（热能工程专业论文）发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 发电厂锅炉燃烧理论分析，对电厂的安全、经济生产以及环保都有着重要意义。随 着我国煤炭市场的变化，大多数电厂煤种多变，有的已经远远偏离设计和校核煤种，对 锅炉的安全、经济运行带来很大的隐患，近年来国内电站锅炉频繁发生燃烧不稳、灭火、 炉膛爆燃等事故。因此，进一步提高低挥发份劣质煤燃烧安全性成为行业急需解决的问 题。本文主要从运行角度分析煤种变化时的燃烧调整工作，给出爆燃发生的原因、机理、 强度计算，并结合实际案例进行分析并给出防范措施。主要内容包括： 1 、研究分析煤种变化对大连电厂锅炉燃烧的影响，结合近几年锅炉问题的研究， 提出大连电厂锅炉煤种的适应性及调整注意问题，以期提高锅炉安全经济运行状况。 2 、针对近年来国内电站锅炉频繁发生炉膛爆炸危及锅炉安全的情况，介绍了锅炉 炉膛爆燃的机理，对炉膛爆燃的数学模型进行了分析，指出导致炉膛爆燃的综合因素， 论述防止炉膛爆燃的原理和方法。 3 、本论文以华能大连发电厂的实际运行情况，结合其它电厂的调整经验，给出锅 炉在低负荷、变负荷时燃用劣质煤的燃烧调整方案，稳定燃烧、防止灭火。 4 、论文还探讨了锅炉f s s s 的热工保护措施的可靠性和完备性，提出几点要求和建 议。 根据现场实际运行情况分析，本论文提出的方案和建议取得了显著的效果。 关键词：电厂；燃烧调整：爆燃分析；爆燃防止 垄垒 塑生盟堡丝坌堑量垦燮堕些 a n a l y s i so fb u r n i n gt h e o r yi np o w e rp l a n t b o i l e ra n dp u f fp r e v e n t i o n a b s t r a c t p o w e rp l a n tb o i l e rb u m i n gt h e o r ya n a l y s i si sv e r ys i g n i f i c a n tf o rt h es a f e ，e c o n o m i c a l ， r e l i a b l ea n de n v i r o n m e n t a lp r o d u c t i o no fe l e c t r i c i t y b e c a u s eo ft h er a p i dc h a n g e so fc o a l m a r k e t ，m o s tp o w e rp l a n t sa r eu s i n gd i f f e r e n tt y p e so f c o a lw h i c h h a v eab i gv a r i e t yo f b i a s e s o v e rd e s i g n e dc o a lp r o p e r t i e s t h i sh a sc a u s e dal o to fs e r i o u sp r t b l e m s ，s u c ha sb o i l e r b u m i n gi n s t a b i l i t y ，e x t i n g u i s h m e n t ，e x p l o s i o na n dd e f l a g r a t i o n t h i sp a p e rg i v e st h eo v e r a l l a r g u m e n t a t i o na b o u th o w t oc o m b u s td i f f e r e n tt y p e so fc o a l se f f i c i e n t l ya n ds a f e l y ，e s p e c i a l l y t h ei n f e r i o rc o a l s ，a n da l s og i v et h e o r e t i c a la n a l y s i so fb o i l e rd e f l a g r a t i o na sw e l la sg i v i n gt h e c o u n t e r m e a s u r e sa n ds u g g e s t i o n s m a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n g s 1 r e s e a r c ha n da n a l y z et h ei n f l u e n c e sc a u s e db yt h en o n d e s i g n e dc o a lp r o p e r t i e s ， c o m b i n et h ef o r m e rr e s e a r c ho u t c o m eo ft h eh u a n e n gd a l i a np o w e rp l a n tb o i l e ra d j u s t m e n t a n dm a n a g e m e n t ，g i v es u g g e s t i o n sa n dc o r r e c t i o n so nh o wt