第三章 燃烧过程的理论基础

1、2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-24直流燃烧器直流燃烧器 灰粒在水冷壁上堆积形成结渣燃烧器炉膛水冷壁2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-25直流燃烧器直流燃烧器 灰粒在水冷壁上堆积形成结渣2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-26直流燃烧器直流燃烧器2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-27旋流燃烧器旋流燃烧器2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-28旋流燃烧器旋流燃烧器2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-29第一节第一节 煤粒的燃烧煤粒的燃烧一、煤粒的燃烧过程：一、煤粒的燃烧过程：煤粒受热，水分析出；煤粒受热，

2、水分析出；继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火；继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火；引燃焦炭，继续析出残余挥发分，挥发分与焦炭一起燃尽；引燃焦炭，继续析出残余挥发分，挥发分与焦炭一起燃尽；形成灰。形成灰。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-210二、固体燃料燃烧过程中的基础是碳的燃烧：二、固体燃料燃烧过程中的基础是碳的燃烧： 原因：原因：焦炭中碳是可燃质的主要部分；焦炭中碳是可燃质的主要部分；焦炭着火最晚，燃烧时间最长，决定整个粒子的焦炭着火最晚，燃烧时间最长，决定整个粒子的燃烧时间；燃烧时间；焦炭中碳燃烧放热量占燃料放热量比例最大，可焦炭中碳燃烧放热量占燃料放

3、热量比例最大，可达达40%-90%，它的发展对其他阶段的进行有决定，它的发展对其他阶段的进行有决定性的影响。性的影响。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-211三、煤粒燃烧三、煤粒燃烧 在碳粒燃烧的基础上，考虑挥发分、水分和在碳粒燃烧的基础上，考虑挥发分、水分和灰分对燃烧的影响。灰分对燃烧的影响。 有两种不同观点：依次燃烧说和同时进行说有两种不同观点：依次燃烧说和同时进行说1.1.依次燃烧说：加热速度慢时。依次燃烧说：加热速度慢时。 水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火燃烧，焦碳着火燃烧，在短时间内大部分可燃烧，焦碳着火燃烧，在短时间内大部

4、分可燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2122.2.同时进行说：加热速度快时同时进行说：加热速度快时 挥发分析着火与碳的着火燃烧几乎同时进行，挥发分析着火与碳的着火燃烧几乎同时进行，甚至微小的颗粒先着火，然后才是挥发分析甚至微小的颗粒先着火，然后才是挥发分析出和着火燃烧；出和着火燃烧； 挥发分的析出和着火贯穿燃烧的整个过程；挥发分的析出和着火贯穿燃烧的整个过程； 快速加热形成的焦碳与慢速加热形成的焦碳快速加热形成的焦碳与慢速加热形成的焦碳在空隙率结构方面有较大的差别。在空隙率结构方面有较大的差别。2022-

5、4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-213四、挥发分在煤粒燃烧中的作用四、挥发分在煤粒燃烧中的作用1.1.挥发分析出，加热焦炭粒，为焦炭着火燃烧挥发分析出，加热焦炭粒，为焦炭着火燃烧创造有利条件；创造有利条件；2.2.挥发分析出，增大了焦炭粒的内部空隙和反挥发分析出，增大了焦炭粒的内部空隙和反应面积，有利于提高焦炭粒的燃烧速度。应面积，有利于提高焦炭粒的燃烧速度。 挥发分存在有利于提高整个煤粒的燃烧速度。挥发分存在有利于提高整个煤粒的燃烧速度。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-214五、灰分对煤粒燃烧的影响五、灰分对煤粒燃烧的影响 焦炭中的灰分均匀分布，当焦炭从外表面到焦炭

6、中的灰分均匀分布，当焦炭从外表面到中心一层一层燃烧的过程中，外层的内在灰中心一层一层燃烧的过程中，外层的内在灰分裹在内层焦炭上，形成一层灰壳；分裹在内层焦炭上，形成一层灰壳； 灰壳或渣壳会阻碍氧向焦炭表面扩散，使燃灰壳或渣壳会阻碍氧向焦炭表面扩散，使燃尽时间拖长，燃烧变慢；尽时间拖长，燃烧变慢； 灰分影响表现在内在灰分上，单独存在的绝灰分影响表现在内在灰分上，单独存在的绝大部分外在灰分对可燃层的燃尽不产生直接大部分外在灰分对可燃层的燃尽不产生直接的阻碍作用。的阻碍作用。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-215 问题：煤粒燃烧重点解决的问题是什么？问题：煤粒燃烧重点解决的问题是什

