（热能工程专业论文）工业锅炉燃烬室的实验研究.pdf

i l 东大学颂士学位论文 摘要 本文分析了工业锅炉在能耗、环保方面存在的问题，解决 此问题对于节能具有十分重要的意义。 工业锅炉关于燃烬室方面国内外研究的很少。本文在分析 了焦碳在煤的燃烧过程中的重要作用和效果后，从理论上对焦 碳的燃烧过程进行了分析，指出强化燃烧可以采取的措施。 燃烬室在燃料完全燃烧、减少污染物排放中具有重要作用。 本文分析了合理的燃烬室结构形状能在燃烬室内形成较好的空 气动力场，从而加强燃烬室内气流的扰动，在燃烬室空间形成 旋涡，进一步延长烟气在燃烬室内停留的时间，以使尽可能多 的飞灰沉降下来，使飞灰可燃物进一步燃尽的，从而达到节能、 环保 j 勺目的。 本文分析了燃烬室燃烧的计算方法，指出了提高工业锅炉 热效率、进一步减少工业锅炉初始排尘浓度的话施。 燃烬室内空气动力场究竟是一个什么样的流场，它如何影 响燃料的燃烧以及飞灰的沉降，什么形状的燃烬室更能使飞灰 可燃物进一步燃尽和沉降，这在国内外几乎没有研究。 为此，我们以一台t 4 m w 的热水锅炉为研究对象，制作了 炉内空气动力场研究实验台，利用七孔探针测试了三种不同形 状的燃烬室入口和燃烬室内的空气动力场，得出了各测点上的 的压力值，利用探针数据处理程序处理实验数据，得出各点的 速度值，再运行m a t l a b 6 0 可视化程序作出三种测试工况下的 三维速度矢量图，还利用e x c e l 2 0 0 0 的数组处理功能计算得也 符测点+ ：的旋度及其对应的模，从而得到各处产生的漩涡的具 体状况，通过对速度矢爨圈和各处的旋度及其模的值进行分析、 比较了解了各种实验状况下的空气动力场的特性。 通过分析：工业锅炉中，炉内燃烧室与燃烬室之间的折烟 山东大学硕士学位论文 墙的形状对炉内燃料燃烧有较大影响。合理的折烟墙的形状可 以在燃烬室内形成良好的空气动力场，加强燃烬室内气流的扰 动，使气流形成旋涡，延长了烟气在燃烬室内的停留时间，使 烟气中的飞灰可燃物进一步燃尽，从而降低了机械不完全燃烧 损失，同时还使一部分飞灰沉降下来，降低了锅炉的初始捧尘 浓度。 由实验结果根据分析我们得出在炉内形成较好空气动力场 的燃烬室和燃烧室之间的折烟墙应由原传统出口水平方式改为 倾斜方式，倾斜角改为2 5 。3 2 。，这有利于降低炉内飞灰段 飞灰可燃物含量，有利于节能与环保、一一 f 关键词l l 工业锅炉 燃烬室乜煎拯针 空气动 - _ _ _ - 。_ _ _ _ 一 一 力特性 、，_ _ _ 一 趋一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a lb o i l e r i s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r t h e r e a r es o m e p r o b l e m s ，s u c ha se x p e n s i n gm o r ee n e r g y ，p o l l u t i n gh e a v i l yi n t h e u s eo fi t ，t os o l v es u c hp r o b l e m si sv e r yi m p o r t a n ti no u rc o u n t r y w h i c hi sl a c ko fe n e r g y t h e r ea r ef e wd o m e s t i cr e s e a r c h e sa b o u tt h er e b u r n m gc h a m b e r i n n e ra i rd y n a m i c sp r o p e r t i e s ，s oa r et h ea b r o a d i nt h ec o u r s eo f c o a lc o m b u s t i o n ，t h ei m p o r t a n ta c t i o na n de f f e c to f t h eh a r dc o k ei s a n a l y z e di nt h i sp a p e r h a r d c o k ec o m b u s t i o np r o c e s si sa n a l y z e di n t h e o r y s o m ea d o p t e da p p r o a c h e ss t r e n g t h e nc o a lc o m b u s t i o n ，a r e p o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h er e b u r n i n gc h a m b e rs h a p ec a ni n f l u e n c ei m p o r t a n t l yt h ec o a l c o m b u s t i o nc o m p l e t e l y ，r e d u c t i o no ft h e c o n t a m i u a t