燃燒原理的深入剖析與實(shí)踐應(yīng)用
燃燒原理的深入剖析與實(shí)踐應(yīng)用
燃燒，這一日常生活中的普遍現(xiàn)象，不僅涉及到能源轉(zhuǎn)換與利用，更蘊(yùn)含著深刻的科學(xué)原理。從古至今，人類對(duì)燃燒的探索從未停止，其背后的原理與規(guī)律不斷被揭示與利用。本文旨在全面解析燃燒的原理，探討其在實(shí)際中的應(yīng)用，以及為未來(lái)的能源與技術(shù)發(fā)展提供有益的啟示。
燃燒的三個(gè)階段
（1）著火前準(zhǔn)備階段
當(dāng)燃料進(jìn)入鍋爐后，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱，才能達(dá)到著火溫度。這個(gè)階段主要是完成水分的蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出，以及將燃料與空氣的混合物加熱到著火溫度。這個(gè)階段是吸熱過(guò)程，熱量主要來(lái)源于火焰輻射和高溫?zé)煔獾幕亓鳌?/span>
（2）燃燒階段
一旦達(dá)到著火溫度，揮發(fā)分首先開(kāi)始燃燒，釋放出大量的熱量，使溫度迅速升高。同時(shí)，焦炭也被加熱到較高的溫度并開(kāi)始燃燒。這個(gè)階段是強(qiáng)烈的放熱過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)非常劇烈。此時(shí)，碳粒表面可能會(huì)出現(xiàn)缺氧的情況，因此需要加強(qiáng)混合和擾動(dòng)，以確保氧氣能夠充分供應(yīng)。
（3）燃盡階段
在燃燒階段結(jié)束后，還需要進(jìn)行燃盡階段，以確保燃料中的可燃物能夠完全燃燒。這個(gè)階段雖然剩余的碳量不多，但完全燃盡卻非常困難，因?yàn)榇嬖谥T多不利于燃燒的因素。如果燃料本身的揮發(fā)分低、灰分高、煤粉粗，或者爐膛容積小，那么完全燃盡將更加困難。
燃燒區(qū)域的劃分
在燃燒過(guò)程中，根據(jù)不同的特性可以將燃燒區(qū)域劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域。這些區(qū)域的劃分對(duì)于理解燃燒過(guò)程、優(yōu)化燃燒效率以及解決實(shí)際問(wèn)題都具有重要的意義。然而，由于篇幅限制，這里不再詳細(xì)展開(kāi)燃燒區(qū)域的劃分內(nèi)容。但需要注意的是，不同區(qū)域的特性將對(duì)整個(gè)燃燒過(guò)程產(chǎn)生重要影響。
燃燒區(qū)域劃分主要包括著火區(qū)、燃燒區(qū)和燃燼區(qū)。在燃燒過(guò)程中，這些區(qū)域的特性對(duì)燃燒效率具有重要影響。具體來(lái)說(shuō)，著火區(qū)位于燃燒器出口附近，其長(zhǎng)度較短；與燃燒器出口同一水平的爐膛中部及稍高處則是燃燒區(qū)，其長(zhǎng)度也不長(zhǎng)；而高于燃燒區(qū)直至爐膛出口的區(qū)域則為燃燼區(qū)，其長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。
接下來(lái)，我們探討影響煤粉氣流著火與燃燒的因素。這些因素主要包括燃料性質(zhì)，如揮發(fā)份、水分和灰分。揮發(fā)份低的煤，其著火溫度高，加熱到著火所需熱量多，著火點(diǎn)遠(yuǎn)離燃燒器噴口；而揮發(fā)份高的煤則著火容易，但需注意防止過(guò)早著火導(dǎo)致的問(wèn)題。水分大的煤，其著火需要更多熱量，同時(shí)水分的蒸發(fā)會(huì)降低爐內(nèi)煙溫，對(duì)著火和完全燃燒不利?；曳侄嗟拿?，其著火速度慢，且燃燒時(shí)灰分會(huì)對(duì)焦碳核的燃燼產(chǎn)生阻礙。
揮發(fā)份與著火溫度的關(guān)聯(lián)
此外，煤粉的細(xì)度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。煤粉越細(xì)，其著火就越容易實(shí)現(xiàn)。這主要是因?yàn)椋谙嗤拿悍圪|(zhì)量濃度條件下，細(xì)度更高的煤粉擁有更大的表面積，同時(shí)其熱阻也相對(duì)較小。因此，加熱這種細(xì)度較高的煤粉至著火溫度所需的時(shí)間會(huì)顯著縮短，從而確保了更高效的燃燒。
圖1-不同粒徑下煤粉的升溫曲線
爐膛溫度
爐膛溫度越高，煤粉氣流的著火熱就越大，這有助于提前著火時(shí)間并促進(jìn)燃燒的迅速與完全。然而，過(guò)高的爐膛溫度也可能導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)結(jié)渣的問(wèn)題。
空氣量
空氣量適中是關(guān)鍵?？諝饬窟^(guò)大，會(huì)降低爐膛溫度，不利于著火和燃燒；而空氣量過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全。
一次風(fēng)溫
合理的一次風(fēng)溫能提高煤粉氣流的初溫，從而減少達(dá)到著火溫度所需的著火熱，縮短著火時(shí)間。
一次風(fēng)與二次風(fēng)的配合
