高海拔環(huán)境對鏈條燃煤鍋爐燃燒及傳熱的影響

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(tài)（海拔0m、大氣壓力760mmHg)設計和制造。在高海拔地區(qū)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(huán)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(nèi)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(nèi)的停留時間減少，飛灰含碳量上升，嚴重影響火和火焰的穩(wěn)定性，直接影響鍋爐的運行工況，可能發(fā)生出力不足、熱效率低下及煙風阻力大等問題。

1 高海拔環(huán)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(zhì)形態(tài)。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(nèi)部導熱緩慢，表面焦炭燃盡成灰層時，內(nèi)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(huán)境對鏈條燃煤鍋爐燃燒過程的水分析出、揮發(fā)份析出與燃燒、焦炭燃燒的物理化學過程將產(chǎn)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(fā)生反應，產(chǎn)生CO、H2等氣體產(chǎn)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(chǎn)生的氣體燃料在爐膛內(nèi)進一步發(fā)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(chǎn)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(lián)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(fā)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(yōu)劣。鏈條燃煤鍋爐中煤塊顆粒直徑一般較大，由于內(nèi)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(nèi)部依然是原煤，當外層已經(jīng)干燥的殼層開始熱解時，干燥區(qū)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(fā)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(fā)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(jīng)歷干燥并析出水分，之后揮發(fā)份析出并燃燒，進一步提高煤塊溫度并引燃焦炭，出現(xiàn)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(nèi)發(fā)生氣相均相反應。整個燃燒過程伴隨氣相與固相之間的質(zhì)量、熱量交換。質(zhì)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(chǎn)生的CO和CO2進入氣相。床層內(nèi)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(huán)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(fā)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(fā)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(jīng)物理分析，在1800m高海拔環(huán)境下，水的沸點為94℃，當溫度小于94℃時，受到傳質(zhì)控制，當環(huán)境溫度不小于94℃時，吸收的熱量后水分直接蒸發(fā)，因此水分蒸發(fā)速率Rw表述為[3]：

式中：

Tn——煤塊表面溫度，℃；

Dm——表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，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(fā)潛熱。

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

●1.2.2 揮發(fā)份析出與燃燒

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

式中：

Yvol——瞬時揮發(fā)份質(zhì)量分數(shù)；

煤塊在高海拔、低氣壓環(huán)境壓力下爐內(nèi)燃燒，揮發(fā)份析出加快，揮發(fā)份在顆粒內(nèi)部的停留時間縮短[4]，并且揮發(fā)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(huán)境利于燃燒。同時，由于揮發(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)部的碳核發(fā)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(fā)份析出和燃燒為主，而燃燒后期以焦炭燃盡為主，二者連續(xù)并存在一定的重疊，揮發(fā)份的析出燃燒時間比焦炭的燃盡時間短得多。根據(jù)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(shù)；

Cf——環(huán)境氧氣含量，mol/m3；

D——氣體在灰層中的分子擴散系數(shù)，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(huán)境氧含量成反比關系。高海拔環(huán)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(zhì)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(huán)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(huán)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(nèi)傳熱主要以爐膛熱輻射和對流傳熱為主，高海拔環(huán)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(huán)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(shù)，即火焰中各介質(zhì)成分的輻射減弱系數(shù)代數(shù)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(shù)。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(qū)運行，很難達到在標準大氣壓環(huán)境運行的效果，出力不夠，熱效率下降。

2.2 對爐膛對流傳熱的影響

根據(jù)傳熱學原理， 表征對流換熱強烈程度的努塞爾數(shù)為：

式中：

Pr——普朗特準則數(shù)；

Re——雷諾準則數(shù)。

高海拔低氣壓環(huán)境對爐膛對流傳熱的影響可以從普朗特準則數(shù)和雷諾準則數(shù)兩個方面來分析。

●2.2.1 大氣壓力對普朗特準則數(shù)的影響

普朗特準則數(shù)的表達式為：

溫度一定時，比定壓熱容Cp隨壓力變化極小[7]，可以認為Cp與壓力無關；而動力黏度μ和氣體導熱系數(shù)λ不隨壓力變化，由式（10）可知：當溫度一定時，可以認為普朗特準則數(shù)與壓力無關。

●2.2.2 大氣壓力對雷諾準則數(shù)的影響

根據(jù)文獻[8]，對于鍋爐煙氣，雷諾準則數(shù)表達式為：

對于空氣來說，雷諾準則數(shù)表達式為：

式（11）和式（12）中：

Rep和Re0——分別是p壓力、標準大氣壓力下煙氣的雷諾準則數(shù)；

Bj，p和Bj，0——分別是p壓力、標準大氣壓力下的計算燃料消耗量，kg/s；

?p和?0——分別是p壓力、標準大氣壓力下鍋爐煙氣的平均溫度，℃。

高海拔地區(qū)，大氣壓力隨著海拔升高而降低，計算燃料消耗量會有所增加，由式（11）和式（12）可知，Rep隨之增加，Nu因而變大，即大氣壓力降低后，對流放熱系數(shù)會有所增加。

3 結束語

1)煤塊在高海拔、低氣壓環(huán)境壓力下爐內(nèi)燃燒，揮發(fā)份析出加快，揮發(fā)份在顆粒內(nèi)部的停留時間縮短。在燃燒的初期，揮發(fā)份的快速析出和劇烈燃燒消耗大量氧氣，導致擴散到碳核的氧氣量減少，使得后期燃燒變慢。

2)焦炭燃盡時間與燃燒環(huán)境含氧量成反比關系。高海拔環(huán)境下含氧量降低，如果不考慮煤質(zhì)等因素的影響，焦炭的燃盡時間會更長，甚至不容易燃盡。

3）火焰黑度αhy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。

4）當溫度一定時，普朗特準則數(shù)與大氣壓力無關。

5）高海拔地區(qū)隨著大氣壓力降低，計算燃料消耗量會有所增加表征對流換熱強烈程度的努塞爾數(shù)Nu變大，對流放熱系數(shù)會有所增加。