7固体燃料的燃烧

1、第七章第七章 固体燃料的燃烧固体燃料的燃烧固体燃料固体燃料煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料煤占我国一次能源消费的煤占我国一次能源消费的70%以上以上消费的煤中消费的煤中80%以上用于燃烧以上用于燃烧我国是少有的以煤为主的国家我国是少有的以煤为主的国家煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧煤中焦炭占煤中可燃质重量的煤中焦炭占煤中可燃质重量的5597%，焦炭的发热量也占煤的总发热，焦炭的发热量也占煤的总发热量的量的6095%。第一节第一节 概述概述 燃料类型燃料类型燃烧过程燃烧过程气体燃料气体

2、燃料纯单相纯单相液体燃料液体燃料属多相，但基本上在属多相，但基本上在气相中进行气相中进行固体燃料固体燃料属多相扩散燃烧属多相扩散燃烧固体燃料的多相扩散燃烧过程相当复杂：固体燃料的多相扩散燃烧过程相当复杂：首先要使氧气到达固体表面，在固体表面和氧气之间界面上发首先要使氧气到达固体表面，在固体表面和氧气之间界面上发生多相化学反应；生多相化学反应；其后，化学反应所需要的雾质量则靠自然扩散或强制扩散所形其后，化学反应所需要的雾质量则靠自然扩散或强制扩散所形成的物质转移来提供。成的物质转移来提供。第二节第二节 煤的燃烧过程及特点煤的燃烧过程及特点 一、煤粒的燃烧过程一、煤粒的燃烧过程煤的干燥煤的干燥(析

3、出水分析出水分)析出挥发分和形成焦炭析出挥发分和形成焦炭(结晶水、碳氢化合物结晶水、碳氢化合物)挥发分和挥发分和焦炭燃烧焦炭燃烧灰渣生成灰渣生成从燃料干燥开始到干馏出挥发物以至挥发物基本燃尽所需的时间仅占从燃料干燥开始到干馏出挥发物以至挥发物基本燃尽所需的时间仅占燃料全部燃烧时间的燃料全部燃烧时间的10%。实际的燃烧各过程相互交叉进行或者某些。实际的燃烧各过程相互交叉进行或者某些阶段是同步进行的。阶段是同步进行的。在煤粒的燃烧过程中，起决定作用的是碳的燃烧过程，即碳在煤粒的燃烧过程中，起决定作用的是碳的燃烧过程，即碳和氧在煤粒表面进行的化学反应过程。碳的燃烧速度不仅和和氧在煤粒表面进行的化学反

4、应过程。碳的燃烧速度不仅和化学反应本身有关，而且还和氧扩散到碳表面的速度有关。化学反应本身有关，而且还和氧扩散到碳表面的速度有关。扩散速度扩散速度和和反应速度反应速度之间差别可能很大，当其中一个速度远之间差别可能很大，当其中一个速度远小于另一个速度时，燃烧速度取决于较小的一个。小于另一个速度时，燃烧速度取决于较小的一个。提高煤层温度提高煤层温度加强反应能力加强反应能力提高通风速度提高通风速度加强扩散能力加强扩散能力二、碳燃烧的化学反应机理二、碳燃烧的化学反应机理研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直接反应，也称为一次反应。接反应，也

5、称为一次反应。 C+O2=CO2+409 MJ 2C+O2=2CO+245 MJ一次反应生成的一次反应生成的CO和和CO2通过周围的介质扩散出去，能通过周围的介质扩散出去，能够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二次反应。次反应。 CO+O2=2CO2+571 MJ C+CO2=2CO-162 MJ一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化学反应。程的基本化学反应。碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之间的

6、反应是在碳的吸附表面上进行的。间的反应是在碳的吸附表面上进行的。1、碳和氧的化学反应、碳和氧的化学反应当碳表面有水蒸气存在时，还可能发生以下反应：当碳表面有水蒸气存在时，还可能发生以下反应： C+H2O=CO+H2 C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=4H2+2CO+CO2 C+2H2=CH4在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应： 2H2+O2=2H2O CO+H2O=CO2+H2上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气体成分等燃烧过程的具体条件。体成分等燃烧过程的具体条件。

7、2、碳与氧的反应理论、碳与氧的反应理论（1）对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点：）对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点：a. 二氧化碳学说二氧化碳学说碳的氧化产物中碳的氧化产物中CO2是初次产物，燃烧中的是初次产物，燃烧中的CO是是CO2与与C相互作用形成的二次反应产物。相互作用形成的二次反应产物。b. 一氧化碳学说一氧化碳学说碳与氧反应的初次产物是碳与氧反应的初次产物是CO，CO再与氧化合生成再与氧化合生成CO2。c. 目前普遍接受的第三种观点目前普遍接受的第三种观点碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和和CO2。 碳和氧反应的络合物理论碳和氧反

8、应的络合物理论 温度在温度在1300以下时，碳和氧的反应机理：以下时，碳和氧的反应机理：物理吸附为主，反应过程为一级反应物理吸附为主，反应过程为一级反应.氧分子落入碳晶格内生成络合物。氧分子落入碳晶格内生成络合物。 3C+2O2= C3O4由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一旦有由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应：能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应： C3O4+C+O2= 2CO2+2CO简化方程式可写成：简化方程式可写成： 4C+3O2= 2CO2+2CO 温度在温度在1600以上时，

9、碳和氧的反应机理以上时，碳和氧的反应机理高能氧分子份额增多了，但同时已溶解氧分子的解脱作用也加大了；高能氧分子份额增多了，但同时已溶解氧分子的解脱作用也加大了；碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成；碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成；高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应取决于较慢的高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应取决于较慢的 化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反应。化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反应。化学吸附形成络合物：化学吸附形成络合物： 3C+2O2= C3O4高温下自行热分解高温下自行热分解

