燃烧的稳定性.docx

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燃烧的稳定性

燃烧的稳定性影响因素分析

煤粉气流燃烧的稳定性直接影响锅炉的安全性，锅炉能否稳定、持续的燃烧是关系燃烧安全性的最重要的因素。

合理的燃烧工况应该是迅速的着火、快速的火焰传播、强烈的燃烧强度和充分的燃尽。

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地进行。

稳定着火是燃烧过程的良好开端，而充分燃烧且燃尽是实现锅炉稳定经济燃烧的关键。

要组织好良好的燃烧过程，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，保证燃料在炉膛内完全燃烧的条件，一是着火要及时稳定；二是要控制燃烧速度并使燃料在炉内有足够的燃烧时间，使煤料尽量燃尽。

1炉内燃烧的关键环节

当煤粉与空气的混合物进入炉内后，首先从高温烟气中吸收热量而升温；此时，煤粉中一部分挥发份开始释放出来，并继续加热新煤粉。

当新燃料和空气的混合物拥有足够的着火热量时，最初析出的一部分挥发分首先开始着火；接着是残余挥发分的继续燃烧与焦炭的着火燃烧同时进行。

燃料燃烧过程中，不断释放热量，使炉膛升温，并促进燃烧过程加速发展。

到燃烧结束时，焦炭全部燃尽形成灰渣。

燃料的燃烧过程首先取决于燃料自身的燃烧特性。

所谓燃烧特性是指燃料的着火特性和燃尽特性。

同时，燃料的燃烧过程还与许多外部条件有关。

例如，炉内温度水平，空气与燃料的混合比例和混合位置，配风方式，燃料—空气的混合物与炉内高温烟气的热量交换，燃料燃烧时的放热速度，燃烧放热量，水冷壁的吸热能力等。

因为煤粉火焰的着火稳燃机理是分析锅炉燃烧稳定性的影响因素的理论基础，为了弄清燃烧稳定性的影响因素，必须先了解煤粉火焰的着火稳燃机理。

2煤粉的着火稳燃机理

煤粉燃烧稳定性既反映了煤粉着火的难易程度，又体现了煤粉着火后的燃烧状况。

煤粉在炉膛里燃烧，一般讲来，要经历三个阶段：

一是煤粉的热解阶段，在此阶段水分蒸发、挥发分析出，一次风粉加热到着火温度；二是煤粉的燃烧、着火阶段，在此阶段挥发分和焦炭着火燃烧；三是燃尽阶段，是焦炭燃尽组织好坏的关键阶段，需要的时间较长。

此三个阶段相互联系、相互制约。

合理的燃烧工况应该是迅速的着火、快速的火焰传播、强烈的燃烧强度和充分的燃尽。

按照煤粉着火燃烧的三个阶段，分析影响煤粉燃烧稳定性的因素，整体结构如下图所示：

煤粉着火燃烧的三个阶段

一、煤粉的热解：

矿物成分和含量、粒径、

升温速率、温度、停留时间

二、煤粉气流的着火的影响因素

挥发分

煤粉品质水分

灰分

1煤粉发热量

煤粉细度

煤粉气流的初温

一次风量、一次风温、一次风速

二次风量、二次风温、二次风速

燃烧器配风方式及燃烧器结构形式

单只燃烧器的热功率

2结构

、

炉膛散热条件：

卫燃带

3运行锅炉负荷

合适的空气量：

过量空气系数

适当高的炉温：

炉膛温度

三、煤粉的燃尽足够的停留时间：

，

燃烧器结构特性

空气和煤粉的良好扰动和混合

一、二次风的良好配合

煤粉的热解阶段

热解是煤的燃烧过程的一个重要的初始过程，对着火有极大的影响。

煤的热分解就是煤被加热到足够高的温度时开始分解，产生煤焦油和挥发分气体。

对于燃烧过程来说，热解的影响大致有两个方面。

①直接作用：

挥发分的释放一方面造成煤粒质量的直接消耗，同时这些释放出来的挥发物质会在气相环境中或煤粒表面燃烧，产生的热量或者使环境温度升高，或者使煤粒本身迅速被加热，提高煤粒温度，又反过来加速煤粒的多相着火与燃烧。

②间接作用：

由于挥发分的释放，使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙结构发生了很大变化，从而改变了煤焦的反应性能；此外，由于挥发分的析出与燃烧抑制了氧化剂向煤粒表面和孔隙内部的扩散作用，从而改变了煤焦的燃烧速率。

