賈明生，張林鋒，扶廷正，陳 賽

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江524088；2.浙江富春江環(huán)保科技研究有限公司，浙江杭州311401）

燃燒溫度是反映燃燒熱狀態(tài)的重要參數(shù)之一，對(duì)于液態(tài)排渣煤粉燃燒器而言，其不僅影響飛灰含碳量的高低[1]、液態(tài)捕渣量的多少及煤粉燃燒過(guò)程中NOx的生成量[2-6]，還直接關(guān)系到燃燒器能否持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。液態(tài)排渣煤粉燃燒器屬于旋風(fēng)燃燒方式，其特點(diǎn)介于層燃和室燃之間，兼有并突出了這兩種方式的長(zhǎng)處。對(duì)于液態(tài)排渣煤粉燃燒器，燃燒室內(nèi)的燃燒溫度過(guò)低，筒壁熔渣膜難以達(dá)到軟化和熔融狀態(tài)，導(dǎo)致液渣量偏小、排渣不順暢；燃燒溫度過(guò)高，燃燒室爐襯表面渣膜變薄，熱阻減小，傳熱量增大，難以實(shí)現(xiàn)“以渣抗渣”，燃燒室爐襯易被高溫?zé)煔馇治g燒壞[7]。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，合理調(diào)控液態(tài)排渣煤粉燃燒器內(nèi)的燃燒溫度非常重要。影響燃燒器內(nèi)的燃燒溫度因素眾多，本文僅研究熱風(fēng)溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例、熱負(fù)荷、煤低位發(fā)熱量等五個(gè)因素對(duì)燃燒溫度的影響規(guī)律和影響程度。

1 燃燒溫度的計(jì)算

1.1 燃燒熱平衡模型的建立

液態(tài)排渣煤粉燃燒器在運(yùn)行過(guò)程中通常溫度高達(dá)1 600℃以上，燃燒室需采用水冷膜式壁，水冷壁外表面附著一層耐火材料，內(nèi)置金屬銷釘。燃燒室采用冷卻水進(jìn)行冷卻才能在高溫條件下持久穩(wěn)定地工作，冷卻水帶走熱量作為燃燒器輸出熱量的一部分。建立燃燒熱平衡模型時(shí)，需作如下假定：①煤灰中不含固定碳，煤粉的機(jī)械不完全燃燒熱損失不計(jì)；②煤粉和二次風(fēng)中的水分會(huì)與煤粉分解后的焦炭發(fā)生水煤氣反應(yīng)，吸收部分熱量，但該反應(yīng)發(fā)生的程度較低，不作考慮；③灰分中的SiO2會(huì)與煤粉分解后的焦炭發(fā)生還原反應(yīng)，SiO2氣化成SiO，消耗部分熱量[8]，該反應(yīng)發(fā)生比較困難，不作考慮；④燃燒產(chǎn)物中CO2和H2O會(huì)存在高溫離解的情況，其分解程度與體系的溫度及壓力有關(guān)，在壓強(qiáng)為0.1×105～5×105Pa，溫度低于2 100℃時(shí)，燃燒產(chǎn)物熱分解現(xiàn)象及其影響較小[9]，忽略不計(jì)這部分熱量；⑤由于燃燒反應(yīng)產(chǎn)物中H2和CmHn等含量極低，化學(xué)不完全燃燒熱損失僅考慮CO的不完全燃燒熱損失。基于上述假定條件，煤粉完全燃燒時(shí)，熱平衡模型的各輸入熱量項(xiàng)、輸出熱量項(xiàng)如圖1所示。

圖1 燃料完全燃燒時(shí)燃燒器熱平衡模型

當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)小于1，燃料不完全燃燒時(shí)，熱平衡模型中總輸入熱量需減去CO的不完全燃燒熱損失。由熱平衡模型可得燃燒溫度的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：?theo為燃燒溫度，℃；Qnet，ad為燃料空氣干燥基低位發(fā)熱量，kJ/kg；Qair為空氣帶入的物理熱，kJ/kg；Qfuel為燃料帶入的物理熱，kJ/kg；Qw為冷卻水帶走熱量，kJ/kg；Qco為CO不完全燃燒熱損失，kJ/kg；cgas為氣體燃燒產(chǎn)物的平均比熱容，kJ/（m3·℃）（標(biāo)準(zhǔn)）；Vgas為氣體燃燒產(chǎn)物生成量，m3/kg（標(biāo)準(zhǔn)）；cash為燃燒產(chǎn)物中灰分的平均熱容，kJ/（kg·℃）；mash為燃燒產(chǎn)物中灰分的質(zhì)量，kg。