10、 C3O4= 2CO+CO2简化方程式可写成：简化方程式可写成： 3C+2O2= 2CO+CO2（2）碳和二氧化碳的反应）碳和二氧化碳的反应 C+CO2=2CO该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反应。该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反应。CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解成首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解成CO，解析离开碳表面。解析离开碳表面。由于由于CO2的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此这一反应的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此这一反应只有在温度很高时才能显著起来。只有在温度很高时才能显著起来。T40

11、0，CO2的固溶络合和化学吸附络合开始显著；的固溶络合和化学吸附络合开始显著；T700，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。T950，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解撞击分解温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程（3）碳和水的反应）碳和水的反应 C+H2O = CO+H2吸热反应，反应级数一般认为是一级反应；吸热反应，反应级数一般认为是一级反应；C与与H2O的反应速度约比的反应速度约比C与与O2的反应速度快的反应速度快3倍；

12、倍；水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引起的，起决水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引起的，起决定性环节是中间络合物的生成和分离。定性环节是中间络合物的生成和分离。（4）岐化反应）岐化反应定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的反应；反应； 2CO = C+CO2该反应为放热反应，是气化反应的逆反应；该反应为放热反应，是气化反应的逆反应；在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和燃油炉，这是一个重要问题。燃油炉，这是一个重要问题。温度很高时，不能发生

13、岐化反应；温度很低时，反应速度温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度太低，也不能析碳，仅在太低，也不能析碳，仅在2001000的温度范围内，才可的温度范围内，才可能析碳。能析碳。岐化反应的最大速度出现在温度为岐化反应的最大速度出现在温度为400600范围内。范围内。 三、煤的燃烧方式三、煤的燃烧方式按按燃燃烧烧方方式式分分类类1、层状燃烧（固定床）、层状燃烧（固定床）2、气流燃烧（气流夹带床）、气流燃烧（气流夹带床）3、流化床燃烧、流化床燃烧块煤、型煤或原煤置于固定或移动的炉栅上面，空气块煤、型煤或原煤置于固定或移动的炉栅上面，空气通过燃烧层进行燃烧反应。通过燃烧层进行燃烧反应。最

14、宜燃烧块度为最宜燃烧块度为25-50mm。将固体燃料先磨成细粉，然后随空气在炉膛内呈悬浮将固体燃料先磨成细粉，然后随空气在炉膛内呈悬浮状态进行燃烧。可分为直流式状态进行燃烧。可分为直流式(煤粉直径煤粉直径300-500m)和旋风式（煤粉直径和旋风式（煤粉直径2-3mm） 。较高速度的空气从底部经过炉篦吹入较小的燃料粒子较高速度的空气从底部经过炉篦吹入较小的燃料粒子层中（层中（6mm）,当风速达到某一临界速度时，粒子层当风速达到某一临界速度时，粒子层的全部颗粒向上漂浮，靠近炉壁的颗粒则向下降，整的全部颗粒向上漂浮，靠近炉壁的颗粒则向下降，整个粒子层象液体沸騰一般。个粒子层象液体沸騰一般。1、层状

15、燃烧（固定床燃烧）、层状燃烧（固定床燃烧）炉栅燃烧系统可分为炉栅燃烧系统可分为层状燃烧系统层状燃烧系统加煤机机动炉排燃烧系统加煤机机动炉排燃烧系统层状燃烧是一种最简单和最普通的块煤燃烧法，层状燃烧是一种最简单和最普通的块煤燃烧法，在中小型工业炉中占有一定地位，但难以满足大在中小型工业炉中占有一定地位，但难以满足大型工业炉的需要，并不能完全实现机械化和自动型工业炉的需要，并不能完全实现机械化和自动化。化。层状燃烧系统包括：人工进料层燃炉、下部进料层层状燃烧系统包括：人工进料层燃炉、下部进料层燃炉、燃炉、倾斜炉栅层燃炉倾斜炉栅层燃炉、移动炉栅层燃炉。、移动炉栅层燃炉。倾斜炉栅层燃炉倾斜炉栅层燃炉层

16、状燃烧的特征层状燃烧的特征燃料放在炉篦上燃料放在炉篦上空气通过炉篦下方炉篦孔穿过空气通过炉篦下方炉篦孔穿过燃料层并和燃料进行燃烧反应燃料层并和燃料进行燃烧反应生成的高温燃烧产物离开燃料生成的高温燃烧产物离开燃料层进入炉膛层进入炉膛两个重要参数两个重要参数煤粒大小煤粒大小烧烟煤时：烧烟煤时：20-30mm燃烧煤层厚度燃烧煤层厚度薄煤层燃烧薄煤层燃烧100-150mm厚煤层燃烧厚煤层燃烧200-400mm 沿煤层厚度方向气体成分的变沿煤层厚度方向气体成分的变化曲线如图所示，大致可分为：化曲线如图所示，大致可分为：灰渣带、氧化带、（还原带）和干灰渣带、氧化带、（还原带）和干馏带馏带。氧化带厚度大约等