（1）一次風(fēng)量應(yīng)根據(jù)燃煤的揮發(fā)份來(lái)調(diào)整。一次風(fēng)量過(guò)大，會(huì)增加著火熱，不利于著火；風(fēng)量過(guò)小，則會(huì)影響揮發(fā)份的著火燃燒。通常，鍋爐燃燒系統(tǒng)的一次風(fēng)率維持在20%左右。
（2）一次風(fēng)速的把控也至關(guān)重要。風(fēng)速過(guò)高，會(huì)推遲著火；風(fēng)速過(guò)低，則可能造成一次風(fēng)管堵塞或燃燒器燒壞。
（3）二次風(fēng)的混入時(shí)機(jī)和量也需要恰當(dāng)?；烊脒^(guò)早會(huì)加大一次風(fēng)量，推遲著火；混入過(guò)晚則可能導(dǎo)致煤粉氣流著火后缺氧。因此，二次風(fēng)應(yīng)在著火后及時(shí)混入，并控制適當(dāng)?shù)幕烊肓?，以確保燃燒既不缺氧又不降低火焰溫度。
燃燒時(shí)間
燃燒時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響燃燒的完全性，它與爐膛容積和火焰充滿度密切相關(guān)。
鍋爐負(fù)荷
此外，鍋爐負(fù)荷也是需要考慮的因素之一。
鍋爐負(fù)荷的變化將直接影響到爐膛溫度，進(jìn)而對(duì)煤粉的著火和燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，送入爐內(nèi)的燃料量相應(yīng)減少，導(dǎo)致水冷壁吸熱量雖有所減少，但每公斤燃料的吸熱量卻有所增加，從而使?fàn)t膛平均煙溫及燃燒器區(qū)域的煙溫均有所下降。這種變化對(duì)煤粉氣流的著火是不利的，特別是在鍋爐負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，可能會(huì)危及到著火的穩(wěn)定性，甚至引發(fā)熄火。因此，著火穩(wěn)定性的要求往往會(huì)對(duì)煤粉鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍造成限制。
此外，要實(shí)現(xiàn)良好的燃燒過(guò)程并保證燃燒的完全性，需要滿足一系列的條件。其中，合適的空氣量是關(guān)鍵之一。必須供應(yīng)足夠且適量的空氣以確保燃料能夠完全燃燒。實(shí)際送入的空氣量通常會(huì)略多于理論空氣量，這個(gè)比例被稱為過(guò)量空氣系數(shù)α。爐膛出口的過(guò)量空氣系數(shù)α1通?？刂圃?.5-2.5的范圍內(nèi)。如果α1過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致空氣量不足，從而增加不完全燃燒熱損失，同時(shí)還會(huì)影響到煙囪排放、爐渣和飛灰的含炭量，甚至可能堵塞對(duì)流煙道受熱面和空氣預(yù)熱器。而如果α1過(guò)高，雖然在一定程度上可以降低q3和q4，但會(huì)增大排煙熱損失q2，并且可能導(dǎo)致?tīng)t溫下降、燃燒速度減慢等問(wèn)題。因此，鍋爐應(yīng)在最佳空氣過(guò)量系數(shù)α1下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的燃燒。
同時(shí)，適當(dāng)?shù)臓t溫也是保證燃燒完全性的重要條件。
根據(jù)阿累尼烏斯定律，燃燒反應(yīng)速度與溫度之間存在指數(shù)關(guān)系，這意味著爐溫對(duì)燃燒反應(yīng)速度產(chǎn)生極為顯著的影響。在較高的爐溫下，著火速度更快，燃燒過(guò)程也更為迅速，這有助于實(shí)現(xiàn)完全燃燒。然而，爐溫不宜過(guò)高，因?yàn)檫^(guò)高的爐溫可能導(dǎo)致?tīng)t膛水冷壁結(jié)渣和膜態(tài)沸騰的問(wèn)題。因此，鍋爐的爐溫應(yīng)控制在約1500℃的中溫區(qū)域。
要維持足夠高的爐溫，需要考慮多種因素，包括燃料性質(zhì)、空氣溫度、爐膛容積熱強(qiáng)度以及爐斷面熱強(qiáng)度等。此外，煤粉和空氣的充分混合也是關(guān)鍵。煤粉燃燒屬于多相燃燒，其反應(yīng)主要在煤粉表面進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)完全燃燒，必須確保煤粉和空氣能夠充分?jǐn)_動(dòng)和混合，從而及時(shí)提供煤粉燃燒所需的氧氣。這要求燃燒器具有特定的結(jié)構(gòu)特性，并配合二次風(fēng)進(jìn)行良好的擾動(dòng)混合。
另外，足夠的燃燒時(shí)間也是必不可少的。煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，即從燃燒器出口到爐膛出口的行程時(shí)間，是煤粉完成著火、燃燒和燃盡過(guò)程的關(guān)鍵。這段時(shí)間主要受到爐膛容量和單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煙氣量的影響。因此，爐膛容積熱強(qiáng)度qv成為一個(gè)重要的參數(shù)，它決定了爐膛的容積，進(jìn)而保證了煤粉的燃燒時(shí)間。