1.2 過(guò)量空氣時(shí)的燃燒溫度計(jì)算

煤粉在過(guò)量空氣情況下完全燃燒時(shí)，可以認(rèn)為不存在CO不完全燃燒熱損失項(xiàng)。因此，燃燒器總輸入熱量由煤低位發(fā)熱量Qnet，ad、空氣帶入熱量Qair及燃料帶入熱量Qfuel三部分組成，總輸出熱量由煙氣攜帶熱量Qgas、灰分升溫耗熱Qash及冷卻水帶走熱量Qw三部分組成。計(jì)算用煤種的燃料特性如表1所示。

表1 燃料特性

現(xiàn)以文獻(xiàn)[10]中高效低NOx煤粉工業(yè)鍋爐所搭載液態(tài)排渣煤粉燃燒器作為計(jì)算對(duì)象，選取過(guò)量空氣系數(shù)α為1.2，大氣溫度為30℃，一次風(fēng)溫度為50℃，一次風(fēng)占總風(fēng)量比例為10%，二次熱風(fēng)溫度為250℃，1 kg煤粉帶入物理熱Qfuel為16.371 kJ，冷卻水帶走熱量占總輸入熱量的10%。在文獻(xiàn)[11]中考慮灰分的理論燃燒溫度計(jì)算模型基礎(chǔ)上，將冷卻水帶走熱量納入輸出熱量的一部分，按上述方法經(jīng)計(jì)算得到燃燒溫度為?=1 719.76℃。

1.3 欠氧燃燒時(shí)的燃燒溫度計(jì)算

文獻(xiàn)[11]中給出了燃料完全時(shí)建立的燃燒溫度方程，但沒(méi)有給出欠氧燃燒條件下燃燒溫度方程的建立。鑒于此，本文基于方程求解法建立欠氧燃燒時(shí)燃燒溫度的計(jì)算模型。為了得到不同煤種下的燃燒溫度方程，將煤粉中各成分設(shè)置為變量如表2所示，其中變量x1～x7滿足x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7=100。

表2 煤粉成分的變量設(shè)置

根據(jù)燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式及碳元素和氧元素守恒可計(jì)算得到由x1～x6表示的煙氣各成分含量Vi0，設(shè)Vi0=b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6（其中i=N2、H2O、RO2、CO，下同），則欠氧燃燒時(shí)煙氣各成分含量由x1～x6表示的各系數(shù)如表3所示。

表3 欠氧燃燒時(shí)理論煙氣各成分含量系數(shù)

設(shè)Q2由煙氣攜帶熱量Qgas和灰分?jǐn)y帶熱量Qash兩部分組成，則Q2可由下式求得：

根據(jù)表3、式（2）及文獻(xiàn)[11]中各煙氣成分平均比熱的擬合結(jié)果，可計(jì)算得到欠氧燃燒時(shí)Q2關(guān)于變量x1～x7及過(guò)量空氣系數(shù)α和溫度?的矩陣表達(dá)式如下：

其中矩陣C、B、X如下：

欠氧燃燒較之過(guò)量空氣燃燒，總輸入熱量需減去CO的不完全燃燒熱損失Qco，計(jì)算公式如下式（4）：

由總輸入熱量等于總輸出熱量，可得：

式（5）即為欠氧燃燒時(shí)的燃燒溫度方程，其中Q2由式（3）確定，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)α為0.8，其他計(jì)算條件不變時(shí)，可計(jì)算得到?=1 722.28℃。

2 燃燒溫度影響因素分析

以文獻(xiàn)[10]中的高效低NOx煤粉燃燒器作為計(jì)算對(duì)象，選擇燃料特性如表1所示，按上述燃燒溫度的計(jì)算方法，研究熱風(fēng)溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例、熱負(fù)荷、煤低位發(fā)熱量等五個(gè)因素對(duì)燃燒溫度的影響規(guī)律。

