电厂锅炉煤粉燃烧概论

1、电厂锅炉燃烧电厂锅炉燃烧理论概述理论概述炭粒的燃烧过程与影响因素炭粒的燃烧过程与影响因素燃烧的三个区域燃烧的三个区域着火和熄火的热力条件着火和熄火的热力条件煤粉气流着火的影响因素煤粉气流着火的影响因素燃烧完全的条件燃烧完全的条件直流射流的特性、直流燃烧器的种类、特点、布直流射流的特性、直流燃烧器的种类、特点、布置方式置方式旋流射流的特性、旋流燃烧器的种类与特点、布旋流射流的特性、旋流燃烧器的种类与特点、布置方式置方式本节重点及难点本节重点及难点第一节第一节 煤粒燃烧过程：首先被预热干燥,蒸发出水分,然后开始析出挥发物;析出的挥发物在足够高的温度下,与周围空间中的氧作用在煤粒附近着火燃烧,形成光

2、亮的火焰;挥发物燃烧时 ,煤粒被加热,当挥发物析出并燃烧完毕后,煤焦已是足够热,足可以和扩散进入的氧化合物进行燃烧反应, 此时挥发物的可见火焰燃烧已渐为煤焦的无焰燃烧所代替。 挥发物的燃烧有两个作用: 妨碍煤焦本身的燃烧(氧先被挥发物截去消耗掉) 加热煤焦,对煤焦着火燃烧有利。 挥发分析出的过程就是热分解过程, 挥发分析出速度与时间的关系是指数函数关系, 即随时间的增加而递减。关于挥发分析出的过程目前有两种不同见解: 某些碳粒燃烧理论研究者认为(传统见解): 煤的主要成分是焦炭, 焦炭的燃烧速度决定了煤粒的燃烧速度。挥发分的析出只是在燃烧开始阶段的一个短暂过程, 还不到煤粒燃烧时间的10,而焦

3、炭的燃烧时间要占90以上。这种论点的根据就是根据煤粒质点燃烧迹象的摄影试验 ,在试验过程中发现有短暂的闪光掠过, 被认为是挥发分的完全燃烧时间。 最新研究资料表明:在煤粒燃烧过程中,挥发分并不是仅在开始阶段析出,而是不断析出,其析出过程和焦炭燃烧交叉进行,几乎延续到煤粒燃尽的最后阶段,因而使得煤粒附近的物理化学更为复杂。有人的解释为: 煤粒中心的热分解过程进行的速度取决于煤粒直径的大小, 以及周围温度、压力、气流运动等。 当煤粒受热时,煤粒外层的水分、油质等首先蒸发汽化,蒸发的气体和水蒸气在周围形成压力,这个压力使气体和水蒸气向煤粒内部和外部扩散。一部分气体通过外壳的气孔向外扩散;另一部分向煤

4、粒内部扩散,到达煤粒中心时,因该处温度较低,气体就凝结。这样,挥发分的析出就受到了抑制,使得析出过程拖得很长。 挥发分陆续不断地析出,就更加剧了煤粒周围浓度埸的复杂性。 目前, 对于挥发物在煤粒燃烧过程中的作用问题还是研究的比较少的。从进一步的研究结果表明, 煤焦的燃烧并不象我们所设想的那样在挥发物完全烧完后才开始的 ,而是和挥发物的燃烧一起交叉进行,而且相互作用,相互影响着。因此,我们在讨论中,把煤粒燃烧分成挥发物燃烧阶段和碳粒燃烧阶段,这只能是近似的分析。近些年来,已有人开始探讨挥发物析出在煤粒过程中的影响问题。 例如,实验表明,煤粒的燃烧速度比煤焦炭有所降低 ,这显然是挥发物的燃烧对煤粒

5、燃烧过程具有一定的 抑制作用。随着挥发物的逐渐烧尽,对于煤粒燃烧速度的这种抑制作用的影响也将逐渐减小。 关于煤粒燃烧速度的计算是比较复杂的, 在计算时必须考虑挥发物与焦炭颗粒同时燃烧等因素,因此目前来说,有关煤粒燃烧速度的精确计算公式还是不易导出的, 一般所使用的都是一些近似公式, 课本中公式P249(7-46)就是一个近似公式.定义定义： 单位时间内反应物浓度的减少或生成单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加，单位物浓度的增加，单位 对于反应对于反应 瞬时化学反应速度可表示为瞬时化学反应速度可表示为3molmshHgGbBaAtcAAddtcBBddtcGGddHHdCdt浓度浓度温度

