200mw机组锅炉燃烧技术攻关成果报告第二部分正式版Word文档格式.docx
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(燃料)(氧化剂)(燃烧产物)
根据阿累尼乌斯定律,在实际燃烧过程中,由于燃料与氧化物(空气)是按一定比例连续供给的,当混合十分均匀时,可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的.这时,化学反应速度与燃料性质及温度的关系为:
k=k0e(-E/RT)
式中,k0—相当于单位浓度中,反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数;
E—反应活化能;
R—通用气体常数;
T—反应温度:
k—反应速度常数(浓度不变)。
从上式可以看出,煤粉的燃烧速度与反应温度成正比关系,温度对化学反应的影响十分显著。
随着反应温度的升高,分子运动的平均动能增加,活化分子的数目大大增加,有效碰撞频率和次数增多,因而反应速度加快,释放出热量的速度也就快,在动力燃烧区更明显。
一般在燃烧器区域炉膛四角的温度只有800-1200℃,该区域处于动力燃烧阶段,提高该区域内火焰温度对稳定煤粉气流着火有利。
根据锅炉的实际运行数据分析,在保证煤粉细度合格时,不同区域、燃用不同煤种时火焰温度变化范围如下表:
耒阳小窑煤
耒阳大矿煤
北方煤
混合煤
挥发份Vdaf
变化范围
5-7%
6-9%
9-12%
6-8%
10m层两侧墙看火孔
温度范围
950-1000℃
1000-1150℃
1100-1250℃
1020-1150℃
波动幅度
150-200℃
100-150℃
<100℃
120-160℃
20m层炉墙中间看火孔
1580-1650℃
1600-1700℃
>1650℃
<30℃
<20℃
<15℃
前后墙一次风口看火孔
680-860℃
750-1000℃
900-1150℃
780-1050℃
200-300℃
200-250℃
180-240℃
从炉膛温度的变化情况分析,20m层炉墙中间看火孔的火焰温度为炉膛最高温度区域,波动幅度很小;
各一次风口看火孔的火焰温度波动幅度最大,一般为煤粉的着火区域,火焰温度波动幅度反应各火嘴的煤粉气流着火是否稳定。
10m层两侧墙看火孔的火焰温度波动幅度也较大,反应了炉膛各个角下部火嘴煤粉气流的着火情况,波动越大,炉膛下部燃烧稳定性差,20层炉墙中间看火孔的火焰温度也增大。
一般情况下到运行层看火较方便,因此,运行人员习惯于观测10m层两侧墙看火孔的火焰温度判别锅炉燃烧是否稳定。
3炉膛负压与燃烧稳定性的关系
在平衡通风锅炉中,正常运行时,要求炉膛处于微负压运行状态,一般要求控制在-20~-50Pa范围内,保持送风量与引风量相平衡,维持炉膛负压稳定。
正常的炉膛负压值是依靠调节送风机和引风机的挡板开度实现的,但主要是靠调节引风机的挡板开度来控制的。
影响炉膛负压主要以下两个方面因素:
一方面,引送风不平衡,炉膛可能会冒正压或拉大负压。
当引风量偏小而送风量过大时,炉内可能出现正压状态。
此时,烟气或火焰向外泄漏,不仅污染工作环境,而且对设备及人身构成危险;
当引风量偏大而送风量过小时,炉膛负压增大。
此时,炉内气流明显向上翘,火焰中心上移,炉膛出口烟温升高,引起汽温升高或过热器结渣。
气流上翘,火焰行程缩短,导致不完全燃烧。
严重时,将火焰拉灭。
另一方面,燃烧工况变化,如煤粉量发生变化及局部燃烧减弱,会造成煤粉燃烧反应产生的烟气量发生变化,破坏原来的平衡状态,导致炉膛负压变化。
炉膛负压波动时,也可能是波变化造成的。
此时表明燃烧处于不稳定状态。
燃烧脉动时,炉膛压力也随着脉动,炉膛出口负压也跟着变化。
所以,炉膛负压是燃烧调整和锅炉保护的重要参数。
炉内稳定燃烧,火焰传播速度比较缓慢,约为1~3m/s,燃烧室内压力脉动幅度很小。