i o n p r o p e r r e b u r n i n gc h a m b e rs h a p ec a nf o r mb e t t e rd y n a m i cf i e l d ，i n c r e a s e d i s t u r b i n g a n d p r o d u c ew h i r l p o o l i nt h er e b u r n i n gc h a m b e r ，i t p r o l o n g st h et i m eo ff l a m ep a r t si n s i d et h ef u r n a c e ，t h i sm a yk e e p d o w np a r to fd u s t s ，t h eh a r dc o k ei sb u r n e dm o r ec o m p l e t e l y s oa l l o ft h e s er e a c ht ot h ea i mo f s a v i n ge n e r g y a n d p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n t c a l c u l a t i o n a lm e t h o d o f r e b u r n i n gc h a m b e r i sa n a l y z e ，m e a s u r e s o f i m p r o v i n g t h e r m a le f f i c i e n c y ， r e d u c t i n go f f l u ed u s td e n s i t ya r e p o i n t e do u ti nt h i sp a p e r w h a ta b o u tt h er e b u r n i n gc h a m b e ra i rd y n a m i cf i e l da n dh o e d o e si ti n f l u e n c ec o a lc o m b u s t i o n ? h o wt of o r mb e t t e ra i rd y n a m i c f i e l da n dt h eh a r dc o k ei sb u r n e da n df c l im o r ec o m p l e t e l yo l l r e b u r n i n gc h a m b e r ? t h e r ei sa l m o s tn o b o d yw h o d os o m er e s e a r c h o l it h e s e t h ei n n e ra i rd y n a m i c sp r o p e r t i e so fai 4 m wi n d u s t r i a lb o i l e r 山东大学硕士学位论文 i su s e da sa ni n v e s t i g a t e do b j e c t ，c h a n g i n gt h ec h a m b e r ss h a p eo f t h eb o i l e rt oe s t a b l i s ht h r e es i t u a t i o n ，m e a s u r i n ga b o u tt h ed y n a m i c s f i e l d w i t hs e v e np r o b e s ，t h ep r e s s u r ev a l u eo f e a c hp o i n ti se d u c e d t h ed a t ai sh a n d l e db ys e v e np r o b e sp r o g r a mt og e te v e r yv e l o c i t y ， t h e nm a t l a b 6 0v i s u a l p r o g r a m i su s e dt of o a m3 - d v e l o c i t y v e c t o r g r a p ho ft h r e e d i f f e r e n tt e s t i n gs i t u a t i o n r o t a t i o na n di t s m o d u l eo f e v e r yp o i n tc a nb er e c e i v e d b yu s i n gt h ea r r a yh a n d l i n g f u n c t i o no fe x c e l 2 0 0 0 ，p a r t i c u l a rs i t u a t i o no fe v e r yv e r t e xw i l lb e u n d e r s t o o d i ti n d i c a t e st h a tt h ef o l ds m o k ew a l l s s h a p eo ff i