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1、四角切圆煤粉锅炉燃烧器设计方法四角切圆煤粉锅炉燃烧器设计方法一、前言燃烧器是锅炉机组的重要组成部分，是合理组织燃烧、提高燃料利用率所必须的装置。燃烧器性能设计的优劣直接关系到电厂运行的安全性和经济性。因在锅炉燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）对人体健康有害，严重污染环境，故燃烧设备的设计应同时考虑如何减少NOx的排放，满足业主及国家环保标准的要求。二、煤的认识在我国,电站锅炉用燃料主要是煤,但煤的种类繁多,从高水分褐煤、高灰份劣质烟煤、烟煤到低挥发份的贫煤和极低挥发份的无烟煤都有使用。所以在进行燃烧器设计之前，首先要对锅炉燃用煤种进行分析，同时尽可能了解燃用相同或类似煤种锅炉的运行情况，从而对
2、燃用煤种的特性有一个比较全面的认识。1、煤的化学成份及其性质煤由可燃质、灰份(A)及水份(M)组成。其可燃质中主要化学元素为碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）；灰的主要成份为各种矿物质，如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、TiO2等。（1） 碳（C）碳是煤中的主要可燃物质，以各种碳氢化合物和碳氧化合物的状态存在，含量在煤种所占比例约为5090。埋藏年代越久的煤，其碳化程度越深，含碳量也越高，而氢、氧、氮等的含量则减少。如无烟煤的埋藏年代最久，含碳量可达90以上；而褐煤的埋藏年代最短，含碳量为5070。通常，含碳量愈多，发热量愈高。 碳在
3、完全燃烧时生成二氧化碳（CO2），每千克纯碳可放出32860KJ的热量；碳在不完全燃烧时生成二氧化碳（CO），每千克纯碳仅放出9270KJ的热量。 由于纯碳的着火与燃烬都较困难，因此，含碳量高的煤难以着火、燃烬。（2） 氢（H）氢也是煤中的可燃成份，含量约在210%范围内，多以碳氢化合物状态存在，水份中的氢不计入氢的含量。氢的发热量最高，每千克氢完全燃烧可以放出120370KJ的热量，约为碳发热量的3.7倍。氢存在于挥发份气体中，碳化程度越深，氢的含量越少，煤也愈难着火燃烧。另外，含氢量高的煤在储存时易于风化，含氢量将逐渐减少。（3） 氧（O）和氮（N） 氧和氮都是煤中的不可燃元素，列入可燃质
4、是不确切的，因此氧氮元素的存在会使煤的发热量降低。煤中的氧随碳化程度加深而减少，煤种不同含量变化很大，含量少的只有12%(如无烟煤),多的可达40左右（如泥煤）。氮则是有害元素，煤中氮的含量一般很少，约为0.52.5%。在煤的燃烧过程中，氮的一部分会与氧化合生成NOx，排入大气后会造成环境污染。（4） 硫（S）硫在煤中以三种形态存在，即有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。前两种参与燃烧，放出少量的热，每千克可燃硫的发热量仅为9100KJ，第三种不参与燃烧。硫也是有害元素，燃烧后生成的SO2和少量SO3，排入大气后也会造成环境污染。不仅如此，SO3还会使露点大大升高，同时SO2和SO3能溶解于水中变成H
5、2SO3（亚硫酸）和H2SO4（硫酸）,会造成锅炉低温受热面（如空气预热器）堵灰和金属腐蚀（即低温腐蚀）。另外硫的燃烧产物H2S（硫化氢）会对锅炉水冷壁产生高温腐蚀（生成硫化铁和氧化铁），存在于过热器和再热器结灰层中的复合硫酸盐（Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3）会对过热器和再热器产生高温腐蚀。我国大部分动力用煤含硫量一般在0.32，有的高达35。对含硫量超过2%的煤种，在设计锅炉时应采取必要的措施减轻或防止受热面的腐蚀。（5） 灰份（A）灰份是煤中的不可燃的矿物在燃烧后的生成物，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、TiO2等，
