不同燃料对锅炉燃烧影响分析

摘要：燃烧不同种类的燃料，对应不同的锅炉结构、燃烧基本环节和工作过程以及温度控制等。主要针对不同煤种对锅炉本体结构、受热面、温度、安全性、水循环等方面的影响进行简要的分析。

关键词：燃料；煤质参数；受热面；波动

中图分类号：TB文献标识码：A 文章编号：16723198（2012）20017501

1 引言

电站锅炉燃料包括固体燃料、液体燃料、气体燃料。其中消耗最大的是煤。煤的关键参数包括元素分析成分（包括碳、氢、氧、氮、硫）、工业分析成分（包括固定碳、挥发分、水分、灰分）和低位发热量等。不同燃料，或者同种燃料成分不同，都会对锅炉的本体结构、燃烧情况和控制量产生较大影响。

2 固体燃料、液体燃料、气体燃料燃烧的区别

固体燃料如煤、城市垃圾等，首先经过干燥、加热，挥发性成分析出后，其中的可燃部分与空气中的氧气反应，燃烧，剩下的固体残留物中的可燃物与氧气发生燃烧反应，最后剩下不可燃固体物质，如无机矿物质等。固体燃料的燃烧是扩散燃烧，即使温度较低时也可能发生，但仍然是氧气向固体表面扩散、燃烧、产物向周围空间扩散的过程。

液体燃料如各种油，首先需要加热、降低黏度，然后雾化，在高温下液滴群蒸发形成油蒸汽流，与空气接触、燃烧。液体燃料的燃烧过程是一个依靠扩散实现的燃烧过程。

气体燃料的燃烧可以通过人为控制燃料和空气的混合时间。预混燃烧是指燃烧前燃料与空气已按所需的空燃比混合，火焰长度最短，火焰几乎无色，温度最高。而半预混火焰的形成是由于燃烧前燃料与少量空气混合，火焰长度及温度中等。如果在燃烧前燃料与空气没有混合，只在燃烧时在火焰面上接触、燃烧，这种火焰称为扩散火焰，火焰长度最长，火焰温度最低。

3 不同煤种的影响

3.1 锅炉本体结构

3.1.1 煤的发热量及挥发分降低

燃煤发热量、挥发分降低会使着火热提高，着火难度增加，煤粉锅炉的炉膛截面积应有所降低；会延长煤粉气流的燃尽时间，煤粉锅炉的炉膛高度应有所增加；要求热风温度达到380-400℃，因此省煤器的烟气出口温度有所提高，在给水温度不变的条件下，为保证省煤器的吸热量不变，需增加省煤器的受热面积；会影响摆动燃烧器喷嘴对再热蒸汽温度的调节效果，应改用分隔尾部烟道、挡板调温。

3.1.2 煤粉粒径改变

如果将煤粉粒径降低到1-100nm，煤粉颗粒可分为可燃质颗粒和非可燃质颗粒。可燃质颗粒的比表面积增加很多，燃烧反应速度非常快，则炉膛高度会大大降低，而锅炉的结构随着煤种的变化而变化的幅度会降低。非可燃质颗粒的比表面积也很大，大部分颗粒会聚团、熔化形成粒径较大的飞灰颗粒。因此纳米煤粉颗粒的燃烧过程形成的底渣份额很低。但由于纳米煤粉的快速反应性能，磨煤机、煤粉仓及煤粉管道中的一次风发生爆炸燃烧的可能性会大大增加，因此纳米煤粉气流的燃烧器一次风喷嘴要增设防止回火的装置。

3.2 受热面

3.2.1 挥发分降低

燃煤挥发分降低，锅炉炉膛容积不变，炉膛横截面积减小，炉膛高度增加，水冷壁面积增加；热风温度升高，空气预热器面积增加；热风温度升高，省煤器进口烟气温度升高幅度小于出口烟气温度升高的幅度，为达到额定吸热比例，省煤器面积增加；过量空气系数增加，烟气的温度有所降低，过热器及再热器的面积增加。

3.2.2 省煤器

（1）省煤器面积与煤质参数的关系（锅炉容量一定）。

对于燃烧优质烟煤、劣质烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤的锅炉，热风温度依次升高，省煤器所在烟道出口烟气温度也依次升高，省煤器的烟气与工质之间的温差则依次减小，而省煤器的面积依次增大。