2.1 熱風(fēng)溫度對(duì)燃燒溫度的影響

二次熱風(fēng)是空氣與鍋爐尾部煙氣換熱得到的，熱風(fēng)溫度不超過(guò)350℃。冷卻水泵轉(zhuǎn)速是根據(jù)冷卻水溫度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)的，根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行情況，以文獻(xiàn)[10]中燃燒器的冷卻水帶走熱量基本維持在2 149.6 kJ/kg左右，取過(guò)量空氣系數(shù)α為1.2。經(jīng)計(jì)算得到熱風(fēng)溫度在100～350℃變化時(shí)，燃燒器的燃燒溫度變化情況如圖2所示。

二次熱風(fēng)作為燃燒器輸入熱量來(lái)源之一，燃燒溫度與熱風(fēng)溫度必定呈正相關(guān)。從圖2可以看到，燃燒溫度與熱風(fēng)溫度呈強(qiáng)線性關(guān)系，且熱風(fēng)溫度每升高1℃，燃燒溫度約提高0.56℃。

圖2 熱風(fēng)溫度對(duì)燃燒溫度的影響趨勢(shì)

2.2 過(guò)量空氣系數(shù)α對(duì)燃燒溫度的影響

設(shè)熱風(fēng)溫度為250℃，計(jì)算得到過(guò)量空氣系數(shù)α在0.7～1.4變化時(shí)，燃燒器的燃燒溫度變化情況如圖3所示。

從圖3可以看到，過(guò)量空氣系數(shù)α對(duì)燃燒溫度有顯著影響。當(dāng)α＜1時(shí)，燃燒溫度隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大而升高，說(shuō)明因燃燼率提高釋放的熱量要比因空氣量增多而吸收的熱量多；當(dāng)α＞1時(shí)，燃燒溫度隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大而降低，此時(shí)空氣量增多吸收更多的熱量是燃燒溫度降低的主導(dǎo)因素?？梢?jiàn)過(guò)量空氣系數(shù)α過(guò)高或過(guò)低均不利于維持一個(gè)合適的燃燒溫度范圍，在燃燒器運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，使過(guò)量空氣系數(shù)α穩(wěn)定在某最佳值附近。

圖3 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒溫度的影響

2.3 冷卻水帶走熱量對(duì)燃燒溫度的影響

設(shè)熱風(fēng)溫度為250℃，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，計(jì)算得到冷卻水帶走不同比例熱量情況下，燃燒器燃燒溫度的變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖4可以看出，冷卻水帶走熱量占煤粉有效輸入熱量之比從0%增至12%，燃燒溫度相應(yīng)地從1 891.9℃下降至1 685.3℃，燃燒溫度與冷卻水帶走熱量比例呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)線性相關(guān)，且冷卻水帶走熱量比例每增加一個(gè)百分點(diǎn)，燃燒溫度下降17.2℃。

圖4 冷卻水帶走熱量比例對(duì)燃燒溫度的影響

2.4 熱負(fù)荷對(duì)燃燒溫度的影響

設(shè)熱風(fēng)溫度為250℃，在過(guò)量空氣系數(shù)α分別為1.1和1.2時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到不同熱負(fù)荷下燃燒溫度的變化情況如圖5所示。

圖5 熱負(fù)荷對(duì)燃燒溫度的影響

從圖5可以看到，每增加1%熱負(fù)荷，燃燒溫度上升2.8℃左右，熱負(fù)荷對(duì)燃燒溫度的影響并不大，原因在于熱負(fù)荷增加一倍的同時(shí)，在保持過(guò)量空氣系數(shù)不變的情況下，煙氣量也增加了一倍。另外，熱負(fù)荷對(duì)燃燒溫度施加的影響受過(guò)量空氣系數(shù)影響不大，每增加1%熱負(fù)荷，α為1.2時(shí)燃燒溫度上升2.7℃，α為1.1時(shí)燃燒溫度上升2.9℃，變化幅度比較接近。

2.5 煤低位發(fā)熱量對(duì)燃燒溫度的影響

煤粉低位發(fā)熱量作為最主要的輸入熱量來(lái)源，其大小勢(shì)必影響燃燒溫度。以1 kg煤粉作為計(jì)算度量，設(shè)熱風(fēng)溫度為250℃，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，計(jì)算得到51種不同煤種的燃燒溫度，燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量的變化情況如圖6所示。從整體來(lái)看，燃燒溫度隨著煤低位發(fā)熱量的增大而呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但并不是隨著低位發(fā)熱量的增大而嚴(yán)格的升高，即使某相近低位發(fā)熱量的兩煤種，燃燒溫度也可能相差較大，這與王世昌[12]對(duì)158種動(dòng)力煤絕熱燃燒溫度的研究結(jié)果具有一致性。實(shí)際上煤低位發(fā)熱量是由煤成分參數(shù)決定的，而煤成分不同又導(dǎo)致理論空氣量不同，由于煤成分不同對(duì)二者的影響并不總是同步的，因此燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量的變化并不是嚴(yán)格遞增的。