17、于煤粒尺氧化带厚度大约等于煤粒尺寸的寸的3-4倍。倍。只有当煤层厚度大于氧化带只有当煤层厚度大于氧化带厚度时，才会出现还原带厚度时，才会出现还原带（CO2被被C还原成还原成CO）。）。人工加煤的燃烧炉人工加煤的燃烧炉人工加人工加煤层状煤层状燃烧炉燃烧炉组成：组成：灰坑灰坑：积存灰渣，使空气沿炉篦平面分布均匀，：积存灰渣，使空气沿炉篦平面分布均匀，高约高约800mm；炉篦炉篦：支承煤层，空气进入通道，灰渣掉落通：支承煤层，空气进入通道，灰渣掉落通道。为避免堵塞，炉篦缝应上小下大；道。为避免堵塞，炉篦缝应上小下大；灰层灰层：50-60mm厚灰层能保护炉篦，同时有厚灰层能保护炉篦，同时有助于空气预热

18、并使之均匀分布；助于空气预热并使之均匀分布；燃烧空间燃烧空间：使燃烧产物能够通畅地进入炉膛，：使燃烧产物能够通畅地进入炉膛，并使烟气中的可燃气体能在燃烧炉内完全燃烧。并使烟气中的可燃气体能在燃烧炉内完全燃烧。新燃料周期性地加进炉内，燃烧过程具有周期性。新燃料周期性地加进炉内，燃烧过程具有周期性。加煤清渣全靠人力，劳动强度大，劳动条件差。加煤清渣全靠人力，劳动强度大，劳动条件差。（下伺）绞煤机（下伺）绞煤机一种应用较广的机一种应用较广的机械加煤设备。械加煤设备。水套水套8用于冷却灰渣，用于冷却灰渣，避免与燃烧炉围墙粘避免与燃烧炉围墙粘连在一起。连在一起。可以借助渣板可以借助渣板9的翻的翻转将灰渣

19、排入渣车，转将灰渣排入渣车，或采用人工出渣。或采用人工出渣。右图表示下加煤燃烧炉的右图表示下加煤燃烧炉的基本燃烧过程。基本燃烧过程。当燃料向上运动时，它逐当燃料向上运动时，它逐渐被加热、干燥，并析出渐被加热、干燥，并析出挥发物，在燃料层表面的挥发物，在燃料层表面的已是焦炭。挥发物和空气已是焦炭。挥发物和空气的混合物经过焦炭层，在的混合物经过焦炭层，在焦炭层的孔隙中燃烧。焦焦炭层的孔隙中燃烧。焦炭在新燃料的推动下向炉炭在新燃料的推动下向炉篦两侧运动，并与氧接触篦两侧运动，并与氧接触而燃烧。而燃烧。显然，新燃料显然，新燃料的送入速度及的送入速度及送入的空气量送入的空气量应有严格的要应有严格的要求，

20、否则可能求，否则可能出现当新燃料出现当新燃料到达燃料层表到达燃料层表面还未着火的面还未着火的不正常燃烧情不正常燃烧情况（况（b）。）。链条炉链条炉是一种结构比较完善是一种结构比较完善的机械化层燃炉。的机械化层燃炉。炉子的燃烧过程不随炉子的燃烧过程不随时间变化，克服了人时间变化，克服了人工炉燃烧的周期性缺工炉燃烧的周期性缺点，实现了燃烧过程点，实现了燃烧过程的连续化。的连续化。链条炉的引燃主要靠链条炉的引燃主要靠炉膛内的辐射热，所炉膛内的辐射热，所以着火条件较差，必以着火条件较差，必须在炉膛采取一些有须在炉膛采取一些有效措施，如设置炉拱效措施，如设置炉拱和使用二次供风。和使用二次供风。抛煤机抛煤

21、机 由给煤器和抛煤由给煤器和抛煤器组成器组成。前者将煤从前者将煤从煤斗输送至抛煤器；煤斗输送至抛煤器；后者则负责将煤抛撒后者则负责将煤抛撒到炉篦上。到炉篦上。 若与往复炉排配若与往复炉排配合使用，可使投煤和合使用，可使投煤和清灰工作实现机械化。清灰工作实现机械化。振动炉排振动炉排煤在炉排上靠振动产煤在炉排上靠振动产生的惯性徐徐向后移生的惯性徐徐向后移动，并与空气相交而动，并与空气相交而遇，新的煤由煤斗不遇，新的煤由煤斗不断补充引入炉内。断补充引入炉内。按照先后顺序，得到按照先后顺序，得到干燥、预热、着火、干燥、预热、着火、燃烧和燃尽。燃烧和燃尽。2、流化床燃烧、流化床燃烧是介于固体燃料的火床燃

22、烧和煤粉燃烧之间的一种燃是介于固体燃料的火床燃烧和煤粉燃烧之间的一种燃烧方式烧方式由上升气流支撑的颗粒床，气流可为空气、由上升气流支撑的颗粒床，气流可为空气、燃烧气体产物和其它气流。燃烧气体产物和其它气流。流化床技术已逐渐成为一种商业燃烧技术。流化床技术已逐渐成为一种商业燃烧技术。研制开发了常压沸腾床燃烧器、循环流化床燃烧器和研制开发了常压沸腾床燃烧器、循环流化床燃烧器和加压流化床燃烧器。加压流化床燃烧器。可用于生物质燃料、泥炭、烟煤和褐煤、无烟煤碎屑、可用于生物质燃料、泥炭、烟煤和褐煤、无烟煤碎屑、洗煤泥、石油焦、油页岩、城市固体废物燃料和各种洗煤泥、石油焦、油页岩、城市固体废物燃料和各种有

23、害废弃物。有害废弃物。图示为沸腾床系统图示为沸腾床系统流化床燃烧系统流化床燃烧系统一般包括：燃料一般包括：燃料和石灰石进料系和石灰石进料系统、流化床反应统、流化床反应器、废热锅炉及器、废热锅炉及空气污染控制系空气污染控制系统（统（APCS）流化床反应器内同时有同相气相氧化反应和异相气固反应。流化床反应器内同时有同相气相氧化反应和异相气固反应。许多反应在床层顶部到燃烧室的自由空间进行。许多反应在床层顶部到燃烧室的自由空间进行。. ()( .)abdef22222222C H N S CLxcsONaCO0 5 bf H O0 10 5d NOeSOfHCL+O +Nheat床层中的床层中的石灰石

