煤粉炉燃烧原理与燃烧设备

煤粉炉燃烧原理与燃烧设备第一页，共144页。第二页，共144页。一、燃烧化学反应速度（一）化学反应速度燃烧反应是一种发光发热的高速化学反应；1、均相反应和多相反应：2、反应速度可以用某一反应物浓度减少的速度表示，也可以用生成物浓度增加的速度表示。

aA+bB一＞gG+hH

wA=－dCA/dt影响因素：（1）反应物性质；（2）反应物的浓度；（3）温度；（4）压力；（5）是否有催化剂或连锁反应。第三页，共144页。（二）质量作用定律第四页，共144页。第五页，共144页。（四）催化作用催化剂本身不变改变化学反应速度，不改变反应限度（五）链锁反应多米诺效应－活化分子第六页，共144页。二、燃烧速度与燃烧区域1、碳的多相燃烧特点第七页，共144页。2、多相燃烧反应的燃烧区域第八页，共144页。一、热力着火1、定义着火：由缓慢的氧化反应状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程可分为：连锁着火：这种由连锁反应引起的着火叫连锁着火。热力着火：由于温度不断升高而引起的着火叫热力着火。在锅炉中发生的着火就是热力着火。第九页，共144页。着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳定着火？实现稳定着火满足两个条件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。第十页，共144页。2、着火和熄火的热力条件第十一页，共144页。第十二页，共144页。着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。第十三页，共144页。着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。第十四页，共144页。3、着火热第十五页，共144页。卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热炉内高温火焰的辐射换热第十六页，共144页。1、燃烧阶段着火前的准备阶段燃烧阶段燃尽阶段第十七页，共144页。2、碳粒的燃烧机理煤粉燃烧好坏的关键：碳的燃烧原因：焦炭中的碳是可燃质的主要部份；焦炭着火最晚，燃烧最迟；焦炭中的碳的放热量比例较大第十八页，共144页。第十九页，共144页。第二十页，共144页。第二十一页，共144页。第二十二页，共144页。燃烧的完全程度可用燃烧效率来表示：第二十三页，共144页。提高热风和一次风温度限制一次风量合理送入二次风着火区保持高温选择适当的煤粉细度强化燃烧阶段和燃尽阶段合理组织炉内空气动力工况第二十四页，共144页。

煤粉炉的燃烧设备包括： 煤粉燃烧器（也称为喷燃器） 点火装置 炉膛第二十五页，共144页。稳定着火着火后，良好的混合充满度与刷墙(配风、角度)燃料适应性负荷调节(稳燃技术)低NOx燃烧器流动阻力小1、作用：组织燃烧2、要求：3、分类：旋流燃烧器前后墙布置：直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式：第二十六页，共144页。炉膛形状前后墙布置：旋流燃烧器(B&W)四角布置切圆燃烧方式：直流燃烧器

(ABB-CE)W形火焰锅炉：无烟煤(FW)燃烧器种类旋流燃烧器：适用于高挥发分煤种：烟煤、褐煤直流燃烧器：煤种适应性较广第二十七页，共144页。

直流自由射流湍流（紊流）自由射流卷吸衰减射程高宽比（一）直流煤粉燃烧器的射流特性

一、直流煤粉燃烧器的类型及特点

第二十八页，共144页。直流燃烧器第二十九页，共144页。直流燃烧器第三十页，共144页。第三十一页，共144页。

点火第三十二页，共144页。

射流的结构及术语等速核心区射流外边界射流内边界射流的转折截面射流初始段射流主体段射流扩散（展）角

第三十三页，共144页。第三十四页，共144页。

直流煤粉燃烧器的出口是由一组圆形、矩形或多边形的喷口所组成。直流煤粉燃烧器大都采用四角布置切圆燃烧的方式。第三十五页，共144页。第三十六页，共144页。第三十七页，共144页。第三十八页，共144页。

根据煤种的不同，直流煤粉燃烧器的一次风喷口和二次风喷口有各种不同的布置方式，使燃料稳定地着火、煤粉与空气有效地混合、完全燃烧和避免结渣。直流燃烧器可分为均等配风燃烧器和分级配风燃烧器两种形式。第三十九页，共144页。