6、前两种成份在煤的灰渣中所占比例很大。灰份是不可燃杂质，既影响煤的发热量，又影响煤的着火与稳燃。此外灰份多的煤将为锅炉设计和运行带来困难，增加了锅炉受热面积灰、磨损、结渣和腐蚀的可能性。灰份的含量在各种煤中变化很大，少的只有45，多的可达6070。煤在燃烧后余下的灰成份与原煤中的矿物质不完全相同，因为在燃烧过程中有脱水、分解等变化。煤灰的熔融性是煤非常重要的特性指标，该特性指标与灰成份有关。灰熔融性常用四个特征温度表示，即变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）、流动温度（FT）。如果灰温度处于DTFT温度状态，粘在受热面上就会堆积冷却成渣块，称为结渣。结渣后的受热面吸热量减少，从而
7、使炉温升高，炉温升高又使结渣更为严重。结渣影响锅炉的效率，严重时还影响锅炉出力和运行安全。FTST100，称为短渣；FTST100，称为长渣。对于燃用ST1200的低灰熔点煤时，锅炉热力特征参数的选取和燃烧器的设计要特别注意防止结渣。（6） 水份（M）水份也是煤中的不可燃成份，以三种不同的形态存在，即外在水份（煤在开采、运输、储存和洗选过程中带进的水份）、内在水份（吸附和凝聚在煤块内部毛细孔中的水份）和结晶水份（存在于煤的矿物质中的结晶水）。外在水份易于蒸发，变化很大；内在水份不易蒸发，在一定温度下（105110）可以风干；结晶水份需在200以上才能析出，通常工业分析时不予测定。含水份大的煤发
8、热量低，不易着火，而且在燃烧过程中水份的汽化要吸收热量，降低炉膛温度；排烟中水份高使锅炉效率降低，还易在尾部受热面产生堵灰和低温腐蚀；煤中水份含量大还会使制粉设备制粉困难，需要高温空气或烟气进行干燥；煤粉水份高也容易导致输煤管堵塞，不便输送。各种煤的含水量变化很大，低的（如无烟煤）约29，高的（如褐煤）达4060%。2、煤的组成基及其换算 我们已经知道煤的组成成份为碳、氢、氧、氮、硫及灰份和水份，其含量是用质量百分数来表示的。但是，由于水份与灰份往往容易随外界条件的变化而变动，各种成份的质量百分数也随之改变，就不能明确地表示它们的含量。因此需要定出几种基准，表示在不同状态下各组成成份的含量，以
9、便于应用和分类。（1） 常用的四种基准a.收到基（aras received）:表示进入锅炉房的炉前煤，即实际燃用的煤成份。它是将包括全部水份和灰份在内的煤的各种成份之和当作100，用下标“ar”表示。其表达式为 Car + Har + Oar + Nar + Sar + Aar + Mt = 100% 在进行煤的燃烧计算和热力计算时均采用收到基（ar）。 b.空气干燥基(ad-air dry):表示在实验室经过自然干燥，去掉外在水份的煤的成份。它是将去掉外在水份后其余成份之和当作100，用下标“ad”表示，其表达式为Cad + Had + Oad + Nad+ Sad + Aad + Mad
10、 = 100% 空气干燥基常在实验室内作煤的分析时采用。 c.干燥基（ddry）:表示去掉全部水份的煤的成份。它是将除去水份外的煤的各种成份之和当作100，用下标“d”表示，其表达式为Cd + Hd + Od + Nd+ Sd + Ad = 100% 干燥基成份不受水份的影响，常用以表示灰份的含量。 d.干燥无灰基（dafdry ash free）:表示去掉全部水份和灰份的煤的成份。它是将全部水份和灰份两种含量不稳定的成份去掉，其余的组成成份之和当作100，用下标“daf”表示，其表达式为 Cdaf + Hdaf + Odaf + Ndaf+ Sdaf = 100% 干燥无灰基组成不受水份、灰