24、（酸性气体吸附剂）石灰石（酸性气体吸附剂）被分解为被分解为CaO和和CO2，然后然后CaO与与SO2和和HCL反应，脱除酸性气体混合物：反应，脱除酸性气体混合物：.3222422CaCOCaOCOCaOSO0 5OCaSOCaO2HCLCaCLH O流化床燃烧器在燃烧后处理过程中不再需要酸性气体清洗系统。布袋过滤流化床燃烧器在燃烧后处理过程中不再需要酸性气体清洗系统。布袋过滤器或除尘室用于空气污染控制目的已经足够。器或除尘室用于空气污染控制目的已经足够。流化床设计中典型气流表观速度流化床设计中典型气流表观速度流化床类型流化床类型典型表观速度典型表观速度,m/s常压沸腾床0.92-2.76循环流

25、化床4.62-9.24加压流化床（工作压力1.2MPa）0.8-3.13沸腾床主要是要把所有固体物质保持在密相流化床中；沸腾床主要是要把所有固体物质保持在密相流化床中；循环流化床反应器则是把床层介质及固体燃料吹出，然后循环流化床反应器则是把床层介质及固体燃料吹出，然后在旋风除尘器即在旋风除尘器即U型除尘其中重新捕获这些固体颗粒并重新型除尘其中重新捕获这些固体颗粒并重新加入反应器；加入反应器；加压流化床表观速度与沸腾床接近，但工作压力为加压流化床表观速度与沸腾床接近，但工作压力为1.2MPa.流化床燃烧原理流化床燃烧原理固体燃料颗粒的湍动，导致了与质量和热量传递结果固体燃料颗粒的湍动，导致了与质

26、量和热量传递结果有关的固体颗粒间的更加紧密地接触，并且导致了床有关的固体颗粒间的更加紧密地接触，并且导致了床层温度的更加均匀一致；层温度的更加均匀一致；在床层内可直接加入酸性气体吸附剂（如石灰石）在床层内可直接加入酸性气体吸附剂（如石灰石）,简简化了酸性气体控制系统；化了酸性气体控制系统；由于燃料分配系统、空气分配系统的位置已确定，加由于燃料分配系统、空气分配系统的位置已确定，加上在反应器内及器壁上安装有热量回收管，为了加强上在反应器内及器壁上安装有热量回收管，为了加强污染控制系统，温度则作为一个独立的可控制的变量污染控制系统，温度则作为一个独立的可控制的变量使用；使用；作为除热池的惰性材料床

27、层的使用能够减缓通常含水作为除热池的惰性材料床层的使用能够减缓通常含水量较高的燃料或固体废弃物燃料不能燃烧的影响。量较高的燃料或固体废弃物燃料不能燃烧的影响。沸腾床工艺过程沸腾床工艺过程一次空气从床层底部鼓入，床层可在一定的空气流速一次空气从床层底部鼓入，床层可在一定的空气流速范围内达到流化，二次空气可在床层与自由空间的交范围内达到流化，二次空气可在床层与自由空间的交接处以上的不同高度鼓入，以确保反应器的燃烧阶段接处以上的不同高度鼓入，以确保反应器的燃烧阶段进行完全和确保固体颗粒和挥发分析出物的完全燃烧。进行完全和确保固体颗粒和挥发分析出物的完全燃烧。燃料可通过一系列的床内分布器加入床层。燃料

28、可通过一系列的床内分布器加入床层。热回收可通过传承内部的埋管或通过流化床反应器器热回收可通过传承内部的埋管或通过流化床反应器器壁的冷却管和燃烧系统下游的锅炉来完成。壁的冷却管和燃烧系统下游的锅炉来完成。另外，可以把氨加入到自由空间用于另外，可以把氨加入到自由空间用于NOx的控制：的控制：3222232224NO4NHO4N6H O2NO4NHO3N6H O循环流化床工艺过程循环流化床工艺过程燃料的加料系统是通过床层燃料的加料系统是通过床层内加料或循环物料流把燃料内加料或循环物料流把燃料和石灰石加入燃烧室。和石灰石加入燃烧室。循环流化床的速度能够沿反循环流化床的速度能够沿反应器把所有的固体颗粒吹

29、向应器把所有的固体颗粒吹向固体回收系统。固体回收系统。为了使燃烧进行完全和控制为了使燃烧进行完全和控制反应器内的气流速度，空气反应器内的气流速度，空气是在不同高度和不同的分布是在不同高度和不同的分布点进行分布。点进行分布。热回收是由镶嵌在循环流化热回收是由镶嵌在循环流化床墙壁内的冷却管和外部热床墙壁内的冷却管和外部热交换器完成的。交换器完成的。沸腾床燃烧机理沸腾床燃烧机理 燃料或者从床层表面上方加入或者通过分布器燃料或者从床层表面上方加入或者通过分布器从床层内部加入。干燥过程立刻开始并且颗粒内部从床层内部加入。干燥过程立刻开始并且颗粒内部析出的气体对颗粒产生浮力。析出的气体对颗粒产生浮力。 整