圖6 燃燒溫度隨煤低位發(fā)熱量變化情況

3 燃燒溫度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

為了確定燃燒溫度的各影響因素對(duì)其影響程度，明確哪些是主要因素，哪些是次要因素，采取灰色關(guān)聯(lián)分析的方法進(jìn)行研究分析[13-14]。它是從系統(tǒng)離亂的、隨機(jī)的行為特征量中確定因素間關(guān)聯(lián)程度的一種分析方法，是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近程度，對(duì)樣本容量和數(shù)據(jù)有無(wú)規(guī)律情況沒(méi)有要求。

設(shè)有m個(gè)比較序列Xi和s個(gè)參考序列Yj，記為

則比較序列Xi中某元素xi（k）和參考序列Yj中元素yj（k）的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξji(k)可由下式計(jì)算：

式中：Δ(k)=|yj(k)-xi(k)|，Δmax(k)和Δmin(k)分別表示參考序列元素與對(duì)應(yīng)比較序列元素絕對(duì)差值中的最大值和最小值，ρ為分辨系數(shù)，通常取ρ=0.5。

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)程度值，為了從總體上了解序列之間的關(guān)聯(lián)程度，求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，即灰色關(guān)聯(lián)度rji，可由下式計(jì)算：

按灰色關(guān)聯(lián)度分析原則，關(guān)聯(lián)度越大的比較序列與參考序列越為接近，即是影響參考序列指標(biāo)越主要的因素。因此，按照計(jì)算出的關(guān)聯(lián)度值便可排列出比較序列對(duì)參考序列影響程度的大小次序。

當(dāng)煤種一定時(shí)，可調(diào)節(jié)的變量為熱風(fēng)溫度（X1）、過(guò)量空氣系數(shù)（X2）、冷卻水帶走熱量比例（X3）及負(fù)荷（X4），以這4個(gè)因素序列為比較序列，以燃燒溫度（Y）為參考序列，對(duì)表4中20組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，使各序列無(wú)量綱化并處于同一數(shù)量級(jí)后，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

表4 燃燒溫度與各影響因素一覽表

經(jīng)計(jì)算，得到灰色關(guān)聯(lián)度序列為r={0.688 6，0.690 9，0.569 8，0.616 5}，各影響因素對(duì)燃燒溫度的關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋篨2＞X1＞X4＞X3。因此，當(dāng)煤種一定時(shí)，其他幾個(gè)因素對(duì)燃燒器燃燒溫度的影響程度依次為：過(guò)量空氣系數(shù)＞熱風(fēng)溫度＞負(fù)荷＞冷卻水帶走熱量比例。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)液態(tài)排渣煤粉燃燒器基于方程求解法建立了燃燒溫度計(jì)算模型，可簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確地求解燃燒溫度[11]。在此基礎(chǔ)上，研究分析了燃燒器燃燒溫度影響因素。通過(guò)各影響因素與燃燒溫度的灰色關(guān)聯(lián)分析，明確了各影響因素對(duì)燃燒器燃燒溫度的影響程度。得出如下結(jié)論：

（1）熱風(fēng)溫度、負(fù)荷與燃燒溫度呈強(qiáng)正線性相關(guān)關(guān)系；冷卻水帶走熱量比例與燃燒溫度呈強(qiáng)負(fù)線性相關(guān)關(guān)系；過(guò)量空氣系數(shù)與燃燒溫度呈非線性關(guān)系，過(guò)量空氣系數(shù)為1時(shí)，燃燒溫度達(dá)到最大值，過(guò)量空氣系數(shù)偏離1到兩側(cè)時(shí)，燃燒溫度均呈下降趨勢(shì)；燃煤低位發(fā)熱量與燃燒溫度具有較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。

（2）煤種一定時(shí)，熱風(fēng)溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、冷卻水帶走熱量比例及負(fù)荷對(duì)燃燒溫度的影響程度從高到低依次為：過(guò)量空氣系數(shù)＞熱風(fēng)溫度＞負(fù)荷＞冷卻水帶走熱量比例。