正常运行中,即使引送风量不发生变化,由于燃烧工况总是有小量变化,故炉内压力总是处于脉动状态,由于炉膛压力的脉动,燃烧区域的炉墙总是有小量摆动。
炉膛压力脉动幅度小,炉墙摆动量就小。
一般燃烧区域炉墙中间摆动幅度为20-30mm。
当炉膛负压波动幅度增大时,表明炉内燃烧工况不稳定,往往是锅炉灭火的前兆,此时必须加强运行监视与燃烧调整,必要时立即投助助燃,避免锅炉灭火。
炉膛负压急剧升高时,一般都是因为炉膛内可燃气体发生爆燃。
其原因是数量过多的燃料和空气在炉膛内未能及时着火燃烧,而以极高的速度进行化学反应,当具有足够的着火热源时,在瞬间形成可燃性气体,气体容积急剧增加,炉内压力和温度急剧升高。
当出现爆炸性燃烧时,火焰传播速度极快,达1000-3000m/s,温度极高,达6000℃;
压力极大,达2.027MPa。
爆燃是由于可燃物以极高的速度反应,以至于反应放热来不及散失,因而使温度迅速升高,压力急剧增大。
而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得多,高温烟气膨胀产生的压力波,使未燃混合物绝热压缩,火焰传播速度迅速提高,以致产生爆炸性燃烧。
需要注意的是,在锅炉点火阶段或燃烧不稳定时,如果炉内积聚了大量的未燃燃料,此时点火这很有可能造成煤粉爆燃。
在实际运行中,炉膛负压波动幅度随燃用煤种的不同而不同,煤质较好,如燃用北方煤(河南、山西煤)时,炉膛负压波动幅度较小,可控制在-20~-40Pa范围内。
同时,由于#1、#2锅炉炉膛出口负压测量系统有差异,两台炉在燃用相同煤质时,炉膛负压波动幅度不同。
正常稳定运行时,#1炉负压波动幅度一般小于50Pa,#2炉负压波动幅度一般小于80Pa。
4火检强度与燃烧稳定性的关系
4.1火检装置工作原理
4.1.1火检装置的组成
智能型火焰检测装置由可见光放大器、火检探头、火检电源及标准5U工业机箱构成。
放大器响应由初始燃烧区火焰产生的可见光辐射转变成为0-400mV的电信号,接入DCS系统后又转变为0-20mA的电信号,反映火焰的燃烧状况。
火检探头由石英透镜、光导纤维、光电传感器、放大器、电压—电流转换器等构成。
传感器及放大电路部分密封在探头内。
传感器采用工作波长为380~760nm的可见光传感器。
对于燃煤火焰和燃油火焰的辐射,这种传感器能够更有效地响应其波动特性,并根据初始燃烧区的火焰亮度和闪动,可靠地判定火焰的真实存在。
4.1.2火检装置工作原理
火焰检测装置是依据火焰信号的特性来检测火焰的。
首先将火焰信号分成2路信号:
强度信号和频率信号。
强度信号代表火焰的亮度,频率信号代表火焰的闪动。
对强度信号的处理比较简单,只需将实时火焰强度与强度阈值进行比较,当火焰强度高于强度阈值时,判定火焰强度条件成立。
频率的处理实际上是对火焰信号波动部分的处理。
频率信号包含信号的频谱、带宽、峰—峰值等参数,要对这部分信号进行滤波、交换,从中提取火焰的燃烧特征。
由于火焰的频率信号大约为1~200Hz,而炉膛内炽热的焦渣及灰粉发光的频率不超过2Hz,所以通过频率信号的频谱分析完全可以确定火焰的存在。
对火焰频率信号不只是要进行简单的分析,还要对火焰的波形进行数字滤波、傅立叶变换,提供火焰波形中最具火焰特征的信号。
这些参数处理最终得到的综合标量仍称为频率,作为判定火焰“有”、“无”的依据。
对于来自不同燃烧器火焰的识别是火焰检测的难点。
由于相邻燃烧器火焰的频率和主火焰有时非常接近,要对频率信号进行频谱分析,从而提高识别能力。
火焰检测器除提供增益调整方式外,还具有频段选择功能。
共有8个频段,可以选择不同频率以适应火焰识别的需要。
频段选择与增益设定值配合,可获得最终的识别效果。
频段选择还具有一个自动频段,由信号处理器根据频率信号的不同自动调整频段。
当频率和强度均高于设定的阈值时,判定为“有火”;
反之,判定为“无火”。
这在多数情况下是十分可靠的。