均等配风方式是指一、二次风喷口相间布置。在均等配风方式中，由于一、二次风喷口间距相对较近，一、二次风处自喷口流出后能很快得到混合，使煤粉气流着火后不致由于空气跟不上而影响燃烧，故一般适用于烟煤和褐煤。第四十页，共144页。第四十一页，共144页。分清图(b)中的“向火侧”、“背火侧”第四十二页，共144页。四角切圆燃烧第四十三页，共144页。向火侧背火侧第四十四页，共144页。

分级配风方式是指把燃烧所需要的二次风分级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中，此种燃烧器适用于无烟煤、贫煤和劣质煤，所以又叫做无烟煤型直流煤粉燃烧器。第四十五页，共144页。第四十六页，共144页。第四十七页，共144页。一次风喷口狭长；一次风喷口集中布置；一、二次风喷口各自集中在一起，且一、二次风喷口的间距较大；第四十八页，共144页。二次风分层布置一次风喷口的周围或中间还布置有一股二次风，分别称为周界风和夹心风第四十九页，共144页。三次风喷口布置在燃烧器的最上方，距相邻二次风喷口有较大间距，并应有一定的倾角，此外，三次风速不宜过低，一般为5060m/s。ｔ3＜100℃ｒ3≈10％～18％第五十页，共144页。1、旋流燃烧器的射流特性旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动的。旋流燃烧器中所采用的旋流器主要有以下几种：蜗壳、切向叶片及轴向叶片等。第五十一页，共144页。第五十二页，共144页。第五十三页，共144页。第五十四页，共144页。第五十五页，共144页。第五十六页，共144页。第五十七页，共144页。（1）二次风是旋转气流。一次风可以是旋转气流，也可用扩锥扩展。因此整个气流形成空心圆锥形旋转气流。（2）旋转射流有强烈的卷吸作用，能将中心及外缘的气体带走，造成负压区，在中心部分和外缘就会因高温烟气回流而形成回流区。中心部分形成的回流区称为内回流区；外缘部分形成的回流区称为外回流区。第五十八页，共144页。第五十九页，共144页。第六十页，共144页。

（3）在同样的初始动量下，旋转射流的射程要比直流射流短。（4）旋转射流外边界所形成的夹角称为扩散角，用符号表示。旋转射流的扩散角一般比直流射流大，而且随着气流旋转气流旋转强度的增加，扩散角也增大，同时回流区也加大，因而高温烟气的回流量也增多。第六十一页，共144页。

（5）当气流旋流强度增加到一定程度时射流会突然贴在墙壁上，即扩散角等于180℃，这种现象称为气流的飞边现象。当飞边现象产生后，会导致喷口和炉墙结渣，也容易烧坏燃烧器。

第六十二页，共144页。第六十三页，共144页。第六十四页，共144页。第六十五页，共144页。第六十六页，共144页。单蜗壳扩锥型旋流燃烧器：双蜗壳旋流燃烧器：轴向叶片旋流燃烧器：切向叶片式旋流燃烧器：第六十七页，共144页。第六十八页，共144页。第六十九页，共144页。第七十页，共144页。第七十一页，共144页。（一）煤粉稳燃1、常用稳燃措施（1）敷设燃烧带；（2）热风送粉；（3）较低的一次风速和一次风率；（4）减小颗粒细度；（5）控制最低运行负荷以及采用性能良好的燃烧器。2、三高区理论高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。第七十二页，共144页。随着燃烧运行中烟气中含氧量的增加，NOX的生成量和增加的幅度与燃料的种类、燃烧方式以及排渣方式有关图3—1不同燃烧方式和煤种的NOX排放浓度比较第七十三页，共144页。燃煤排放的众多污染物中，NOX是唯一可通过改进燃烧方式来降低排放量的气体污染物，选择合理燃烧参数和合理地组织燃烧过程减少在燃料燃烧阶段NOX的形成量，是比较经济且合理的降低NOX排放的技术措施。第七十四页，共144页。

氮氧化物的生成：生成NOx的途径主要有三个：热力型、燃料型和快速型。

热力型NOx是空气中的氮气在高温下直接氧化而生成的，它的生成和温度密切相关，仅当火焰温度大于1500℃时，才会大量生成；

燃料型是燃料中氮在燃烧过程中氧化而生成的NOx，与温度的关系不大，是最主要的NOx生成途径；

快速型是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOx，在煤燃烧过程中的生成量较小。

第七十五页，共144页。三种类型NOx生成量与温度关系三种类型NOx生成量与温度关系图第七十六页，共144页。降低火焰峰值温度、降低最高温度区域的局部氧浓度，降低燃料在最高温度区域的停留时间第七十七页，共144页。燃烧空气分级技术组织炉内燃料分级再燃还原NOX浓淡分离技术低氧燃烧技术第七十八页，共144页。