6、温度压力压力催化反应催化反应炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的。由于化学反应消耗氧，炭粒反应表行的。由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧浓度面氧浓度CB小于周围介质中的氧浓度小于周围介质中的氧浓度CO，周围环境的氧不断向炭粒表面扩散。周围环境的氧不断向炭粒表面扩散。氧扩氧扩散过程的快慢散过程的快慢用氧的扩散速度表示。用氧的扩散速度表示。B0ksksCC ksoBCCRedNu 相对速度2oksksDNud0.5ksrE RTTke随温度变化缓慢受温度影响大kskskskskskkkkk和同时提高过渡区：加强扰动等提高扩散区：提高反应系统的温度提高动力区：

7、减小粒径减小粒径层燃炉层燃炉煤粉炉煤粉炉扰动扰动炭粒直径炭粒直径强制通风强制通风扰动扰动、炭粒直径、炭粒直径温度温度、燃料性质、燃料性质第二节第二节着火前的准备阶段着火前的准备阶段燃烧阶段燃烧阶段燃尽阶段燃尽阶段 用时最长用时最长7575三个过程既串联又并联三个过程既串联又并联煤粉气流的着火煤粉气流的着火 由缓慢的氧化状态转化到快速的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度称为着火温度着火、熄火的热力条件着火、熄火的热力条件 煤粉气流燃烧时要煤粉气流燃烧时要放出热放出热量量，同时又向周围介质，同时又向周围介

8、质散热散热。这两个互相矛盾过。这两个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停止（熄火）止（熄火）定义定义 将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量计算计算1111001004.191002510100100garzhkrqzharqzhMQV ccMcttMMtct 一次风一次风煤粉煤粉水分水分炉后水分炉后水分燃料性质燃料性质一次风性质一次风性质炉内散热条件炉内散热条件燃烧器结构特性燃烧器结构特性锅炉负荷锅炉负荷供应充足而又合适的空气量（供应充足而又合适的空气量（Air）适当高的炉温适当高的炉温(Temper

9、ature)空气和煤粉的良好扰动和混合空气和煤粉的良好扰动和混合(Turbulence)在炉内要有足够的停留时间在炉内要有足够的停留时间(Time)43qq100第三节第三节燃烧空间燃烧空间换热部件换热部件足够的空间和合理的结构，以足够的空间和合理的结构，以组织组织燃烧，减小不完全燃烧损失燃烧，减小不完全燃烧损失有合理的温度场和良好的炉内空气有合理的温度场和良好的炉内空气动力特性，动力特性，保证稳定完全燃烧保证稳定完全燃烧；避；避免火焰冲墙，免火焰冲墙，防止水冷壁结渣防止水冷壁结渣布置足够的辐射受热面，布置足够的辐射受热面，保证炉膛保证炉膛出口烟温出口烟温，防止炉膛出口及其后的防止炉膛出口及其

10、后的受热面结渣受热面结渣直流燃烧器直流燃烧器旋流燃烧器旋流燃烧器射程射程 射流轴向速度射流轴向速度w wm m与射流初始速度与射流初始速度w w0 0的比值降低的比值降低到某一不为零的数值（如到某一不为零的数值（如0.050.05）时的截面与喷口间）时的截面与喷口间的距离的距离 卷吸能力卷吸能力刚性刚性 射流抗偏转的能力射流抗偏转的能力扩展角扩展角 均等配风均等配风 适用于燃用高挥发分煤种，常称为适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐烟煤、褐煤型煤型配风方式。配风方式。分级配风分级配风 适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，常称为适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，常称为无烟煤和贫煤无烟煤和贫煤配风方式

11、。配风方式。 相间布置相间布置均等布置均等布置风量分配较均匀风量分配较均匀间距较小间距较小着火后能迅速获着火后能迅速获得足够的空气得足够的空气一次风一次风二次风二次风二次风二次风 一次风喷口相对一次风喷口相对集中布置集中布置，并靠近燃烧器的，并靠近燃烧器的下部，下部，二次风喷口则分层布置二次风喷口则分层布置，一、二次风喷，一、二次风喷口间口间保持较大的距离保持较大的距离，燃烧所需要的，燃烧所需要的二次风分二次风分阶段送入阶段送入燃烧的煤粉气流中，有利于挥发份低燃烧的煤粉气流中，有利于挥发份低的无烟煤、贫煤燃烧。的无烟煤、贫煤燃烧。二次风二次风分级风分级风一次风一次风二次风二次风分级配风图上、下

