锅炉教案第五章燃烧理论

1、 1 第五章 煤粉燃烧的理论基础和燃烧设备 （一）教学要求 1.掌握炭粒的三个燃烧区域，理解影响燃烧反应的化学因素和物理因素 2.掌握煤粉气流着火的影响因素和完全燃烧的条件 3.了解直流射流的特性，理解直流燃烧器的结构型式及其布置情况 4.了解旋流射流的特性，理解旋流燃烧器的结构型式及其布置情况 5.了解W型火焰燃烧技术 （二）重点和难点 重点：1.炭粒燃烧的动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧器三个区域 2.煤粉气流着火的影响因素 3.煤粉完全燃烧的条件 难点：1.直流燃烧器的结构型式及其布置情况 2. 旋流燃烧器的结构型式及其布置情况 （三）教学方式 课堂讲授、多媒体教学结合课堂讨论及现场模型

2、讲授 (四)教学内容 第一节 燃烧的基本理论 复习几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论。 燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；同时伴随各种物理过程 燃烧反应根据参加反应的物质不同分为： 一、化学反应速度 某一反应物浓度的减少速度或生成物浓度的增加速度表示。 1.浓度 浓度越大，反应速度越快。 质量作用定律：对于均相反应，在一定温度下化学反应速度与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。 对于异相反应：

3、化学反应在炭粒表面进行，认为碳粒浓度不变，化学反应速度指单位时间内碳粒表面上氧浓度的变化。 质量作用定律说明：在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞均相反应燃料和氧化剂是同一形态的。气体燃料在空气中燃烧 异相反应燃料和氧化剂是不同形态的。固体燃料在空气中燃烧，煤粉燃烧 hHgGbBaA?bBaACkCw?bBBkCw? 2 机会越多，化学反应速度就越快。 2.温度 阿累尼乌斯定律：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。反应物浓度不变时，反应速度常数k随温度变化的关系 3.压力 在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加。 4

4、.催化反应 加入催化剂，化学反应速度增加 催化剂在化学反应中的作用主要是降低反应物分子发生反应所需的活化能并形成活化中心，从而使反应速度加快。 5.连锁反应 二、氧的扩散速度 氧的扩散速度与氧的浓度、碳粒直径、碳粒与气流相对速度有关。 )(BOksksCCw? 三、燃烧速度和燃烧区域 炭燃烧的反应环节： 大致分为几个串联环节： ?炭反应速度决定于（1）和（3），总体速度决定于二者较慢的一个。 扩散到表面的氧量)(BOksksCCw? 消耗的rksBwww? OzOksrCkCkw?111 式中zk折算速度系数 1.动力区（化学动力控制区） 温度较低(1400 )，k急剧增大，耗氧量急剧增加，燃

5、烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。 k很大（温度很高），1/k很小，所以， RTEekk?0BBkCw ?ksk?11?0kCw ?ksk?11?0Cwks? 3 改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相对速度，或减小炭粒直径都可提高燃烧速度。 3过渡燃烧区 在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度；又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。 图5-1. 一般的锅炉炉膛内的煤粉燃烧，是处于动力区，温度高的进入过渡燃烧区，只有高负荷时火焰中心的燃烧处于扩散燃烧区的初期。 第二节 煤粉气流的着火和燃烧 一煤粉燃烧过程 （一）三个阶段 1 着火前的准备阶段 水分蒸发（大量吸热

6、）挥发分析出挥发分着火（少量放热） 氧浓度和飞灰含碳量变化不大 2 燃烧阶段 碳粒着火燃烧，烟温迅速升高到最大（大量放热） 氧浓度和飞灰含碳量急剧下降 3 燃尽阶段 残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣（少量放热）时间最长 着火过程主要取决于煤中挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦碳的燃烧速度。 对应于煤粉燃烧的三个阶段，从燃烧器出口至炉膛出口可分为三个区域即着火区、燃烧区与燃尽区。图5-2 着火不可过早或过迟，根据煤种调节 二次风 延长停留时间 降低煤粉细度 二、燃烧过程着火和熄火的热力条件 由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为着火温度 着火过程有两层意义：一

7、是着火是否可能发生？二是能否稳定着火？ 实现稳定着火的两个条件： A、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。 B、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。 如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。 燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量Q1 rnORTEQVCekQ2/01? 燃烧过程中向周围介质的散热量Q2为：)(2bTTSQ? 放热曲线Q1是一条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线 Tb=Tb1（很低），散热线2Q? 21QQ ?dTdQdTdQ21? 4 2Q?与 Q1 交点1为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢

8、氧化状态 Tb=Tb2 ，散热线2Q? 稳定在高温燃烧状态 ，点2对应的温度为着火温度Tzh ； 如散热增大，散热线2Q?稳定在5点缓慢氧化，点4对应温度即为熄火温度Txh. Txh Tzh 对于不同燃料，着火和熄火温度不一样 要加快着火，可以从加强放热和减少散热两方面着手 在散热不变的情况下，可以增加反应物混合物浓度和压力 在放热条件不变的情况下，增加混合物初温，减少气流速度，燃烧室保温 三、煤粉气流的着火 煤粉气流着火温度比煤的着火温度高些。表5-1 5-2 将煤粉气流加热到着火温度所需的热量叫着火热。包括加热煤粉和空气，使煤粉水分加热蒸发过热所需热量 式5-23 由式可知着火热随燃料性质

9、和运行工况的变化而变化（与燃烧器结构和负荷也有关系） 影响煤粉气流着火的主要因素: 1燃料的性质 挥发分含量Vdaf 小；水分、灰分含量高；煤粉细度大， 则煤粉气流着火温度提高，着火热增大，着火点离开燃烧器喷口的距离增大 。 2.煤粉气流的初温 提高初温T0 可减少着火热。 燃用低挥发分煤时应采用热风送粉制粉系统，提高预热空气温度。 3一次风量 V1过大，着火热增加，着火延迟 V1过低，燃烧初期由于缺氧，化学反应速度减慢，阻碍着火继续扩展。 4一次风速 w1过高，通过单位截面积的流量增大，降低煤粉气流的加热速度，着火距离加长。 w1过低，燃烧器喷口易烧坏，煤粉管道堵塞。 5炉内散热条件 减少炉

10、内散热，有利于着火。 敷设卫燃带是稳定低挥发分煤着火的有效措施。 6.燃烧器结构特性 一二次风的混合情况：混合过早会使着火推迟 采用小功率的燃烧器可增加煤粉气流着火的表面积，同时也缩短了着火扩展到整个气流截面所需的时间 7锅炉负荷D D降低，炉膛平均烟温及燃烧器区域烟温降低，对煤粉气流着火不利，当锅炉负荷降到一定程度时，会危及着火的稳定性，甚至可能引起熄火。 5 四、煤粉气流完全燃烧的条件 目标：在不结渣的条件下达到高速完全燃烧，达到高的燃烧效率 )%(10043qqr? 条件： 1.供应充足而合适的空气量 最佳过量空气系数 2.适当高的炉温 燃烧反应速度和温度呈指数关系。炉温高，燃烧快；但要

11、防止结渣、膜态沸腾和还原反应 3.空气和煤粉的良好扰动和混合 将空气及时输送到燃烧表面去。燃烧器性能要好（一二次风），加强燃尽阶段的扰动混合 4.保证足够的停留时间 否则会引起损失及过热器结渣超温 第三节 煤粉燃烧器及点火设备 燃烧设备的组成:炉膛+燃烧器+点火装置 燃烧器的作用是将燃料与燃烧所需空气按一定的比例、速度和混合方式经喷口送入炉膛, 保证煤粉气流及时着火、强烈燃烧、洁净燃烧、良好燃尽。 要求：（1）能形成良好的炉内空气动力场，保证燃烧的稳定性和经济性 （2）有较好的燃料适应性和负荷调节范围 （3）能减少NOX的生成，减少对环境的污染 （4）运行可靠，易于自动控制 分类：根据燃烧器出

12、口气流特征，煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。 一、直流煤粉燃烧器 （一）直流射流空气动力特性 射流自喷口喷出后，沿着轴线方向运动，其边界上的流体微团不断与周围介质发生热质交换和动量交换，将部分周围高温、静止介质卷吸到射流中来，并随射流一起运动。（图5-15） 1.基本概念 (1)等速核心区：射流的中心部位有一核心区,区内的速度均与初始速度W0相同. (2)射流内边界:维持流速等于初速W0的边界. (3)射流外边界:射流与周围静止介质的边界面. (4)射流转折截面:核心区消失处截面. (5)射流的主体段:中心速度开始衰减. (6)射流的初始段:主体段左面. (7)扩展角:射流外界线

