摘要：煤粉燃烧火焰中含有大量的粒子形态的燃烧产物（如烟黑、焦炭和飞灰等），而且这些颗粒物的辐射能力要远强于气体形态的燃烧产物（CO2、水蒸气等）。研究煤粉燃烧火焰的黑度（辐射率）对炉内的辐射传热计算有着非常重要的作用。
关键词：热能动力工程；燃煤锅炉；火焰黑度；
在大型电站燃煤锅炉中，辐射是最主要的换热方式，研究煤粉燃烧火焰的黑度（辐射率）对炉内的辐射传热计算有着非常重要的作用。
一、火焰黑度检测原理
描述物体发射本领的特性参数为辐射率，又称为黑度，它等于物体的辐射力E与同温度下黑体辐射力E b之比。光谱辐射率是物体的光谱辐射力E入与同温、同波长的黑体光谱辐射力E b入之比。电站锅炉中发生的燃烧过程伴随着强烈的辐射传递过程，煤粉燃烧火焰的主要波长范围是300nm~1000nm，温度范围是800K~2000K。根据W i en辐射定律，火焰的单色辐射能E入为
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(1)
式中T为绝对温度，K；入为波长，n m；c1、c2为Planck常数；ƹ入为火焰的光谱辐射率。用彩色CCD摄像机摄取来自锅炉内的火焰图像时，CCD靶面接收到的是可见光光谱范围中红、绿、蓝三基色波长下的单色辐射图像，经过信号处理后，再根据色度学原理，由红、绿、蓝三基色组成彩色图像。因此，CCD摄像机拍摄的彩色火焰图像中，每一象素的R、G、B值反映了火焰的单色辐射能的大小，可以建立
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（2）
式中k r、kg、k b为检测系数；与CCD摄像机有关；Er、E g、E b为火焰在波长入r、入g、入b下的单色辐射能。已有研究表明煤粉燃烧火焰辐射在可见光和近红外区域可近似为灰体辐射，其光谱辐射率等于全波长辐射率。因此，综合式(1)、(2)，可以得到煤粉燃烧火焰的黑度。例如对于红色波长，有
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(3)
采用彩色CCD摄像机检测到的火焰黑度仅仅代表可见光区域的辐射特性。而对于CO2、水蒸气等具有明显红外辐射能力的气体的辐射可以采用位于红外光谱范围的CCD传感器（例如红外热像仪所使用的红外CCD传感器），拍摄火焰的红外辐射图像，并采用红外图像处理方法计算火焰在红外区域的黑度。通过在黑体炉上进行的标定试验可以确定CCD摄像机的检测系数k r、kg、k b。黑体炉为人造黑体，其黑度为0.9999，通过加热可以稳定地工作在所设定的温度值上，其温度范围是800℃~1800℃。标定方法是用CCD拍摄黑体辐射图像，在已知黑体炉黑度和温度的情况下可用式(3)计算出检测系数。煤粉燃烧火焰的温度可以用双色法从彩色CCD摄像机拍摄的三幅单色图像中得到。用该方法
测量火焰温度T的公式如下
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(4)
式中R、G为图像中任一像素的红色值和绿色值。
二、锅炉的运行
1、最佳燃烧工况的调节：通过调节锅炉的炉排转速、煤层厚度、锅炉鼓、引风量、锅炉的合理配风及炉膛负压等，可使锅炉达到最佳燃烧工况。
2、锅炉负荷的调节：锅炉负荷的调节是根据用户需要而进行的。是通过调节燃煤量及鼓、引风量来实现。锅炉负荷应尽量控制在70～100％额定负荷范围内，否则将难以实现最佳燃烧工况，长期高（低）负荷运行还将影响锅炉的使用寿命。
3、锅炉水位：本锅炉装有两只水位计及锅炉水位控制器、水位警报器。锅炉正常运行时水位控制器使锅炉实现连续式自动上水。水位警报器具有高、低水位报警和极低水位报警、停炉等功能。用户对锅炉水位应经常监视，并做好日常维护及检修工作，发现问题查明原因及时处理。
4、锅炉汽压：锅炉汽压的高低应根据用户的需要而定。锅炉负荷的变化对蒸汽压力影响较大，用户要根据负荷变化情况及时调整运行，使锅炉汽压在一个允许的范围（正负０.０５MPa）内波动。
5、锅炉排污：锅炉在下锅筒底部，前、后及侧下集箱的最低处设有定期排污装置，上锅筒还设有连续排污装置。用户应根据锅炉炉水品质及蒸汽品质情况，确定排污量及排污方案，并认真执行。
