第四节　燃烧调整，合理配风

一、合理配风与锅炉热效率的关系

1.燃料的完全燃烧与最佳空气系数的选择

燃料在锅炉内良好燃烧，包括四个基本环节，即燃料加工处理、合理配风、创造高温燃烧环境和恰当进行调整。此四者除各自具备所要求的条件外，还必须密切配合，相互协调，精心调整，方可连续稳定燃烧，正常运行，保证出力，取得节能减排效果。

燃料的完全燃烧需要合理配风，尽力减少气体不完全燃烧热损失q3和固体不完全燃烧热损失q4，才能提高燃烧效率。由于燃料中可燃物质的组成与数量不同，所需要的助燃空气量应有差异。在理论上要达到完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量，但在实际条件下，根据燃料品种、燃烧方式及控制技术的优劣，往往需要多供给一些空气量，称为实际空气量。实际空气量与理论空气量之比，称为空气系数，常用α表示。

空气系数的大小直接影响燃料的完全燃烧程度，需要通过合理配风来进行调节。如果空气系数太小，空气量不足，则燃烧不完全，q3热损失加大，燃烧效率降低，锅炉热效率不高；如若空气系数超过某一限度，危害更为严重，不仅增加烟气量，加大排烟热损失q2，而且还会降低火焰温度，影响锅炉出力，甚至造成燃料层穿火，增加烟气中的氧量，带来金属腐蚀和NOx排放超标等问题。这就是说，空气系数太大或太小均不合理，必然有一个最佳值。最佳空气系数是一个范围，而不是固定值，如图2-4所示。只有合理配风，控制最佳空气系数，锅炉热效率最高，方可实现经济运行的目的。在一般情况下，燃煤锅炉空气系数每超最佳值0.1，浪费燃料0.84％，可见空气系数与经济运行的关系至关重要。

2.最佳空气系数的确定方法

锅炉燃烧调整、合理配风的目标，就是要根据负荷要求，恰当地供给燃料量，不断寻求并力争控制最佳空气系数，达到完全燃烧，提高燃烧效率。但是，这一最佳值无法从理论上进行准确计算，只能依靠试验研究和实践经验来优选。因而燃烧调整、合理配风是锅炉经济运行的中心内容。

最佳空气系数一般可通过现场热力试验来确定，以某燃煤链条锅炉为例，其步骤如下：

保持负荷、温度、压力稳定。然后调整燃烧，测定在不同空气系数下锅炉的各项热损失，并画出各项热损失与空气系数之间的关系曲线。将各曲线相加，得到一条各项热损失之和与空气系数的关系曲线，如图2-5所示。然后再选定一个负荷，重复上述步骤。可择优确定在不同负荷下的最佳空气系数范围值。

最佳空气系数通常随负荷的降低而略有升高，但在负荷率75％～100％时基本相近。当各项热损失之和为最小值时，锅炉热效率最高，所对应的空气系数即为最佳燃烧区域。从图2-5还可得知，最佳空气系数的优选，主要与q2、q4有关，而q3、q5影响程度很小。

此外，空气系数还可以通过安装于炉膛烟气出口处的氧量计或CO2测试仪，经计算后选定；也可以不断总结实践经验选取，将在以后的叙述中加以说明。

3.选择空气系数的利弊问题

实测的图2-5表明，空气系数应在一个合理区间内，但对某台确定的锅炉与所使用的燃料，在进行燃烧调整时，应选取一个确定的空气系数值，以便提高燃烧效率，降低不完全燃烧热损失q4；同时还应尽力降低排烟中的残氧量，减小排烟体积与温度构成的排烟热损失q2。要紧紧把握以满足负荷要求与提高锅炉热效率为核心，借助仪器仪表与实际观察，不断探求炉膛内最佳燃烧状况，使q2与q4处于交汇点，从中优选各自的最佳参数。从图2-5得知，空气系数与排烟热损失的关系是一条向上倾斜较大的直线，而与不完全燃烧热损失的关系却是一条中间凹底，两端缓慢向上的曲线。由于调整直线的效果比调整曲线效果明显的多，权衡二者利弊，便可优选一个比较合理的空气系数值，也就是供给合理的风量，因此提倡低氧燃烧技术。由于调整供风量方便、快捷，能看到炉内燃烧状况，在理论上有“过量”供风要求，而且灰渣含碳量指标有规定，所以多年以来形成了锅炉燃烧供风“宁大勿小”的操作习惯，偏离了q2与q4的最佳交汇点，影响锅炉热效率的提高。如某厂一台6t/h燃煤链条蒸汽锅炉，在换热器后实测空气系数高达3.4，排烟热损失高达34％，锅炉热效率仅为55％，当把空气系数降到2.1～2.2时，排烟热损失降至19％，热效率提高到62％，可见合理配风的效果。该锅炉的空气系数仍有下降空间。又如某燃煤电厂锅炉实施低氧燃烧技术，对排烟残氧量有严格的控制要求，取得良好效果。当机组负荷在280MW以上时，尾部受热面后的排烟残氧≤2.5％，机组负荷240～280MW时，残氧≤4.0％。

