锅炉效率与燃烧

燃烧过程的概述，包括燃烧器类型与控制、热输出及热损失。

本模块旨在对燃烧过程进行非常全面的概述，燃烧过程是锅炉整体效率的关键组成部分。如需更深入的知识，建议参阅专业教材和燃烧器制造商的技术资料。锅炉效率简单地将能量输出与能量输入相关联，通常以百分比表示： “蒸汽输出的热量”和”燃料提供的热量”将在以下两个章节中进行更详细的介绍。

燃料提供的热量

热值热值可以用两种方式表示：“高位”热值或”低位”热值。 高位热值 这是燃料能量的理论总量。然而，所有常见燃料都含有氢，氢与氧燃烧生成水，水以蒸汽形式随烟气排出烟囱。燃料的高位热值包括蒸发这些水所消耗的能量。蒸汽锅炉装置中的烟气不会被冷凝，因此锅炉装置实际可用的热量会减少。精确控制空气量对锅炉效率至关重要：

空气过多会冷却炉膛，并带走有用的热量。
空气不足会导致燃烧不完全，未燃燃料会被带走，并可能产生烟尘。 低位热值 这是燃料的热值，不包括排放到烟囱的蒸汽中的能量，是通常用于计算锅炉效率的数值。大致来说：精确控制空气量对锅炉效率至关重要：
空气过多会冷却炉膛，并带走有用的热量。
空气不足会导致燃烧不完全，未燃燃料会被带走，并可能产生烟尘。然而在实践中，实现完美的（化学计量比）燃烧存在许多困难：
燃烧器周围的条件不会是完美的，不可能确保碳、氢和氧分子的完全匹配。
部分氧分子会与氮分子结合形成氮氧化物（NOx）。为确保完全燃烧，需要提供一定量的”过剩空气”。这会对锅炉效率产生影响。许多现有较小型锅炉装置上，空气/燃料混合比的控制采用”开环”方式。即燃烧器配有一系列凸轮和杠杆，经过校准后为特定的燃烧速率提供特定的空气量。显然，作为机械部件，这些装置会磨损，有时需要重新校准。因此，必须定期维护和校准。在较大型装置上，可能安装”闭环”系统，利用烟气中的氧传感器来控制燃烧空气风门。锅炉燃烧室中的空气泄漏会对燃烧的精确控制产生不利影响。

法规

目前，全球致力于应对气候变化计划，已有160个国家签署了1997年的《京都议定书》。这些国家同意采取积极和单独的行动来：

减少有害气体向大气的排放—— 虽然二氧化碳（CO2）是该协议所涵盖的气体中效力最低的，但它是迄今为止最普遍的，约占需要减排的总气体排放量的80%。
实现可量化的年度燃料使用减少—— 这可以采用替代性无污染能源的形式，或更高效地使用相同燃料的形式。在英国，该承诺被称为”英国国家空气质量战略”，并通过多项法律法规发挥作用。其他国家也将有类似的战略。

技术

来自污染法规的压力、锅炉用户对经济性的要求，加上微芯片技术的发展，极大地推动了锅炉燃烧室和燃烧器设计的进步。配备最新燃烧器的现代锅炉可能具有：

再循环烟气以确保最佳燃烧，同时保持最少的过剩空气。
先进的电子控制系统，监测烟气的所有成分，并对燃料和空气流量进行调节，以将工况保持在规定参数范围内。
大幅改善的调节比（最大与最小燃烧速率之比），使其能够在更大的运行范围内满足效率和排放参数要求。

热损失

在讨论了锅炉炉膛中的燃烧，特别是与完全高效燃烧相关的正确空气比的重要性之后，接下来需要审视其他潜在的热损失和低效来源。 烟气中的热损失 这可能是最大的单项热损失来源，工程经理可以减少大部分损失。损失归因于离开炉膛的气体温度。显然，烟囱中的气体温度越高，锅炉效率越低。气体温度过高可能有以下两个原因之一：

