電廠熱能動力鍋爐燃料及燃燒分析

謝健，謝筱萌，王彥紅

（1.陜西清水川能源股份有限公司，陜西 榆林 719400；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049；3.陜西渭河發電有限公司，陜西 咸陽 712085）

在電廠運行過程中，熱能動力鍋爐的科學引入和合理化運用，有助于提高電能資源利用率，實現節能減排，與環境保護理念保持高度一致，并且有助于改善電廠生產效率。為維護電廠熱能動力鍋爐應用價值的充分發揮，積極探討電廠熱能動力鍋爐燃料及燃燒是非常必要的。

1 熱能動力鍋爐

熱能動力鍋爐運轉過程中，通過燃料達到充分燃燒狀態后，可將熱能釋放出來，這些熱能是具有一定規模的，之后將熱能傳遞給其他物質，比如水。當水進入鍋爐后，通過鍋爐自身的受熱面，將所吸收的熱量傳遞給水，令水溫度升高，其溫度與壓力達到相應條件。熱水溫度升高后所形成的水蒸氣可引入，但要注意必須使用專用的引出裝置。熱能動力鍋爐內部燃料在燃燒設備的作用下可實現充分燃燒，在這一燃燒的過程中可以放出熱量，并且熱量的釋放是一個持續性的過程。在熱能動力鍋爐燃燒作用下，高溫煙氣得以產生，基于熱傳播原理，一定劑量的高溫煙氣能夠實現熱量傳遞，待熱量傳遞后，煙氣溫度下降，并經煙囪排放。

2 電廠熱能動力鍋爐燃料

在電廠的生產過程中，首先在鍋爐內通過燃料充分燃燒，將燃料的化學能熱能傳遞給中間介質，比如水，令其溫度逐漸升高產生蒸汽，并且蒸汽達到必要的壓力，此時燃料的化學能轉化為蒸汽的熱能，然后在汽輪機中實現熱能到機械能的轉換，最后在發電機實現機械能到電能的轉換。從根本上來說，電站鍋爐可以看作是一種換熱器裝置，其所獲取的能量來自于不同方面，比如燃氣、燃煤、燃油等，類型豐富。但是電站鍋爐燃料存在一定特殊性，其主要以煤作為燃料，在電廠熱能動力鍋爐內部，通過煤燃燒來釋放熱量，且熱量較多，能夠滿足熱媒水加熱的實際需求，令水達到相應溫度，從而確保壓力滿足相關要求，此時電廠熱能動力鍋爐的運行價值得以充分發揮。另外還有燃油及燃氣鍋爐，就燃油鍋爐來看，其燃料類型豐富，常見的是柴油燃料或重油燃料。就燃氣鍋爐運行情況來看，其以液化石油氣體、天然氣、頁巖氣等作為燃料。當前我國很多火力發電廠建設與發展的過程中，受到經濟因素以及技術因素的影響，在電廠熱能動力鍋爐燃料的選擇上大多以煤炭為主。就煤炭的組成情況來看，其中包含大量的氧碳氫硫等元素，其中碳元素所占比例在50%以上，但不超出70%，其余氧氫硫等元素可滿足燃燒需求，促進燃料，達到充分燃燒的狀態，煤炭全元素如表1所示。

表1 煤炭全元素分析表

在電廠熱能動力鍋爐運行過程中，若保持良好的通風狀態，就是給燃燒持續提供足量的氧氣，改善鍋爐燃料燃燒狀態，有效的促進燃燒。就電廠熱能動力鍋爐內燃料燃燒的實際情況來看，碳釋放為燃燒熱量釋放提供必要條件。

3 燃料燃燒特性分析

由于燃料性質存在一定差異，其燃燒過程的實現也有所不同，對于煤炭等燃料來說，當著火溫度高于自身溫度時即可進入燃燒狀態并趨于穩定。電廠熱能動力鍋爐內燃料燃燒的過程中，尤其是氣體燃料對燃燒方式有著較高的要求。就長焰燃燒來看，其主要是在鍋爐燒嘴內部依靠氣體擴散作用，令其與空氣達到混合狀態，促進燃料燃燒，實際上屬于一種擴散式燃燒方法，鍋爐內火焰相對較長。就短焰燃燒來看，是指燃料初期與部分空氣達到混合狀態，待噴出后，部分氣體燃料燃燒，另外部分氣體與二次空氣混合，以實現繼續燃燒，此種燃燒方式下，鍋爐內所產生的火焰比較短。除此之外，還包括無焰燃燒，是指燃料進進入鍋爐燒嘴之前就與空氣達到完全的混合狀態，二者之間發生反應。此種情況下，煤粉快速發生燃燒反應，因而幾乎看不到火焰的相關現象。固體燃料在鍋爐內燃燒也包括較多實際方法，比如表面燃燒、蒸發燃燒、冒煙燃燒、分解燃燒等，在電廠動力鍋爐運行過程中，不同的燃燒方法具有各自特性，在實際操作中要結合實際情況加以選用。