实施低氧燃烧可取得如下效果：

①提高锅炉热效率，节省燃料消耗，并可降低鼓、引风机电耗；

②降低排烟残氧含量，减轻锅炉受热面的氧腐蚀，并可降低NOx的生成量，有利于环保；

③可降低SO2的遇水蒸气生成SO3，形成硫酸蒸气，造成锅炉受热面的酸腐蚀。

4.炉膛出口最佳空气系数

通常对于气体燃料，由于它能与助燃空气达到良好的混合，空气系数小点便可实现完全燃烧；而对于固体燃料，因为它与助燃空气多在表面接触燃烧，不能直接进到内部混合，空气系数需要大一点；对于液体燃料，一般为雾化燃烧，雾化微粒与空气混合较好，但比气体燃料稍差一点，因而空气系数略大于气体燃料。

即使同一种燃料，由于可燃成分、燃烧方式与控制技术的差异，空气系数也不完全相同。比如，燃煤手烧锅炉燃烧方式应比机械炉排燃烧方式空气系数大一点，同样为固体燃料的煤粉炉，属于悬浮燃烧方式，空气系数相对较小。而对于高炉煤气、转炉煤气，可燃成分较少，发热量低，难于着火，空气系数应小一点。

表2-3给出了常用燃料在通常燃烧方式下，趋向于低氧燃烧技术所推荐的炉膛出口最佳空气系数与烟气中的CO2含量。

有关燃油、燃气燃烧问题将在第四章中介绍；流化床锅炉与煤粉燃烧在第五、六章中介绍；本章重点介绍燃煤链条炉排燃烧问题。

二、空气系数的检测方法与剖析

1.炉膛出口空气系数的检测方法

式中，α为炉膛出口空气系数；O2为烟气干成分氧气体积分数，％；CO为烟气干成分一氧化碳体积分数，％；RO2为烟气干成分二氧化碳与二氧化硫体积分数，％，即RO2=CO2+SO2，如SO2低时，可用CO2代替。

大型工业锅炉特别是电站锅炉，一般在炉膛烟气出口安装有CO2自动分析仪或氧化锆测氧仪，可直接显示烟气中的CO2或O2体积分数，经PLC或DCS控制系统自动运算，并在CRT上显示空气系数，作为燃烧调整与合理配风的依据。但由于安装的仪器较少，未能对烟气成分进行全分析，只能用简化法计算空气系数，虽然精度稍低，但可满足控制要求。

式中，RO2、O2含义同上，为检测仪表显示值，％；（RO2）max为燃料在完全燃烧时所对应的RO2最大值，％，如若硫含量较低时，可用CO2代替，对一定燃料是个常数，可查表取得，如烟煤18.5％～19.0％，无烟煤19％～20％，重油15％～16％，城市煤气12.6％，液化天然气12.6％等。

中小型工业锅炉装备条件差，在线没有安装上述仪表，但可在锅炉炉膛烟气出口处取样，用燃烧效率仪或奥氏气体分析仪分析烟气成分，用式（2-1）计算空气系数。也可用最简单的办法来分析烟气成分。即用比长式气体检定管（河南鹤壁矿务局气体检定管厂生产），有分析CO2、O2、CO、SO2等多种成分的检定管，使用方便，价格便宜，分析较为准确，一次性使用后作废。可自制取样管，购置球胆及100mL医用针管。用针管把气体从球胆抽出，打入检定管内，即在刻度处反映出该气体的体积分数。以往多在煤矿井使用，同样原理，可用于锅炉或窑炉检测烟气成分。

此外，锅炉工作者和司炉工还可总结多年实践经验，用目测法大致判断风煤配比情况与空气系数是否适当：如燃烧区的火焰呈亮橘黄色，烟气呈灰白色，表明风煤配比恰当，空气系数适合，燃烧正常；如火焰呈刺眼白色，烟气呈白色，说明风煤配比不当，空气量太大或煤量偏小；如火焰呈暗黄色或暗红色，烟气呈淡黑色，可看出风煤配比不当，煤量较多，空气量不足。