同時(shí)，爐膛的形狀也對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響。爐膛斷面熱負(fù)荷qF是鍋爐輸入熱功率與爐膛燃燒器區(qū)橫斷面積的比值，它反映了爐膛水平斷面上燃燒產(chǎn)物的平均流動(dòng)速度。適當(dāng)?shù)膓F值可以確保氣粉流的湍流脈動(dòng)和混合條件，從而影響燃燒強(qiáng)度和著火穩(wěn)定性。雖然qF較小可能延長(zhǎng)高溫區(qū)的停留時(shí)間，有利于減輕水冷壁表面的結(jié)渣和高溫腐蝕，但也需要綜合考慮其他因素來(lái)維持鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
最后，鍋爐負(fù)荷也需要在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行控制。負(fù)荷的變化將直接影響爐膛溫度和煤粉的著火穩(wěn)定性。因此，在操作過(guò)程中需要密切關(guān)注鍋爐負(fù)荷的變化，并采取相應(yīng)的措施來(lái)確保著火穩(wěn)定性和燃燒完全性。
鍋爐負(fù)荷的調(diào)度對(duì)燃燒過(guò)程具有顯著影響。當(dāng)鍋爐負(fù)荷偏低時(shí)，爐內(nèi)溫度相應(yīng)下降，這不利于煤粉的著火和穩(wěn)定燃燒，可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程的不穩(wěn)定。相反，過(guò)高的鍋爐負(fù)荷會(huì)使燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短，從而增加不完全燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隨著爐溫的進(jìn)一步升高，還可能面臨結(jié)渣及其他運(yùn)行問(wèn)題。因此，維持鍋爐負(fù)荷在許可范圍內(nèi)至關(guān)重要。
鍋爐運(yùn)行中穩(wěn)定燃燒的原則
確保穩(wěn)定著火的兩個(gè)關(guān)鍵條件：
（1）放熱量與散熱量需達(dá)到平衡，即放熱量等于散熱量。
（2）放熱速度必須快于散熱速度。
缺乏這兩個(gè)條件，即使?fàn)t溫很高，也難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火，燃燒過(guò)程可能因火焰熄滅而中斷，逐漸向緩慢氧化過(guò)程轉(zhuǎn)變。
實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的具體措施：
（1）在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于燃煤量增加，放熱量相應(yīng)增大，而散熱量變化不大，這有助于維持爐內(nèi)的高溫狀態(tài)，從而更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火。
（2）在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃煤量減少導(dǎo)致放熱量降低，但散熱條件相對(duì)惡化，散熱速度加快。這會(huì)使?fàn)t內(nèi)火焰溫度和水冷壁表面溫度下降，進(jìn)而降低燃燒反應(yīng)速度和放熱速度。因此，在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，穩(wěn)定著火變得更具挑戰(zhàn)性，可能需要借助助燃油等輔助燃料來(lái)維持穩(wěn)定燃燒。對(duì)于反應(yīng)能力較低的無(wú)煙煤和劣質(zhì)煙煤來(lái)說(shuō)，著火和穩(wěn)燃都更為困難，容易發(fā)生熄火事故。
綜上所述，我們可以得出以下啟示：
（1）著火的穩(wěn)定性與燃燒溫度、水冷壁面積以及進(jìn)入爐內(nèi)的新氣流初溫度密切相關(guān)。
（2）在鍋爐的正常負(fù)荷范圍內(nèi)，爐內(nèi)可以自動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定著火的狀態(tài)。但如果點(diǎn)火區(qū)的溫度與燃料的活性不相匹配，就需要采取措施如投入助燃油或強(qiáng)化著火來(lái)確保穩(wěn)定燃燒。
在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，穩(wěn)定燃燒是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了確保穩(wěn)定著火，必須滿足兩個(gè)關(guān)鍵條件：首先，放熱量與散熱量必須保持平衡，即放熱等于散熱；其次，放熱速度必須快于散熱速度。這兩個(gè)條件缺一不可，否則即使?fàn)t溫很高，也難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒過(guò)程，火焰可能會(huì)熄滅，從而影響鍋爐的高效運(yùn)行。