r e b o xa n d r e b u r n i n g c h a m b e r m a y i n f l u e n c et h eb u r n e f f i c i e n c y i nt h e i n d u s t r i a lb o i l e r p r o p e rw a l ls h a p ec a nf o r mb e t t e rd y n a m i cf i e l d ， i n c r e a s ed i s t u r b i n ga n dv o r t e xi nt h eb o i l e r ，i tp r o l o n gt h et i m eo f f l a m ep a r t si n s i d et h ef u r n a c e ，t h ec a r b o n g r a i n i sb u r n e dm o r e c o m p l e t e l y ，t h i sm a y d e c r e a s et h eh e a tl o s sa n dk e e pd o w np a r to f d u s t ，i m p r o v et h eb o i l e r sb u r n i n ge f f i c i e n c y ，i tl e a dt ot h er e d u c t i o n o ff l u ed u s td e n s i t ya n dd e c r e a s eg a sd a r k n e s s t h ef o l ds m o k ew a l l ss h a p es h o u l db ec h a n g e d ，a tt h el e a n i n g a n g l e o f i t s s h a p e o f f i r e b o xa n d r e b u r n i n g c h a m b e rf r o m2 5 。t o3 2 。 t h eb e t t e rd y n a m i cf i e l dc a nb ef o r m e di ni n n e ri n d u s t r i a lb o i l e ro n t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a t i o n 1 th a db e t t e rr e a c ht ot h ea i mo f s a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t k e y w o r d s ： s e v e np r o b e s i n d u s t r i a lb o i l e r r e b u r n i n g c h a m b e r a i rd y n a m i c s p r o p e r t i e s 山东大学硕士学位论文 主要符号表 a 一燃烬室漏风系数，一般a = o 一水冷壁表面黑度 口。一一燃烬室的烟气黑度 睇一燃烬室出口烟气无因次温度 p 密度，k g ，m 3 f 碳粒燃烧所需的时间j 扩散速度常数 d 定性尺寸( 直径) m j i 化学反应速度常数 w 氧气消耗速度，m 3 s x 燃烬室角系数 岛燃烬室波尔茨曼准则 d 扩散系数 以燃烬室辐射受热面积，m z 乃一巧分别表示燃烬室入1 ：3 和出口烟气焓，k j k g 胁。扩散努谢尔特准则 r e 一一雷诺准则 l 绝热燃烧温度 有效平均温度 u x 方向分速度 v y 方向分速度 烟气的平均热容量 w z 方向分速度 山尔人学硕 ：学位论文 1 、绪论 1 1 、节麓、环保与爱圈的工业锅炉 我国的能源总量居世界第三位，但我国人口众多，占世界 总人口的2 2 ，故能源资源相对匮乏。如已探明的煤炭储量为 1 0 2 2 9 亿吨，但可采储量仅8 5 6 亿吨，仅占世界总储量的l l 。 从总体上讲，我国人均能源资源占有量不到世界平均水平的一 半1 47 1 i ”。 一 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，是囤民经济 发展的先行军，它对一个国家的经济发展起着重要的作用。人 均能源资源相对不足，已成为我国社会、经济可持续发展的制 约因素。自1 9 9 3 年开始，我国丌始成为能源进口国。2 0 0 0 年， 我国一次能源缺4 6 s 4 亿吨标煤。如不抓节能，预计到2 0 1 0 年将缺8 ，到达2 0 5 0 年，将缺2 4 左右。我国能源的缺乏， 只能靠开源和节流二个途径来解决，并把节约放在首位1 4 7 i i 川”。 根掘我国的燃料政策，锅炉以燃煤为主。我国是：今呲界 上煤炭产销量最大的国家。1 9 9 5 年全国煤炭消耗量为l3 1 亿吨 ( 占一次能源总量的7 4 6 ) l “，8 0 年代以来，我幽煤炭消赞 持续快速增长，年均增长率为5 1 7 t 6 i 。但我国8 6 的煤炭产 量用于直接燃烧i ? 