高海拔環境對鏈條燃煤鍋爐燃燒及傳熱的影響

2019-07-05 06:49:32李錦宏

中國特種設備安全 2019年6期

李錦宏

（云南省特種設備安全檢測研究院昆明 650228）

鏈條燃煤鍋爐基本按標準狀態（海拔0m、大氣壓力760mmHg)設計和制造。在高海拔地區使用時，隨著海拔升高，將形成低氣壓、低空氣密度及低含氧量的使用環境，將使鏈條燃煤鍋爐的床層燃燒火焰面變厚、火焰拉長，在同等燃氧當量比時，當絕對壓力與標準大氣壓比為0.7時，空氣補給量則為標準大氣壓力時的1.43倍；空氣補給量增加，會使爐內的氣流速度大幅上升，煙氣通過鍋爐的流速會大幅增加，煤焦在爐內的停留時間減少，飛灰含碳量上升，嚴重影響火和火焰的穩定性，直接影響鍋爐的運行工況，可能發生出力不足、熱效率低下及煙風阻力大等問題。

1 高海拔環境對鏈條燃煤鍋爐燃燒的影響

鏈條燃煤鍋爐運行時，鏈條爐排自前向后緩慢移動，煤塊從爐排前端進入爐膛后，與爐排面相對靜止，隨著爐排逐漸由前向后移動并燃燒，煤塊相互堆疊，床層形成多孔介質形態。由于我國燃煤含灰量高，鏈條燃煤鍋爐使用的煤塊顆粒直徑大，顆粒內部導熱緩慢，表面焦炭燃盡成灰層時，內部碳核尚未燃盡，甚至仍然為原煤，灰層較厚時明顯阻礙了氧氣向碳核的擴散。高海拔低氣壓環境對鏈條燃煤鍋爐燃燒過程的水分析出、揮發份析出與燃燒、焦炭燃燒的物理化學過程將產生影響。

1.1 鏈條燃煤鍋爐燃燒的過程

鏈條燃煤鍋爐的燃燒大致可分為爐膛氣相燃燒和床層燃燒。床層燃燒是煤層在爐排上部與下部風倉供應的一次風發生反應，產生CO、H2等氣體產物并釋放熱量的過程。由于一次風中的O2在床層燃燒不可能完全耗盡，剩余的O2穿過煤層后和床層燃燒產生的氣體燃料在爐膛內進一步發生氣相反應，形成了爐膛氣相燃燒過程。這一過程可以將CO等不完全燃燒產物燃盡，減少不完全燃燒損失，相當于“空氣二次利用”[1]。爐膛氣相燃燒和床層燃燒并非獨立進行的，而是密切聯系的。爐膛氣相燃燒的氣體溫度梯度、速度分布等入口條件均來自于床層燃燒，而床層燃燒時，又會吸收（或發射）爐膛的熱輻射，尤其在燃料引燃期，必須吸收來自于爐膛的熱量才能著火。兩者的配合決定了整個燃燒的優劣。鏈條燃煤鍋爐中煤塊顆粒直徑一般較大，由于內部存在較大的溫度梯度，顆粒實際上是分層燃燒的。開始是最外層的水分析出，內部依然是原煤，當外層已經干燥的殼層開始熱解時，干燥區向煤塊中心逐漸擴展，熱解和焦炭燃燒逐漸向中心移動。因此顆粒燃燒就是一個“層燃”過程。

床層燃燒時將發生復雜的物理化學過程，如焦炭氧化與還原反應，床層空隙中CO、H2等氣體的氧化還原反應等。煤塊由四個組分組成，即水分，揮發份，焦炭和灰分。進入爐膛后，煤塊表層在爐膛熱輻射和對流輻射作用下，經歷干燥并析出水分，之后揮發份析出并燃燒，進一步提高煤塊溫度并引燃焦炭，出現焦炭與O2、焦炭與CO2等氣固異相反應。各氣體組分同時在煤層空隙內發生氣相均相反應。整個燃燒過程伴隨氣相與固相之間的質量、熱量交換。質量變化主要由氣固異相，氣體均相化學反應引起。例如氧氣和焦炭燃燒反應產生的CO和CO2進入氣相。床層內的傳熱主要包括固體與固體，固體與氣體，以及氣體與氣體之間的相互熱傳遞。

1.2 煤塊燃燒的物理化學過程及高海拔環境對燃燒的影響

煤塊燃燒的物理化學過程，首先是水分析出，進而揮發份析出與燃燒，最后為焦炭燃燒與氣化（見圖1）。這三個過程并沒有明確的界限，很可能在某一時間，幾個過程同時進行。但總體上，水分析出最早，然后是揮發份析出燃燒，最后是焦炭燃燒與氣化。

