過量空氣系數對鍋爐的重要性

(雞西礦業有限責任公司節能環保部，黑龍江 雞西 158100)

0 引 言

GWPB3-1999《鍋爐大氣污染物排放標準》和GB5468-9鍋爐煙塵測試方法》均提出了過量空氣系數的換算值及其計算方法。過量空氣系數與鍋爐煙塵排放濃度有什么關系?為什么進行鍋爐煙塵排放濃度測試要計算過量空氣系數呢?

1 理論空氣量的計算

過量空氣系數(亦稱過剩空氣系數)用符號“α”表示,是實際空氣量和理論空氣量的比值。燃料的燃燒過程,實際上就是燃料中可燃元素與空氣中氧氣發生強烈反應的過程。每千克燃料完全燃燒所需要的空氣量(即按理論計算的空氣量)稱為理論空氣量。這時,空氣中的氧全部和燃料中的可燃元素化合。理論空氣量可按下列公式計算：

V0=0.0889(CY+0.375SY)+0.265HY-0.0333OY

式中，V0為理論空氣量；CY為燃料應用基含碳量；SY為燃料應用基含硫量；HY為燃料應用基含氫量；0Y為燃料應用基含氧量。

在缺乏燃料元素分析資料的情況下按下列經驗公式來計算理論空氣量：

對于可燃基揮發份>15%的煙煤：

V0=1.05×QYDW/1000+0.278

式中，QY DW為應用基低位發熱量。

對于可燃基揮發份<15%的貧煤、無煙煤:

V0=(QYDW+600)/990

對于劣質煤QY DW=12560kJ/kg),V0=(QY DW +450)/990

對于重油V0=0.850 QY DW /1000+2.0

但是,鍋爐在實際運行中,由于燃燒設備不夠完善,燃料和空氣在爐膛中不可能接觸和混合到理想的程度,如只按理論空氣量供給空氣,就不能使燃料完全燃燒。因此,為了保證燃料的完全燃料,必須要比理論空氣量多供一些空氣(即過量空氣量)。理論空氣量加上過量空氣量就是燃燒所需的實際空氣量。

2 煙塵排放濃度的計算

過量空氣系數是鍋爐運行質量的重要特征之一,其值的大小說明了燃燒設備和鍋爐運行的完善程度、過量空氣系數的大小與燃燒設備的型式和結構、燃料的種類和性質、鍋爐負荷的大小以及配風工況等有關。過量空氣系數太小,燃燒不完全,化學不完全燃燒熱損失和機械不完全燃燒熱損失增加。過量空氣系數太大,則不參與燃燒反應的冷空氣大量送人爐膛,使爐膛溫度下降,影響燃燒。并且這部分過量的空氣還要增溫吸熱,隨煙氣排走大量熱量,同時也增加了引風機的排煙量,而增大耗電量。鍋爐熱效率最高時的過量空氣系數為最佳過量空氣系數。因此,合理的過量空氣系數應該是保證燃料完全燃燒而又使各項熱損失達到最小的最低值[1]。

由于每臺鍋爐運行中的過量空氣系數差異很大,故GWPB3-1999《鍋爐大氣污染物排放標準》所制訂的煙塵排放濃度標準,將燃煤鍋爐的煙塵、二氧化硫排放濃度的過量空氣系數統一選值為α=1.8。

煙塵排放濃度按下列公式換算：

C=C′×α′/α

式中，C為換算規定過量空氣系數的煙塵排放濃度；C′為實測煙塵排放濃度；α′為在排放濃度測點的過量空氣系數；α為標準中規定的過量空氣系數。

3 過量空氣系數與鍋爐熱損失的研究

從鍋爐的熱損失來分析，鍋爐的排煙損失(q2)、煙氣中剩余可燃氣體(CO/H2/CH4)所引起的化學不完全燃燒熱損失(q3)及未燃盡碳粒所引起的機械不完全燃燒熱損失(q4)是隨著過量空氣系數值的變化而變化的。爐膛出口過量空氣系數q2、q3、q4有直接影響，如圖1所示。當過量空氣系數增加時，空氣的數量就會增多，那么燃料就會有更多的機會遇到空氣，使化學不完全燃燒熱損失(q3)及未燃盡碳粒所引起的機械不完全燃燒熱損失(q4)減小，但同時排煙熱損失(q2)升高。

在熱平衡實驗時，存在于關于q2的經驗公式，由此可知排煙熱損失q2:

對于運行中的鍋爐，通過對灰渣和飛灰重量及各可燃物的重量百分比，通常灰渣和飛灰中的可燃物被認定為固定碳，取其發熱量為33 727 kl/kg，根據經驗公式，總的固體完全燃燒熱損失q4公式如下：

根據實驗得到的爐膛出口飛灰含碳量Cfh與過量空氣系數α的數據，可做出Cfh與α的關系圖，如圖1所示。利用仿真軟件得到函數的關系為：

Cfh=16.7143α2-46.2271α+36.3229

圖1 Cfh與阿爾法的關系曲線圖

由圖可知，q4隨過量空氣系數α先減少，等減少到最低值時開始增加。

圖2 過量空氣系數與熱損失的關系

3 鍋爐效率與過量空氣系數的關系

3.1 散熱損失

爐體表面的散熱損失大小主要是由爐壁相對面積及外壁溫度決定，一般來說，鍋爐的散熱損失較小，根據鍋爐供熱量，可知散熱損失q5=1.7%。

3.2 灰渣物理熱損失

灰渣物理熱損失是由于鍋爐中排出的灰渣溫度一般在600～800 ℃以上而造成的熱損失。

通過查表和實際調查參數再結合上述公式可知，q6=0.235%。

3.3 氣體不完全燃燒熱損失計算

氣體不完全燃燒損失是由于部分一氧化碳、氫、甲烷等可燃氣體未完全燃燒就隨煙氣排出所造成的損失。氣體不完全燃燒損失的大小與爐子結構、燃燒特性、燃燒過程的組織及運行操作水平等因素有關。實際中煙氣中含氫氣、甲烷等氣體體積很小，所以可認為不完全燃燒時煙氣中的可燃氣體只有一氧化碳，則煙氣中各組成氣體間的關系為：

21=RO2+O2+0.505CO+β(RO2+CO)

β表示燃料的特性系數，只與燃料的可燃成分有關，其計算公式為：

通過上述兩個公式可得煙氣中CO體積百分比含量的計算式：

3.4 鍋爐熱效率計算

利用反平衡法，建立鍋爐效率反平衡模型，得到鍋爐效率與過量空氣系數的函數關系：

ηgl=f(α)=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

以300 MW機組負荷為例，結合鍋爐運行主要參數可得：

ηgl=f(α)=-22.5807α2+58.562α+48.111749

其關系圖如圖3所示。

由圖3可知，當過量空氣系數為1.3左右時，鍋爐的效率達到最大，此時過量空氣系數為最優值。

4 結束語

通過對過量空氣系數的理論計算和軟件的方針檢驗，使得理論計算出的結果具有一定的合理性。最佳空氣系數不僅對鍋爐的效率有著重大影響，還對節能降耗、減少排放污染有著決定性的意義。文中對最佳過量空氣系數的計算方法，可在生產時知道調節鍋爐運行所需的氧氣量、空氣量，進而降低過量空氣系數對鍋爐燃燒效率的負面影響。