液態(tài)排渣煤粉燃燒器燃燒溫度影響因素分析

賈明生，張林鋒，扶廷正，陳 賽

（1.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088；2.浙江富春江環(huán)保科技研究有限公司，浙江杭州311401）

燃燒溫度是反映燃燒熱狀態(tài)的重要參數(shù)之一，對于液態(tài)排渣煤粉燃燒器而言，其不僅影響飛灰含碳量的高低[1]、液態(tài)捕渣量的多少及煤粉燃燒過程中NOx的生成量[2-6]，還直接關(guān)系到燃燒器能否持續(xù)穩(wěn)定運行。液態(tài)排渣煤粉燃燒器屬于旋風燃燒方式，其特點介于層燃和室燃之間，兼有并突出了這兩種方式的長處。對于液態(tài)排渣煤粉燃燒器，燃燒室內(nèi)的燃燒溫度過低，筒壁熔渣膜難以達到軟化和熔融狀態(tài)，導致液渣量偏小、排渣不順暢；燃燒溫度過高，燃燒室爐襯表面渣膜變薄，熱阻減小，傳熱量增大，難以實現(xiàn)“以渣抗渣”，燃燒室爐襯易被高溫煙氣侵蝕燒壞[7]。因此，在實際運行過程中，合理調(diào)控液態(tài)排渣煤粉燃燒器內(nèi)的燃燒溫度非常重要。影響燃燒器內(nèi)的燃燒溫度因素眾多，本文僅研究熱風溫度、過量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例、熱負荷、煤低位發(fā)熱量等五個因素對燃燒溫度的影響規(guī)律和影響程度。

1 燃燒溫度的計算

1.1 燃燒熱平衡模型的建立

液態(tài)排渣煤粉燃燒器在運行過程中通常溫度高達1 600℃以上，燃燒室需采用水冷膜式壁，水冷壁外表面附著一層耐火材料，內(nèi)置金屬銷釘。燃燒室采用冷卻水進行冷卻才能在高溫條件下持久穩(wěn)定地工作，冷卻水帶走熱量作為燃燒器輸出熱量的一部分。建立燃燒熱平衡模型時，需作如下假定：①煤灰中不含固定碳，煤粉的機械不完全燃燒熱損失不計；②煤粉和二次風中的水分會與煤粉分解后的焦炭發(fā)生水煤氣反應，吸收部分熱量，但該反應發(fā)生的程度較低，不作考慮；③灰分中的SiO2會與煤粉分解后的焦炭發(fā)生還原反應，SiO2氣化成SiO，消耗部分熱量[8]，該反應發(fā)生比較困難，不作考慮；④燃燒產(chǎn)物中CO2和H2O會存在高溫離解的情況，其分解程度與體系的溫度及壓力有關(guān)，在壓強為0.1×105～5×105Pa，溫度低于2 100℃時，燃燒產(chǎn)物熱分解現(xiàn)象及其影響較小[9]，忽略不計這部分熱量；⑤由于燃燒反應產(chǎn)物中H2和CmHn等含量極低，化學不完全燃燒熱損失僅考慮CO的不完全燃燒熱損失。基于上述假定條件，煤粉完全燃燒時，熱平衡模型的各輸入熱量項、輸出熱量項如圖1所示。

圖1 燃料完全燃燒時燃燒器熱平衡模型

當過量空氣系數(shù)小于1，燃料不完全燃燒時，熱平衡模型中總輸入熱量需減去CO的不完全燃燒熱損失。由熱平衡模型可得燃燒溫度的計算公式如式（1）所示。

式中：?theo為燃燒溫度，℃；Qnet，ad為燃料空氣干燥基低位發(fā)熱量，kJ/kg；Qair為空氣帶入的物理熱，kJ/kg；Qfuel為燃料帶入的物理熱，kJ/kg；Qw為冷卻水帶走熱量，kJ/kg；Qco為CO不完全燃燒熱損失，kJ/kg；cgas為氣體燃燒產(chǎn)物的平均比熱容，kJ/（m3·℃）（標準）；Vgas為氣體燃燒產(chǎn)物生成量，m3/kg（標準）；cash為燃燒產(chǎn)物中灰分的平均熱容，kJ/（kg·℃）；mash為燃燒產(chǎn)物中灰分的質(zhì)量，kg。