1 ，其中2 3 用于电站锅炉，3 0 以上用于工 业锅炉，因此，我国工业锅炉是能源( 特别是煤炭) 消耗的大 户。 工业锅炉是工业生产和人民生活中广泛应用的一种热力设 帑，在国民经济中占有重要地位。工业锅炉中，火床炉占有多 数链条炉又是火床炉中数量及容量最多和最大的种1 8 - 9 1 。 煤炭作为燃料，同燃油和燃气栩比有两人缺t i ：“足排 烟对环境的污染严重：二是利用率低、浪费过大。这两点在工 业锅炉上尤为突出i i o i 据统计。1 9 9 8 年束i ，我国在用工业锅炉5 0 j 2 月台，其 i l jj 尔入学硕i 。乍 审论文 i l ，乍产用锅炉2 3 7 8 万台、生活用锅炉2 6 3 4 h 台( 总容量约1 2 0 n 蕉吨) 占总量的5 2 5 5 ，而这两种用途的锅炉平均单台容 量仅为2 2 8 t h 。它们对环境和节能影响甚大。这是因为，它的 数鼍多、分布广、单台容量小、结构不尽合理、辅机配套又不 好、仪表自控水平低、运行操作管理素质差、商科技含量太少， 最终表现为热效率低，大气污染严重。我国在用工业锅炉平均 热效率约为6 5 ，比国际水平低15 - 2 0 个百分点，因而每年浪 费8 0 0 0 1 0 0 0 0 万吨标准煤，并且排烟黑度、烟尘浓度和s o ，排 放浓度超过国家环保标准，严重污染环境1 1 2 1 。由上可知，工业 锅炉如何节能，如何降低烟尘排放浓度和烟气黑度已经成为摆 在我们面i j i 的一项重要的任务。 工业锅炉以中小容量为主。北京市曾对l3 9 3 0 台工、啦锅炉 作过普查分析，在用锅炉中，2 4 t h 锅炉占6 5 4 ， 6 t h 锅炉不过占2 1 7 。从表1 1 可c i 看出， 甲国在用工业锅炉总量( 按整吨) 中，华北及东北两区各约占 2 5 ，华东约占2 0 。 表1 1 、中国在用工业锅炉按大区分斫i 情况袭 群号地i xi ：业锅炉总馘其中热水锅炉 台数蒸吨台数兆瓦 i华北1 0 1 4 7 72 3 9 5 4 35 0 6 137 0 6 7 i 2东北i f 6 6 5 72 4 9 6 4 77 2 6 2 28 6 6 4 l 3撕北2 8 9 7 49 9 3 2 ii3 6 0 22 5 0 2 l 三北台计2 4 7 1 0 85 8 8 5 l l 1 3 6 8 3 7i8 2 3 3 3 4华东1 0 4 2 9 3 l8 7 4 7 68 3 3 51 1 0 2 6 5中南l 5 7 i5 91 4 4 0 6 32 3 4 72 5 3 9 6州南 2 3 5 6 i6 3 0 1 62 1 0 75 3 5 全国总计1 4 3 2 1 0 1 9 8 3 0 8 61 4 9 6 2 6j 9 6 4 3 3 热水锅炉蕾要用于华北、东北及阳北的所潲“三北地区”， 一i 热水锅炉总 畦的9 3 。令心3 1 个竹、巾、r | 治区r h 在f n 工- k 锅炉以辽宁、山东、河北、吉林、l l i 四、北京、江苏等八 省r h 为瑷多，其工业锅炉拥有量约占全国的6 0 。 中国工业锅炉以燃煤为主。目i i 的工业锅炉捌有量已超过 2 9 8 万蒸吨燃煤量已达3 5 亿“t e ，约占全国燃煤量的3 0 ，而 排放的烟尘量近6 2 0 万吨，占总排放量的3 6 6 ，二氧化硫的 排放量约5 1 0 力吨，占总排放量的3 8 8 ，酸阿向题r 益严重。 还有二氧化碳的排放量超过5 亿吨。由于工业锅炉量大面广， 往往位于工业区和居住区。烟筒处于低空摊放，对大气环境的 污染比较严重。随着经济的发展，工业锅炉的需求量还将不断 增睦，如不进一步严格控制，势必污染将更加严重，因此控制 燃煤工业锅炉污染物的排放是当前+ 分紧迫的任务i 2 1 。 1 2 、目前我国锅炉捧放控制存在的问一【1 2 。1 】 2 1 、锅炉原始捧尘浓度伯高 中国工业锅炉9 0 以上是层燃锅炉，近年来虽在链条炉和 往复炉排锅炉上做了不少工作锅炉原始排尘浓度有所下降， 但新丌发的几种工业锅炉原始排尘仍较撼，见表1 2 。 表1 2 、几种新型工业锅炉原始烟尘浓度表 a ；i 8 时原始烟尘浓度 序号锅炉氆号制造厂家 m g n m 3 ls z l 4 i3 a犬山锅炉厂2 7 3 5 0 0 s z l 4 - l3 - ai w 安锅炉厂 2 。7 6 6 0 0 3k z l l - 1 0 - a南通锅炉厂 2 3 2 30 0 4d z l 4 - 1 3 - a湘渊锅炉厂 3 ，0 l0 0 0 5s h l i o 1 3 a鞍山锅炉厂 i 2 2 5 0 0 6d z l 4 一1 3 a武吕锅炉厂1 2 0 1 0 0 、p 均值2 2 l30 0 山表可见初始排尘浓度有的高达3 0 0 0 m g h m l 左右，、f 均原始排尘浓度在2 2 0 0m g n m3 ，与新的排放标准要求还宵。一 定的差距。 1 2 2 、锅炉烟尘捧放浓度儡膏 | ii j i 一r 业锅炉层燃炉排放浓度大多在3 0 0 4 0 0m g n m 3 庄 i i j 幽外的5 0 1 0 0m g n m 3 桕比差距很大，其原因在于锅炉 原始排尘浓度偏高，以及除尘器运行效率不高所致。 