13、的交角. 2.基本特征 （1）卷吸量 Q 6 外边界卷吸的高温烟气量；直流Q漩流Q 射流卷吸周围烟气后流量增加，流速自然会衰减下来。卷吸能力越强速度衰减越快，射程就越短。 单只燃烧器的着火性能差，炉膛充满度差；采用四角布置，相互配合时，相互点燃，着火好，混合强烈； 一个大喷口分成多个小喷口，由于射流周界面增大，卷吸增加。 （2）射程 L 反应射流对周围气体的穿透能力，射程长表示射流衰减慢，在烟气介质中贯穿能力强，对后期混合有利。 直流射程L漩流射程L （式5-26） 喷口尺寸越大、初速越高，即初始动量越大，射程越长。 即：集中大喷口比分散的多个小喷口的射流的射程长。 （3）扩展角 决定射流的形

14、状及两相邻射流开始混合点，其位置对煤粉气流着火和氧化剂的及时补充有很大影响，直流湍流自由射流不旋转，相对较小。 （4）射流的刚度 射流抵抗外界干扰不发生偏离轴线的能力。 射流的初始动量越大，刚度越大。 矩形喷口，喷口的高宽比愈小，刚性愈好。 在炉内几股射流平行或交叉时，一般是刚性大的射流吸引刚性小的射流，并使其偏转。 （二）直流煤粉燃烧器的型式 由一组喷口组成，煤粉和空气分别由不同喷口喷进炉膛,1,2次风都是直流喷射. 优点: (1)着火条件好. (2)气流的后期混合强烈. (3)可控制二次风混入的迟早. (4)煤种适应性较广. 一、二次风喷口的排列方式：均等配风和分级配风。 1.均等配风 均

15、等配风燃烧器一、二次风喷口相间布置 均等配风燃烧器一、二次风口间距较小，有利于一、二次风的较早混合，使一次风煤粉气流着火后能迅速获得足够的空气，达到完全燃烧。 均等配风适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐煤型配风方式。 解释图516。 2.分级配风 分级配风燃烧器一次风喷口集中布置，二次风喷口分层布置，一、二次风喷口间保持较大的距离，适用于无烟煤、贫煤和劣质烟煤 a目的： 在燃烧过程不同时期的各个阶段，按需要送入适量空气，保证煤粉既能稳定着火、又能完全燃烧。燃烧所需要的二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中，强化 7 气流的后期混合，促使燃料燃烧与燃尽。 b.特点： 如图517所示。 (1)一次风

16、喷口呈狭长形。 (2)一次风喷口集中布置。 (3)一、二次风喷口间距大 (4)二次风分级布置，既有利于前期着火，又有利于煤粉后期的燃烧。 (5)周界风和夹心风的风速高，可以增强气流刚性，防止气流偏斜，也能防止燃烧器烧坏。但周界风和夹心风量过大，会影响着火稳定。 (6)无烟煤、贫煤、劣质烟煤时，采用热风送粉 ? 各层风的作用 下二次风 防止煤粉离析，避免未燃烧的煤粉直接落入灰斗；托住火焰不致过分下冲，避免冷灰斗结渣。 中二次风: 补充煤粉燃烧和燃尽所需的氧气. 强化过程所需气流扰动. 上二次风供应上排煤粉燃烧器所需空气以及提供炉内未燃尽的煤粉继续燃烧所需空气。 侧二次风 防止煤粉火炬贴墙和粗煤粉

17、离析，避免水冷壁结渣。增强气流穿透力 中心十字二次风 可冷却一次风喷口，以免喷口受热变形或烧损；将一个喷口分割成为四个小喷口，也可减少煤粉和气流速度分布的不均匀程度。 夹心风作用： (1) 补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度 (2) 高速的夹心风提高了一次风射流的刚度，能防止气流偏斜，而且增强了煤粉气流内部的扰动，这对加速外缘火焰向中心的传播是有利的； (3) 夹心风速度较大时，一次风射流扩展角减小，煤粉气流扩散减弱，这对于减轻和避免煤粉气流贴壁，防止结渣有一定作用； 周界风：位于一次风喷口的四周，周界风的风层薄；风量小；风速较高。 （1) 冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形； (2