但也有时由于火焰燃烧过程中偶尔出现扰动或“黑龙”的影响,火焰的强度或频率会短时间低于阈值,这时如果发出“无火”信号,就将增加灭火保护系统误动的可能性。
为了避免误发灭火信号,提高火焰检测器的可靠性,一般的火焰检测器都增加1~5s的延时。
但延时长短很难确定,因为延时短了难免误动,延时太长又会降低保护动作的灵敏性,甚至引起拒动。
智能型火焰检测装置专门设计了一种反时限特性的延时电路,使无火延时的长短取决于灭火前的强度和频率的变化速率。
当火焰的强度、频率值以高速率降至阈值以下时,延时应长一些。
因为这时炉内有足够的能量支持燃烧,不会达到真正灭火的状态。
当火焰的强度、频率缓慢地降至阈值时,说明火焰的支持能量较小,延时时间就要短一些,以防止拒动。
“无火”—“有火”延时与强度、频率的上升速率成反比;
“有火”—“无火”延时与强度、频率的下降速率成反比。
从而提高了火焰检测的可靠性和准确性。
4.2燃烧状况与火检强度的关系
火焰检测装置不但能检测火焰的燃烧和熄灭,还能检测火焰的稳定性,“全炉膛无火”及“失去全部燃料”个重要的跳炉(MFT)信号都是由火检装置检测及判断得出的,火检均无火信号也是进行炉膛吹扫的必备条件之一。
油燃烧器的火焰、煤粉燃烧器的火焰和具有较强发光率的火焰,一般都能发射出几乎连续的发光光谱,其放射源多为燃烧过程中产生的高温碳微粒子群(碳墨)及粉煤粒子群(烧成碳)等,其光谱主要分布于可见光和红外区。
燃料在炉膛内燃烧产生的火焰,以各种形式向四周辐射,而最便于检测的是火焰的光辐射(包括紫外、红外),因此利用光学原理检测火焰是如今大部分火焰检测器所采用的方法。
煤粉火焰的燃烧信号是一种不规则的脉动信号,是由火焰在燃烧过程中,微粒的集结、运动、发光、燃尽的结果所致。
在煤粉燃烧的着火区风粉混合物开始燃烧,大量地辐射光和热,形成闪烁,这时火焰的亮度不是最大,但闪烁的频率达最大;
在燃烧区火焰释放的光和热达到最高;
在燃尽区燃料燃烧完毕,形成灰粉,炽热的灰粉仍能发光,但其亮度和闪烁频率都很低。
4.3我厂火检探头的布置位置及火检特性
我厂#1、#2炉火检布置位不同,两台炉的#1-#4火检均布置在下层油配风口中,检测第一层火嘴及下部的火焰情况,该处火焰的亮度较低,反应的火检强度不高;
#1炉的#5-#16火检布置分别在前后墙第二层、第四层、最上层三次风口靠角部的看火孔处,也是检测煤粉的着火区。
角部结焦时,煤粉喷射到焦块上产生回流影响火检强度,严重时显示无火;
#2炉的#1-#8火检均布置油配风口中,而#9-#16布置在前后墙中间看火孔处,检测炉膛火焰中心的燃烧情况,该处属于燃烧区,火焰亮度高。
我厂#1、#2炉火检装置未检测频率信号,只检测火检亮度信号,因而对于布置在角部的火检,此处属于煤粉的着火区,火焰闪烁频率变化大,而火焰亮度较低,因而其探头检测显示出的火检强度较低,那么其检测的可靠性和准确性就不高。
目前两台炉下部#1-#8火检强度均较低,#2炉尤为明显。
燃烧状况较好,下部火检强度可达到40-50%,燃烧状况较差时,下部火检强度只有20-40%。
当某一火检强度低于10%时,则判断为“无火”,与锅炉燃烧的实际运行情况相符,经试验验证,当某一角部的火焰温度低于680-750℃以下时,此时的火焰呈暗红色,火焰亮度很低,表明煤粉着火推迟。
此时该火检强度低于10%,显示“无火”。
正常运行时,锅炉燃烧不同的煤种,火检显示的强度不同,煤质较好,挥发份高,煤粉着火稳定,着火与燃烧的速度快,火检显示的强度高,且波动幅度小。
稳定的燃烧时,火检强度及波动幅度如下表:
炉号
#1炉
#2炉
火检编号
#1-#4
#5-#8
#9-#16
火检强度
>
25%
35%
55%
30%
60%
<
15%
20%
12%
5燃烧失稳分析及判别指标
自2002年以来,通过对炉膛负压、火焰温度、火检强度参数的研究,结合锅炉各次灭火前的运行数据分析、验证,锅炉燃烧稳定性判别指标如下:
当#1炉炉膛负压变化幅度>60Pa,#2炉>80Pa,此时炉内燃烧处于不稳定状态。
当一、二层有两个以上火检同时显示无火时,或4个以上的火检强度低于30%,且变化幅度达15%以上时,此时炉内燃烧处于不稳定状态。
10米层各看火孔火焰温度均低于900℃,波动幅度达150℃以上时,此时炉内燃烧处理不稳定状态。
炉内燃烧处于不稳定状态时,此时如果炉内燃烧工况受到较大扰动,极易导致锅炉灭火。
为防止锅炉灭火,在上述三种情况下应立即投入4支油枪助燃。
6结语
通过近两年来对一期两台670t/h锅炉炉膛运行参数的分析、研究,找到了炉膛负压、炉膛各部火焰温度及火检强度与煤粉燃烧稳定性的规律,提出并量化了锅炉运行时炉膛负压、火焰温度、火检强度的临界控制标准,为保证锅炉稳定运行提供了技术支持。
在今后的工作中,我们还必须对这些参数作进一步研究,细化在不同运行方式、不同煤种下的临界控制标准,同时将这一技术研究成果应用到我厂#3、#4机组上,为两台W型锅炉的稳定运行提供新的思路。
附件5
无烟煤锅炉煤粉颗粒特性的研究
发电部 陈策如
摘 要:
介绍了无烟煤燃烧特性,着重分析了煤粉均匀性对燃烧的影响,分别阐述了控制煤粉细度下燃烧对比情况和粗粉分离器设备改造的效果。
最后指出要稳定无烟煤燃烧的基本要求,煤粉细度必须严格控制。
煤粉细度;
制粉系统;
着火;
燃烧
1 煤质特性
我厂设计煤种为耒阳本地无烟煤,特性如下:
工业分析:
Mt=8.11%,Mad=2.20%,Aar=24.89%,Vdaf=6.19%,Qnet.ar=21248KJ/kg。
元素分析:
Car=62.29%,Har=1.08,Oar=2.83%,Nar=0.42%,Sar=0.38%。
表1:
各种煤粉的着火温度
煤的种类
着火温度
褐煤(Vdaf=50%)
550℃
烟煤(Vdaf=20%)
840℃
烟煤(Vdaf=40%)
650℃
贫煤(Vdaf=140%)
900℃
烟煤(Vdaf=30%)
750℃
无烟煤(Vdaf=4%)
1000℃
表2:
耒阳煤粉着火燃烧特性
单位
河南无烟煤
所占比例
%
30
48
22
Qdwy
MJ/KJ
17~23
16~22
22~26
Vr
4.5~7.5
3.0~6.5
9~13
Ay
25~35
30~40
20~30
着火温度
℃
~825
~883
~749
反应指数
472
494
282
燃烬指数
21.6713
26.066
5.1388
燃烬率
85.06
83.69
97.11
根据上述数据可知,我厂燃用的煤种具有难着火,难燃尽和结渣较轻微的特性。
2 煤粉燃烧过程
煤粉在炉膛内的燃烧过程大致分为以下三个阶段:
2.1 着火前的准备阶段
煤粉进入炉膛至达到着火温度这一阶段为着火前准备阶段。
在此阶段内,煤粉中的水份要蒸发,挥发分要析出,煤粉与空气混合物要达到着火温度,此阶段为吸热阶段。
2.2 燃烧阶段
当煤粉温度升至着火温度而煤粉浓度又合适时,开始着火燃烧,进入燃烧阶段。
煤中的挥发分首先着火燃烧,放出热量,并加热焦炭粒子,使其达到较高温度而开始燃烧。
燃烧阶段是强烈的放热阶段,温度升高较快,化学反应强烈,这时焦炭粒子表面往往会出现缺氧状态。
2.3 燃烬阶段
主要是将燃烧阶段未燃烬的碳烧完。
燃烬阶段剩余的碳虽然不多,但要完全燃尽却很困难,主要存在许多不利于燃烧的因素:
少量的固定碳被灰包围,氧气浓度已较低,气流的扰动减弱,炉内温度再逐步降低。
燃料性质对于着火影响最大的是挥发分,随着挥发分含量的减少,煤粉着火温度显著增加,着火温度升高,着火热就增大。
所以挥发分低的煤种着火就困难些,达到着火所需的时间就多一些,着火距离也长一些。
但煤粉气流的着火温度随着煤粉细度的变细而降低。
这是因为煤粉粒子尺寸的减少可以增加燃烧反应的相对表面积,减少煤粉本身的导热阻力,这样就可以更快地进行反应和吸收外界热量而达到着火,一般来说总是细的煤粉先着火燃烧。
3 煤粉颗粒特性分析
