过量空气系数对锅炉的重要性

(鸡西矿业有限责任公司节能环保部，黑龙江 鸡西 158100)

0 引 言

GWPB3-1999《锅炉大气污染物排放标准》和GB5468-9锅炉烟尘测试方法》均提出了过量空气系数的换算值及其计算方法。过量空气系数与锅炉烟尘排放浓度有什么关系?为什么进行锅炉烟尘排放浓度测试要计算过量空气系数呢?

1 理论空气量的计算

过量空气系数(亦称过剩空气系数)用符号“α”表示,是实际空气量和理论空气量的比值。燃料的燃烧过程,实际上就是燃料中可燃元素与空气中氧气发生强烈反应的过程。每千克燃料完全燃烧所需要的空气量(即按理论计算的空气量)称为理论空气量。这时,空气中的氧全部和燃料中的可燃元素化合。理论空气量可按下列公式计算：

V0=0.0889(CY+0.375SY)+0.265HY-0.0333OY

式中，V0为理论空气量；CY为燃料应用基含碳量；SY为燃料应用基含硫量；HY为燃料应用基含氢量；0Y为燃料应用基含氧量。

在缺乏燃料元素分析资料的情况下按下列经验公式来计算理论空气量：

对于可燃基挥发份>15%的烟煤：

V0=1.05×QYDW/1000+0.278

式中，QY DW为应用基低位发热量。

对于可燃基挥发份<15%的贫煤、无烟煤:

V0=(QYDW+600)/990

对于劣质煤QY DW=12560kJ/kg),V0=(QY DW +450)/990

对于重油V0=0.850 QY DW /1000+2.0

但是,锅炉在实际运行中,由于燃烧设备不够完善,燃料和空气在炉膛中不可能接触和混合到理想的程度,如只按理论空气量供给空气,就不能使燃料完全燃烧。因此,为了保证燃料的完全燃料,必须要比理论空气量多供一些空气(即过量空气量)。理论空气量加上过量空气量就是燃烧所需的实际空气量。

2 烟尘排放浓度的计算

过量空气系数是锅炉运行质量的重要特征之一,其值的大小说明了燃烧设备和锅炉运行的完善程度、过量空气系数的大小与燃烧设备的型式和结构、燃料的种类和性质、锅炉负荷的大小以及配风工况等有关。过量空气系数太小,燃烧不完全,化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失增加。过量空气系数太大,则不参与燃烧反应的冷空气大量送人炉膛,使炉膛温度下降,影响燃烧。并且这部分过量的空气还要增温吸热,随烟气排走大量热量,同时也增加了引风机的排烟量,而增大耗电量。锅炉热效率最高时的过量空气系数为最佳过量空气系数。因此,合理的过量空气系数应该是保证燃料完全燃烧而又使各项热损失达到最小的最低值[1]。

由于每台锅炉运行中的过量空气系数差异很大,故GWPB3-1999《锅炉大气污染物排放标准》所制订的烟尘排放浓度标准,将燃煤锅炉的烟尘、二氧化硫排放浓度的过量空气系数统一选值为α=1.8。

烟尘排放浓度按下列公式换算：

C=C′×α′/α

式中，C为换算规定过量空气系数的烟尘排放浓度；C′为实测烟尘排放浓度；α′为在排放浓度测点的过量空气系数；α为标准中规定的过量空气系数。

3 过量空气系数与锅炉热损失的研究

从锅炉的热损失来分析，锅炉的排烟损失(q2)、烟气中剩余可燃气体(CO/H2/CH4)所引起的化学不完全燃烧热损失(q3)及未燃尽碳粒所引起的机械不完全燃烧热损失(q4)是随着过量空气系数值的变化而变化的。炉膛出口过量空气系数q2、q3、q4有直接影响，如图1所示。当过量空气系数增加时，空气的数量就会增多，那么燃料就会有更多的机会遇到空气，使化学不完全燃烧热损失(q3)及未燃尽碳粒所引起的机械不完全燃烧热损失(q4)减小，但同时排烟热损失(q2)升高。

在热平衡实验时，存在于关于q2的经验公式，由此可知排烟热损失q2:

对于运行中的锅炉，通过对灰渣和飞灰重量及各可燃物的重量百分比，通常灰渣和飞灰中的可燃物被认定为固定碳，取其发热量为33 727 kl/kg，根据经验公式，总的固体完全燃烧热损失q4公式如下：

根据实验得到的炉膛出口飞灰含碳量Cfh与过量空气系数α的数据，可做出Cfh与α的关系图，如图1所示。利用仿真软件得到函数的关系为：

Cfh=16.7143α2-46.2271α+36.3229

图1 Cfh与阿尔法的关系曲线图

由图可知，q4随过量空气系数α先减少，等减少到最低值时开始增加。

图2 过量空气系数与热损失的关系

3 锅炉效率与过量空气系数的关系

3.1 散热损失

炉体表面的散热损失大小主要是由炉壁相对面积及外壁温度决定，一般来说，锅炉的散热损失较小，根据锅炉供热量，可知散热损失q5=1.7%。

3.2 灰渣物理热损失

灰渣物理热损失是由于锅炉中排出的灰渣温度一般在600～800 ℃以上而造成的热损失。

通过查表和实际调查参数再结合上述公式可知，q6=0.235%。

3.3 气体不完全燃烧热损失计算

气体不完全燃烧损失是由于部分一氧化碳、氢、甲烷等可燃气体未完全燃烧就随烟气排出所造成的损失。气体不完全燃烧损失的大小与炉子结构、燃烧特性、燃烧过程的组织及运行操作水平等因素有关。实际中烟气中含氢气、甲烷等气体体积很小，所以可认为不完全燃烧时烟气中的可燃气体只有一氧化碳，则烟气中各组成气体间的关系为：

21=RO2+O2+0.505CO+β(RO2+CO)

β表示燃料的特性系数，只与燃料的可燃成分有关，其计算公式为：

通过上述两个公式可得烟气中CO体积百分比含量的计算式：

3.4 锅炉热效率计算

利用反平衡法，建立锅炉效率反平衡模型，得到锅炉效率与过量空气系数的函数关系：

ηgl=f(α)=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

以300 MW机组负荷为例，结合锅炉运行主要参数可得：

ηgl=f(α)=-22.5807α2+58.562α+48.111749

其关系图如图3所示。

由图3可知，当过量空气系数为1.3左右时，锅炉的效率达到最大，此时过量空气系数为最优值。

4 结束语

通过对过量空气系数的理论计算和软件的方针检验，使得理论计算出的结果具有一定的合理性。最佳空气系数不仅对锅炉的效率有着重大影响，还对节能降耗、减少排放污染有着决定性的意义。文中对最佳过量空气系数的计算方法，可在生产时知道调节锅炉运行所需的氧气量、空气量，进而降低过量空气系数对锅炉燃烧效率的负面影响。