oc h o o s es u i t a l ec o a l st y p e s ，p o i n t o u tt h em e a s u r e st h a ts h o u l db et a k e nt oi m p r o v et h eo p e r a t i o ns i t u c a t i o n 2 i n t r o d u c et h et h e o r yo fb o i l e re x p l o s i o n ，a n a l y z et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb o i l e r p u i f , p o i n tt h ec o m p r e h e n s i v ef a c t o rc a u s i n gb o i l e rp u f f , a n dd i s c u s st h ep r i n c i p a la n dm e t h o d t op r e v e n tt h eb o i l e rp u f f 3 t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yb a s e do nt h ea c t u a lo p e r a t i o no fh u a n e n gd a l i a np o w e r p l a n ta n da l s oc o m b i n e dw i t ha d j u s t m e n te x p e r i e n c e sf r o mo t h e r s i tg i v e st h ea d j u s t m e n t p l a n sa n dp r o j e c t sf o rc o m b u s t i n gt h el o wq u a l i t yo f c o a l s t oa v o i db u r n i n gi n s t a b i l i t y t a k i n g t h ed e f l a g r a t i o na c c i d e n th a p p e n e da sa ne x a m p l e ，t h ep o s s i b l ec a u s e sa n dc o u n t e r m e a s u r e so f b o i l e rd e f l a g r a t i o nd u r i n gt h eo p e r a t i o no fp o w e rp l a n tw e r ea n a l y s e d t h ep r e v e n t i v e m e a s u r e sa r ee x p o u n d e da sw e l l ， t h er e s u l t so ff i e l dr u n n i n gs h o wt h ea i mo f t h es o l u t i o ni sa c h i e v e d k e yw o r d s ：p o w e rp l a n t ；b u r n i n ga d j u s t m e n t ；d e f l a g r a t i o na n a l y s i s ；p u f f p r e v e n t i o n 大遗理工大学专业学位硕士学饿论文 1 绪论 1 。1 课题研究的背景及意义 市场经济环境下，电厂企业最关心的就是生产的安全性和经济性，锅炉稳燃问题怒 瓤舂火瞧厂安余生产必须瑟对懿主要谍题之一。+ 特别楚近两年来，夔警煤炭帝场露趋紧 张，火电厂锅炉灭火、超温、圆管爆破椁事故明显增多。从华能国际电力股份商限公司 上半年安全统铸4 情况看，炉能搴故占7 8 ，其巾锅炉灭火占4 8 ，锅炉安全运摇影势卡 分严竣。为了确保锅炉稳定运行，杜绝由于煤质引发的锅炉灭火、爆燃事故的发生，必 须强化配煤燃烧管理工作，提意全体运行人员燃烧监视和调整方面的业务素质。炉膛燃 烧优纯与诊甑技术以及炉膛灭火保护及火焰检测技术譬是锅炉安全经济运行的关键，当 前燃煤电厂发电机组的单机容量变的越来越大，发电设备及其辅机设备越来越多，控制 过程越来越复杂，西藏翔旃提篙火焰检澜和撩烧诊断系统的准确性和可靠往一麓是电力 工业中一个重要的研究课题。燃料在炉膛的燃烧是一个极其复杂的过程，受炉内条件和 燃浇工猊懿影桶餐缀大，茏其爨煤静交亿或锅炉在繇负荷、交王况、诫潮系统菇鬻、锅 炉积灰结焦等条件下运行时，很容易出现燃烧不稳局部灭火或者整个炉膛灭火，如果不 缝及嚣孝准确豹发现这事 馕嚣瑟继续舄妒凑送粉，轻熨爨粉爆燃，降低设各寿会；重瓣发 生炉膛爆炸，毁坏设备，威胁遴行人员安全。此外，燃煤配烧管理、燃烧器配风不当或 工作不鞭掌会导致炉痰激度场分毒异鬻，轻刘遮残锅炉零蕤巧象统失鬻，设冬壤麓额乡 的热应力，降低设备寿命；重则靠近火焰中心侧水冷壁超温爆管，影响电力生产的正常 运行噱 大激电站锅炉炉膛和制粉系统爆燃发生事故将造成设备严煎破坏，危及人身安全。 近年来，国内彀沾锅炉炉膛爆炸零故屡农发生，从3 5 t 捌1 0 2 5 1 t 锅炉都枣发生避，据不 完全统计，有2 0 个几电厂发生近3 0 起炉臆爆炸事故。