由于煤本身具有复杂性、多样性和不均一性，因此影响煤热解的因素繁多，如煤阶、矿物成分和含量、粒径、升温速率、温度、停留时间、压力、煤的显微组分等。

由于煤粉的裂解阶段主要与煤粉本身的性质有很大关系，煤质的讨论放在煤粉气流的着火阶段中详细说明。

煤粉气流的着火阶段

煤粉气流一般是指以一定速度运动的煤粉空气混合物，电站锅炉中的燃烧是以煤粉气流的形式进行的。

只有以煤粉气流为对象研究燃烧过程，才能真正认识煤粉气流的着火特性。

锅炉中煤粉气流的着火，或者可以说火焰在煤粉一次风混合物中的传播，是靠对流传热和辐射热来进行的。

在一般情况下，煤粉气流的着火热量来自三个方面：

辐射、导热、和对流。

辐射加热的热源是火焰的辐射和炉墙的辐射，接受辐射热的受体主要是煤粉粒。

煤粉浓度越高，参与吸热的粒子越多，尽管煤粉之间存在屏蔽现象，但吸收的热量相对还是较多的，升温较快，着火时间较短。

煤粉颗粒加热的结果是把它本身的热量很快地传给气体，在均相着火的火焰锋面上，温度差别较大，导热的效果很好；但煤粉火焰是多相、大范围的燃烧，这时的导热作用是较小的。

相反，对流换热在煤粉气流的着火中起着主要作用，是着火热量的主要供应者。

因为煤粉气流的着火较难，燃烧的时间也比较长，着火区的温度较高，较难维持稳定连续着火，必须组织高温热烟气的回流来加强煤粉－空气的混合，加强对流换热，提供足够的着火热量，使煤粉快速加热和着火。

电站锅炉煤粉着火的实质是：

煤粉空气混合物经由燃烧器以射流方式喷入炉膛后，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。

煤粉气流着火所需吸热量的70％～90％来源于卷吸高温烟气时的对流换热，10％～30％来源于炉膛四壁及高温火焰的辐射。

当煤粉与一次风气流通过对流传热与辐射热获得了超过煤粉气流着火所需热量时，入炉煤粉气流即可被点燃进入正常燃烧，当燃料热释放速率大于炉膛水冷壁吸热速率，入炉新燃料流可在无引燃能量支撑下稳定着火。

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地进行。

组织强烈的烟气回流和燃烧器出口附近煤粉一次风气流与高温烟气的激烈混合，是保证供给着火热量、稳定和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。

通过以上对煤粉气流着火过程的分析表明，影响煤粉着火的主要因素如下：

煤质。

煤质中挥发分含量对着火过程影响很大，若挥发分含量很低，其着火温度高，煤粉气流就必须加热到很高温度才能着火。

因此除非采取相应措施，煤的挥发分降低将使着火点推迟。

当原煤的水分增大时，着火热随之增大，同时由于一部分燃烧热消耗在加热水分并使其汽化和过热上，也降低了炉内烟气温度，这对着火显然是不利的。

然而，煤粉的内在水分析出的结果使煤的孔隙度增加，即活性增大，所以容易着火，从这方面来说煤中水分对着火稳定性是有利的。

灰分含量影响着火速度，在挥发分相同的情况下，燃料灰分越多，其着火速度越低。

灰分增加还使火焰温度降低，因为加热灰分会增加热量消耗，灰分越多，炉膛的理论燃烧温度越低，使燃烧稳定性变差。

煤的热值低，灰分高，使炉膛烟气温度降低，造成燃烧不稳定、不完全，甚至发生熄火事故。

②煤粉细度。

细煤中挥发分比粗煤粉容易析出，也容易加热，因而细煤粉容易着火，也容易燃尽。

煤粉气流的初温。

提高煤粉气流的初温，减少了把煤粉气流加热到着火温度所需的热量，从而加快了着火，有利于煤粉的稳定燃烧。

实际中采用较高温度的预热空气来输送煤粉，降低着火热，使着火点前移。

一次风量。

一次风量主要取决于煤质的挥发分含量和挥发分的发热量。

当煤质一定时，一次风量是影响煤粉气流着火速度和着火稳定性的主要因素。

一次风量越大，煤粉气流加热至着火温度所需要的热量就越多，即着火热就越多，着火速度越慢，着火推迟使火焰在炉内的总行程缩短，即燃料在炉内的有效燃烧时间减少，导致燃烧不完全。

一次风量增加时着火点推迟，而一次风速提高时着火所需的孕育时间仍需保证某一数值，所以着火点也要推迟。

此外，一次风中的氧是煤中挥发分着火和燃烧所需要的，为了使挥发分尽可能迅速地烧掉，一般采用的一次风量应差不多等于挥发分燃烧的理论空气量（即一次风量与挥发分大致符合燃烧化学的化学当量比）。