30、个燃烧过程可分为：整个燃烧过程可分为：裂解过程裂解过程半焦氧化半焦氧化挥发分在自由空间的氧化挥发分在自由空间的氧化废气的形成废气的形成裂解过程裂解过程当颗粒干燥后并加热到反应温度，裂解开始。在裂解的当颗粒干燥后并加热到反应温度，裂解开始。在裂解的过程中，由于气体内部压力的作用，固体颗粒可能断裂过程中，由于气体内部压力的作用，固体颗粒可能断裂为碎片。为碎片。 图示为一般沸腾床反应图示为一般沸腾床反应器的速度曲线。空气加入反器的速度曲线。空气加入反应器主要是用来传送冲泡煤应器主要是用来传送冲泡煤机下来的燃料或以二次空气机下来的燃料或以二次空气形式加入到自由空间。颗粒形式加入到自由空间。颗粒可以漂浮

31、在床层的表面，但可以漂浮在床层的表面，但不能进入自由空间区域，在不能进入自由空间区域，在该区域更快的气流速度可能该区域更快的气流速度可能把颗粒从反应器带到旋风除把颗粒从反应器带到旋风除尘器。尘器。半焦氧化半焦氧化当裂解完成后，半焦开始氧化。半焦的点燃主要与颗粒当裂解完成后，半焦开始氧化。半焦的点燃主要与颗粒尺寸、燃料可怜的热惰性、燃烧有效热、反应器温度以尺寸、燃料可怜的热惰性、燃烧有效热、反应器温度以及床层与半焦颗粒的热传递有关。及床层与半焦颗粒的热传递有关。540C，半焦不会燃烧，半焦不会燃烧580C左右，半焦在流化床中燃烧需要左右，半焦在流化床中燃烧需要400s830 C，半焦燃烧时间只需

32、要，半焦燃烧时间只需要6-8s半焦化导致半焦化导致CO的产生，反应式为的产生，反应式为 C+OHCO+H半焦化生成半焦化生成CO比生成比生成CO2更显著，更显著，由于颗粒表面的机械磨蚀和大的半焦颗粒的分裂，半焦由于颗粒表面的机械磨蚀和大的半焦颗粒的分裂，半焦氧化过程还产生细小的半焦颗粒。氧化过程还产生细小的半焦颗粒。粉末在流化床反应器的床层与自由空间过渡区域的变化情粉末在流化床反应器的床层与自由空间过渡区域的变化情况如图所示。况如图所示。燃烧时间与燃料初始时刻燃烧时间与燃料初始时刻的直径平方成正比。的直径平方成正比。不同的燃料燃烧时间有较不同的燃料燃烧时间有较大的差异，活性越高的燃大的差异，活

33、性越高的燃料所用的时间越少。料所用的时间越少。燃料类型对所需燃尽时间燃料类型对所需燃尽时间的影响如图所示。的影响如图所示。挥发分在自由空间的氧化挥发分在自由空间的氧化固体颗粒的燃烧的重点是裂解过程和半焦氧固体颗粒的燃烧的重点是裂解过程和半焦氧化过程，然而，流化床燃烧器展示了有关挥化过程，然而，流化床燃烧器展示了有关挥发分燃烧的奇异特征。发分燃烧的奇异特征。譬如譬如CO的氧化：的氧化：CO+OHCO2+HOH的形成机理：的形成机理：H+O2 OH+O， O+H2O OH+O挥发分在自由空间的氧化挥发分在自由空间的氧化在自由空间板交货碳氢化合物的出现将可能在自由空间板交货碳氢化合物的出现将可能通过

34、提供反应物进行如下反应抑制半焦氧化通过提供反应物进行如下反应抑制半焦氧化 （ C+OHCO+H ）：）：CH4+OHCH3+H2OC2H6+OHC2H5+H2OC2H4+OHCH3+CH2OC+2OHCO2+2H固体颗粒固体颗粒+OH 稳定物质稳定物质挥发分在自由空间的氧化挥发分在自由空间的氧化此外，碱金属卤化物此外，碱金属卤化物(NaF,NaCL,NaBr,NaI)的存在，会导的存在，会导致致CO的增加，因为卤素消耗氢原子，的增加，因为卤素消耗氢原子，使得它们不能加速形成用于使得它们不能加速形成用于CO氧化氧化的氢氧自由基。如的氢氧自由基。如 NaCL+HHCL+Na废气的形成废气的形成废气

35、中包括氮氧化物、酸性气体废气中包括氮氧化物、酸性气体（SO2,HCL）和痕量金属元素等。）和痕量金属元素等。 氮氧化物主要是由于与温度有关的燃料中氮氮氧化物主要是由于与温度有关的燃料中氮的氧化的结果。半焦和氧化钙能抑制氮氧化物的的氧化的结果。半焦和氧化钙能抑制氮氧化物的生成。生成。 下图为下图为NOx的形成与控制简图。的形成与控制简图。酸性气体能与氧化钙进行反应酸性气体能与氧化钙进行反应.3222422CaCOCaOCOCaOSO0 5OCaSOCaO2HCLCaCLH O痕量金属元素的析出主要受燃烧温度的影响，痕量金属元素的析出主要受燃烧温度的影响，一般流化床温度在一般流化床温度在850C左

36、右，因此，痕量左右，因此，痕量金属元素主要保留在固相中并随灰渣一起排出。金属元素主要保留在固相中并随灰渣一起排出。循环流化床的燃烧器机理循环流化床的燃烧器机理循环流化床燃烧系统的机理与沸循环流化床燃烧系统的机理与沸腾床反应器相似，主要区别是循腾床反应器相似，主要区别是循环流化床内颗粒行为特征由于高环流化床内颗粒行为特征由于高速运动而与沸腾床不同，以及燃速运动而与沸腾床不同，以及燃烧器的几何尺寸和燃烧区域不同。烧器的几何尺寸和燃烧区域不同。如图所示，上升管是燃烧系统的如图所示，上升管是燃烧系统的主要部分，主要燃烧反应在此处主要部分，主要燃烧反应在此处进行。进行。循环流化床燃烧在较高温度下操循环流