例如，1 9 8 8 年青山热电厂# 8 锅炉炉 膛爆炸、1 9 9 1 年神头第一发电厂# l 炉炉膛爆炸、1 9 9 3 年i b 仑电厂= i l6 0 0 m w 枧组发生锅炉 爆炸等。炉膛爆炸事故的破坏力太，恢复时间长，所造成的经济损失较箕他事故往往有 过之而觅不及。而且有的爆炸事故发生在新装锅炉刚投遮的试运行期间，使得一台新锅 炉在还浚有充分发挥其佟孺之前便道弱严重损伤，虽经修复，毽祝组豹经济性、安全性、 锅炉的鬻命及炉内设计正况将受到影响，因此锅炉炉膛的爆炸问题引起阑内外热力系统 麸韭者静密穗关注。笔蠢摄据多年获事大型必力发电税缀锅妒遴行、改造、炉麟安全簸 控系统的实际经验，结理论对锅炉炉膊爆燃产生的机理进行了分析，总结了防止锅炉 妒遴爆燃熬藤理秘方法，并奔绥了这些琢理帮方法在设计、调试秘运行串懿瘟糯。 发电厂镊炉蘩烧理淦绔辊与瑶燃虢正 笔者掰在翡牮l 丈逡瞧厂，2 0 0 5 年? 篾2 磊l l 瓣5 7 癸3 7 秒# 3 炉由予燃烧苓 稳灭火爆燃，造成锅炉芷压过高。# 3 炉m f t ，机组跳闸。针对这件潦，暴鼹出很多问题。 煤矮差、煤秘频繁更换、炉艟火捻簸涮不准磺、遨萼亍入瑟燃媒聪烧管理不警、妒照燃浇 情况判断不准以及受热谣缩焦、锅炉送风缀、负聪调整不当等等。本着吸取经骏教训、 艇决闻题、完善餐理、改进下一步工作的疆的，笔者连续参抛了掰次事故分橇会，分橇 管理上和技术上存在的赫题，提出有针对憔的整霹芟措施，间时参考了其落兄弟电厂的同 类事故处理情况，对炉膛燃烧的运行积调整做出较为详媵的分柝，同时重点绘出炉膛爆 燃的橇理分拆移= l 黉防傈护蒲施。 。2 本文硬究的主要巍容 ( 1 ) 锅炉燃烧理论以及低负荷、变负荷燃用劣质煤的调熬。 ( 2 ) 锅炉爆燃鲍橇理分季嚣、数学模型建立酸及爆燃强凄浆篱荦数蘧努轿。 ( 3 ) 锅炉爆燃的诱发原阂分析，逡行调熬与防治措施。 ( 4 ) 运毒亍调整措施及热二保护分疆与改进。 一2 一 大迄理：l ：大学专业学像矮士学位论文 2 锅炉燃烧遴论分析 华大连惫厂莓3 、4 锅炉为疆臻赛、攀鼓、一次莠热、垂然矮琢燃煤锅炉。镊炉采 用单炉臆，摆动贰煤粉燃烧器，旋流燃烧前后墙对冲，平衡通风，固态排渣，半露天门 挺毒置。炉膛与烟道闻蠢4 。7 5 m 的水乎溜道，炉膛膜式水冷壁部分采用蠹螺纹链结构。 过热器设有四级，一级过设于尾部烟道顶部，二、三级设于炉膛顶部( 前、后屏过) ，四 级过设予折焰角的上部，过热汽瀑采用二级喷水减温器控制。 再热器为一级，分为低温敬和高温激，二段之问无联箱，冀低温段位于竖并烟道一 级过热器的下部，高温段为混合式悬挂于水平烟道中。搿热器入口设有事故喷水减温器， 菠常汽渝调节傻弼烟气褥循环控铡，再循环烟气来自弓| 风视出翻至冷获斗底都。 锅炉配有四台中速m p s 一8 9 g 型磨的破压直吹式制粉系统，前后墙各有二层，每层六 螽共2 4 套羝n o x 辘蠢旋流式燃烧器，奁颚爱燃烧器上帮设有螽风口( 共1 2 台) ，由踅产 嫩两级燃烧，降低n o x 的产生，每台燃烧器配有一只出力为0 3 5 k g s ( 1 2 6 t h ) 采用蒸 汽雾纯熬轻涵捻，2 4 支辍淫捻设谤总出宠为3 0 m c r 。 尾部烟道最末端为鳞片管式省煤器，菇用1 2 根导管引入汽包，汽包用4 根下降管向 2 6 个下联壤供承，水平耀遵两测粒底郡出辑焰热警拉瑟瑟羹阙。锅炉瑗攘与竖势由汽惫 碍i 出的饱和蒸汽管组成膜式汽冷墙封闭。为减少热偏差，在前屏过热器进出口各进行一 次蒸汽交叉，齑滠过出翻蒸汽用二报导汽管弓l 出震至炉# 汇集为一掇主汽譬，将蒸汽送 楚汽轮发电机组。 。 每台锅炉配有四台m p s 8 9 g 型麽煤机秘暇台称重式皮带给煤枧。磨煤枧石子煤采用漫 式排放，四台磨煤机公用二台离心式冷次风机和两台离心式密封风机。每台炉还配有 二台动叶调节轴流式送风机，两台双速双吸离心式吸风机，二台回转再嶷式三分仓空气 预热器，二台豳电场静电除尘器，二台火检探头冷却风机。每台锅炉还配有4 2 只短秆 吹灰器和4 8 只长杆吹灰器，2 只空预器吹灰器，2 台仪用空压机，# 3 、4 机缎公用3 螽厂用察压税。 2 。1 燃料燃烧和燃烧设备 燃料是指在燃烧过程中能够产生大凝热量的物质。电站锅炉是耗用大量燃料的动力 设备，虽然我国敬燃料资源比较事塞，德为了满足国民缀济建设熬各个方面妁懿要，骰 副能源的合理使用，我豳的燃料政策规定，电站锅炉以燃煤为虫，而且生要烧劣质煤。 劣质煤的燃烧是e e 较困难的，藤晨会绘锅炉运行熬安全性和经济性带来报大的影响。遴 此，对予锅炉的运行、管理人员来说，了解和掌握锅炉燃煤的特性是非常重要的”1 。 发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止 2 1 。 煤翦元素分辑 全丽测定煤中所含化学成分的分析叫元素分析。根据分析，煤中的元素达三十几种。 一般姆不可燃躲溪都魍入获分。这糕，对燃骚窍影响静残努毯摄：c 、娃、o 、n 、s 、 灰分和水分等。除水分和灰分魁化合物外，其余郜是元索，所以元素分析是指对煤中的 c 、h 、o 、n 、s 五秘元素分析媳总称。c 秘 董是媒中主要可燃元素。e 是煤枣含量最 多的元索，而且是煤发热量的主要来源。