11、份变化的影响，可以比较准确地表示出煤的实质。常用它来表示挥发份的含量。煤的挥发份是煤在加热过程中分解出来的气态物质，其主要组成元素为碳、氢、氧，主要组成气体为氢气、各类碳氢化合物、一氧化碳，以及少量的二氧化碳、水蒸汽、氮气等惰性气体。挥发份受热很容易达到着火温度而燃烧，因此挥发份的干燥无灰基含量常常用来判别煤种及其属性。（2） 四种基准的换算煤的各种基准之间存在着一定的关系，可以互相换算。因为煤的各种基准通常用以表示不同的组成成份，故各种基准之间的换算是经常要进行的。表1 煤的基质换算系数 已知煤的基质待求的煤的基质收到基ar空气干燥基ad干燥基d干燥无灰基daf收到基ar1100-Mad 1
12、00-Mar100 100-Mar100100-Mar-Aar空气干燥基ad100-Mar100-Mad1100100-Mad100100-Mad-Aad干燥基d100-Mar100100-Mad1001100100-Ad干燥无灰基daf100-Mar-Aar100100-Mad-Aad100100-Ad1001注：表中M、A为煤的水份和灰份，其下角标表示在不同的基准下（3） 煤的工业分析煤的工业分析是一种实用性的技术分析，方法比较简便，不一定需要专门的实验室，应用广泛。它只测定煤中所含水份（M）、灰份（A）、挥发份（V）和计算固定碳（FC）成份，以及煤的发热量（Q）等。有时还测定煤灰的熔融性
13、、剩余焦炭特征及可磨性等。这种分析适用于发电厂等运行单位对煤质的日常监督。在工业分析中将4项成份，即水份（Mad）、挥发份（Vad）、固定碳（FCad）与灰份（Aad）之和表示为100%，其表达式如下 Mad Vad FCad Aad 100 同理，煤的工业分析也可由收到基、干燥基和干燥无灰基表示如下： 收到基 Mar Var FCar Aar 100 干燥基 Vd FCd Ad 100干燥无灰基 Vdaf FCdaf 1003、煤的分类 我国电厂锅炉用煤的分类主要是根据煤的挥发份多少来确定，并参考煤的水份和灰份的含量。这是一种粗略的分类方法，它把煤分成无烟煤、烟煤（包括贫煤和劣质烟煤）、褐煤
14、和泥煤四类。而在我们煤粉锅炉设计中，常将燃用的煤种分成如下四类：（1） 无烟煤:Vdaf含量10%。无烟煤着火稳燃困难，不易燃烬。前面已叙述过，无烟煤的煤龄最长，碳化程度深，含碳量高，水份、灰份含量不多，发热量高，约为2500032500KJ/Kg。（2） 贫煤：Vdaf含量约为1020。贫煤着火稳燃、燃烬比较困难。Vdaf低于15的贫煤通常和无烟煤一起被称为低挥发份煤。（3） 烟煤：Vdaf含量约为2045。烟煤一般含碳量也比较高，着火稳燃、燃烬比较容易。也有一些含灰量与含水量比较多的烟煤，被成为劣质烟煤。它的发热量比较低，灰份达4050。故着火稳燃也比较困难。（4） 褐煤：Vdaf含量约为
15、4050，Mt约为2050，Aar高的可达4050%。褐煤的煤龄较短，碳化程度也较浅，含碳量较低。因其水份、灰份含量比较高，所以发热量较低，但因其挥发份含量高，很易着火燃烧。 4、煤质特性分析方法在进行锅炉和燃烧器设计之前，我们首先要了解燃用煤质的特性。专门对燃煤进行非常规的试验，如煤粉空气混合物射流着火温度IT；煤的热重分析即热天平；结渣特性和燃尽特性测试（一维火焰炉法），可以比较准确地了解燃用煤质的特性。如果没有上述试验资料时，一般采用指数法的经验公式进行判断。指数法是普华煤燃烧技术开发中心、西安热工研究院等单位，在调研和总结了国内近70台电站锅炉的设计和运行性能的基础上，并根据燃煤在专门试验设备上进行一系列的试验研究结果，总结出了一套根据燃料的性能指数对燃煤的着火稳定性、燃尽性、结渣性、灰的粘污性及磨损性进行判断的方法，具有很高的可信度。（1） 着火稳定性指数RwRW3.59 +