37、化床燃烧在较高温度下操作，因此，裂解进行得更迅速，作，因此，裂解进行得更迅速，半焦氧化为扩散控制，并受到一半焦氧化为扩散控制，并受到一点表面动力学的影响。点表面动力学的影响。沸腾床燃烧技术沸腾床燃烧技术沸腾炉有全沸腾炉和半沸腾炉两种，其结构原理和工作性能沸腾炉有全沸腾炉和半沸腾炉两种，其结构原理和工作性能有所差别。有所差别。 全沸腾全沸腾炉燃烧的燃料是粒径为炉燃烧的燃料是粒径为0-8mm的燃料颗粒。燃料颗粒在沸腾段的燃料颗粒。燃料颗粒在沸腾段呈呈“沸腾沸腾”运动状并燃烧。运动状并燃烧。 如图所示，如图所示，空气空气由风管进入风室，由风管进入风室，由布风板通过风帽均匀分配，送入沸腾由布风板通过风

38、帽均匀分配，送入沸腾段。段。/燃料燃料由给煤机经进料口送入沸腾由给煤机经进料口送入沸腾段，在气流作用下流化成沸腾床并完成段，在气流作用下流化成沸腾床并完成燃烧。燃烧。/燃尽的燃尽的灰渣一部分从溢流口溢灰渣一部分从溢流口溢出，一部分由布风板下的冷渣管排出。出，一部分由布风板下的冷渣管排出。/直径直径1mm以下的细粉被气流带出沸腾以下的细粉被气流带出沸腾段，进入悬浮段并继续燃烧。段，进入悬浮段并继续燃烧。半沸腾炉半沸腾炉的结构特点是在炉子下部装有一幅很窄的结构特点是在炉子下部装有一幅很窄的链条炉排，它起着进料、布风和出渣的作用。的链条炉排，它起着进料、布风和出渣的作用。炉排倾斜布置，倾角一般为炉排

39、倾斜布置，倾角一般为10-18，由一块一，由一块一块的炉篦组成。炉排倾斜是要造成一个块的炉篦组成。炉排倾斜是要造成一个“沸腾池沸腾池”。炉排尾部高出沸腾池，形成火床燃烧段，半沸腾炉炉排尾部高出沸腾池，形成火床燃烧段，半沸腾炉由此得名。由此得名。一般在沸腾池上段还布置有二次风，以加强空间的一般在沸腾池上段还布置有二次风，以加强空间的扰动，延长飞灰在炉内的停留时间。扰动，延长飞灰在炉内的停留时间。半沸腾炉具有沸腾炉的一些特性，又具有火床炉的半沸腾炉具有沸腾炉的一些特性，又具有火床炉的某些特性。某些特性。沸腾燃烧过程的特性沸腾燃烧过程的特性在沸腾炉中大部分煤粒都是在沸腾床层内进行燃烧，只有在沸腾炉中

40、大部分煤粒都是在沸腾床层内进行燃烧，只有一部分（一部分（10%）的细小煤粒才在悬浮段内燃烧。沸腾层）的细小煤粒才在悬浮段内燃烧。沸腾层内具有的独特混合特性和燃烧特性使得沸腾炉能在温度不内具有的独特混合特性和燃烧特性使得沸腾炉能在温度不太高的条件下，燃烧其他炉型所不能燃烧的劣质燃料。太高的条件下，燃烧其他炉型所不能燃烧的劣质燃料。沸腾层的混合特性沸腾层的混合特性沸腾层中的温度分布沸腾层中的温度分布沸腾层中压力降的分布沸腾层中压力降的分布沸腾层中烟气成分的浓度分布沸腾层中烟气成分的浓度分布沸腾燃烧的特性沸腾燃烧的特性沸腾层的混合特性沸腾层的混合特性 颗粒间的强烈扰动和混合引起强烈的动量和质量交换，

41、使沸腾层内颗粒间的强烈扰动和混合引起强烈的动量和质量交换，使沸腾层内有强烈的化学反应和传热过程。有强烈的化学反应和传热过程。沸腾层中的温度分布沸腾层中的温度分布 沿沸腾层的高度（自风帽小孔中心水平线量起），其温度变化是不沿沸腾层的高度（自风帽小孔中心水平线量起），其温度变化是不大的（下图：某沸腾床高度与温度关系曲线）。大的（下图：某沸腾床高度与温度关系曲线）。沸腾层中压力降的分布沸腾层中压力降的分布 在距布风板较近的范围内，压力降和高度成直线变化，压力下降较快。在距布风板较近的范围内，压力降和高度成直线变化，压力下降较快。离布风板越上，压力变化越缓慢。离布风板越上，压力变化越缓慢。沸腾层中烟气

42、成分的浓度分布沸腾层中烟气成分的浓度分布 如图所示，自风帽小孔中心如图所示，自风帽小孔中心100mm处到静止料层相应高度范围处到静止料层相应高度范围内，过量空气系数内，过量空气系数和空气中的和空气中的O2迅迅速下降，三原子气体速下降，三原子气体RO2则迅速上升。则迅速上升。往上至溢流口中心线的高度内往上至溢流口中心线的高度内, , O2, RO2变化缓慢。而变化缓慢。而CO在整个高度方在整个高度方向基本不变。向基本不变。沸腾燃烧的特性沸腾燃烧的特性沸腾床中保持着很厚的灼热燃料层，为新燃料沸腾床中保持着很厚的灼热燃料层，为新燃料（占（占5%左右）的燃烧提供了无尽的热源。新燃左右）的燃烧提供了无尽