4 電廠熱能動力鍋爐燃料燃燒過程

就電廠熱能動力鍋爐內部燃料燃燒過程來看，其燃燒作用的形成主要是由碳、氫、硫三種元素所實現的。在電廠熱能動力鍋爐燃料燃燒過程中，煤粉未充分燃燒，除了生成有害氣體，比如一氧化硫等外，同時造成不完全燃燒熱損失，導致電廠熱能動力鍋爐內部資源出現不同程度的浪費。而當電廠熱能動力鍋爐內燃料達到充分燃燒后，能夠有效提高燃料利用率，促進電廠熱能動力鍋爐使用價值的充分發揮。為確保電廠熱能動力鍋爐內部燃料達到完全燃燒，可從三個階段加以控制。

第一階段是預熱階段，就是對燃料進行科學處理，待烘干揮發后，對其進行預熱，以促進燃料燃燒。在這一階段，燃料被充分加熱，溫度逐漸上升，燃料表面和縫隙中的水分就會被蒸發，使燃料表面變得干燥，而隨著溫度的進一步上升，燃料內部的水分也會慢慢消失。總而言之，這一部分燃料并沒有放出熱量，反而吸收了大部分熱量，而燃料中的水分含量越多，熱量吸收也就越多。一般情況下，電廠熱能動力鍋爐內的固體燃料可在300℃條件下實現充分燃燒，進而蒸發，并產生分解作用，一般燃料最佳預熱溫度不可低于300℃，不可超出400℃，如表2所示。因此在預熱階段，可令電廠熱能動力鍋爐內保持高溫條件，令進入鍋爐內的燃料達到預熱效果，促進其自身水分蒸發，在預熱作用下，燃料最終成為焦炭。在電廠熱能動力鍋爐內燃料燃燒的預熱階段，鍋爐爐膛中無需引入氧氣即可實現預熱。在這一過程中要注意的是燃料水分的影響，當燃料水分越大時，排風量也進一步加大，同時也要注意溫度的保持，過高或者過低的溫度都會影響預熱的質量，在鍋爐燃燒中需要結合實際情況來對預熱進行科學的調整。

第二階段是燃燒階段，這一階段燃料繼續被加熱，溫度繼續升高，當達到一定程度時就會開始析出揮發分，進而形成熱分解反應。當溫度繼續上升時，揮發分與氧的化學反應速度會加快，隨后揮發分就會連續著火，在初期燃料表面覆蓋的都是揮發分，阻滯了氧氣與燃料的接觸，燃燒的主體是燃料析出的物質，而隨著揮發分的消耗，燃料最終得以與氧氣進行接觸，實現充分燃燒，物質得以充分發揮，待燃盡后，部分焦炭處于燃燒狀態，此時即進入整個燃燒過程。為確保燃燒充分，這一階段中必須引入氧氣，滿足燃燒需求，在燃燒階段令氧氣與燃料充分接觸，達到強烈燃燒的狀態，此時可充分釋放熱量，電廠熱能動力鍋爐的使用功能也得到充分發揮。為了保證整個燃燒階段的質量，就需要合理控制氧氣的投入以及整個鍋爐的溫度，如果空氣過少則會導致燃料的不完全燃燒，造成損失，而空氣過多則會影響整體的溫度，同樣也會影響整體的燃燒程度，降低了鍋爐的熱效率，同時也要給予充分的燃燒時間，確保其足夠充分的燃燒。

表2 燃料預熱溫度

第三階段是燃盡階段，當燃燒反應的持續進行時，燃料的體積會逐漸變小，而燃料原本沒有參與燃燒的中心也會加入到燃燒反應中來，形成一個循序漸進的過程。隨著燃燒的持續進行，燃料與氧氣的反應最后會漸漸減弱，由于燃料的量已經消耗了許多，所以這一部分的燃燒就接近了尾聲，這是電廠熱能動力鍋爐內部燃料燃燒的最后階段，焦炭中可燃物質充分燃燒，電廠熱能動力鍋爐內部幾乎無所剩余。通過對炭灰進行觀察可以發現，其包裹內部僅存部分可燃性物質成分，在這一過程中燃燒的速度會越來越慢，其熱輻射的效率也會受到影響。與燃燒階段不同，往往這時的鍋爐中已經形成了較大的溫差，越接近燃燒的地方溫度越高，而爐膛出口的溫度則會與燃燒中心的溫度有著較大的差距，這是一個溫度場逐漸減弱的過程。雖然燃燒已經接近了尾聲，但實際上，在燃盡階段也離不開氧氣的支持，以確保炭灰內部包裹的可燃性物質成分得以充分燃燒，滿足生產生活的熱能需求，從而避免資源出現浪費。

5 結語

總之，隨著能源問題日益嚴峻，在可持續發展理念下，要注重提高資源利用率，并在科學技術的支持下，合理開發新能源，并優化鍋爐燃燒技術，促進電廠熱能動力鍋爐內部燃料達到充分燃燒狀態，維護電廠熱能動力鍋爐的安全高效運轉，從而真正實現節能減排，保護環境。