焦炭的燃烧是很复杂的。若不考虑s t e f a n 流【3 7 】的影响，如图 2 3 表示炭粒在8 0 0 1 2 0 0 的静止空气中燃烧的情况。此时，不 图2 3 炭粒燃烧示意图 但温度很高，而且炭粒表面也已覆盖了一层薄薄的灰壳，所以氧向 炭粒内部的扩散速率远远跟不上内部反应的需要，故可以忽略炭粒 的内部反应。 图2 3 中的炭粒燃烧反应是按下述过程进行的：氧气从外界扩 散到炭粒周围，突破灰壳的阻止，到达炭粒的表面。氧气吸附在炭 粒表面。在较高温度下，炭粒和氧进行化学反应，生成二氧化碳和 一氧化碳；同时，炭粒中的无机矿物质生成灰渣( 组成了灰壳的一 部分) 。燃烧产物( 包括二氧化碳和一氧化碳) 从炭粒表面上解析 出去。燃烧产物经过疏松的灰壳向外扩散。其中二氧化碳直接扩散 到空气中，一氧化碳在扩散的过程中遇到氧气会再次被氧化成二氧 1 7 山东大学硕士学位论文 化碳，然后再向空气扩散【32 1 。 在上述过程中，每一个环节都可能制约整个燃烧过程。若扩散 很难困难，燃烧速度就受到扩散条件的限制；若化学反应很慢，燃 烧速度就受到化学反应条件的限制【32 1 。 焦炭在运动的气流中燃烧，迎风面和背风面会出现不同的情 况。迎风面氧气供应充分，能生成二氧化碳和一氧化碳；背风面由 于受到二氧化碳与一氧化碳包围，很难得到氧气，只有在高温情况 下，靠二氧化碳与焦炭进行还原反应来消耗焦炭，一氧化碳扩散到 外层再氧化成二氧化碳【32 1 。 固体碳燃烧属于异相反应，该反应决定于两个基本过程，即再 两相分界面上进行的化学反应和湍流运动使氧气分子向两相交界 面的迁移扩散。 焦炭单位表面积的氧气消耗速度_ ，可以表示为： ，；露c ( 2 1 ) 式中： ，一一氧气消耗速度； k 一一化学反应速度常数； c b 一一焦炭表面上氧气浓度。 为了使焦炭与氧反应，必须事先将氧扩散到焦炭表面。氧气扩 散到焦炭单位表面积要符合扩散的规律： a 。( c o c b ) ( 2 2 ) 式中： w d 一一氧气扩散速度； 口。一一氧气扩散速度常数； c o 一一周围介质中氧气浓度。 再根据努谢尔特准则，可以得出： g 。去c o ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) ，则可以得出； 山东大学硕十学位论文 2 8 t i _ c o ( 2 4 ) 一j k 一 口d 七 式中： 一一焦炭消耗速度，- ， b 一一碳与氧气反应时的化学当量比。 由式( 2 4 ) 可得：焦炭燃烧速度与焦炭与氧反应速度有关； 与氧气向焦炭表面的扩散速度有关；与周围介质中氧气浓度有关； 与反应生成物的比例有关f 32 1 。 分析式( 2 4 ) ，假定常数b 、c o 不变，则可以看出ad 与k 的 相对大小对m 的影响： ( 1 ) 当口。”七时，折算反应常数k 。一七，所以 w c 。吃bc o - b k o c x “一责e 2 - 5 式中：k o 一一频率因子； e 一一活化能。 当扩散速度常数远远大于反应速度常数时，焦炭燃烧速度只决 定于化学反应速度常数，而与气体扩散速度常数无关。因为，扩散 能力很强，焦炭表面上氧气很多；而化学反应速度很慢，不能立刻 消耗氧。这种燃烧速度仅取决于化学反应速度的状态称为动力燃烧 1 35 1 。其物理意义在于：在动力燃烧区，碳燃烧速度。c 几乎只决定 于化学反应的能力，而燃烧的温度条件t 及燃料的性质( 这里反应 在燃料的活化能中) ，而与氧气向碳表面的扩散情况无关【3 5 】【38 1 。 在动力燃烧状态下，提高燃烧速度，强化燃烧的过程最有效、 最直接的办法就是提高燃烧的温度条件t 。显然，对于反应能力强、 活化能e 小的燃料，可以在较低的温度区域内实现强化燃烧；而对 于反应能力弱、活化能e 很高的燃料，必须要在更高的温度条件下 才能实现燃烧的强化【3 5 】【3 引。 ( 2 ) 当t 七时，疋一，此时 毗一口d 卢c ； ( 2 6 ) 1 9 山东大学硕士学位论文 当扩散速度常数远远小于化学反应速度常数时，焦炭燃烧速度 只决定于气体扩散速度常数，而与化学反应速度常数无关。因为扩 散能力很弱，到达焦炭表面上的氧气很少；化学反应速度很快，扩 散到焦炭表面上的焦炭立即被反应掉。这种燃烧速度仅取决于气体 扩散速度的状态称为扩散燃烧【”】。其物理意义在于：在扩散燃烧 区，碳燃烧速度 只决定于氧气向碳表面的扩散能力，而与燃料性 质、温度条件几乎无关【3 5 l 【38 1 。 在扩散燃烧状态下，要提高燃烧速度，强化燃烧过程，最有效、 最直接的办法是强化气流的扰动，增强空气与碳粒间的相对速度， 提高供氧能力【3 5 儿3 引。 ( 3 ) 当a 。一七时，即化学反应能力与氧气扩散能力处在同一个 数量级的情况下，焦炭燃烧速度与气体扩散速度常数和化学反应速 度常数同时有关。，无论提高k 或者口。都可以收到强化燃烧的效果。 在这种状态下的燃烧称为过渡燃烧【3 5 1 【3 引。 层燃炉的煤层在一般情况下都处于扩散燃烧区，为提高燃烧速 度，主要应加强扩散，例如采用强制通风，也可以适当将过大的煤 块破碎。但是层燃炉炉膛的飞灰比较细小，很可能属于过渡区，因 此应提高炉膛温度，增强炉膛内扰动，以降低未完全燃烧损失。 2 4 1 强化燃烧的途径 燃烧反应速度是指燃烧过程中反应物质浓度对时间的变化率 【1 1 1 。经过上述讨论可以得知，对于固体碳的非均相燃烧，燃烧反应 速度除了与燃烧温度和反应物浓度有关外，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的物质的量肋， 来描述，可以写为： 一一 l r 足口 式中： 肋，一一碳表面处氧消失量表示的燃烧速度； 山东大学硕士学位论文 k 一一反应速度常数； 口一一物质扩散速度常数； a 一一碳粒表面总反应面积。 由上式可知，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k 来表现，这个关系 被称为阿雷尼乌斯公式： f k - e x p ( 一嵩) ( 2 7 ) 、，j 式中： k o 一一与分子碰撞总数有关的因子，在这里可视为常数； e 一一反应活化能： t 一一反应温度 c 一一气体常数。 由式( 2 7 ) 可以看出，在特定燃料( 也就是式中的e 一定) 的情况下，温度t 是影响反应速度常数k 的唯一因素。提高温度对 燃烧速度的影响程度与燃料本身的活性有关。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 质煤时应该着重注意提高炉膛温度，促进煤的着火、燃烧和燃尽1 1 1 】。 概括来说，为组织好整个燃烧过程，实现炉内燃烧迅速、完全、 稳定的基本要求，需要有如下三个基本的条件： ( 1 ) 足够高的炉温。温度是燃料燃烧的首要条件。炉温的高 低对于煤的预热、干燥和挥发分的析出着火有直接的影响，温度高， 焦炭与氧的反应速度也快，燃料的完全燃尽也越有条件。因此，对 于煤质较差的贫煤、无烟煤以及高灰分、水分、低热值的褐煤，应 维持较高的炉膛温度。当然，过分地提高炉温也没有必要。因为炉 温高到一定程度后，控制燃烧速度的已不是温度，而是空气的供给 速度了。此外，炉温过高会引起炉内结渣，恶化炉排面上的通风工 况，还可能烧坏燃烧设备【34 1 。 ( 2 ) 适当的空气量、正确组织气流流动以及合理配风。在炉 2 1 山东大学硕七学位论文 温较高的条件下，燃烧速度很快，空气迅速被消耗掉，所以必须有 充足的氧气供给。