1.2 過量空氣時的燃燒溫度計算

煤粉在過量空氣情況下完全燃燒時，可以認為不存在CO不完全燃燒熱損失項。因此，燃燒器總輸入熱量由煤低位發(fā)熱量Qnet，ad、空氣帶入熱量Qair及燃料帶入熱量Qfuel三部分組成，總輸出熱量由煙氣攜帶熱量Qgas、灰分升溫耗熱Qash及冷卻水帶走熱量Qw三部分組成。計算用煤種的燃料特性如表1所示。

表1 燃料特性

現(xiàn)以文獻[10]中高效低NOx煤粉工業(yè)鍋爐所搭載液態(tài)排渣煤粉燃燒器作為計算對象，選取過量空氣系數(shù)α為1.2，大氣溫度為30℃，一次風溫度為50℃，一次風占總風量比例為10%，二次熱風溫度為250℃，1 kg煤粉帶入物理熱Qfuel為16.371 kJ，冷卻水帶走熱量占總輸入熱量的10%。在文獻[11]中考慮灰分的理論燃燒溫度計算模型基礎(chǔ)上，將冷卻水帶走熱量納入輸出熱量的一部分，按上述方法經(jīng)計算得到燃燒溫度為?=1 719.76℃。

1.3 欠氧燃燒時的燃燒溫度計算

文獻[11]中給出了燃料完全時建立的燃燒溫度方程，但沒有給出欠氧燃燒條件下燃燒溫度方程的建立。鑒于此，本文基于方程求解法建立欠氧燃燒時燃燒溫度的計算模型。為了得到不同煤種下的燃燒溫度方程，將煤粉中各成分設(shè)置為變量如表2所示，其中變量x1～x7滿足x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7=100。

表2 煤粉成分的變量設(shè)置

根據(jù)燃燒化學反應方程式及碳元素和氧元素守恒可計算得到由x1～x6表示的煙氣各成分含量Vi0，設(shè)Vi0=b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6（其中i=N2、H2O、RO2、CO，下同），則欠氧燃燒時煙氣各成分含量由x1～x6表示的各系數(shù)如表3所示。

表3 欠氧燃燒時理論煙氣各成分含量系數(shù)

設(shè)Q2由煙氣攜帶熱量Qgas和灰分攜帶熱量Qash兩部分組成，則Q2可由下式求得：

根據(jù)表3、式（2）及文獻[11]中各煙氣成分平均比熱的擬合結(jié)果，可計算得到欠氧燃燒時Q2關(guān)于變量x1～x7及過量空氣系數(shù)α和溫度?的矩陣表達式如下：

其中矩陣C、B、X如下：

欠氧燃燒較之過量空氣燃燒，總輸入熱量需減去CO的不完全燃燒熱損失Qco，計算公式如下式（4）：

由總輸入熱量等于總輸出熱量，可得：

式（5）即為欠氧燃燒時的燃燒溫度方程，其中Q2由式（3）確定，當過量空氣系數(shù)α為0.8，其他計算條件不變時，可計算得到?=1 722.28℃。

2 燃燒溫度影響因素分析

以文獻[10]中的高效低NOx煤粉燃燒器作為計算對象，選擇燃料特性如表1所示，按上述燃燒溫度的計算方法，研究熱風溫度、過量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例、熱負荷、煤低位發(fā)熱量等五個因素對燃燒溫度的影響規(guī)律。