对于链排炉，检测计算的空气系数表征的是锅炉炉膛内燃烧状况的总体情况。而经验目测法不但可以观察到炉膛内火床的全部状况，而且还可以察明火床纵向长度控制是否合理，火床横向燃烧断面是否均称，有无局部穿火或燃煤堆积现象，火焰的充满度和高温区域控制是否妥当等。炉排距挡渣铁500mm处无火苗，灰渣掉落无跑火现象，以便发现问题，及时进行调整。由此可见，理论与实践相结合，方能解决实际存在的问题。

2.燃料完全燃烧的评判依据

根据在线安装的CO2或O2检测仪表及便携式气体分析仪的测定结果，除了计算空气系数之外，还可利用烟气成分的分析结果来判断燃烧的好坏，以便为燃烧调整合理配风提供依据。完全燃烧时应该满足以下等式：

21-（RO2+O2）=βRO2　　（2-12）

或　　21-O2-（1+β）RO2=O　　（2-13）

式中，β为燃料特性系数，可查表2-4，也可用下式进行计算：

式中，H为燃料中的氢元素含量，％；O为燃料中的氧元素含量，％；K为燃料中碳元素与硫元素的含量，％，K=C+0.375S。

式（2-12）和式（2-13）是在理论上完全燃烧条件下推导出来的，在实际应用时往往不完全相等。这是因为燃烧效率不可能达到100％，此外，还有取样漏气、化验分析的准确度等影响因素。所以在利用以上两式考察完全燃烧程度时，近似相等便可。相差的数值愈大，说明燃料燃烧程度愈不完全。在此情况下应找出原因，采取措施。

固体燃料特性系数β=0.035～0.15；液体燃料，β=0.20～0.35；对于纯炭，β=0。燃料的碳、氢比是判别燃料特性的主要依据，如燃料中硫含量很低时，K值可近似取C元素含量。

3.空气系数对烟气成分的影响

当燃料种类、燃烧方式与燃烧装置确定后，烟气中各成分的含量，将随空气系数的大小而发生变化。如增大空气系数，烟气中的CO2含量随之减小，而O2和N2含量必然增加。现以重油燃烧为例，来说明空气系数对烟气中CO2、O2和CO的影响，如图2-6所示。

由图可见，在理论空气量下α=1时，使重油完全燃烧时，烟气中的CO2含量最大值达到16.0％，此时O2为0。若选取空气系数为1.15～1.35时，则烟气中的CO2含量为14.0％～11.0％，O2为3.0％～6.0％之间。如若把空气系数提高到1.4，则烟中的CO2含量呈直线下降，而O2含量急剧升高。此时，必然发生燃烧状况恶化现象，这就是要实施低氧燃烧的道理。

由图2-6中还可看到，在理论空气量下燃烧时，烟气中的CO2含量出现一个峰值，而O2呈低谷值；当空气系数小于1时，CO2含量减少，但CO含量上升，不完全燃烧热损失增大，这当然是不合理的。

锅炉热平衡测定与试验研究表明，不同燃料在相同的空气系数下燃烧时，烟气中CO2含量与最大值有明显差别。但O2含量，除高炉煤气与发生炉煤气外，所有固体燃料与气体燃料几乎都是一致的。但如有系统漏风或取样漏气，就没有此种规律。

根据燃料燃烧时上述CO2和O2成分的变化规律，在炉膛烟气出口处安装CO2或氧化锆氧量仪，检测烟气中的CO2和O2成分，作为控制配风和燃烧调整的依据，使燃料达到完全燃烧，是一项非常有效的节能应用技术，是实施低氧燃烧应配备的主要仪器。

4.空气系数对燃烧效果的影响

图2-7绘制出燃煤锅炉燃烧时，空气系数与燃烧温度与CO2含量之间的相互关系。例如，当把空气系数控制在1.4时，烟气中的CO2含量为13.5％，火焰温度为1350℃，属正常燃烧；若把空气系数加大到1.8时，CO2含量下降至10.4％，相对应火焰温度降低到1140℃。表明空气系数提高20％，火焰温度下降160℃，下降速率为12.3％；如若把空气系数加大到2.3时，CO2含量降到8.0％，火焰温度只有980℃，下降速率增大到14.0％。因而正常燃烧受到严重影响，锅炉出力和热效率必然降低。空气系数除上述影响外，还对烟气量有直接影响，加大空气系数，排烟热损失q2必然加大，这就是实施低氧燃烧的道理之一。

从以上实例中可以看到优选空气系数对锅炉经济运行的影响。其实工业锅炉选用最佳空气系数，就是趋向低氧燃烧技术，必然会取得节能减排效果。

三、工业锅炉合理配风的标志

工业锅炉燃烧调整、合理配风，还可以从强化燃烧的角度进行阐述，更能说明其重要性和操作技术。因此，把此部分内容列入第三章燃煤锅炉强化燃烧技术中讲解更为适宜。