（2）燃煤挥发分降低、发热量降低、灰分增加。

燃煤的挥发分降低会使煤粉的燃尽时间延长，水冷壁吸热相对不足，锅炉蒸发量减小，出力不足。为了维持锅炉出力，必须投入更多的煤，烟气温度升高、烟气量增加，增加了省煤器的吸热量，同时也降低了飞灰颗粒对省煤器的磨损。而燃煤的发热量降低，一般会伴随着煤的挥发分的降低和灰分的增加，过量空气系数会增加，烟气量增加，烟气流速加快，烟气中含有的飞灰浓度有所提高，省煤器的磨损会更加严重。

3.2.3 水冷壁、过热器吸热比例

为了稳定燃烧，若燃煤的挥发分、发热量降低，必须增加过量空气系数，则炉膛烟气温度必然降低，水冷壁的蒸发量下降，由炉膛的辐射换热量公式可知，炉膛烟气温度的降低对辐射换热量的影响是4次幂的关系。为了维持锅炉的蒸发量，需按相同的空燃比增加燃料和空气，烟气流量增加，因烟道通流面积不变，过热器所在烟道的烟气流速也增加，根据稳态强制对流的准则方程得，烟气流速的增加对烟气侧对流换热系数的影响是烟气流速的n次幂，n=0.6-0.65。综上所诉，燃煤的挥发分和发热量降低，较多的减少了炉膛辐射换热量，而较少的增加了过热器的对流换热量，即水冷壁的吸热比例下降，过热器的吸热比例上升。

3.2.4 燃煤的发热量与水冷壁污染系数的关系

若所燃用的煤种的发热量明显低于设计煤种，则煤粉颗粒群的燃尽时间延长，过量空气系数大于设计值，理论燃烧温度降低，炉膛内的烟气温度也降低，使较少的灰分熔化、蒸发，水冷壁的污染程度降低，污染系数增加。反之，污染系数降低。

3.3 温度

3.3.1 不同煤种的速率常数对温度的敏感性

根据阿雷尼乌斯定律k=k0exp（-E/（RT）），通用气体常数R和频率因子k0不变，活化能E与煤种有关，活化能的数值排序为无烟煤>贫煤>烟煤>褐煤，因此煤粉燃烧速度对温度的敏感性为无烟煤>贫煤>烟煤>褐煤。

3.3.2 对汽温的影响

水分、灰分增加，或挥发分、发热量、煤粉细度降低，都会造成煤粉着火推迟，火焰中心位置上移，水冷壁吸热能力降低，过热器、再热器吸热能力相对增加，过热蒸汽和再热蒸汽温度升高。

3.4 煤粉锅炉低NOx燃烧技术

燃煤的发热量、挥发分降低，使着火不稳定，使煤粉燃尽时间延长，炉膛内的燃烧中心位置垂直向上移动。低NOx燃烧技术要求在主燃区的过量空气系数a<1.0，这对着火稳定性不利，会使焦炭在燃烧过程形成的烟气中CO浓度升高，造成较多的气体不完全燃烧损失。可以通过增加燃烧器区域的卫燃带面积，以提高燃烧器区域的温度，从而保证燃烧稳定。

3.5 煤粉锅炉水循环动力

燃煤的发热量降低、挥发分降低、水分提高、或者灰分提高，均导致过量空气系数提高，烟气量增加，炉膛烟气温度降低，水冷壁吸热量相对不足，自然循环水动力下降。反之，如果燃煤的发热量升高、挥发分提高、水分降低、或者灰分降低，都会使过量空气系数降低，烟气量减少，炉膛烟气温度提高，水冷壁吸热量相对过剩，自然循环水动力提高。

对于自然循环锅炉，考虑到其自补偿特性，燃煤的煤质参数波动不会引起自然循环的故障。对于控制循环锅炉和超临界直流锅炉，煤质参数的小幅度变化也不会破坏其水循环稳定性，循环正常进行。

3.6 传热恶化

煤粉炉的炉膛热负荷分布不均匀。对于挥发分高、燃烧反应速度快的燃煤，如烟煤，过量空气系数校，炉膛烟气温度高，在垂直方向和水平方向上，高温区域比较集中，更容易发生传热恶化。反之，如贫煤，高温区域比较分散，较不容易发生传热恶化。

参考文献

[1]樊泉桂，阎维平.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]王世昌.锅炉原理同步导学[M].北京：中国电力出版社，2009.