6、锅炉燃煤：锅炉燃煤经上煤系统进入加煤斗，锅炉的燃煤量要与锅炉负荷相适应，由煤层厚度及炉排转速控制，煤层厚度靠调节煤闸板的高度来调节。
7、除渣及清灰：锅炉的炉渣是燃煤在炉排上燃烧、放热后的产物，它由炉排尾部排入渣沟，安装在渣沟内的除渣机将把它排放到指定地点。由炉排片的间隙落入各风室的漏煤及漏灰通过炉排两侧的风室落灰装置定期清除（锅炉每运行3～5小时至少清灰一次），并落到下部炉排之上，与炉排片间夹带的灰渣一起通过炉排的运转被带到落灰坑中，定期清除。随烟气带出炉膛的飞灰颗粒在过热器后将把较大的颗粒分离出来，此处设有落灰口及炉门，用户应根据运行及积灰情况经常检查，及时清除。锅炉的清灰应选择好适当的时间，如锅炉低负荷运行时。两次排灰的间隔时间根据落灰量的多少而定，如上次清灰时灰量多则下次清灰时间可提前一些，相反则时间在延长一些。锅炉应尽量避免长期低负荷运行（负荷低于５０%），否则对流管束等处也可能出现少量积灰，此部分的积灰应在停炉时清除，对流管束处装有吹灰器。锅炉风、烟系统的调节：锅炉鼓、引风的总量由鼓风机调风装置及引风机调风装置来调节，其炉膛负压应控制在２０～３０Ｐa。炉排的配风采用横向两侧进风，纵向多风室配风来保证炉排布风的均匀性，各风室进风量靠调节各风室调风装置来实现，每个风室设有两个调风装置，两侧进风量分别调节。锅炉风量的大小应与锅炉负荷相适应，一般炉膛内的过量空气系数控制在１.３～１.５左右为宜。过量空气系数过大会增大排烟热损失，过量空气系数过小又会造成燃烧的不充分，这样都会造成锅炉效率的降低。
三、检测结果及分析
1、锅炉A检测结果。 给出了3种典型负荷下拍摄的火焰。从火焰中可以看出，燃烧器区域（第3层和第4层）的火焰图像较亮，安装在锅炉出口处（第1层）的两个CCD所拍摄的火焰图像较暗。系统在线检测了炉内的火焰黑度。 火焰的黑度随着负荷的增加而变大，这是因为，当机组负荷增加时，投入的燃料更多，火焰中颗粒物(焦炭、烟黑、飞灰等)的浓度增加，使得火焰的辐射能力增强；沿锅炉高度方向上，第3层火焰的黑度最高，第1层火焰黑度最低，这是因为，第3层为燃烧器区域，火焰中的煤粉粒子还没有完全燃尽，颗粒物浓度较大，所以该区域火焰黑度较大；对于燃烧器之上的炉膛区域，越往上燃尽度就越高，火焰中的粒子浓度就越低，所以第1层（锅炉出口区域）的火焰黑度最低。
2、锅炉B检测结果。同样，对锅炉B中沿锅炉高度方向的火焰黑度分布进行了计算分析。给出了3种负荷下的火焰。在燃料不变的情况下，对3种典型负荷工况下的炉内火焰黑度进行了统计分析，分别计算锅炉B的第1层～第6层的平均火焰黑度。随着负荷的增加，所测的火焰黑度增大。沿锅炉高度方向上，位于燃烧器区域的第4层火焰的黑度最高，燃烧器之上的炉膛区域，越往上火焰黑度越低。
3、检测结果的比较分析。比较锅炉A和B在各自额定负荷下的火焰黑度沿炉膛高度的变化，可以发现一个有意义的现象。在锅炉的出口区域（第1层），锅炉A的黑度为0.391，锅炉B的黑度为0.273，小于锅炉A的黑度。这可解释为，锅炉A的煤种的灰份较多，在炉膛出口处，固定碳被大部分燃尽后，锅炉A的烟气中含有较大浓度的颗粒，故其黑度较大。但在燃烧器区域，锅炉A的最大黑度为0.529，锅炉B的最大黑度为0.55，大于锅炉A的黑度。这是因为锅炉B的挥发份大于锅炉A的，而火焰中烟黑生成的浓度正比于煤中挥发份的含量，因此锅炉B中火焰区域的黑度的增加应归因于其烟黑浓度的增加。锅炉B的黑度低于锅炉A的黑度，而锅炉B的温度高于锅炉A的温度。这是因为锅炉B燃用的煤质较好，灰份含量较低，燃尽度较高，火焰中的颗粒浓度较低，所以火焰的辐射率较低。而且，火焰温度高时，炉内燃尽度也高，火焰中的颗粒浓度低，火焰黑度也就较低。
参考文献
[1]张攀敏，浅谈燃煤锅炉中火焰黑度的在线检测与分析.2017.
[2]王新宇，探讨燃煤锅炉中火焰黑度的在线检测与分析.2016.
论文作者:朱文超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
标签：锅炉论文; 火焰论文; 负荷论文; 炉膛论文; 区域论文; 水位论文; 黑体论文; 《电力设备》2018年第22期论文;