2.1 熱風溫度對燃燒溫度的影響

二次熱風是空氣與鍋爐尾部煙氣換熱得到的，熱風溫度不超過350℃。冷卻水泵轉(zhuǎn)速是根據(jù)冷卻水溫度進行變頻調(diào)節(jié)的，根據(jù)長期運行情況，以文獻[10]中燃燒器的冷卻水帶走熱量基本維持在2 149.6 kJ/kg左右，取過量空氣系數(shù)α為1.2。經(jīng)計算得到熱風溫度在100～350℃變化時，燃燒器的燃燒溫度變化情況如圖2所示。

二次熱風作為燃燒器輸入熱量來源之一，燃燒溫度與熱風溫度必定呈正相關(guān)。從圖2可以看到，燃燒溫度與熱風溫度呈強線性關(guān)系，且熱風溫度每升高1℃，燃燒溫度約提高0.56℃。

圖2 熱風溫度對燃燒溫度的影響趨勢

2.2 過量空氣系數(shù)α對燃燒溫度的影響

設(shè)熱風溫度為250℃，計算得到過量空氣系數(shù)α在0.7～1.4變化時，燃燒器的燃燒溫度變化情況如圖3所示。

從圖3可以看到，過量空氣系數(shù)α對燃燒溫度有顯著影響。當α＜1時，燃燒溫度隨著過量空氣系數(shù)的增大而升高，說明因燃燼率提高釋放的熱量要比因空氣量增多而吸收的熱量多；當α＞1時，燃燒溫度隨著過量空氣系數(shù)的增大而降低，此時空氣量增多吸收更多的熱量是燃燒溫度降低的主導因素。可見過量空氣系數(shù)α過高或過低均不利于維持一個合適的燃燒溫度范圍，在燃燒器運行時，需要對鼓風機、引風機進行適當調(diào)節(jié)，使過量空氣系數(shù)α穩(wěn)定在某最佳值附近。

圖3 過量空氣系數(shù)對燃燒溫度的影響

2.3 冷卻水帶走熱量對燃燒溫度的影響

設(shè)熱風溫度為250℃，過量空氣系數(shù)為1.2，計算得到冷卻水帶走不同比例熱量情況下，燃燒器燃燒溫度的變化趨勢如圖4所示。

從圖4可以看出，冷卻水帶走熱量占煤粉有效輸入熱量之比從0%增至12%，燃燒溫度相應地從1 891.9℃下降至1 685.3℃，燃燒溫度與冷卻水帶走熱量比例呈現(xiàn)強負線性相關(guān)，且冷卻水帶走熱量比例每增加一個百分點，燃燒溫度下降17.2℃。

圖4 冷卻水帶走熱量比例對燃燒溫度的影響

2.4 熱負荷對燃燒溫度的影響

設(shè)熱風溫度為250℃，在過量空氣系數(shù)α分別為1.1和1.2時，通過計算得到不同熱負荷下燃燒溫度的變化情況如圖5所示。

圖5 熱負荷對燃燒溫度的影響

從圖5可以看到，每增加1%熱負荷，燃燒溫度上升2.8℃左右，熱負荷對燃燒溫度的影響并不大，原因在于熱負荷增加一倍的同時，在保持過量空氣系數(shù)不變的情況下，煙氣量也增加了一倍。另外，熱負荷對燃燒溫度施加的影響受過量空氣系數(shù)影響不大，每增加1%熱負荷，α為1.2時燃燒溫度上升2.7℃，α為1.1時燃燒溫度上升2.9℃，變化幅度比較接近。

2.5 煤低位發(fā)熱量對燃燒溫度的影響

煤粉低位發(fā)熱量作為最主要的輸入熱量來源，其大小勢必影響燃燒溫度。以1 kg煤粉作為計算度量，設(shè)熱風溫度為250℃，過量空氣系數(shù)為1.2時，計算得到51種不同煤種的燃燒溫度，燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量的變化情況如圖6所示。從整體來看，燃燒溫度隨著煤低位發(fā)熱量的增大而呈現(xiàn)升高趨勢，但并不是隨著低位發(fā)熱量的增大而嚴格的升高，即使某相近低位發(fā)熱量的兩煤種，燃燒溫度也可能相差較大，這與王世昌[12]對158種動力煤絕熱燃燒溫度的研究結(jié)果具有一致性。實際上煤低位發(fā)熱量是由煤成分參數(shù)決定的，而煤成分不同又導致理論空氣量不同，由于煤成分不同對二者的影響并不總是同步的，因此燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量的變化并不是嚴格遞增的。