煤中禽c 的一部分与h 、o 、n 等结会成挥发 性的有机化合物，其余部分则成单质状态，成为固定碳。固定碳要在较离湿度下才g 饕 火，萁燃烧也较困难，因此，煤中固定碳含量越高，就越难燃烧完全。 此外，煤中的h 含擞较少，但其发热量高，而切极易燃烧；煤中的0 和n 楚不可燃 成分，其含量氇少。僵n 在燃烧过程中，会或多或少遗转化为氮氧化合物( n 0 x ) ，造成 大气污染：煤中的s 虽然能够燃烧放热一但因其发热量较低，其发热量在煤中怒无足轻 莛豹。毽s 在燃骁遘程中生藏s o x 帮3 ，会进一多移求蒸气纯含生成琉靛帮亚巯酸，翳 蚀锅炉众属和污染大气。 2 ，1 2 煤豹工馥分斩 各种元素农煤的燃烧过程中，大都不是单质燃烧，丽是可燃物质与其他元素组成复 杂麓高分子纯会物参与燃烧。程煤的着火和燃烧过程中。煤中的各种物质的变化是：首 先水分被蒸发出来，接麓煤中的l l 、o 、n 、s 及部分c 组成的有机化合物便进行热分解， 变成气体挥发融采， 这魏气褡称为挥发分。挥发分拆出艏，剩下的是焦炭，焦炭就是萄 定碳和灰分的组成物。因此，煤的着火和燃烧过程中生成四种成分：即水分、擢发分、 霾定磺耪灰分。在一定条 孛下豹煤徉，分褥窭承分、挥发分、甏定碳窝获分这蠲稀成分 的质量酉分数，是煤的工业分析。 + 2 1 3 发热量和灰熔点 发热量是煤的一个很重要的热工特性。单位质量的网、液体燃料完众燃烧b 重所放出 豹热量，称为燃料的发热量，通常用o 来表示，其单位是k j k g 。燃料的发热量有高位 发热量和低能发热量妣。之分。 凡擎所有静燃料都鬣多或少豹含有获分，一般的煤。特剐是劣质煤巾得灰含爨较多。 对于固态排渣的煤粉炉来说，其火焰中心的温度很高，灰粒一般星熔化或软化状态。在 锅炉运行中，瘦馕灰粒程接戆妒靖、承冷壁、妒艟密臼受熬面淡及落入冷灰斗乏前得到 充分的冷却，并形成固态或基本上没有黏性，以避免引起灰渣黏附而出现所谓结渣或沾 污。受热瑟结渣鞠旗污焱疆大程度上决定予灰努熔像豹镶痿，帮灰终点鹣高 磊。 大连避工大学专韭学链联士学健埝文 2 2 漾麴常规特瞧及獒影溺 通常，把煤的挥发分、水分、灰分、发热嫩、灰熔点以及焦炭特性等称为煤的常规 特馊，这些特拣寝薤芗煤戆基本性质，霹浚露为煤旋萋火、燃烧特瞧静依豢礴。 2 ，2 1 棒发分及其影响 挥发分有疆下成分籍成：各种瑗氨纯合耪、氢、一氧化碳、硫化氨祷可燃气体，少 摄的氧，二氧化碳和氮铸不可燃气体。撵发分燃烧时放出的热鬟多少，取决于撵发分鲍 缀蔑藏势。箨茨分莛霆诲燃料鹣霾要袋努特链，它可稼为疆蒋燃料分类的依据，同时对 燃料的祷火和燃烧有很大的影响。挥发分含量越多的煤，越容易港火，燃烧也易予完全。 送是嚣兔，撰襞分是气体爵燃携，其着火溢度赢较低，撵获势趣多，其繁火溢度杰越诋， 煤易于糟火。挥发分多，相对来说煤中的难燃的焦炭便少。大懋的挥发分析出，蓠火燃 烧鞋霹潋藏出大爨靛熟 羹，造戏妒瘫高激，有秘予焦炭迅速羞火裟燃烧，因嚣撵发势多 的煤也较易于燃尽。此外，煤中挥发分的成分和数量又岛加热温度、加热速度以及煤粉 熬鞭粒缀度有关。 混煤的挥发分虽然可以通过质量加权平均法算出，但混煤在炉内的实际燃烧过程 e 单一煤耱复杂，嚣嵇麓嚣较大驰不燕煤耱的混煤，其燃烧特性魄工监娥分稳遥熬贫爨 麓，福对接近混煤中的茏烟煤，需要用瀹煤的评价挥发分来判别其燃烧特性。本文根据图 2 1 的方法求得混煤的评侩挥发分。按照混煤熬工业成分求慰混煤的霹燃基挥发分 v d 。f = 2 4 8 ，按照霭2 1 中虚线的蓊头指示静方法得剃混煤的评价挥发分v 译d a f 。m ) 、 m 1 5 s 。我厂设计燃用的贫煤的可燃基挥发份换算褥到v a a f m l 4 。9 1 。可见，混煤 鹣评价挥发分耩实际燃箱煤静鏊本一致，在运行媒质酌允许波动范围雨，适合在我厂锅 炉使用。 2 2 2 水分的彩嗣 燃煤静拳分对锅炉王 乍熬影拣穰大。燃媒孛水努多，燃烧露效趣懿糍效热量便壤少； 水分多，会降低炉内韵燃烧温度，并增加着火热，因而可使着火推迟，弑至会使着火发 生困难。燃料燃烧蜃，燃料中的水分吸热变成水蒸气势夔烟气捧入大气，增攘了摊翅量 蕊使j j 娲损失增大，簿 蕊锅炉静热效率，且使引风机酌电耗增大；水分多，也给低温受 热面的积灰和腐蚀创造了外部条 牛；水分增大，对过热气温造成影响，譬致超湛等。此 乡 ，骧糕串承分过多，会络番耪系统带来缀多鞠难。 ， 2 2 。3 蔽分的影晦 燃料中的莸分不但不能燃烧，而且降低燃料的发热爆，妨碍可燃质岛氧的按触，增 垄皇 塑丝丝里丝坌塑兰堡鉴堕生 一一 y 懈 囊 - t - 外 、 、 、 心 押挺分h 囤2 1 根据着火特性求混煤的评价挥发分 加燃料着火的和燃烧的困难，还使燃烧损失增加。燃料中灰分增加，会使火焰传播速度 减慢，影响着火；也会使火焰温度降低，这是因为用于加热挥发分的热量消耗随之增加。 煤的发热量越低，灰分和水分含量越大，灰分增加而引起的温度下降幅度越大。高灰分 煤由于着火推迟，燃烧温度下降，燃烧的稳定性就较差，因此要求有较高的预热空气温 度及其它改善着火条件的措施。灰分含量增加，也会使煤粉燃尽度变差，故机械未完全 燃烧，热损失随之增加；同时，其灰渣热物理损失也成正比的增加a 燃灰灰分的增减， 会对过热汽温产生影响。从运行的安全角度来看，燃料灰分越多，受热面的沾污和磨损 就越严重。