一次风速。

一次风速不但决定着火燃烧的稳定性，而且还影响着一次风气流的刚度。

一次风速大于火焰传播速度时，就会吹灭火焰或者引起脱火。

即使能着火，也会引起其它问题。

例如煤粉气流直冲对面的炉墙，引起结渣。

一次风速过低，对稳定燃烧和防止结渣也是不利的。

原因在于：

（1）煤粉气流刚性减弱，易弯曲变形，偏斜贴墙，切圆组织不好，扰动不强烈，燃烧缓慢；

（2）煤粉气流卷吸能力弱，加热速度缓慢，着火延迟；

（3）气流速度小于火焰传播速度时，可能发生“回火”现象；

（4）易发生空气、煤粉分层，甚至引起煤粉沉积、堵管现象。

一次风温。

提高一次风温，可降低着火热，使着火位置提前。

根据煤质挥发分含量的大小，一次风温不仅应该满足使煤粉尽快着火、稳定燃烧的要求，而且应保证煤粉输送系统工作的安全性。

一次风温过高，可能发生爆炸或自燃；一次风温过低时，除了会导致推迟着火，燃烧效率降低外，还会使炉膛出口烟温升高，引起过热器超温或汽温升高。

二次风量、风温和风速。

二次风量、风速、风温和投入位置对着火稳定性起着重要作用。

由于高温火焰的粘度很高，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦炭粒子表面的接触与混合。

从燃烧的角度看，二次风温越高，越能强化燃烧，并能在低负荷运行时增强着火稳定性。

但是二次风温的提高收到空气预热器传热面积的限制，传热面积越大，将使预热器结构庞大，不便布置。

对于不同的煤种，为了保证燃料的稳定着火和完全燃烧，需选择合适的一次风速、二次风速以及煤粉细度，如表1所示。

表1煤种与风速及煤粉细度的关系

煤种

一次风速（m/s）

二次风速（m/s）

煤粉细度（R90）%

无烟煤

20~23

40~45

10~15

贫煤

23~26

45~50

15~20

烟煤

26~30

50~55

20~25

褐煤

30~35

55~60

25~30

配风方式及燃烧器结构形式。

二次风则应在煤粉着火后并把一次风中的氧消耗掉的时候分批限量加入，二次风混入时间不宜过早，并需保证部分燃烧的煤粉气流与新加入的二次风混合后的温度不低于着火温度，以免中途熄火。

配风方式还关系到结渣、火焰中心高度变化和炉膛出口烟温的控制。

直流煤粉燃烧器按结构形式分为均等配风和一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器。

其中均等配风燃烧器适用于燃烧容易着火的煤，一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器适用于燃烧着火比较困难的煤。

旋流式燃烧器按结构可分为蜗壳式、动叶轮式和可动叶片式三类。

单只燃烧器的热功率。

为了调节燃烧调节的灵活性和避免水冷壁以及燃烧器喷口结渣，趋向于采用小功率燃烧器。

单只燃烧器功率过大，会带来以下四个问题：

（1）炉膛受热面局部热负荷过高，容易结渣；

（2）引起水冷壁传热恶化和直流锅炉的水动力多值性；

（3）切换或启停燃烧器对炉内火焰燃烧的稳定性影响较大，影响过热器安全性和气温调节；

（4）一、二次风气流太厚，不利于风粉混合；

炉膛结构。

从着火角度看，评价炉膛结构的参数有：

炉膛截面热负荷

，燃烧器区域的壁面热负荷

。

当锅炉容量和参数一定时，

值过大，就表明炉膛周界过小，所能布置的水冷壁管子根数就越少，燃烧器区域温度水平高，有利于稳定着火，但容易引起结渣；

过小时，则表明炉膛周界过大，所能布置的水冷壁管子根数就越多，这时有利于减轻结渣，减少污染物的生成量，但由于燃烧器区域的温度水平低，不利于稳定着火。

而值

越大，说明火焰越集中，燃烧器区域的温度水平就越高，对于着火有利。

另外，炉膛内的散热条件也会对燃烧产生影响。

如用卫燃带将燃烧室周围的水冷壁覆盖起来，目的是提高燃烧区域的温度，因为一部分水冷壁被耐火材料覆盖后，吸热量减少，烟气温度自然升高为燃料的及时着火及稳定燃烧创造了条件。

另外，锅炉负荷的变化也会对煤粉气流的着火产生较大影响。

锅炉负荷发生变化时，炉膛平均烟温发生变化，燃烧器区域的烟温随之发生变化，从而引起锅炉燃烧稳定性发生变化。

锅炉负荷降低时，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。

当锅炉负荷降低到一定程度时，就将危及着火的稳定性，甚至引起熄火，燃烧稳定性下降，实质上是因为随着负荷下降，在不变的燃烧设备条件下进行的燃烧过程能够克服的燃料和空气配比失调的扰动越来越小，在额定负荷下某一大小的燃料扰动不致破坏燃烧过程的进行，但在降低负荷后则不然。