1 2 3 、脱麓、脱氯搜术尚待美晨和推广 山尔人学硕 。学位沦义 燃煤工业锅炉炉内脱硫虽丌展了不少工作，例如型煤脱硫 l 、炉内喷钙”、循环流化床等，但在实用化方面还需要做 大靖的工作，需要系统地开展全面治理工作，一以便进一步减 少污染，更好地保护环境。 1 2 4 、噩童气体控的造经 减少二氧化碳等温室气体排放的最好途径是提高锅炉热效 率，减少燃煤消耗量。 锅炉对环境污染严重，全国锅炉排放烟尘6 2 0 力1 吨年、 s o ，5 1 0 力吨年、c o ，5 亿吨年；锅炉房小而多，锅炉备用率大 多为3 3 4 7 ，很多锅炉在低于额定压力的5 0 下运行，造 成浪费；因此，需要加强监察和管理，提高运行效率，降低烟 尘排放浓度、减少c o ，等温室气体排放量。 1 3 、课一研究的目的、内謇和方法伯。1 】 1 3 1 、课一研究的目的义 根据工业锅炉运行的调查，我国工业锅炉目i i f 存在的主要 问题是烟尘排放浓度高、能源利用率低，这除了与运行管理不 、_ 以及燃烧时所用的燃料不合适之外，还同工业锅炉的设计有 着很大的直接关系。实践证明，把工业锅炉炉膛设计成燃烧室 与燃烬室两部分，有利于强化燃烧，有利于降低飞灰及飞灰可 燃物含量。本课题通过实验手段，了解工业锅炉燃烧室和燃烬 室内的空气动力场及其影响因素，探讨炉内合理的燃烬室的结 构尺寸，进一步达到提高锅炉的热效率，降低锅炉初始排尘浓 度，从而为锅炉产品的设计、开发以及锅炉改造提供理论依据。 当l i 。国内外对炉膛内部的研究主要集中在大型电站锅炉 的燃烧室，对工业锅炉的研究很少，对工业锅炉炉膛燃烬室的 研究就更少，本课题对工业锅炉的燃烬室进行实验研究这对 于工业锅炉的节能与环保。对工业锅炉的设计及改造有较大的 现实意义。 自、人学颂i 学何论义 我们把一台1 4 m w 的竹能环保型热水锅炉作为实验台。 该炉测试热效率为7 8 8 7 ，锅炉初始排尘浓度为4 5 4 m g n m 3 远低于国家l8 0 0m g n m 3 的标准要求，除尘器后烟尘排放浓度 为8 9 m g n m ，烟尘黑度林格曼一级以下达到g b i 3 2 7 l 一9 l 锅 炉大气污染排放标准中一类地区的低于1 0 0m g n m 3 的标准 要求。 1 3 2 、课一的研究内謇及研究方法 测量炉内燃烧室和燃烬室的空气动力场，探囊炉内燃烬室 结构对燃烧及除尘情况的影响。 通过改变炉内燃烧室和燃烬室之间的折烟墙倾斜角度使燃 烧室和燃烬室内的空气动力场发生变化，布置好测点，利用七 孔探针测量每个测点的压力用探针数据处理软件进行。史验数 据的处理，从而求出炉内燃烧室和燃烬室截面上流速的太小以 胪方向，利用得到的速度矢量值和m a t l a b 6 0 编 l 的磐掘处理 程序，对流动结构进行分析，从而作出三维速度矢量图，显示 炉内燃烧室和燃烬室的空气动力场，利用e x c e l 2 0 0 0 的数组计 算功能计算出各种工况下燃烧室和燃烬室的空e 动力场的旋 度，以此探讨燃烧室和燃烬室内所形成的空气动力场，进l i 探 索燃烬室结构对锅炉热效率以及原始排尘浓度的影l 们，从i l i 得 “更加合理的燃烬室结构( 即燃烧室和燃烬室之叫的折烟墙的 倾斜角度) 。 山尔人学硕1 j 7 ：何论文 2 、工业锅炉燃烬宣燃烧过程的研究q 8 】 2 1 、煤的燃烧过程 尽管煤的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程，但从 其进行的先后过程来看，以层燃过程为例。大致都可以被分为 以f 四个主要阶段： 第一、预热干燥阶段。进入炉内的煤，受到炉内高温热源 ( 炉墙、炉拱辐射，高温烟气冲刷以及炽热煤层导热) 加热而 迅速升温。当温度升高到1 0 0 左右，煤粒表面及煤粒间缝隙 的水分便歼始被逐渐蒸发出来，煤被干燥。显然，水分越高的 煤就越需要更多的热量和更长的时间进行干燥。 第二、挥发分析出阶段。二f 燥之后的煤继续受热升温，达 到1 定温度时即开始大量释放出挥发分。挥发分开始析出的温 度对不同燃粒有不同的数值，大致规律是挥发分越高的煤种， 挥发分的析出温度就越低。这个温度从烟煤到无烟煤约为1 5 0 4 0 0 ，挥发分析出后即成为疏松多孔的焦碳。挥发分多的燃 料，碳氢化合物多，当碳氢化合物在较高温度下缺氧时易分解 成固态的碳黑，即很小很轻的碳粒，称为飞狄可燃物，这就是 我们平常见到烟囱管出的黑烟。 第三、挥发分、焦碳的着火燃烧阶段。随着煤粒温度的继 续升高，当析出的挥发分气体在空气流中达到一定浓度和温度 时，便首先着火燃烧。挥发分着火燃烧时放出大量热量，能把 焦碳加热到赤红程度，但挥发分火焰包围着碳粒，使得焦碳的 燃烧过程通常只能在挥发分燃烧之后进行。挥发分燃烧速度很 快一般煤从干燥、析出挥发分直到挥发分基本烧完所用时间 约- i 煤令部燃烧时间的十分之一。当挥发分接近燃尽时氧气 扩微到焦碳表面，焦碳开始若火燃烧，发出很短的蓝色火焰。 焦碳中碳是大多数煤种的主要可燃质，焦碳的燃烧是煤发热量 的主要来源其燃烧时间也最长( 如无烟煤，焦碳的燃烧时间 6 - 山尔人学硕十学位论文 占总时问的9 0 左右) 。