7、么？1.1.燃烧速度；燃烧速度；2.2.燃烧完全程度。燃烧完全程度。授课内容安排：授课内容安排： 煤粒在炉膛内停留时间为煤粒在炉膛内停留时间为1-31-3秒钟，燃烧速度将直秒钟，燃烧速度将直接影响燃烧的完全程度，故我们先研究煤粒和碳的接影响燃烧的完全程度，故我们先研究煤粒和碳的燃烧速度；燃烧速度； 再结合燃烧速度和燃烧程度的影响，研究煤粉的着再结合燃烧速度和燃烧程度的影响，研究煤粉的着火和燃烧过程。火和燃烧过程。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-218一、化学反应速度1、含义：化学反应速度通常是指单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。多相燃烧用氧化剂浓度变化表示化学反应

8、速度，如果以 表示按氧化剂B计算的化学反应速度，则： bBBBBhCkdtdCwBhw2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2191 1、影响化学反应速度的因素、影响化学反应速度的因素 质量作用定律：化学反应速率与反应物的浓度成正比。 （1）浓度对化学反应速度的影响 化学反应是在一定条件下，反应物分子之间彼此碰撞而产生的，分子在单位时间内的碰撞次数越多，则化学反应速度越快。 分子碰撞次数决定于单位容积中反应物的分子数，即物质浓度。 在一定温度下，反应容积不变，增加反应物的浓度即可增加反应物的分子数，分子之间的碰撞次数就会增多，反应速度就会加快。2022-4-7沈阳工程学院 王树群

9、动本091-226二、氧的扩散速度氧的扩散速度 1、含义：炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的，化学反应消耗部分氧后，炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度，因为这种浓度差，周围环境的氧就不断向炭粒表面扩散。表示此过程的快慢程度就称为氧的扩散速度。2、扩散速度计算公式： 氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比；还与炭粒直径及气流与炭粒的相对运动速度有关。B0ksksCCw2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-234第三节第三节 煤粉气流的着火和燃烧过程煤粉气流的着火和燃烧过程 燃烧过程：煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形燃烧过程：煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形态下燃烧形成煤粉

10、火炬，煤粉的燃烧过程可分为以态下燃烧形成煤粉火炬，煤粉的燃烧过程可分为以下两个阶段：下两个阶段：1 1着火前的准备阶段：吸热阶段着火前的准备阶段：吸热阶段2 2燃烧阶段：又可细化为剧烈燃烧阶段和燃尽阶段燃烧阶段：又可细化为剧烈燃烧阶段和燃尽阶段两个部分。两个部分。 剧烈燃烧阶段：时间短，大量可燃质在此阶段烧尽；剧烈燃烧阶段：时间短，大量可燃质在此阶段烧尽； 燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，减少不完全燃烧程度。燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，减少不完全燃烧程度。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-237 熄火温度比着火温度高

11、2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-238测试设备燃料着火温度煤粉气流着火温度测试设备褐煤Vdaf=50%550烟煤Vdaf=40%650烟煤Vdaf=30%750烟煤Vdaf=20%840贫煤Vdaf=14%900无烟煤Vdaf=4%1000挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火；挥发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。 2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-243二、影响煤粉气流着火的因素二、影响煤粉气流着火的因素 煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定温度后就

12、开始着火。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2441 1燃料的性质燃料的性质 挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。 水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不利。也相应降低，对着火不利。 灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火

13、和灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影响了着火的稳定性。推迟，并进一步影响了着火的稳定性。 煤粉细度：煤粉细度： 煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地

14、着火。）这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。）2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2452 2炉内散热条件炉内散热条件 减少炉内散热，有利于着火。减少炉内散热，有利于着火。 卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，在卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，在燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成卫燃带。盖起来，构成卫燃带。 目的是减少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散目的是减少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散热，提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉热，提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件。气流的着火条件

15、。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2463 3煤粉气流的初温煤粉气流的初温 提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着火。火。 燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。系统。 2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2474 4一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合（1 1）风量：）风量： 一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。 增加煤粉气流中的一次风量，相