圖6 燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量變化情況

3 燃燒溫度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

為了確定燃燒溫度的各影響因素對其影響程度，明確哪些是主要因素，哪些是次要因素，采取灰色關(guān)聯(lián)分析的方法進行研究分析[13-14]。它是從系統(tǒng)離亂的、隨機的行為特征量中確定因素間關(guān)聯(lián)程度的一種分析方法，是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近程度，對樣本容量和數(shù)據(jù)有無規(guī)律情況沒有要求。

設(shè)有m個比較序列Xi和s個參考序列Yj，記為

則比較序列Xi中某元素xi（k）和參考序列Yj中元素yj（k）的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξji(k)可由下式計算：

式中：Δ(k)=|yj(k)-xi(k)|，Δmax(k)和Δmin(k)分別表示參考序列元素與對應比較序列元素絕對差值中的最大值和最小值，ρ為分辨系數(shù)，通常取ρ=0.5。

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關(guān)聯(lián)程度值，為了從總體上了解序列之間的關(guān)聯(lián)程度，求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，即灰色關(guān)聯(lián)度rji，可由下式計算：

按灰色關(guān)聯(lián)度分析原則，關(guān)聯(lián)度越大的比較序列與參考序列越為接近，即是影響參考序列指標越主要的因素。因此，按照計算出的關(guān)聯(lián)度值便可排列出比較序列對參考序列影響程度的大小次序。

當煤種一定時，可調(diào)節(jié)的變量為熱風溫度（X1）、過量空氣系數(shù)（X2）、冷卻水帶走熱量比例（X3）及負荷（X4），以這4個因素序列為比較序列，以燃燒溫度（Y）為參考序列，對表4中20組數(shù)據(jù)進行均值化處理，使各序列無量綱化并處于同一數(shù)量級后，進行灰色關(guān)聯(lián)分析。

表4 燃燒溫度與各影響因素一覽表

經(jīng)計算，得到灰色關(guān)聯(lián)度序列為r={0.688 6，0.690 9，0.569 8，0.616 5}，各影響因素對燃燒溫度的關(guān)聯(lián)度順序為：X2＞X1＞X4＞X3。因此，當煤種一定時，其他幾個因素對燃燒器燃燒溫度的影響程度依次為：過量空氣系數(shù)＞熱風溫度＞負荷＞冷卻水帶走熱量比例。

4 結(jié)論

本研究針對液態(tài)排渣煤粉燃燒器基于方程求解法建立了燃燒溫度計算模型，可簡捷、準確地求解燃燒溫度[11]。在此基礎(chǔ)上，研究分析了燃燒器燃燒溫度影響因素。通過各影響因素與燃燒溫度的灰色關(guān)聯(lián)分析，明確了各影響因素對燃燒器燃燒溫度的影響程度。得出如下結(jié)論：

（1）熱風溫度、負荷與燃燒溫度呈強正線性相關(guān)關(guān)系；冷卻水帶走熱量比例與燃燒溫度呈強負線性相關(guān)關(guān)系；過量空氣系數(shù)與燃燒溫度呈非線性關(guān)系，過量空氣系數(shù)為1時，燃燒溫度達到最大值，過量空氣系數(shù)偏離1到兩側(cè)時，燃燒溫度均呈下降趨勢；燃煤低位發(fā)熱量與燃燒溫度具有較強正相關(guān)關(guān)系。

（2）煤種一定時，熱風溫度、過量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例及負荷對燃燒溫度的影響程度從高到低依次為：過量空氣系數(shù)＞熱風溫度＞負荷＞冷卻水帶走熱量比例。