低负荷时运行人员会感到不易维持稳定的燃烧，因为此时不容许燃烧过程受到稍大一点的扰动，否则极易发生火焰熄火。

3煤粉的完全燃烧及燃尽

稳定着火是燃烧过程的良好开端，而充分燃烧且燃尽是实现锅炉稳定经济燃烧的关键。

要组织好良好的燃烧过程，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。

保证燃料在炉膛内完全燃烧的条件，一是着火要及时稳定；二是要控制燃烧速度并使燃料在炉内有足够的燃烧时间。

要接近完全燃烧，其条件为:

供应合适的空气量

供应足够而又适量的空气是燃料燃烧完全的必要条件。

由于燃烧设备和燃烧过程的组织并不总是理想的，供给的空气量不可能全部参与燃烧，因而实际上送入炉内的空气量要比理论空气量要多。

直接影响燃烧的过量空气系数用炉膛出口处的过量空气系数

表示。

过高、过低对锅炉燃烧效率和热效率都是不利的。

如果

过低，则供应的空气量不足，不完全燃烧热损失必然增大；同时火焰不稳定；而且碳黑和碳粒将玷污、堵塞对流烟道受热面和空气预热器。

如果

过大，在一定范围内可使不完全燃烧损失降低，但却增大排烟损失。

如果再进一步增大，不但排烟损失进一步增大，而且使炉温下降，使燃烧反应速度减慢，同时会提高炉内烟气流速，缩短燃料在炉内的停留时间。

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反应速度加快，也会使逆反应速度加快，也导致燃烧不完全。

③有足够的燃烧时间

在一定炉温下，一定细度的煤粉要有一定时间才能燃尽。

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、燃烧以致燃尽，才能燃烧完全；否则将增大燃烧热损失，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受热面结渣及过热气温升高，使锅炉运行不安全稳定。

一般来说，炉膛的容积热负荷

可以代表燃料在炉内的停留时间，也可以用来说明燃料的温度水平。

过大，说明在单位时间内，单位炉膛容积内烧了过多的燃料，产生的烟气量随之增多，烟气流速过高，一部分燃料来不及完全燃烧就被排出炉外，即燃料在炉内的停留时间减短。

而单纯用

表示停留时间有不足之处。

因为大型锅炉的燃烧器高度达10m以上，燃烧器区域所占容积很大，要保证最上层一次风中煤粉完全燃烧，关键是上排一次风喷口中心至炉膛出口的距离。

其次是炉膛形状，即与炉膛断面积、燃烧量、烟气量有关。

燃料在炉内的停留时间表示为：

式中，

——燃烧器上一次风中心至屏下端距离，

；

——烟气在炉内的平均上升速度，

；

——烟气体积，

；

——烟气平均温度，

；

——计算燃料消耗量，

；

——炉膛出口烟温，

；

——理论燃烧温度，

。

对于100~300MW的锅炉机组，燃尽时间一般为~。

煤粉燃尽时间应等于煤粉在炉内的停留时间，燃料在炉内的停留时间越长，燃尽程度越高，燃尽程度越高。

当然用的煤质相近时，在容量相近的条件下，

值可以不同，炉膛断面较大的炉膛，

值较小。

④空气和煤粉的良好扰动和混合

煤粉燃烧反应主要在煤粉表面进行，燃烧反应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。

在燃尽阶段，可燃质和氧的数量已很少，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机会，有利于燃料的完全燃烧。

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。

影响着火快慢的燃烧器结构特性,主要是指一、二次风混合情况。

如果一、二次风混合过早,在煤粉气流着火前混合的话,等于增大了一次风量,相应使着火热增大,推迟着火过程。

因此,燃用低挥发分煤种时,应使一、二次风的混合点适当地推迟。

燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。

燃烧器出口截面积越大,煤粉气流着火时离开喷口的距离越远,着火拉长了。

从这一点来看,采用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的。

这是因为小尺寸燃烧器既增加了煤粉气流着火的表面积,同时也缩短了着火扩展到整个气流截面所需要的时间。

4结论

煤粉火焰的着火稳燃机理，特别是那些挥发分或发热值很低的难燃燃料的着火稳燃机理，与气体或液体燃料的着火稳燃机理有着很大区别。

煤粉火焰的着火和稳燃，本质上是高温挥发分和高温细煤粉颗粒的均相及非均相着火和稳燃。

因此，煤粉的着火和稳燃受控于在燃烧器出口附近的煤粉浓度以及能够对其加热到的温度。

浓度越大、温度越高，挥发分释放量越多，越易着火和稳燃。

也就是说，在燃烧器出口附近能否组织起一个高温、高煤粉浓度和适当高氧浓度而被称为“三高稳燃区”的区域，乃是难燃燃料能否稳燃的关键。