16、应增加了着火热，会使着增加煤粉气流中的一次风量，相应增加了着火热，会使着火推迟；减小一次风量，会使着火热显著降低，有利于着火。火推迟；减小一次风量，会使着火热显著降低，有利于着火。但一次风量不能过低，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足但一次风量不能过低，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧，而使燃烧反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。够的氧，而使燃烧反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还要满足输粉的要求，过小的一次风量会造另外，一次风量还要满足输粉的要求，过小的一次风量会造成煤粉堵塞。故一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。成煤粉堵塞。故一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。 一次风

17、率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量的百分一次风率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量的百分数。数。 对应于一种煤，有一个一次风率的最佳值。对应于一种煤，有一个一次风率的最佳值。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-248（2）风速：）风速： 一次风速过高，通过单位截面积的流量增大，一次风速过高，通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加长。一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃长。一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃烧器喷口，还可能出现煤粉管道堵塞等故障。烧器喷口，还可能出现煤粉管道堵塞等故障。故有一个最适宜的一

18、次风速，它与煤种及燃烧故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。器型式有关。 二次风速：二次风速： 二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-249（3）一、二次风配合一、二次风配合 风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。 速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约是是2倍。倍。 混合时间：通过燃烧器结构控制混合时间，挥发混合时间：通过燃烧器结构控制混合时间，挥发分高时混合的早些，挥发分低时混合的迟些分高时混合的早些，

19、挥发分低时混合的迟些。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2515燃烧器结构特性燃烧器结构特性 影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。因此，风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，应使一、二次风的混合点燃用低挥发分煤种时，应使一、二次风的混合点适当推迟。

20、而燃用高挥发分煤时，因为煤粉着火适当推迟。而燃用高挥发分煤时，因为煤粉着火快，一、二次风的混合点要早些。快，一、二次风的混合点要早些。 燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着火拉长了。从这一点来看，采用尺寸较愈远，着火拉长了。从这一点来看，采用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的。小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-2526锅炉负荷锅炉负荷 锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量锅炉负荷降低时，

21、送进炉内的燃料消耗量相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减少，但减少的幅度较小，相对于单位质量少，但减少的幅度较小，相对于单位质量燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加了。燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷降到一定程度时，就会危的。当锅炉负荷降到一定程度时，就会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。因此，及着火的稳定性，甚至可能熄火。因此，着火稳定性条件常常限制了煤粉锅炉负荷着火稳定性条件常常限制了煤粉锅炉负荷的调

22、节范围，低负荷稳燃常常成为衡量一的调节范围，低负荷稳燃常常成为衡量一个锅炉燃烧器性能的重要指标。个锅炉燃烧器性能的重要指标。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-253三、燃烧完全的条件三、燃烧完全的条件（1）合适的空气量；）合适的空气量；（2）适当高的炉温；）适当高的炉温；（3）空气与燃料的良好扰动和混合；）空气与燃料的良好扰动和混合；（4）足够的炉内停留时间。）足够的炉内停留时间。2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-254四、强化煤粉气流燃烧的措施四、强化煤粉气流燃烧的措施（一）提高热风和一次风温度（一）提高热风和一次风温度 提高热风温度有助于提高炉膛温度水平，对

23、加速煤粉的着火与燃烧十分有利。 提高一次风温可降低着火热，加快煤粉着火时间。例如，烧无烟煤时，热风温度可达400左右，这是由于无烟煤着火温度高，提高一次风温，可使煤粉着火热降低，同时高的热风温度可保证燃烧温度水平，加强着火燃烧。 2022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-255（二）限制一次风量（二）限制一次风量 限制一次风量有助于减少煤粉气流所需的着火热，加速煤粉的着火。一次风量主要以能满足挥发分的燃烧为原则。一次风量过小，会使析出的挥发分由于得到不足够的空气，反应速度减慢，也不利于焦炭的着火燃烧；一次风量过大，则煤粉气流所需要的着火热增加，着火推迟。所以一次风率应根据煤种适当控制，具体数值见表5-2所示。煤种无烟煤贫煤烟煤劣质烟煤褐煤20%Vdaf30%Vdaf30%Vdaf30%Vdaf30%乏气送粉202525302535252045热风送粉15202025254025452025253040452022-4-7沈阳工程学院 王树群 动本091-256（三）合理送入二次风（三）合理送入二次风 二次风混入一次风的时间要合适。要根据煤种特点选择合适的混合时间，二次风最好能按燃烧的需要分批送入。（四）着火