43、的热源。新燃料进入沸腾层后迅速被加热到达着火温度并燃料进入沸腾层后迅速被加热到达着火温度并燃烧。新燃料燃烧产生的热反过来加热炉料，使烧。新燃料燃烧产生的热反过来加热炉料，使其温度不致下降。使难以引燃的劣质燃料得以其温度不致下降。使难以引燃的劣质燃料得以迅速着火燃烧。迅速着火燃烧。燃料颗粒在沸腾层内上下翻滚，延长其在沸腾燃料颗粒在沸腾层内上下翻滚，延长其在沸腾床内的时间，为难以燃尽的燃料提供了更充足床内的时间，为难以燃尽的燃料提供了更充足的燃烧时间。的燃烧时间。沸腾床中空气和燃料颗粒的相对速度较大，混沸腾床中空气和燃料颗粒的相对速度较大，混合良好，对颗粒燃烧十分有利。合良好，对颗粒燃烧十分有利。

44、影响沸腾燃烧质量的因素影响沸腾燃烧质量的因素燃料的颗粒组成燃料的颗粒组成主要指颗粒大小。主要指颗粒大小。采用分档分床沸腾燃烧和各种型式的飞灰燃尽床，可使燃烧效率提采用分档分床沸腾燃烧和各种型式的飞灰燃尽床，可使燃烧效率提高高8%-15%。空截面气流速度空截面气流速度对沸腾燃烧的飞灰损失影响较大。对沸腾燃烧的飞灰损失影响较大。过量空气系数过量空气系数对气体不完全燃烧和固体不完全燃烧都有影响。对气体不完全燃烧和固体不完全燃烧都有影响。给煤方式给煤方式分正压给煤（给煤口位于溢流口之下）和负压给煤（给煤口位于溢分正压给煤（给煤口位于溢流口之下）和负压给煤（给煤口位于溢流口之上）。应采用多点式给煤。流口

45、之上）。应采用多点式给煤。沸腾层内的热交换沸腾层内的热交换过程是和煤粒不断燃烧同时进过程是和煤粒不断燃烧同时进行的。影响沸腾层传热的因素主要有：行的。影响沸腾层传热的因素主要有：空截面气流速度空截面气流速度气流速度增加，颗粒运动速度加快，气流速度增加，颗粒运动速度加快，对传热有促进作用。对传热有促进作用。沸腾层温度沸腾层温度辐射传热系数随温度的增加而增加。沸腾辐射传热系数随温度的增加而增加。沸腾层温度对传热系数的影响要比气流速度的影响大得多。层温度对传热系数的影响要比气流速度的影响大得多。颗粒尺寸颗粒尺寸颗粒尺寸的减少，使碰撞受热面的粒子数和颗粒尺寸的减少，使碰撞受热面的粒子数和碰撞频率增加，

46、从而使对流放热系数和总传热系数增加。碰撞频率增加，从而使对流放热系数和总传热系数增加。埋管的几何特性及布置埋管的几何特性及布置可能是垂直埋管，也可以是可能是垂直埋管，也可以是水平或倾斜式埋管。水平或倾斜式埋管。沸腾段结构沸腾段结构为保证不同粒径的颗粒都能在良好的沸腾状态下燃烧，应为保证不同粒径的颗粒都能在良好的沸腾状态下燃烧，应采用变截面炉膛（如下图），分段变速，以便逐段降低气采用变截面炉膛（如下图），分段变速，以便逐段降低气流速度。流速度。沸腾炉膛由沸腾段与悬浮沸腾炉膛由沸腾段与悬浮段组成，而沸腾段又由垂段组成，而沸腾段又由垂直段和基本段所构成。直段和基本段所构成。扩展角扩展角的最佳值为的最

47、佳值为44 ，在不形成死滞区的条件下，在不形成死滞区的条件下，可取可取45-50 。循环流化床燃烧技术（循环流化床燃烧技术（CFBCycle Fluidized Bed Combustion Technology ）气固分离器是气固分离器是CFB系统的核心部件之一。分离器上的差系统的核心部件之一。分离器上的差异标志着不同的异标志着不同的CFB技术。技术。第一代第一代CFB燃烧技术燃烧技术绝热旋风分离循环流化床绝热旋风分离循环流化床锅炉：旋风分离器在化工、冶金等领域具有悠久的使锅炉：旋风分离器在化工、冶金等领域具有悠久的使用历史，是比较成熟的气固分离装置。用历史，是比较成熟的气固分离装置。第二代

48、第二代CFB燃烧技术燃烧技术水（汽）冷分离循环流化水（汽）冷分离循环流化床锅炉：制造工艺复杂，生产成本过高。床锅炉：制造工艺复杂，生产成本过高。第三代第三代CFB燃烧技术燃烧技术水冷方型分离器：能实现水冷方型分离器：能实现大型化，结构紧凑，钢耗量少，制造成本低，分离器大型化，结构紧凑，钢耗量少，制造成本低，分离器内无磨损等。内无磨损等。循环流化床燃烧技术（循环流化床燃烧技术（CFB）的优缺点）的优缺点燃料适应性好燃料适应性好燃烧效率高燃烧效率高床内直接加石灰脱硫效率高床内直接加石灰脱硫效率高两段低温燃烧，两段低温燃烧，NOx排放量低排放量低负荷调节范围大负荷调节范围大床内可不布置受热面，无埋管