18、) 周界风的速度比煤粉气流的速度要高，能增加一次风气流的刚度，防止气流偏斜；并能托住煤粉，防止煤粉从主气流中分离出来而引起不完全燃烧； (3) 高速周界风有利于卷吸高温烟气，促进着火，并加速一、二次风的混合过程。 三次风 ：特点是温度低，水分大，煤粉细。提高燃烧的经济性 三次风对燃烧及汽温调节的不利影响： (1) 使火焰温度降低，燃烧不稳定。 (2) 火焰拖长，炉膛出口烟温升高，使过热汽温与再热汽温偏高，汽温调节幅度增大。同时增大过热器热偏差。 (3) 三次风高速射入，使火焰残余旋转增大，同时飞灰可燃物增加； (4) 三次风量较大时，风速也增大，易扰乱炉正常的空气流动，引起火焰贴墙结渣。 （三

19、）几种改进的直流煤粉燃烧器 8 （四）直流燃烧器的布置及其炉内空气动力特性 四角切圆、U形火焰、W形火焰等燃烧方式。 1切向燃烧方式 我国电站锅炉广泛采用四角布置切圆燃烧方式。图526 三个区：无风区、强风区、弱风区。旋转上升气流。 着火情况燃烧情况燃尽情况 影响一次风煤粉气流偏斜的因素： (1)射流两侧的补气条件。 (2)上游邻角射流的横向推力与射流的刚性。 (3)燃烧器的结构特性。 2四角切圆燃烧方式存在的主要问题 (1)炉内容易结渣。 (2)炉膛出口及水平烟道两侧烟温的偏差大，大容量锅炉更加严重。 (3)运行中各角二次风分配不均，影响炉内火焰中心位置，影响煤粉的燃尽度。 (4)采用摆动式

20、燃烧器需经常维护，每天都要动一动以避免卡涩，影响其灵活性。 二、旋流煤粉燃烧器 (一)旋转射流的特性 旋流燃烧器出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流。利用旋转射流，能形成有利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合 如图56所示。 旋转射流的主要特点如下： (1)气流旋转在射流的中心部分产生一个低压区，造成了径向和轴向压力梯度。轴向的反向压力梯度，将吸引中心部分的烟气沿轴向反向流动，内回流区，这是旋转射流主要特点。 旋转射流就从两个方面来卷吸周围介质，一方面轴向内回流区的反向气流，另一方面在径向从射流外边界卷吸。内回流区的尺寸和回流量随旋转射流旋转强度的增大而增大。 (2)切向速度和轴向速

21、度的衰减快。射程比直流短。 (3)扩展角大（相对直流），而且随着旋转强度的增大而增大。 （二）旋流煤粉燃烧器的型式 旋流煤粉燃烧器可分为蜗壳型和叶片型两大类。 1单蜗壳型旋流煤粉燃烧器 一次风为直流，二次风气流通过蜗壳旋流器产生旋转。 特点：一次风阻力小，射程远，初期混合扰动不如双蜗壳旋流燃烧器，后期扰动比双蜗壳燃烧器好。因此，对煤种适应性较双蜗壳旋流燃烧器好，可燃用挥发分较低的贫煤。 2双蜗壳旋流煤粉燃烧器 一、二次风均通过各自的蜗壳而形成旋转射流，两股射流的旋转方向相同，有利于气流的混合。 前期混合强烈，因而多用于燃烧烟煤和褐煤，有时也用于烧贫煤。 3双调风低NOx煤粉燃烧器 图514。

22、主要特点：（1）二次风分为内、外二次风两部分，中心为一次风喷口。 9 一次风量占总风量的1520。内二次风的风量占总风量的3545，外二次风占总风量的5565。 为了抑制在挥发分析出和着火阶段NOx的生成，在一次风喷口周围还有一股冷空气或烟气（冷却风）。 在燃烧器周围也布置有二级燃烧空气喷口，以维持炉内过量空气系数为12左右，从而保证煤粉的燃尽。 （2）一次风煤粉混合物为不旋转的直流射流，在燃烧器出口处一次风与内二次风混合形成富燃料着火燃烧区。外二次风的旋流强度较低，因而可使燃烧过程推后，并降低火焰温度。 （3）一般该燃烧器的外二次风所占比例较大，以防止结渣或腐蚀。 （4）燃烧调节灵活、有利于稳定燃烧、对煤质有较宽的适应范围。 二、燃烧器的布置及炉内空气动力特性 旋流和直流煤粉燃烧器与炉膛的配合方式是不同的。 (一)旋流燃烧器的布置及其炉内空气动力特性 旋流燃烧器