12、二次风上、下二次风周界风周界风夹心风夹心风十字风十字风位于燃烧器上方位于燃烧器上方具有一定的下倾角（具有一定的下倾角（715）风速：风速：50 60m/s宽调节比燃烧器（宽调节比燃烧器（WR燃烧器）燃烧器）PM燃烧器燃烧器原理：煤粉稳燃技术原理：煤粉稳燃技术 低低NOxNOx燃烧技术燃烧技术煤粉气流通过管道弯头时，受离心力作用分成煤粉气流通过管道弯头时，受离心力作用分成浓淡两股浓淡两股煤粉喷嘴出口处的波纹扩流锥，可在喷嘴出口形成一个煤粉喷嘴出口处的波纹扩流锥，可在喷嘴出口形成一个稳定的回流区稳定的回流区一次风喷嘴设有一次风喷嘴设有周界风周界风，可避免一次风喷口烧坏；，可避免一次风喷口烧坏；切向

13、燃烧方式切向燃烧方式U型火焰燃烧型火焰燃烧W型火焰燃烧型火焰燃烧出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流，煤粉气流着火热量，来源于旋转射流的旋转射流，煤粉气流着火热量，来源于旋转射流内、外边界同时卷吸炉内高温烟气的热量。卷吸量内、外边界同时卷吸炉内高温烟气的热量。卷吸量较大但射程短，适用于挥发份较高的煤种。较大但射程短，适用于挥发份较高的煤种。射程射程 射流轴向速度射流轴向速度w wm m与射流初始速度与射流初始速度w w0 0的比值降低的比值降低到某一不为零的数值（如到某一不为零的数值（如0.050.05）时的截面与喷口间）时的截面与喷口间的距离的距离 卷吸能力

14、卷吸能力刚性刚性 射流抗偏转的能力射流抗偏转的能力根据气流的旋流强度的大小，旋流式燃烧器形成的火根据气流的旋流强度的大小，旋流式燃烧器形成的火焰形状可能有三种：封闭式火焰、开放式火焰、飞边焰形状可能有三种：封闭式火焰、开放式火焰、飞边火焰。火焰。 单蜗壳旋流煤粉燃烧器单蜗壳旋流煤粉燃烧器双蜗壳旋流煤粉燃烧器双蜗壳旋流煤粉燃烧器轴向叶片型旋流煤粉燃烧器轴向叶片型旋流煤粉燃烧器切向叶片式旋流煤粉燃烧器切向叶片式旋流煤粉燃烧器双调风低双调风低NOx煤粉燃烧器煤粉燃烧器第四节第四节作用作用 机组启动时点燃主燃烧器的煤粉气流机组启动时点燃主燃烧器的煤粉气流 低负荷运行时稳定着火和燃烧低负荷运行时稳定着火

15、和燃烧分类分类 三级点火装置（电火花点火器）三级点火装置（电火花点火器） 二级点火装置（电弧点火器、二级点火装置（电弧点火器、高能点火器高能点火器）第五节第五节燃烧反应速度决定于燃烧反应速度决定于化学反应动力因素化学反应动力因素，而氧的扩散过程对燃烧反应速度影响很小，而氧的扩散过程对燃烧反应速度影响很小，这个反应温度区称为动力燃烧区这个反应温度区称为动力燃烧区扩散速度化学反应速度）（ksk1000Tksk温度温度、燃料性质、燃料性质0zrkkkC即燃烧反应速度只决定于燃烧反应速度只决定于氧的扩散速度氧的扩散速度，即扩，即扩散到反应表面氧远不能满足化学反应的需要，散到反应表面氧远不能满足化学反应

16、的需要，这个反应温度区称为扩散燃烧区。这个反应温度区称为扩散燃烧区。zksrksokC即扩散速度化学反应速度）（ksk1400Tksk扰动扰动、炭粒直径、炭粒直径燃烧反应速度取决于燃烧反应速度取决于化学反应速度和扩散速化学反应速度和扩散速度度，这个反应温度称为过渡燃烧区，这个反应温度称为过渡燃烧区 反应温度介于反应温度介于10001400时时 0z0rCC111kkks扰动扰动、炭粒直径、炭粒直径温度温度、燃料性质、燃料性质三次风三次风不同燃料的着火、熄火温度不同不同燃料的着火、熄火温度不同同种燃料不同测试条件有不同的着火、同种燃料不同测试条件有不同的着火、熄火温度熄火温度,dafzhVT易着