此外，它的燃烧也影响到其它燃烧阶 段的强烈程度，故而焦碳的燃烧是整个燃烧过程的关键。 第四、燃尽阶段。也就是焦碳燃烧的后段时期。焦碳的燃 烧，越过最猛烈区域之后即开始衰减进入燃尽阶段，也就是通 常所说的灰渣形成阶段。该阶段焦碳的可燃部分越来越少，加 之裹扶又阻碍了空气与可燃质的接触，燃尽过程进行得十分缓 慢。保证这一最后阶段处在充分燃烧的条件下，并给以足够长 的燃烧时间，是减少炉渣含碳量、达到经济运行的关键。 以上四个燃烧阶段在时间上基本上是依次进行的。但在实 际燃烧过程中往往也不能截然分开。例如，挥发分的析出过程 有可能一直延续到燃尽阶段，而在煤加热速率很高时，焦碳的 着火也可能先于挥发分而直接实现( 如煤粒燃烧) 。各个阶段经 历的时间不仅受到各种因素的影响而不同，而且彼此之间也发 生影响作用。例如焦碳的燃烧阶段进行樗越激烈。就会使烟气 回流至炉排头部准备区域上的温度水平提赢，这就会缩短准备 阶段并相应地延长了燃尽阶段在炉内占据的炉排长度。 经上分析，燃烬室中煤是否达到了完全燃烧，主要是看焦 碳的燃烧是否充分。 2 2 、焦碟燃囊 焦碳是煤的主要发热物质，焦碳发热量对任何煤种都占有 它的发热量的大部分：焦碳燃烧速度慢，煤的燃烧时间中绝大 多数用于焦碳因此，焦碳燃烧是煤燃烧的关键。提高焦碳燃 烧的速度和完全程度，对煤的燃烧效果将起决定性的作用。 焦碳燃烧是固态的焦碳和气念的氧的反应，属异相反应。焦碳 燃烧足很复杂的。图2 1 表示碳粒在8 0 0 1 2 0 0 的静止空6 t 中 的燃烧情况。焦碳表面已经覆盖。：薄游的扶壳。此时燃烧反 应按下述程序进行： 氧气( 空气) 从外界扩散到碳粒周围，通过灰壳的阻力， 尔人譬颁 ：一学伸论文 到达碳粒的表面。氧气吸附在碳粒表面。在较高温度下，碳粒 和氧进行化学反应，生成一氧化碳和二氧化碳：同时不可燃物 质生成灰渣( 灰壳的一部分) 。燃烧产物( 一氧化碳和二氧化碳) 从碳粒表面解析出去。燃烧产物通过灰壳阻力向外扩散，其中 _ 二氧化碳直接扩散在周围空气中，一氧化碳在扩散过程中遇氧 又变成二氧化碳，然后再向远处空气中扩散。 i 气 7 榭) ：訾0 f” 一 圈2 1 、炭粒萍燃烧不意图 在上述过程中，每一个环节都可能制约整个燃烧过程。若 扩散很困难，燃烧速度就受到扩教条件的限制；若化学反应很 慢燃烧速度就受到化学反应条件的限制。 温度不同，焦碳与氧反应的燃烧产物不同。例如，当周围 环境温度低于7 0 0 时，生成的一氧化碳很难继续氧化成二氧 化碳，造成气体未完全燃烧损失。当温度高于1 2 0 0 时，碳粒 表面的c o 浓度高于c o ，浓度，但c o 向外扩散过程中又氧化 成c 0 2 。 焦碳在运动的气流中燃烧，迎风面t j 背风面会出现不同的 情况迎风面氧气供应充分，能生成二氧化碳和一氧化碳：背 风面由于受到二氧化碳与一氧化碳包围，很难得到氧气，只有 在商温情况下靠二氧化碳与焦碳进行还原反应来消耗焦碳。 瓴化碳扩敝到外层再氧化成二氰化碳。 2 3 、焦硪慑囊速度 焦碳燃烧速度可以用焦碳消耗速度表示，也可以用氧气消 置 l 【i , l 、人硕l 。他论文 耗速度表示。焦碳燃烧是异相反应，已不能用质量作用定律描 述。实验得出，焦碳燃烧速度( 按消耗氧气速度表示) 与焦碳 。表面的氧气浓度成正比： w = k c h ( 2 1 ) 式中w 一一氧气消耗速度；k 一一化学反应速度常数；c e 一 一焦碳表面上氧气浓度。 实验证明，对于异相反应，温度对反应速度的影响，仍符 合阿累尼乌斯定律： e k = k o e ” ( 2 2 ) 为了使焦碳与氧反应，必须事先将氧扩敞到焦炭表面上。 氧气扩敞到焦碳表面要符合扩散的规律： w d = 口d ( e ，一c 6 )( 2 3 ) 式中w 。一一氧气扩散速度；口。氧气扩散速度常数：c 。 一一周围介质中氧气浓度：e 一一焦碳表面上氧气浓度。 根据分子运动论，气体扩散速度常数可通过扩散努谢尔特 准则求得： n u 。；掣 ( 2 4 ) 式中：。一一扩散努谢尔特准则：a 。一一扩散速度常数： d 一一扩散系数：d 一一定性尺寸( 赢径) 。 于是得： = 詈m 。 ( 2 5 ) 燃烧速度不仅与化学反应速度有关。也与扩散速度有关。 在平衡条件下： w = 1 4 ，j( 2 6 ) 将式( 2 3 ) 与式( 2 4 ) 分别代入上式，得： k c b = o t d ( c o c ) ( 2 7 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) ，得 山尔人学颂 “能论文 ”t c o ( 2 8 ) j _ 口，) k 焦碳消耗速度与氧气消耗速度存在一定的比例关系： k = 缈 ( 2 9 ) 式中：w ，一一焦碳燃烧速度( 按消耗焦碳计算) ；一一比 例常数；w 一一焦碳燃烧速度。 当焦碳与氧反应全部生成一氧化碳时，= o 7 5 ；当焦碳与 氧反应全部生成二氧化碳时，口= o ，3 7 5 。实际上，既不可能全 部生成c o 又不可能全部生成c o ：，所以，= 0 3 7 5 0 7 5 。 