炉膛水冷壁受热面的沾污常引起结渣及过热器超温爆管而威胁锅炉运行的安 全性。因此，对于一般的固态排渣煤粉炉，从燃烧的稳定性和运行的安全性考虑，燃煤 灰分不宣超过4 0 。 2 2 4 灰的熔化柱质的影响 灰的熔化特性即灰熔点，对锅炉的设计和运行有很大的影响，因为它是造成炉膛结 渣和高温对流受热面沾污和结渣的主要根源。为避免高温对流受热面的沾污和结渣，通 常要控制炉膛出口烟温低于灰的变形温度d t 以下5 0 1 0 0 度t 或者低于灰的软化温度 s t 。炉膛结渣的严重程度则常认为与灰的软化温度s t 关系更大些。实践表明，对于固 态除渣煤粉炉，当灰的软化温度s t 小于1 3 5 0 度，就有可能造成炉内结渣，反之，则可 能性很，j 、。 大连理：l ：大学专业学位硕士学位论文 2 2 5 煤的燃烧特性及其影响 上述煤的常规特性可以在一定程度上反映煤的着火、燃烧性能，特别是挥发分含量， 是衡量煤的着火、燃烧性能的重要依据。但是，煤的燃烧是一个非常复杂的物理、化学 过程，必须尽可能透彻的研究了解煤燃烧特性对燃烧过程的影响。 2 2 6 反应指数 所谓反应指数是指煤样在氧气流中加热，使煤样的的温升速度达到1 5 度，分时所需 要的加热温度，用t 1 5 表示。很明显，煤的反应指数t - 5 越大，表示越难着火、燃烧。 挥发分越低的煤。其反应指数越大，越难着火、燃烧。 2 2 7 熄火温度 所谓熄火温度，就是指先把煤样加热到着火，然后停止加热，测定熄火时的温度， 即为熄火温度。如果把挥发分与熄火温度联系起来，则可判断出不同煤粉着火后燃烧的 稳定性，这也是煤的燃烧性的一种指标。因为煤的挥发分越多，挥发分越易着火，挥发 分着火燃烧后所释放出来的热量越多，燃烧则越稳定。由此可知，挥发分多的煤，其熄 火温度必然比挥发分少的低些。 2 2 8 煤的燃烧特性试验 为了了解各利t 成分煤剃，的燃烧特性，我国有关单位常将煤样分别做出其燃烧分布曲 线、热解及燃尽率试验。1 ) 煤的燃烧分布曲线试验。试验内容包括确定煤样的燃烧特 性值，包括煤样的着火温度“度) ，各峰的最大燃烧速度w a ，m a x 、w b , m a x ，各峰的最大 燃烧速度时相对应的温度t a , m a x 、t b ，m a x ( 度) ，燃尽时的温度t ( 度) ，各燃烧峰下燃 烧掉的煤量g a 、g b ( m g ) ，燃烧掉煤量g a 、g b 是相对应的温度区域t a 、t b ( 度) 。2 ) 煤 焦的燃尽率试验。用煤样采用工业分析方法和温度在7 0 0 度以前反应气为n 2 外，其他 试验条件与燃烧分布曲线试验相同，待到7 0 0 度时保持恒温，且将反应气体切换为0 2 ， 使煤焦燃尽获得结果。3 ) 热解试验。 从上述的燃烧分布曲线试验、热解曲线试验以及煤焦的燃尽曲线试验，可以综合评 价煤样的着火、燃烧性能。煤的着火性能主要指标是着火温度。但煤的着火温度并不是 一个物理常数，只是在一定的条件下得到的相应特性值。因为在燃烧过程中，煤的着火 温度决定于燃烧过程的热力条件，即取决于发热( 加热) 条件和散热条件。在相同的测 试条件下，不同燃料的着火温度是不同的。就煤而言，反应能力越强的煤( 即挥发分越 高、焦炭活化能越小) 的煤，着火温度越低，就越容易着火；而挥发分低的无烟煤，着 火温度就较高。 发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止 2 3 影响煤粉气流着火的主要因素 煤粉空气混合物经由燃烧器以射流方式喷入炉膛，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。根据我国多年来的研究和实测结果，发现煤粉气流着火所需吸热量的7 0 9 0 来 源于卷吸高温烟气时的对流换热，1 0 3 0 来源于炉膛四壁及高温火焰的辐射。煤分 获得了足够的热量并达到着火温度后就开始了燃烧。在实际燃烧设备中，希望煤粉离开 燃烧器喷口不远处就能稳定的着火。如果着火太早，可能使燃烧器喷口过热而被烧坏， 也易使喷口附近结渣；如果着火过迟，就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及烧完便 离开炉膛，增大机械未完全燃烧损失。而且着火点推迟，还会使火焰中心上移，造成炉 膛上部或炉膛出口处受热面发生结渣。煤粉气流的着火快慢用着火时间或着火速度表 示，所谓着火速度就是火焰传播速度，也就是指在稳定着火后，火焰前沿的扩张( 移动) 速度。煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬。着火以前是吸热阶段，需要从周围介质 中吸收一定量的热量来提高煤粉气流的温度，着火以后才是放热阶段。将煤粉气流加热 到着火温度所需要的热量称为着火热。影响着火热的因素1 4 1 ： 2 3 1 燃料的性质 燃料性质中对着火过程影响最大的是挥发分v d a f 。挥发分降低时，煤粉气流的着火 温度显著提高，着火热也随之增大。就是说，必须把煤粉气流加热到更高的温度才能着 火。因此，低挥发分煤的着火要困难些，着火点离开喷燃器的距离自然也增大些。 原煤水分增大时，着火热也随之增大。同时由于一部分燃烧热消耗在加热水分并使 之汽化和过热上，也降低炉内的烟气温度，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对 煤粉气流的辐射热都相应降低，这对着火是不利的。 