燃烧器产生的热量超过了锅炉特定负荷的需求：这意味着燃烧器和风门机构需要维护和重新校准。
锅炉内部的换热面没有正常工作，热量没有传递给水：这意味着换热面被污染，需要清洁。此处需要注意——过度冷却烟气可能导致温度降至”露点”以下，由于以下物质的形成，腐蚀的风险会增加：硝酸（来自燃烧所用空气中的氮）。硫酸（如果燃料含有硫）。水。 散热损失 由于锅炉比周围环境温度高，部分热量会传递到周围环境中。损坏或安装不良的保温层会大大增加潜在的热损失。保温良好的5 MW或以上的锅壳式或水管式锅炉，其向周围环境的热损失在0.3%到0.5%之间。这看起来可能不是很大的量，但必须记住，这是锅炉满负荷额定值的0.3%到0.5%，即使锅炉不向工厂输出蒸汽，仅处于待机状态，这种损失也会保持恒定。这表明，为了更高效地运行，锅炉装置应在其最大容量附近运行。这反过来可能需要锅炉房人员与生产部门之间的密切合作。

燃烧器调节比

燃烧器的一个重要功能是调节比。调节比通常以比率表示，基于最大燃烧速率除以最小可控燃烧速率。调节比不仅仅是将不同数量的燃料注入锅炉的问题，从经济和法规的角度来看，燃烧器在整个运行范围内提供高效、适当的燃烧，并满足日益严格的排放法规，这一点越来越重要。如前所述，作为锅炉燃料的煤炭往往局限于专门的应用，如电站中的水管式锅炉。

燃油燃烧器

高效燃烧燃油需要高的燃料表面积与体积比。经验表明，20至40 μm范围内的油粒最为成功。颗粒大小：

大于40 μm的颗粒往往穿过火焰而未完成燃烧过程。
小于20 μm的颗粒可能运动速度过快，穿过火焰而完全没有燃烧。燃油燃烧的一个非常重要的方面是粘度。油的粘度随温度变化：温度越高，油的流动性越好。事实上，大多数人都知道重质燃料油需要加热才能自由流动。但不太明显的是，温度（因而粘度）的变化会影响燃烧器喷嘴处产生的油粒大小。因此，需要精确控制温度，以在喷嘴处提供一致的条件。 压力喷射燃烧器 压力喷射燃烧器简单地说就是加压管末端的一个孔口。通常燃油压力在7至15 bar范围内。在运行范围内，当燃料喷入炉膛时，孔口处产生的显著压降导致燃料雾化。用拇指堵住花园水管末端会产生相同的效果。改变孔口（喷嘴）前方的燃油压力可以控制燃烧器的燃料流量。如果燃料流量减少到50%，雾化能量减少到25%。这意味着对于特定喷嘴，可用的调节比仅限于约2:1。为克服这一限制，压力喷射燃烧器配有一系列可互换的喷嘴，以适应不同的锅炉负荷。 压力喷射燃烧器的优点：
成本相对较低。
维护简单。 压力喷射燃烧器的缺点：
如果装置的运行特性在一天中变化很大，则需要停炉更换喷嘴。
容易被碎屑堵塞。这意味着维护良好的细网过滤器是必不可少的。

旋杯式燃烧器

燃油沿中心管供给，喷射到高速旋转锥体的内表面上。当燃油沿杯体移动时（由于缺乏向心力），随着杯口直径增大，油膜逐渐变薄。最终，燃油从锥体唇口以细雾状喷出。由于雾化是由旋杯产生的，而不是由燃油的某些功能（如压力）产生的，因此调节比远大于压力喷射燃烧器。旋杯式燃烧器的优点：

结构坚固。
良好的调节比。
燃料粘度要求不太严格。旋杯式燃烧器的缺点：
购置和维护成本较高。

燃气燃烧器

目前，燃气可能是英国最常用的燃料。由于是气体，雾化不是问题，燃气与适量空气的适当混合就是燃烧所需的全部。燃气燃烧器有两种类型：“低压”和”高压”。 低压燃烧器 这些燃烧器在低压下运行，通常在2.5至10 mbar之间。燃烧器是简单的文丘里装置，燃气在喉部区域引入，燃烧空气从外部被吸入。输出功率限于约1 MW。 高压燃烧器 这些燃烧器在较高压力下运行，通常在12至175 mbar之间，可能包含多个喷嘴以产生特定的火焰形状。