若空气量太少，不仅限制了燃烧速度，可燃质不 能充分燃烧，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，造成化学未完全损失增大。但是，空气量过多，又会降 低炉温，影响燃烧，同时使排烟损失与机械未完全损失增大，降低 锅炉热效率。 表2 1 工业锅炉推荐炉膛出口过量空气系数吖 燃料及燃机械化 油炉、气炉煤粉炉、沸腾炉手烧炉 烧方式层燃炉 。【： 1 1 1 21 2 1 3 1 3 l ，51 5 1 7 另外，在炉温足够高和空气量充分的情况下，关键在于按照燃 烧规律的要求合理组织炉内气流，使氧气和燃料充分接触并与可燃 气体良好混合。若达不到很好的混合、冲刷和扰动，不能使炉内的 空气动力场更有利于燃料充分燃烧，则增大总风量是无益的【34 1 。 对于链条锅炉，合理的配风能改善燃烧工况，减少排烟热损失 q 2 、化学不完全燃烧损失q 3 ，与机械不完全燃烧热损失q 4 ，提高燃 烧的经济性和运行的连续性及可靠性。反之，若配风不好，不仅会 增大以上各项热损失，还可能出现着火与燃烧困难、火床面结渣等 情况。合理配风包括两方面的内容：沿炉排长度的分段送风和沿炉 排宽度的均匀送风1 36 1 。 分段送风。由前面讨论的链条锅炉的燃烧过程可知，燃烧过 程沿炉排长度区段进行，各区段的空气需求量相差很大。前部的预 热干燥区段基本不需要空气或只需少量空气；而中部的挥发分及焦 炭燃烧区段则需要大量空气；尾部的燃尽区由于可燃物急剧减少， 煤层变薄，所需空气量又变得很少。所以应将统仓风室分割成若干 区段，然后根据燃烧的实际需要，通过调节不同风量，以满足燃烧 需要。这样可以改善燃烧工况，降低q2 、q 3 、q 4 损失，提高锅炉效 率【36 1 。 均匀送风。这是指沿链条炉排宽度方向的送风而言，由于分 流压增及扩流压增的存在，使该送风量很不均匀。 山东大学硕士学位论文 分流压增是指在全侧面进风时，由于空气沿宽度不断流出，使 水平速度逐渐降低至零而造成的一个相当于进口速度头的静压增。 消除的办法可采取双面送风以降低进口的水平风速，减小风室的宽 高比，采用连续减小流通截面的等压风室以保持水平风速近乎不 变。此外，也可以在风室加装挡板、导流板、节流隔板等，以使进 口气流强制分流，达到均匀配风的目的【3 6 】。 扩流压增是指非侧面积进风( 即风室进口截面积小于风室测面 积) 时，由于气流在进口处突然扩流而产生的附加压增。据推算， 扩流压增为分流压增的2 4 倍以上。因而，扩流压增是沿炉排宽 度方向配风不均匀的主要原因。应尽力消除。最有效的办法是：大 幅度增大进口截面积，减小空气的扩流作用；使调风门尽可能地远 离进风口，以避免调风门出口高速气流的动能在扩流过程中造成附 加的压增i ”j 。 ( 3 ) 充裕的燃料燃烧时间。保证燃料的燃烧时间有两个方面 的要求：一是强化燃烧，尽可能缩短煤燃尽所必需的时间；二是力 求延长燃料在炉内实际停留时间。 燃料在炉排上的燃烧具有一定的速度，因此，要燃烧完全总是 需要一定的时间。为此，燃料在炉排上逗留的时间一定要大于燃烧 所需的时间。这就不仅要求层燃炉应有足够的炉排面积，还要根据 不同煤种和负荷大小来调节煤层厚度和炉排移动速度。 而对于烟气的可燃物质( 包括未燃烧的挥发分、焦炭气化反应 产物c o 及从炉排上吹起的细煤粒) 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， 来不及燃尽即离开炉膛进入对流管柬，就会形成气体和机械不完全 燃烧损失。所以保证燃烧所需的时间就反映为需要足够的炉膛空间 和良好的炉膛布置，以及良好的气流充满度、气体扰动等等。因而， 好的炉内空气动力场是降低飞灰可燃物含量、提高锅炉的出力的主 要保障之一1 3 2 l 【34 1 。 山东大学硕士学位论文 2 5 层燃炉燃烧的动