原煤灰分在燃烧过程中不但不能放出热量，而且还要吸收热量。特别是当燃用高灰 分劣质煤时，由于燃料的本身发热值较低，燃料消耗量增加幅度较大，大量灰分在着火 和燃烧过程中要吸收更多的热量，因而使锅炉炉膛内烟气温度较低，同样使煤粉气流着 火点推迟，而且也影响着火的稳定性。 煤粉气流的着火也与煤粉细度有关，煤粉越细，着火就越容易。这是因为在同样的 煤粉质量浓度下，煤粉越细，进行燃烧反应的表面积就越大，而煤粉本身的热阻却减少， 因而在加热时，细煤粉的温升速度要比粗煤粉大。因此，煤粉颗粒越细，就可以加快化 学反应速度，更快的达到着火。一般总是细煤粉首先着火燃烧，因此，对于难着火的低 挥发分无烟煤，将煤粉磨的细些，无疑会加速它的着火过程。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 2 炉内的散热条件 从煤粉气流着火的热力条件可知，如果放热曲线不变，减少炉内散热量，有利于着 火，因此，在实践中为了加快和稳定低挥发分无烟煤的着火，常在燃烧器区域用铬矿砂 等耐火涂料将部分水冷壁遮盖起来，构成燃烧带( 或称卫燃带) 。其i t 的是减少水冷壁 的吸热量，提高燃烧器区域，即着火区域的温度水平，以改善煤粉气流的着火条件。实 践表明，敷设燃烧带是稳定低挥发分煤粉着火的有效措施。但燃烧带区域往往又是结渣 的发源地，所以对此应谨慎处理。 2 3 3 煤粉气流的初温 只有提高煤粉气流的初温，亦即提高燃烧室壁面温度，才能迅速稳定的着火，因此， 在实践中常采用较高温度的预热空气作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉的制粉系 统。由于提高了煤粉气流的初温，减少了把煤粉气流加热到着火温度所需要的着火热， 从而加快了着火。 2 3 4 一次风量和风速 若一次风所占的份额较大，着火热将明显增加。使着火过程推迟；减少一次风量， 会使着火热显著减少。因为在同样的炉温和卷吸烟气量的情况下，可将煤粉气流更快的 加热到着火温度。但是，一次风量又不能过小，否则会由于着火燃烧初期得不到足够的 氧气，而使反应速度减慢，阻碍着火的继续扩展。另外，一次风量还必须满足输煤的要 求，否则会造成煤粉堵塞，因此，一次风量对应某一煤种应该有一个最佳值。通常一次 风量用一次风率表示，它是指一次风量占送入炉内的总风量的百分比，对于燃用无烟煤、 贫煤并采用热风送粉的制粉系统时，一次风率应在2 0 2 5 范围内。除一次风量外，一 次风煤粉气流出口速度对着火过程也有一定的影响。若一次风速过高，使通过气流单位 截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速度，使着火推迟，并使着火距离拉长， 影响整个燃烧过程。但一次风速过低时，会引起喷燃器的喷口过热损坏，以及煤粉管道 堵粉等故障。最适宜的一次风速与燃用的煤种和燃烧器的型式有关。 2 3 5 燃烧器的结构特性 影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二风混合的情况。如果一、二风混 合过早，在煤粉气流着火前就混合，等于增大了一次风量，相应的是着火热增加，推延 着火过程，因此，对燃用挥发分较低的无烟煤、贫煤，应使一、二风的混合适当地推迟。 此外，燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。 一 发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止 2 3 6 炉内的空气动力场 合理组织炉内空气动力场，加强高温烟气的回流，强化煤粉气流的加热，是改变着 火的有效措施。 2 3 7 锅炉的运行负荷 锅炉负荷较低时，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。当锅炉负荷降到一定程度时，就危及着火的稳定性，甚至弓l 起灭火，因此， 着火稳定性的条件常常限制了煤粉锅炉负荷的调节范围。 由上述可知，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的进行。组织强烈的烟气回流和燃 烧器出口附近煤粉的一次风气流与高温烟气的激烈混合，是保证供给着火热量和稳定着 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；而减小煤粉细度和敷设燃烧带，燃用无烟煤则是稳定着火的常用方法。 2 4 燃烧良好的条件 要组织良好的燃烧过程，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。要接近完全燃烧，其原 则性条件为【孓 2 4 1 供应合适的空气量 供应足够而又适量的空气是燃料完全燃烧的必要条件。在燃料燃烧计算中，每公斤 固、液体燃料完全燃烧时所需的空气量是理论空气量。但由于燃烧设备和燃烧过程中的 组织并不都是理想的，供给的空气量不可能全部参与燃烧，因而实际送入炉内的空气量 要比理论空气量多。燃料燃烧时实际供给每公斤燃料的空气量与理论空气量之比，称为 过量空气系数a 。a 值过低、过高对锅炉燃烧效率和热效率都是不利的。