双燃料燃烧器

有吸引力的”可中断”燃气费率使其成为英国绝大多数组织的选择。然而，如果燃气供应中断，许多这些组织需要继续运营。通常的做法是在现场备有燃油供应，并在燃气不可用时用其燃烧锅炉。这导致了”双燃料”燃烧器的发展。这些燃烧器以燃气为主燃料设计，但额外具有燃烧燃油的功能。燃气公司发出的供应中断通知可能很短，因此要尽快切换到燃油燃烧，通常的步骤是：

关闭燃气供应管线。
打开燃油供应管线并启动燃料泵。
在燃烧器控制面板上选择”燃油模式”。（这将更改不同燃料的空气设置）。
吹扫并重新点火锅炉。此操作可以在相当短的时间内完成。在一些组织中，切换可作为定期演练的一部分进行，以确保操作人员熟悉程序，并且任何必要的设备都已准备就绪。然而，由于燃油仅作为”备用”，可能只用于短时间，燃油燃烧功能可能较为基础。在更先进的、配备高容量锅炉装置的工厂中，燃气燃烧器可以被撤出并替换为燃油燃烧器。

燃烧器控制系统

读者应注意，不能孤立地看待燃烧器控制系统。燃烧器、燃烧器控制系统和液位控制系统应相互兼容、协同工作，以高效的方式满足工厂的蒸汽需求。以下几段简要概述了基本的燃烧器控制系统。 开/关控制系统 这是最简单的控制系统，意味着燃烧器要么以满负荷运行，要么关闭。这种控制方法的主要缺点是锅炉每次点火时都会受到频繁而剧烈的热冲击。因此，其使用应限于500 kg/h以下的小型锅炉。 开/关控制系统的优点：

简单。
成本最低。 开/关控制系统的缺点：
如果燃烧器刚关闭后就有大负荷施加到锅炉上，可用蒸汽量会减少。在最坏的情况下，这可能导致锅炉汽水共腾并锁定。
热循环。 高/低/关控制系统 这是一种稍微复杂的系统，燃烧器有两个燃烧速率。燃烧器先在较低的燃烧速率下运行，然后根据需要切换到全负荷燃烧，从而克服最严重的热冲击。燃烧器也可以在负荷降低时回到低火位置，再次限制锅炉内的热应力。这种类型的系统通常安装在输出不超过5 000 kg/h的锅炉上。 高/低/关控制系统的优点：
锅炉能够更好地响应大负荷，因为”低火”位置将确保锅炉中有更多的蓄热能量。
如果在燃烧器处于”低火”时施加大负荷，它可以立即通过增加燃烧速率到”高火”来响应，例如可以省略吹扫周期。 高/低/关控制系统的缺点：
比开/关控制更复杂。
比开/关控制更昂贵。 比例调节控制系统 比例调节燃烧器控制将在整个调节比范围内改变燃烧速率以匹配锅炉负荷。每次燃烧器停机和重启时，系统必须通过在锅炉通道中吹入冷空气进行吹扫。这浪费能量并降低效率。然而，完全比例调节意味着锅炉在整个范围内持续燃烧，以最大限度地提高热效率并最大限度地减少热应力。这种类型的控制可以安装在任何大小的锅炉上，但应始终安装在额定蒸发量超过10 000 kg/h的锅炉上。 比例调节控制系统的优点： 锅炉能够更好地承受大幅波动的负荷。这是因为：
锅炉压力保持在其控制范围的顶部，蓄热能量水平最高。
如果需要在短时间内提供更多能量，控制系统可以立即通过增加燃烧速率来响应，无需暂停进行吹扫周期。 比例调节控制系统的缺点：
最昂贵。
最复杂。
需要具有高调节能力的燃烧器。