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 有 1 w r2 t c o ( 2 1 0 ) j 一 口d k 由此可见：焦碳燃烧速度与焦碳和氧的化学反应速度有关； 与氧气向焦碳表面的扩散速度有关；与周围介质中氧气浓度有 关：与反应生成物的比例有关。 焦碳燃烧在碳燃烧过程中是进行最慢的，因此，焦碳燃烧 速度就决定了煤的燃烧速度。 2 4 、煤的燃囊区特性 分析式( 2 1o ) ： ( 1 ) 、若口。 k ，即扩散速度常数远远大于化学反应速度 常数时焦碳燃烧速度只决定于化学反应速度常数。而与气体 扩散速度常数无关。因为扩救能力强，焦碳表面上氧气很多： 而化学反应速度很慢，不能立即消耗氧。这种燃烧速度仅取决 j ：化学反府速度，为动力燃烧( 也称为动态燃烧) 。例如，煤粉 f 炉的炉膛出口，温度较低( 约1 0 0 0 ) ，k = k o e ”，k 较小 山尔人学硕十学f 证论文 时，煤粉颗粒很小( 约1 0 0 微米) ，a 。= 等n u ，较大。就可能 出现孕 1 0 的情况。一般情况下，当孕 1 0 时视为动力燃 k 烧区。在此区，为提高燃烧速度，主要应提高化学反应速度。 ( 2 ) 、若口。 k ，即扩散速度远远小于化学反应速度时， 焦碳燃烧速度只决定于气体扩散速度常数，而与化学反应速度 常数无关。因为扩散能力很弱，达到焦碳表面上的氧气很少； 化学反应速度很快，扩散到焦炭表面上的氧气会立即被烧掉。 这种燃烧速度仅取决于气体扩散速度的状态为扩散燃烧。例如， 层燃炉的煤层中，温度较高( 约1 4 0 0 ) ，k 值较大：同时，煤 块较大( 约3 0 毫米) ，口，较小。就可能出现华 o 1 的情况。 七 一般情况下，当华 0 1 时视为扩散燃烧区。在此襄，为提 七 商燃烧速度，主要应提高气体扩散速度。 ( 3 ) 、若a 。k ，此时焦碳燃烧速度与气体扩散速度常数 和化学反应速度常数同时有关。这种燃烧状态称为过渡燃烧。 例如，煤粉炉的炉膛中，温度较商，k 大：同时，煤粉很细 口。也大。可能出现0 1 竿 1 0 的情况。一般情况下，当 七 0 1 华 1 0 时，视为过渡燃烧区。在此区，为提高燃烧速度， 七 可以同时提高化学反应速度和气休扩散速度。 研究燃烧区的特性，有助j f 指出强化燃烧一一提高燃烧速 度的途径。 2 5 、飞灰可燃栩的燃烧时问 e 灰可燃物的燃烧时问，主要取决于碳的燃烧时f e l 。为了 保i i e 飞狄可燃物在燃烧室和燃烬室内燃尽，就一定要保证煤粒 j 、人学硕 “7 f 市论文 征炉内停留的时间大于煤粒燃烧所需要的时间。 实际燃烧室的情况很复杂，为了研究方便，假定碳粒呈球 形，大小均匀，燃烧室内温度、氧气浓度分稚都是均匀的，碳 粒与周围气体之间没有相对运动。碳粒的初始半径为，0 。 碳球的半径r 随着表面燃烧逐渐减少，在d r 时间内，整个 碳粒被燃烧掉的质量为d g 。则有 d g = 一4 疗2 p 咖( 2 1 1 ) 式中的p 为碳的密度。 碳粒的燃烧速度是指单位时间内，单位碳表面积上燃烧掉 碳的质量，即 k ：兰冬( 2 1 2 ) k 2 丽 ， e b ( 2 1 1 ) 式和( 2 1 2 ) 式，得d r = p ! ! 峨 于是碳粒燃烧所需的时间r 为 r = p r 生 ( 2 13 ) r = p i 一 【2 1 j ) k 又j h 式( 2 9 ) ，2 p 1 1 c o ，由于假定碳粒和周围气体之 口，】k 问尤相对运动，即相对运动的霄诺数等于零，还假定碳粒周围 的e 体浓度分前i 均匀，根据传质规律，在这种条件下，n u 。= 2 。 按式( 2 5 ) 有： 口n ：昙肌。：d( 2 1 4 ) 式( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) ，积分整理后得到 r = p r o ( 、2 d 2 r i c o d r 十1 ) ( 2 1 5)ok 、j ， 讨论式( 2 1 5 ) ，分析影响碳粒燃烧时间的因素： a 、碳粒的大小 如果在扩散燃烧区口。 1 ，于 是，式( 2 15 ) 可写成 f _ 旦：鱼 ( 2 17 ) p c d k 、。 即燃烧所需要的时州与碳粒直径的一次方成币比。 如果在过渡燃烧区，r * 0 ，其中1 ( n 1 。但 是供应的空气量过多，会降低燃烧温度，不利于燃烧；同时产 生的烟气量过多，会增加锅炉的排烟损失。因此要控制适当的 过量空气系数。 2 8 、强化蠼囊的途径 2 6 1 、燃烧三要素 要燃烧，必须具有以下三个主要要素，简称燃烧三要素。 a 、燃料燃料中包含有可燃质显然，可燃质成分越多 燃料发热量越高。可燃质主要是碳元素和氢元素，也包括少量 硫元素。 b 、氧气燃料中可燃质与氧进行化学反应才能释放出化 学能，将化学能转化为热能。氧气在工程和同常生活中主要由 窄7 t 供应。 c 、温度燃料与氯在低温下只能缓慢氧化，在高于着火 珏矗度后爿能燃烧。即燃烧需要一定温度，而且燃烧速度也与温 度有关。因此，要燃烧必须保证一定温度对于不同燃料、不 同燃烧方式要求的温度是不同的。 2 6 2 、完全燃囊的条件 为了充分利用燃料的化学能，应该尽量使其完全燃烧，避 免能源的浪费： 使用燃料的品种与数量取决于能源资源和能源政策。