17、火，,dafzhzhVQTzharQM烟温辐射换热着火难ararAA吸热炉温着火推迟灰壳对燃尽有阻碍90R着火推迟反应表面积燃尽困难1zhtQ 加速着火1t 着火距离过近燃烧器烧坏或结焦阻碍着火氧使反应速度着火初期得不到足够的着火推迟VQVzh11r 一次风量一次风率总风量1V风速燃烧器喷口烧坏风速输粉管道堵塞减小散热，提高燃烧器区域温度减小散热，提高燃烧器区域温度水平水平措施：措施：卫燃带卫燃带本质：本质：一、二次风混合情况一、二次风混合情况二次风分批混入，做到既不缺氧二次风分批混入，做到既不缺氧又不降低炉温，且混入要强烈又不降低炉温，且混入要强烈1V过早二次风混入及时过晚后期燃烧缺氧BB负

18、荷吸热水冷壁吸热炉温燃烧器区域温度着火不利喷口尺寸喷口尺寸 喷口尺寸喷口尺寸，初始动量，初始动量，射程，射程初速初速 初速初速，射程，射程直流射流射程直流射流射程旋流射流射程旋流射流射程喷口形式喷口形式 多个小喷口，周界面多个小喷口，周界面，卷吸力，卷吸力高宽比高宽比 高宽比高宽比，周界面，周界面，卷吸力，卷吸力动量动量 动量动量，刚性，刚性高宽比高宽比 高宽比高宽比，刚性，刚性 可决定射流的形状及可决定射流的形状及两相邻射流开始混合两相邻射流开始混合点，其位置对煤粉气点，其位置对煤粉气流着火和空气的及时流着火和空气的及时补充有很大影响，直补充有很大影响，直流湍流自由射流的流湍流自由射流的相相

19、对较小对较小上二次风作用上二次风作用供应上排煤粉燃烧器所需空气供应上排煤粉燃烧器所需空气提供炉内未燃尽煤粉所需空气提供炉内未燃尽煤粉所需空气作用作用冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形少量热空气与煤粉火焰及时混合少量热空气与煤粉火焰及时混合周界风的速度比煤粉气流的速度要高，能增加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，防止气流偏斜一次风气流的刚度，防止气流偏斜高速周界风有利于卷吸高温烟气，促进着火，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。并加速一、二次风的混合过程。作用：作用： 补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区

20、的补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度温度高速的夹心风提高了一次风射流的刚度，能防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止气流偏斜，而且增强了煤粉气流内部的扰动作用：作用：冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形将一次风喷口分为四个小喷口，减少煤粉气流将一次风喷口分为四个小喷口，减少煤粉气流分布不均程度分布不均程度在燃烧器附近增大回流区和回流量，在燃烧器附近增大回流区和回流量，获较强的高温烟气回流获较强的高温烟气回流浓淡分离则可以提高燃烧器出口局浓淡分离则可以提高燃烧器出口局部的煤粉浓度部的煤粉浓度合理配风形成合理氧

21、浓度分布合理配风形成合理氧浓度分布降低一次风煤粉气流的降低一次风煤粉气流的着火热着火热着火后着火后放热量增加放热量增加，促进着火并稳，促进着火并稳燃燃增加炉内火焰黑度和辐射吸热量，增加炉内火焰黑度和辐射吸热量，提高火焰传播速度提高火焰传播速度降低降低NOX的生成量（缺氧燃烧）的生成量（缺氧燃烧）温度型（热力型）：温度型（热力型）：N2在在超过超过1500摄氏度摄氏度的高温下的高温下氧化氧化生成生成NOx ，温度越高，温度越高NOx的生成量越多。的生成量越多。2530 燃料型：燃料型：Nar受热受热分解和分解和氧化氧化生成生成NOx。其占。其占NOx总量的总量的7080%快速型：快速型： N2和碳氢燃料先在高温下反应生成中间和碳氢燃料先在高温下反应生成中间产物产物N、NCH、CN等，然后快速与氧反应，生成等，然后快速与氧反应，生成NOx。空气分级燃烧空气分级燃烧燃料分级燃烧燃料分级燃烧浓淡燃烧浓淡燃烧烟气再循环烟气再循环第一级第一级 送入理论空气量的送入理论空气量的80%80%左右，使燃料在左右，使燃料在缺氧、富燃条件下燃烧缺氧、富燃条件下燃烧 ，燃烧速度和炉膛温度，燃烧速度和炉膛温度降低，抑制了降低，抑制了N