圖1 煤顆粒燃燒的基本過程

●1.2.1水分析出

煤塊在進入爐膛后，受到對流和輻射加熱，水分首先析出。經物理分析，在1800m高海拔環境下，水的沸點為94℃，當溫度小于94℃時，受到傳質控制，當環境溫度不小于94℃時，吸收的熱量后水分直接蒸發，因此水分蒸發速率Rw表述為[3]：

式中：

Tn——煤塊表面溫度，℃；

Dm——表面傳質系數，m/s；

Cw,s——固體表面的水汽密度，kg/m3；

Cw,g——氣相中的水汽密度，kg/m3；

S——比表面積，m2/m3；

Q——顆粒的吸熱量；

Hevp——水的蒸發潛熱。

高海拔地區隨著大氣壓力的降低，當Tn≥94℃時，水的蒸發潛熱下降，由式（1）可知水的蒸發速率增加，即高海拔地區利于水分析出。

●1.2.2 揮發份析出與燃燒

煤塊經過干燥，且溫度上升到一定值后，揮發份開始析出，殘留下焦炭和灰分。揮發份采用一級模型，則析出速率與剩余揮發份含量成正比[3]：

式中：

Yvol——瞬時揮發份質量分數；

煤塊在高海拔、低氣壓環境壓力下爐內燃燒，揮發份析出加快，揮發份在顆粒內部的停留時間縮短[4]，并且揮發份的燃燒幾乎瞬間完成，燃燒過程更加劇烈，因而高海拔低氣壓環境利于燃燒。同時，由于揮發份的快速析出燃燒會增加耗氧量，導致擴散到煤塊表面的氧氣量減少，使得碳核燃燒變慢，這種影響在揮發份快速析出和燃燒的初期較嚴重。

●1.2.3 焦炭燃燒與氣化

煤塊在析出水分、析出揮發份并劇烈燃燒后，所形成的焦炭溫度得到提高，開始燃燒與氣化。焦炭與氧氣反應如下：

同時，伴有氣化、還原反應：

以上3個反應的過程是：反應氣體（O2、H2O、CO2）穿透顆粒表面的氣膜和碳核表面的灰殼，在特定溫度下與內部的碳核發生反應，如圖2所示。因此，反應主要受到溫度，氣膜阻力以及灰層（見圖3）擴散阻力的影響。燃燒速率是由這三者綜合決定的。

圖2 碳核燃燒示意圖

圖3 碳核外層多孔灰層照片

煤塊在燃燒初期以揮發份析出和燃燒為主，而燃燒后期以焦炭燃盡為主，二者連續并存在一定的重疊，揮發份的析出燃燒時間比焦炭的燃盡時間短得多。根據文獻[6]介紹，焦炭燃盡時間可用式（6）、（7）表示：

式中：

τD、τK——分別為焦炭擴散燃燒和動力燃燒的燃盡時間，s；

ρC——焦炭密度，kg/m3；

KD、KK——分別為擴散燃燒和動力燃燒的燃燒常數；

Cf——環境氧氣含量，mol/m3；

D——氣體在灰層中的分子擴散系數，m2/s。

從式（6)和式（7)可看出，τD、τK都與Cf成反比，即焦炭燃盡時間與環境氧含量成反比關系。高海拔環境，例如云南省平均海拔約1900m，大氣壓力約為80.5kPa，空氣中氧分壓約為17%，氧含量比標準大氣壓力低，如果不考慮煤質和其他因素的影響，焦炭的燃盡時間會更長，甚至不容易燃盡。因此，高海拔環境下燃煤鍋爐的燃燒速度將變慢，導致鍋爐出力不足。

2 高海拔環境對鏈條燃煤鍋爐傳熱影響

傳熱的三種方式為對流、導熱和輻射，而鏈條燃煤鍋爐爐內傳熱主要以爐膛熱輻射和對流傳熱為主，高海拔環境將影響鏈條燃煤鍋爐爐膛熱輻射和對流輻射傳熱。

2.1 對爐膛輻射傳熱的影響

高海拔低氣壓環境會影響爐膛火焰黑度，從而影響爐膛輻射傳熱。由傳熱學可知，火焰被看作灰體，則有：

式中：

k——火焰輻射減弱系數，即火焰中各介質成分的輻射減弱系數代數和，1/（m.MPa）；

p——爐膛壓力，MPa；

S——有效輻射層厚度，m。

由于煤為固體燃料，因此還需要考慮煙氣中三原子氣體、灰粒子和焦炭粒子的減弱系數。從式（8）可以看出，火焰黑度與爐膛壓力成正比，大氣壓力下降，則火焰黑度下降，從而爐膛黑度也會下降，導致爐膛出口溫度升高，若忽略大氣壓力對對流受熱面的影響則排煙溫度將升高，排煙熱損失增加，熱效率下降。因此，理論上講按標準大氣壓力設計和制造的鍋爐，若在高海拔地區運行，很難達到在標準大氣壓環境運行的效果，出力不夠，熱效率下降。