如果a 过低， 则供应的空气量不足，不完全燃烧损失q 3 、q 4 必然增大：同时烟囱冒黑烟，炉渣和飞 灰含碳量增加；火焰不稳定：而且碳黑和碳粒将沾污、堵塞对流烟道受热面和空气预热 器。如果a 值过大，在一定范围内可使q 3 、q 4 降低，但却增大排烟损失q 2 。如果再进 一步增大a ，不但q 2 进一步增大，而且使炉温降低，使燃烧反应速度减慢，同时会提高 炉内烟气流速，缩短燃料在炉内停留的时间，都将导致q 3 和q 4 的增大。因此，最佳a 的确定方法是：q 2 + q 3 + q 4 之和最小，一般通过燃烧调整试验得出。 1 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 4 2 保证适当高的炉温 根据阿累尼乌斯定律，燃烧反应速度与温度成指数关系，因此，炉温对燃烧反应速 度有着极其显著的影响。炉温高，着火快，燃烧过程也进行的快，燃烧也容易趋于完全 燃烧。但炉温也不能过分地提高，因为过高的炉温会引起炉膛水冷壁结渣和膜态沸腾。 同时，因为燃烧反应是可逆反应，过高的炉温不但使正常的反应加快，也会使逆反应速 度加快，也导致燃烧不完全，所以锅炉的炉温应控制在中温区域即1 0 0 0 2 0 0 0 度之间。 保持足够高的炉温范围，取决于燃料性质、预热空气温度、炉膛容积热强度和炉膛断面 热强度。在燃用低挥发分的煤时，一般采用较高的预热空气温度和热风送粉方式，可以 有效的加快着火和提高炉温。炉膛容积和界面强度的大小，意味着燃烧放热和水冷壁吸 热比例的大小，通常炉温较高，尤其是炉膛断面热强度，它反应了燃烧器区域的温度水 平，对着火和燃烧都有明显的影响。 2 4 3 有足够的燃烧时间 在一定温度下，一定细度的煤粉要有一定的时间才能燃尽。煤粉在炉内停留的时间， 是指煤粉从燃烧器出口到炉膛出口这段行程所经历的时间，在这段行程中，使煤粉从着 火、燃烧以至燃尽，才能燃烧完全；否则将增大燃烧损失，或者在炉膛出口之后煤粉还 在燃烧，而导致炉膛出口处的过热器、再热器受热面结渣及汽温升高，使锅炉运行不安 全。煤粉在炉内的停留时间，主要取决于炉膛容积和单位时间内炉膛产生的烟气量，因 此炉膛容积热强度q v 是一个可以反映煤粉在炉内停留时间的重要参数。 q v = b q a r ，n e t v l ，k w m 3 ，式中，b 为燃料消耗量；o a r 。n e t 为燃料的收到基地为发热量； v l 为炉膛容积。炉膛容积热强度q v 的大小与燃料及其所产生的烟气在炉内的停留时间 的倒数成反比，即q v 值越大，表示燃料和烟气在炉内停留的时间越短，燃料可能来不 及完全燃烧而排出炉膛外面。 由q ，可以决定炉膛容积，炉膛容积是保证燃烧时间的一个重要因素，但从保证火焰 行程来说，还必须考虑炉膛的形状，即要考虑炉膛截面热强度q ，的因烈引。 2 4 4 空气和煤粉的良好扰动和混合 煤粉燃烧是多相燃烧，其燃烧反应主要是在煤粉表面进行，燃烧反庳速度主要取决 于煤粉的燃烧反应速度和空气扩散到煤粉表面的扩散速度，因此，要做到完全燃烧，除 保证足够高的炉温和供应合适的空气量外，还必须使煤粉和空气能充分扰动、混合，及 时将空气输送到煤粉燃烧表面去。要做到煤粉和空气的良好扰动混合，就要求燃烧器结 构特性及其一、二次风的良好配合，以及有良好的炉内空气动力场。不但在着火后的燃 烧阶段要做到，特别要注意燃尽阶段。因为在燃尽阶段中，可燃质和氧的数量已很小， 发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止 而且煤粉表面可能有一层灰渣包裹着，加强混合扰动，可增加煤粉和空气的接触，有利 于燃料的完全燃烧。 由上述可知，良好燃烧需要四个条件。这四个条件之间有着密切的联系，互相依赖， 相辅相成，有时也可能是互相矛盾的。在锅炉设计和运行中，必须全面考虑，并根据具 体情况，分清主次，正确处理有关问题。 2 5 煤质变化对煤粉着火、燃尽影响的分析及计算 锅炉设计为摆动式煤粉燃烧器，四角切圆燃烧。针对煤质特点，即较高的发热量、较 高的灰熔点及较低的挥发分等，设计主要采用了较高的炉膛断面热负荷，较高的煤粉浓 度，集中燃烧等措施，以达到较高的炉膛温度水平。 近年来，由于燃料市场变化比较大，锅炉燃煤变化比较大，从而引起锅炉燃烧不稳、 灭火、“四管”泄漏频繁，带负荷困难，超温问题突出，为此，对华能大连电厂的不同煤种 进行分析计算，提出电厂煤种的适用范围及调整注意事项。 2 5 1 煤粉的燃烧 ( 1 ) 煤粉的燃烧过程 煤粉颗粒由运载它的空气喷入炉膛后，受到炉内火焰、高温烟气的加热，温度升 高，开始把水份蒸发掉。然后温度再上升，煤中的挥发物开始析出，并在煤粉颗粒周围 燃烧，使煤粉颗粒进一步加热。在析出挥发物之后，煤颗粒就变成了高温的焦炭颗粒， 进一步燃烧，直到燃尽为止。 ( 2 ) 煤粉气流的着火与一、二次风 煤粉是由于空气运载喷入炉膛燃烧的。因此，运载煤粉的空气必然与煤粉一起加 热，当温度升到比煤的着火温度还要高时，煤粉才能着火。因此，煤粉空气混合物较 难点燃，这是煤粉燃烧的特点之一。 把煤粉气流加热到煤粉颗粒着火的温度所需热量的多少，对煤粉气流是否容易着 火关系重大。这部分热称为着火热，以q ( k w ) 表示，它主要用于加热煤粉和空气并 使煤粉中水份蒸发、过热，其值用下式计算： q l = b b ( v l c 。