49、床内可不布置受热面，无埋管磨损，压火时间长磨损，压火时间长飞灰和炉渣的含碳量低。飞灰和炉渣的含碳量低。炉膛高大，钢材耗量炉膛高大，钢材耗量大，制造成本高。大，制造成本高。分离循环系统复杂，分离循环系统复杂，布风板阻力及系统阻布风板阻力及系统阻力大，自身耗电量大。力大，自身耗电量大。床内速度高，粒子浓床内速度高，粒子浓度大。度大。旋风分离器的数量与旋风分离器的数量与尺寸限制了尺寸限制了CFB的大的大型化发展。型化发展。3、煤粉燃烧、煤粉燃烧 固体燃料除了以块状作火床燃烧外，还可固体燃料除了以块状作火床燃烧外，还可将其磨成粉末，利用空气通过燃烧器喷火炉将其磨成粉末，利用空气通过燃烧器喷火炉膛，在炉

50、膛内呈悬浮状燃烧。膛，在炉膛内呈悬浮状燃烧。 由于煤粉制备系统庞大，煤粉燃烧多用于由于煤粉制备系统庞大，煤粉燃烧多用于大中型电站锅炉。大中型电站锅炉。煤粉的燃烧方式煤粉的燃烧方式：燃料随气流喷入燃烧室，呈：燃料随气流喷入燃烧室，呈悬浮状燃烧。根据炉内气流情况，可分为火炬悬浮状燃烧。根据炉内气流情况，可分为火炬式燃烧和旋风式燃烧。式燃烧和旋风式燃烧。火炬式燃烧火炬式燃烧燃料和空气的混合物送入炉燃料和空气的混合物送入炉内后呈火炬式燃烧，燃料与内后呈火炬式燃烧，燃料与空气间几乎没有相对运动。空气间几乎没有相对运动。燃料在炉内停留的时间很短燃料在炉内停留的时间很短（约（约3-4s）,炉内没有富裕的炉内

51、没有富裕的燃料量，只能燃用极细粉状燃料量，只能燃用极细粉状或雾状的燃料。或雾状的燃料。燃料和空气应有稳定的供应，燃料和空气应有稳定的供应，并能调节灵活，适于锅炉负并能调节灵活，适于锅炉负荷的要求。荷的要求。旋风式燃烧旋风式燃烧在立式或卧式圆柱形筒体中进在立式或卧式圆柱形筒体中进行旋涡燃烧。行旋涡燃烧。空气和燃料沿切线方向送入炉空气和燃料沿切线方向送入炉内，在高速旋转的气流带动下，内，在高速旋转的气流带动下，使燃料向前流动并进行燃烧。使燃料向前流动并进行燃烧。由于离心力的作用，使燃料颗由于离心力的作用，使燃料颗粒沿着炉子内壁运动，最后由粒沿着炉子内壁运动，最后由炉子的异端排出。炉子的异端排出。煤

52、粉燃烧系统由煤粉制备、输送和燃烧装置三部分组成。煤粉燃烧系统由煤粉制备、输送和燃烧装置三部分组成。随煤粉进入炉膛的空气（一次风）随煤粉进入炉膛的空气（一次风）只是燃烧所需的一部分空气（占只是燃烧所需的一部分空气（占15%-20%），它与煤粉混合成），它与煤粉混合成一股煤粉气流喷入炉膛。一股煤粉气流喷入炉膛。燃烧所需空气的其余部分称为二燃烧所需空气的其余部分称为二次风，沿另外管道单独进入炉内。次风，沿另外管道单独进入炉内。煤粉的尺寸一般为：煤粉的尺寸一般为：1m 到到300-500 m，多数为，多数为20-50 m。煤的着火温度在不同的条件下是不同的。煤的着火温度在不同的条件下是不同的。煤粉气流

53、的着火温度比堆放着的煤粉由烟花引煤粉气流的着火温度比堆放着的煤粉由烟花引起的阴燃的着火温度要高。起的阴燃的着火温度要高。湍流条件下的煤粉气流的着火温度（湍流条件下的煤粉气流的着火温度（C）褐煤褐煤烟煤烟煤无烟煤无烟煤400-480480-560700-800Note:煤的挥发分越高，着火温度越低；煤的挥发分越高，着火温度越低；煤粉越粗，着火温度越高。煤粉越粗，着火温度越高。显然，煤粉燃烧的好坏取决于点火的成功与接下来的燃烧显然，煤粉燃烧的好坏取决于点火的成功与接下来的燃烧的完全与否。下面讨论一次风和二次风的影响。的完全与否。下面讨论一次风和二次风的影响。一次风一次风的作用是输送煤粉进入炉膛并进

54、行燃烧。的作用是输送煤粉进入炉膛并进行燃烧。一次风过大，会相应地减少气流中的煤粉浓度。不仅导致一次风过大，会相应地减少气流中的煤粉浓度。不仅导致煤粉的析出热量减少，温度升高缓慢；还因为空气量的增煤粉的析出热量减少，温度升高缓慢；还因为空气量的增加使析出后的挥发分与空气组成的气态可燃混合物的浓度加使析出后的挥发分与空气组成的气态可燃混合物的浓度减少，降低了燃烧反应速度和火焰传播速度，不利于挥发减少，降低了燃烧反应速度和火焰传播速度，不利于挥发分的着火燃烧。分的着火燃烧。一次风过小，煤粉的挥发分析出时得不到足够的空气，将一次风过小，煤粉的挥发分析出时得不到足够的空气，将会影响可燃气体的燃烧，不利于煤粉气流的着火。会影响可燃气体的燃烧，不利于煤粉气流的着火。合适的风速合适的风速需根据燃料性质和燃烧起的型式、布置