空气分级燃烧技术(airstaging):

燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高燃烧区域的煤粉浓度。

推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。

“燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一起，共同决定了主燃烧区内NOx降低的程度，也直接关系到其在燃尽区的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。沿炉膛高度空气分级燃烧第七十九页，共144页。旋流燃烧器空气分级示意图空气煤粉气流炉膛第八十页，共144页。与主燃烧器一体的OFA第二次生成的NOXNOXNOX被还原NOXNOX燃烧器分级配风的喷口布置示意和NOX的还原过程上部二次风SOFA主燃烧器第八十一页，共144页。

燃料分级燃烧技术(fuelstaging):根据NOx的分解机理，已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应从而降低NOx排放水平。 第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行富氧燃烧，生成大量的NOx； 第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，从而降低NOx的排放。 燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气。沿炉膛高度燃料分级燃烧第八十二页，共144页。20%入炉燃料80%入炉燃料一次燃料二次燃料燃尽风一次风主燃烧区燃尽区40%NOX再燃还原区100%NOX炉膛内燃料分级燃烧过程第八十三页，共144页。主燃烧区燃尽区还原区主燃烧器再燃燃料燃尽风NO，CO2，H2O，O2，SO2，灰N2，NONON2NOX浓度再燃与还原NOX技术的示意第八十四页，共144页。低NOX燃烧器调节风口上部燃尽风再燃喷口前墙后墙采用炉内再燃技术的喷口布置示意图第八十五页，共144页。一次风煤粉气流上下浓淡隔板V型扩流锥喷口锯齿形V型括流锥喷口图3—7垂直浓淡煤粉燃烧器（WR燃烧器）浓淡分离技术第八十六页，共144页。稀相一次风浓相一次风图3—6一次风水平浓淡燃烧示意图第八十七页，共144页。钝体燃烧器（华中理工）第八十八页，共144页。第八十九页，共144页。第九十页，共144页。1、WR型燃烧器2、PM型燃烧器PM型燃烧器是在燃烧器内将煤粉气流分为浓度气流和煤粉气流。浓煤粉气流在上，淡煤粉气流在下。第九十一页，共144页。第九十二页，共144页。3、宽调节比燃烧器

宽调节比燃烧器实际上也是一种浓、淡型煤粉燃烧器。这种燃烧器的主要性能是在低负荷下，不投油仍然能稳定燃烧。故其对锅炉负荷变化时的燃烧调节范围比较宽。

第九十三页，共144页。B＆W低NOx燃烧器第九十四页，共144页。第九十五页，共144页。第九十六页，共144页。第九十七页，共144页。分类：1、采用过渡燃料的点火装置2、带煤粉预燃室的点火装置3、等离子点火装置作用：1、锅炉启动点火2、锅炉负荷过低或煤质变差时稳定燃烧四、煤粉炉的点火装置第九十八页，共144页。第九十九页，共144页。第一百页，共144页。第一百零一页，共144页。第一百零二页，共144页。第一百零三页，共144页。直流燃烧器第一百零四页，共144页。等离子体定义等离子体是指被电离的气体。由原子、电子、离子或分子等粒子组成。正、负电核数相等，对内为良导体，对外为中性。第一百零五页，共144页。等离子发生器原理第一百零六页，共144页。第一百零七页，共144页。第一百零八页，共144页。二次风火焰监视电视触摸屏一次风火焰探头进水回水压缩空气电源控制柜第一百零九页，共144页。主燃烧器更换为等离子燃烧器的过程第一百一十页，共144页。墙式燃烧锅炉等离子燃烧器兼主燃烧器第一百一十一页，共144页。

点火第一百一十二页，共144页。一、煤粉炉炉膛及燃烧器布置1、炉膛结构及其要求四周布满水冷壁冷灰斗平炉顶结构顶棚管过热器屏式过热器折焰角第一百一十三页，共144页。第一百一十四页，共144页。第一百一十五页，共144页。锅炉炉膛炉膛、冷灰斗水冷壁平炉顶屏式过热器折焰角燃烧器第一百一十六页，共144页。炉膛应满足以下要求(1)要有良好的炉内空气动力特性(2)应能布置足够的受热面，保证炉膛出口及其后的受热面不结渣(3)要有合适的热强度第一百一十七页，共144页。2、炉膛热负荷炉膛热负荷包括炉膛容积热负荷、炉膛断面热负荷和燃烧器区域壁面热负荷。下面分别加以介绍：