塑斋型+ c f 坠丝) + b b 丝 2 51 2 + c 2 q ( t i 1 0 0 ) m 1 0 0 a r 一- 砌m m ，f 2 5 1 2 0 01 0 01 0 0 + l 1 0 0 一砌， c 2 q ( t o 1 0 0 ) 】( 2 - 1 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 式中：b b 为每台燃烧器的燃煤量，k g s ；v l 为一次风量，m 3 b ，其值为r l 矗v o ，其 中r l 为一次风率；a 为炉膛出口过量空气系数；v o 为理论空气量：c o 为一次风的热容量， k j ( n m 3 ) ：q g t ( 即q 4 ) 为固体不完全燃烧损失，；c f 为煤的干燥基热容量，k j 州m 3 ) ；c 2 。为蒸汽的热容量，k j ( n m 3 ) ：m 。为收到基水份，；t i 为着火温度，：t o 为 煤粉和一次风气流初温，：2 5 1 2 为水的汽化潜热，k j k ；m m f 为煤粉的水份，。 如果煤的灰份显著增加，煤的发热量就会下降许多，锅炉的燃煤量是与发热量成反比 的，当灰份增加、燃煤量增大。即使着火温度不变，着火热也会随灰份的增大而增加，何况 随灰份增加，着火温度显著提高，着火热增大更多。而燃烧器出口的辐射与对流热源的 供热是一定的，因此当煤的灰份显著增加时，煤份气流的着火推迟【9 1 。 ( 3 ) 煤粉的燃尽 影响煤粉在炉内燃尽的因素很多，如燃烧区域结构条件、燃烧器配风条件、燃烧 产物在炉内的充满程度、烟气上升速度、燃烧器离炉膛出口高度等，为了使煤粉完全燃 烧，必须要保证火焰有足够的长度，换句话说，使煤粉在高温的炉膛停留足够长的时间。 煤粉气流一般在喷入炉膛o 3 - 0 5 m 处开始着火，到1 2 m 处大部分挥发物已析出燃尽。 不过，余下的焦炭粒却往往到1 0 2 0 m 处才燃烧完全或接近完全。 此外，要使煤粉燃烧完全，必须提供足够的空气，而且要及时与煤粉混合好。煤粉 的细度对煤粉的燃尽也有影响，磨得细些对提高燃烧效率有利，但磨得过细会耗电太多， 得不偿失，适当的煤分细度要有实验数据，经技术经济比较方可得e 9 j 。 2 5 2 燃料着火特性判别指数 判别着火稳定性主要采取常规分析法、着火指数炉法和热天平法。常规分析法主要 根据可燃基挥发份v ，同时参考煤的a y 、w y 含量( 也可参考煤的发热量q d w y ) 。更准确 判断着火稳定性的是着火指数炉法和热天平法。最近一种新的发展趋势是利用逐步回归 法找到特种分析结果与常规下( 例如工业分析) 的数据组合的相关关系，从而在无条件 下做特种地分析时，用常规分析数据来判别，其准确度可与特种地分析相近【3 捌。 ( 1 ) 可燃基挥发份v 、1 | | f r 判别 参考发电用煤国家分类标准对v 的等级界线做如下规定： lv 9 9 _ 一1 9 1 9 - 2 72 7 _ 4 0 4 0 1分类极难稳定区难稳定区 中等稳定区 中等稳定区褐煤区 i 发电厂锅炉燃烧理论分析与爆燃防止 ( 2 ) 用应用基挥发判别 用来判别比用v 7 来判别的优越性在于它可以同时反映灰分、水分对着火稳定性 的影响，见下式： v y = v 。0 0 0 - a y - w y ) 1 0 0 对a y 的等级界线做如下判别： la ， 4 94 9 _ 一1 4 1 4 一1 9 1 9 2 3 2 3 1 分类极难稳定区难稳定区中等稳定区中等稳定区 褐煤区 ( 3 ) 用工业分析的组合数据判别 ( 2 2 ) 这种方法是在用着火指数炉测定煤的着火温度t d 时得出的，用判别着火稳 定性比单纯用v 或a y 判别更为准确。 t d = 6 5 4 19 v r + o 4 3 a r - 4 5 w it d 6 3 8 6 1 3 6 3 8 5 9 3 6 1 35 6 0 5 9 35 6 0 l 1 分类极难稳定区难稳定区中等稳定区中等稳定区褐煤区 l ( 4 ) 用h d 指数判别 该方法是根据热天平实验结果，利用线性回归得出的。 h d = 3 5 9 + 0 0 5 4 v 7 判别界线如下： i 叱 l 4 _ 4 6 5 4 6 5 _ 5 | 5 _ 5 7 | 5 7l 1 分类l 极难稳定区l 难稳定区中等稳定区l 中等稳定区l 褐煤区l 2 5 3 燃料燃尽判别指数 ( 1 ) 用f z 指数判别燃尽特性睁” f z _ f v r + w f ) 2 c 1 0 0 ( 2 - 3 ) ( 2 q ( 2 5 ) 上述公式是用煤球在加热炉内燃烧实验所得结果回归得出的。其燃尽登记判别如下： l f d 0 5 0 5 一1 0 1 0 一1 5 1 瑚o 2 o 1 分类极难燃煤难燃煤中等难燃煤易燃煤极易燃煤 l 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 实际燃煤着火、燃尽指数 根据煤成分分析结果，利用上述判别指数，对大连电厂的锅炉的实际燃煤的着火、 燃尽特性进行了判别。列表如下 煤样 指数单位 l2345 t d 6 4 5 26 3 3 66 2 8 66 3 1 16 2 3 7 n d 3 9 94 5 3 4 8 84 5 74 8 6 f