我国 能源资源中，煤占大多数石油次之。天然气较少我国的能 沥! 政策足丌发与节约并重，应尽量利用劣质燃料即优先利用 煤，特别是劣质煤。为了充分利用燃料，必须注意以下条件， 以达到完全燃烧的目的。 山尔人学硕1 “f ：化论文 a 、足够高的温度 足够高的温瘦以保证供应着火需要 的热量，同时保证有较高的燃烧速度。但是温度太高炉内会产 l 二结渣，影响设备安全。因此，炉内要有跫够高的温度使其燃 烧完全同时又不使炉内结渣而影响安全。 b 、合适的空气量 若空气量过少，可燃物质不能充分 燃烧，造成q ，、q 、增大。若空气量过多，会造成q ：增大，会降 低锅炉的热效率；同时需要选择合适的过量空气系数以使燃烧 损失最小。使锅炉效率最高。 应该采取有效措施加强混合，使燃烧室各处的燃料都充 分燃烧。 c 、充裕的时间燃料的燃烧具有一定的速度，因此， 要燃烧完全总是需要一定的时问。为此，燃料在炉排上或炉膛 t | i 逗留的时间一定要大于燃烧所需要的时f o j 。这就要求层燃炉 应有足够的炉排面积，移动炉排要有合适的移动速度。对火室 炉应有足够的炉臆空间。 2 o 3 、强化燃烧的蠢径 链条炉中，燃烧过程一般可以分成四个阶段：即加热烘j 、 折j 挥发分、焦炭燃烧和狄渣燃尽。在各阶段掣，燃烧刁i 洲， 空气量要求也不同。必须根据不同燃烧阶段和不同燃烧方式， 采取不同的措施。 着火加热烘干和析出挥发分阶段：为保证燃料及早烘二i 二和 着火必须供给足够热量此热量主要来自高温烟气。合理组 织炉膛的空气动力场是保证着火的关键。 燃烧阶段：此时燃烧强烈，即燃烧速度快，容易作到迅速、 完全的燃烧。对不同燃烧区。强化燃烧的手段不同。煤粒小或 煤粉细对燃烧有利；温度离对燃烧有利，但是温度过商， 一i m t j ，世燃煤炉的结渣：加强空气与燃 ： 的混合，对燃烧仃驻 篮影响：提高压力( 采用压力燃烧或正压燃烧) 可强化燃烧 似州时会带来技术上的困难燃烧阶段常常是燃烧的关键阶段， l fj 东人学硕十学何论史 必须认真组织好。 燃烬阶段：此时可燃成分少些，其外面的裹灰又阻碍了空 气j 可燃质的接触，燃尽过程进行得十分缓慢。为燃烧完全， 必须保证足够的炉排面积和炉膛容积，应该控制火床尾部通风 和让灰渣在较高温度下适当延长在炉内得停留时间这就要求 合理组织内部的空气动力场。这一阶段是燃烧的最后一个阶 段，燃料燃烧是否完全，是否达到了预期效果，这是最后一道 防线，必须认真对待。 总之，强化燃烧的具体措施，应根据燃料、锅炉容量和型 式等情况，认真分析后_ 才能确定。 山尔人学硕 ：学何论文 3 、燃烬童空气动力场分析【2 卜3 3 】 借助于近年来国内外一些研究部门、厂家等对炉内燃烧室 在设计中应用的方法，利用雷诺数r e 的自模化现象，对炉内 燃烬室燃烧过程进行近似模化和局部模化，从而可以在工业锅 炉设计中，根据实际情况计算出燃烬室内温度变化、热流分 伟、燃尽程度以及燃烧后产生的污染物。 燃烬室中空气的流动和混合是燃烬室能否达到设计要求和 预计效果的关键。 大家知道，在雷诺准则r e 大于一定数值后，气流的流动 由层流变为紊流，紊流扩散的机理及其微观运动的规律性比较 复杂，通常认为当r e 很大时，可分成沿壁面附近的边界层和 离壁面较远的主流两个区域。燃烬室的燃烧是在主流区中进行 的，因而不必考虑燃烬室壁面边界层的影响，从而可以利用雷 诺数的自模化现象对其进行研究。 雷诺数反映惯性力与粘性力的相对比例。大量实验表明， 气流主流区的流动图和阻力系数在霄诺数增大到超过一定值 后就不会再受雷诺数的影响，也就是说，此时雷诺数有一个 临界值r e ；，当r e r e j 时，主流区中的流动图和阻力系数便不 再受雷诺数变化的影响。这种现象称为自模化，其实质就是粘 性力与惯性力相比已经非常小，小到可以忽略不计，此时流体 质点的运动轨迹只决定于其所受到的惯性力，因此雷诺数不再 对流动工况有影响。 在燃烧技术中。由于燃烧设备的线性尺寸很大，内部结构 形状复杂气流的流动一般处于紊流状态。而燃烧空气动力过 程仪涉及气流的主流区的湍流流动。故而实际过程中可以利用 j ? 诺数的自模化现象。例盘在伯霄煤粉炉的模化【 l 炉j f ； 燃烧 器区域内流动的临界雷诺数大约为2 1 0 4 左右在这个计算中 定型尺寸是炉膛水平截面的当量直径，速度为水平截面上沿垂 山东人学硕i ：学何论文 随乃向的平均速度。 根据相似理论雷诺数是对流动状态起决定性作用的因素。 实际测试表明，燃烬室中的气流处于紊流状态雷诺数已经达 到可以忽略粘性力作用的状态数值，此时流动状态显示出不再 随雷诺数的增加而变化，即燃烬室中的气流速度和雷诺数即使 继续增加，其内部的速度场的图形已经不再变化，也就是燃烬 室中的流体的流动进入了自模化区域。故而燃烬室中的气体流 动丁况属于粘性流体的不等温的稳定受迫流动。 “i , j 、人? 跏! t - ，化沦丈 4 、燃烬宣传热计算阶5 1 【业锅炉的炉膛和埘流受热面之间设有燃烬室时，在燃烬 4 - t h 飞灰及飞扶可燃物在此沉降和进一步燃尽，烟气与受热 而蕾耍进行辐射换热。 由于燃烬室中飞灰可燃物在此燃尽的份额较小为简化起 见，常将燃烬室当作冷却室汁算，这样，燃烬室的