1．炉膛容积热负荷和断面热负荷

式中qv——炉膛容积热负荷，kW／m3；

Vl——炉膛容积，m3。第一百一十八页，共144页。

对于一定参数、一定容量的锅炉来说，燃料单位时间在炉内的放热量是一定的。因此qv取得大，炉膛容积就小；取得小，炉膛容积就大。

qv过大，炉膛容积就过小，煤粉在炉内停留时间短，燃烧不完全，同时水冷壁面积小，炉温过高，容易造成结渣。第一百一十九页，共144页。

炉膛的大体形状常由炉膛断面热负荷和炉膛容积热负荷一起来确定。炉膛断面热负荷是指单位时间、单位炉膛横断面积放出的热量，即显然，当qv一定时，qA取得大，炉膛横断面Al就小，炉膛就瘦长些;qA取得小，炉膛横断面Al就大，炉膛就矮胖些。

第一百二十页，共144页。2．燃烧器区域壁面热负荷燃烧器区域壁面热负荷是指单位时间、单位燃烧器区域壁面面积放出的热量，即

第一百二十一页，共144页。qr越大，说明火焰越集中，燃烧器区域的温度水平就越高。这对燃料的着火和维持燃烧的稳定是有利的。但过高qr

，意味着火焰过分集中，使燃烧器区域局部温度过高，容易造成燃烧器区域水冷壁结渣。第一百二十二页，共144页。

四角布置的切圆燃烧方式第一百二十三页，共144页。

着火互相引燃燃烧气流在炉膛中心强烈旋转燃烧燃尽旋转上升延长了煤粉在炉内停留的时间

四角布置的直流燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬。在炉膛中心形成一股螺旋上升的气流。

切圆燃烧方式的特点：

第一百二十四页，共144页。第一百二十五页，共144页。第一百二十六页，共144页。空气动力特性第一百二十七页，共144页。四角切圆燃烧的气流偏斜及切圆直径f960f820假想切圆直径实际切圆直径第一百二十八页，共144页。1、气流偏斜问题引起燃烧器出口气流偏斜的主要原因是：（1）邻角气流的撞击是气流偏斜的主要原因。（2）射流偏斜还受射流两侧“补气”条件的影响。（3）燃烧器的高宽比(hr/b)对射流弯曲变形影响较大。（4）当燃烧器多层布置时，上层气流不断的被卷吸到下层气流中，加上气流受热膨胀的影响，使气流容积流量增大，旋涡直径相应增大，一般可使实际切圆直径膨胀到假想切圆直径的8~10倍。第一百二十九页，共144页。运行证实，炉内实际切圆直径远比设计的假想切圆直径大得多，如下图所示。热态时为6-9倍冷态时为8-12倍第一百三十页，共144页。2．切圆直径过大问题优点：上游邻角火焰向下游煤粉气流的根部靠近，煤粉的着火条件较好。这时炉内气流旋转强烈，气流扰动大，使后期燃烧阶段可燃物与空气流的混合加强，有利于煤粉的燃尽。问题：(1)火焰容易贴墙，引起结渣；

(2)着火过于靠近喷口，容易烧坏喷口；

(3)火焰旋转强烈时，产生的旋转动量矩大，同时因为高温火焰的粘度很大，到达炉膛出处，残余旋转较大，这将使炉膛出口烟温分布不均匀程度加大，因而既容易引起较大的热偏差，也可能导致过热器结渣或超温。第一百三十一页，共144页。燃烧器射流贴附或冲击炉墙，是水冷壁结渣的主要原因第一百三十二页，共144页。第一百三十三页，共144页。第一百三十四页，共144页。前后墙3排布置，每层4只～6只，总共24只～36只。组织前后墙对冲燃烧。主燃烧器之上设燃尽风口，燃尽风风口含两股独立的气流，中央部分为非旋转气流，外圈为旋转气流。都匀电厂燃烧器布置第一百三十五页，共144页。（一）W形火焰