3.1煤粉颗粒特性对燃烧的影响
煤粉颗粒的燃烧过程是由一系列阶段组成,其中包括干燥析出水份、热解释放挥发份并形成焦炭、挥发分燃烧和焦炭燃烧形成燃烧产物和焦渣。
焦炭的燃烧时间最长,焦炭中的碳又是无烟煤中可燃质的主要部分。
无烟煤中可燃基含碳量达93%~95%。
同时焦炭燃烧是析出热量的主要来源,它决定其它阶段的强烈程度。
因此煤粉颗粒的燃烧在很大程度上取决于碳的燃烧。
从煤粉的着火、燃烧特性来分析,煤质好,其挥发份高、灰份与水份低,煤粉的着火温度越低,火焰传播速度快,着火稳定性好,燃尽率高。
煤粉颗粒对燃烧影响较大。
细煤粉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。
煤粉的燃烧反应主要是在颗粒表面上进行的,煤粉颗粒越细,单位质量的煤粉表面积越大,火焰传播速度越快,燃烧放热速度越快,煤粉颗粒就越容易被加热,因而也越容易稳定燃烧。
试验研究发现,煤粉燃尽时间与颗粒直径的平方成正比,当锅炉燃用煤质一定时,提高煤粉细度能显著提高煤粉气流着火的稳定性。
不过煤粉颗粒细度受磨煤出力与磨煤电耗的限制,不可能任意提高。
同时,煤粉越粗,煤粉燃尽所需时间越长,造成碳粒不完全燃烧的可能性越大,也就是不完全燃烧热损失越大,另外,煤粉越粗,为了减少不完全燃烧损失,需增加风量,这样,相对增加了排烟热损失。
煤粉着火以后,也就是煤粉颗粒的强烈燃烧和焦炭粒子的燃尽阶段,对于细的煤粉粒子,燃烧主要在动力区和过渡区内进行,而焦炭粒子的燃尽是在温度、氧浓度和气流紊流扰动都下降的情况下进行,由于焦炭粒子的燃尽占据了燃烧总时间的大部分,特别是大颗粒的煤粉。
所以煤粉颗粒的大小就直接决定了锅炉的燃烧效率。
3.2煤粉细度与燃烧稳定性的关系
对于不同的煤种,由于其燃烧特性不同,为了保证锅炉燃烧效率,设计要求的煤粉细度不同。
其经济煤粉细度,要通过运行试验确定。
劣质无烟煤的燃烧,提高煤粉颗粒细度有利于煤粉气流的着火与燃烧。
近两年来我们对我厂锅炉燃用不同煤种的分析、研究,重点分析、研究了煤的挥发份、煤粉细度与燃烧稳定性的对应关系,得出的结论如下:
挥发份Vdaf(%)
煤粉细度(%)
开始着火距离(m)
着火稳定性
飞灰可燃物(%)
5%
0.4-0.5
较好
14%
0.5-0.7
一般
14-16%
7%
0.8
差
16%
5.5-7%
0.3-0.4
很好
12-15%
8%
6%
10-14%
10%
从实际运行情况来看,在我厂粗粉分离器未改造之前,由于原设计的径向分离器煤粉细度调节性能差,运行中难以保证煤粉细度稳定,锅炉燃烧的稳定性也差,灭火次数多,飞灰可燃物含量高。
2001年、2002年分别#1、#2炉将8台制粉系统粗粉分离器改HW-CB-I4900轴向式粗粉分离器后,煤粉细度调节性能好且保持运行稳定。
当挡板开度小于35度时,煤粉细度小于8%,当挡板开度大于35%时,煤粉细度急剧增大。
在改造后的实际应用当中,通过对各台分离器的跟踪试验及调试,到目前为止,挡板开度在18-25度,煤粉细度5-6%,粗粉分离效果能保证制粉出力的同时又能满足合格的煤粉细度。
表3:
煤粉细度与运行指标情况
项目
2003年
2004年
#1炉
#2炉
全年平均煤粉细度
(%)
6.55
6.75
5.92
5.75
灭火次数
(次)
4
21
1
3
年平均飞灰可燃物
14.59
13.58
11.77
6.22
通过试验分析、根据我厂来煤煤源及其燃烧特性,煤粉细度控制标准见下表:
煤粉细度
5-7
4-5
6-8
4结束语
通过近年来的分析、研究,锅炉燃用劣质无烟时,煤粉细度控制越低,锅炉燃烧稳定性越好。
当然,细度的控制主要受磨煤出力的限制,特别在煤粉湿度较大时。
从我厂锅炉的运行情况来看,根据无烟煤的燃烧特性,控制好煤粉细度是控
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