第五章煤粉燃烧理论及燃烧设备课件

煤粉燃烧理论基础及燃烧设备

第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备

第五章1本章内容燃烧的基本理论煤粉气流的着火和燃烧煤粉燃烧器及其炉内布置型式煤粉炉点火设备燃烧调整试验方法本章内容2本章重点与难点炭粒的燃烧过程与影响因素燃烧的三个区域着火和熄火的热力条件煤粉气流着火的影响因素燃烧完全的条件直流射流的特性、直流燃烧器的种类、特点、布置方式旋流射流的特性、旋流燃烧器的种类与特点、布置方式本章重点与难点炭粒的燃烧过程与影响因素3燃烧的基本理论

第一节燃烧的基本理论

第一节4燃烧的分类单相燃烧（均相燃烧）

燃料与氧化剂同相多相燃烧（异相燃烧）

燃料与氧化剂不同相燃烧的分类单相燃烧（均相燃烧）5化学反应速度定义：

单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加，单位对于反应瞬时化学反应速度可表示为化学反应速度定义：6影响化学反应速度的因素浓度温度压力催化反应影响化学反应速度的因素浓度7氧的扩散速度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，炭粒反应表面氧浓度CB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。氧扩散过程的快慢用氧的扩散速度表示。氧的扩散速度炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的。由于化8扩散速度系数扩散速度系数9炭粒多相燃烧反应阶段氧气扩散到炭粒反应表面氧气被炭粒表面吸附在炭粒表面进行燃烧化学反应燃烧产物由炭粒解吸附燃烧产物离开炭粒表面扩散到周围环境中慢慢炭粒多相燃烧反应阶段氧气扩散到炭粒反应表面慢慢10炭粒的燃烧速度定义：

炭粒单位表面上的实际反应速度。

当燃烧过程稳定时炭粒的燃烧速度定义：11燃烧区域动力燃烧区扩散燃烧区过渡燃烧区燃烧区域动力燃烧区12加强燃烧的措施减小粒径加强燃烧的措施减小粒径13不同炉型所处的燃烧区域层燃炉扩散区煤粉炉中心区以外—过渡区＋动力区粗粉高温区—扩散区扰动↑炭粒直径↓强制通风扰动↑、炭粒直径↓温度↑、燃料性质不同炉型所处的燃烧区域层燃炉扩散区煤粉炉中心区以外—过渡区＋14煤粉气流的

着火和燃烧

第二节煤粉气流的

着火和燃烧

第二节15煤粉的燃烧过程着火前的准备阶段燃烧阶段燃尽阶段用时最长75％三个过程既串联又并联用时25％煤粉的燃烧过程着火前的准备阶段用时25％16着火和熄火煤粉气流的着火

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、熄火的热力条件

煤粉气流燃烧时要放出热量，同时又向周围介质散热。这两个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停止（熄火）着火和熄火煤粉气流的着火由缓慢的氧化状态转化到快速的燃17着火和熄火的热力条件煤粉气流燃烧时的放热量Q1为向周围介质的散热量Q2为着火和熄火的热力条件煤粉气流燃烧时的放热量Q1为18着火和熄火的热力条件着火和熄火的热力条件19着火热定义将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量计算一次风煤粉水分炉后水分着火热定义一次风煤粉水分炉后水分20影响煤粉气流着火的因素燃料性质一次风性质炉内散热条件燃烧器结构特性锅炉负荷影响煤粉气流着火的因素燃料性质21燃烧完全的条件供应充足而又合适的空气量（Air）适当高的炉温(Temperature)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(Time)燃烧效率燃烧完全的条件供应充足而又合适的空气量（Air）燃烧效率22煤粉燃烧器

及其炉内布置型式第三节煤粉燃烧器

及其炉内布置型式第三节23燃烧器的作用将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定的着火；及时供应空气，使燃料和空气充分混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。燃烧器的作用将携带煤粉的一次风和助燃的二次风24燃烧器的要求组织良好的空气动力场，及时着火，保证燃烧的稳定性和经济性。有较好的燃料适应性和负荷调节范围。能减少NOx生成，减少对环境的污染。运行可靠，不易烧坏和磨损易于自动控制燃烧器的要求组织良好的空气动力场，及时着火，保证燃烧的稳定性25炉膛的作用燃烧空间换热部件炉膛的作用燃烧空间26对炉膛的要求足够的空间和合理的结构，以组织燃烧，减小不完全燃烧损失有合理的温度场和良好的炉内空气动力特性，保证稳定完全燃烧；避免火焰冲墙，防止水冷壁结渣布置足够的辐射受热面，保证炉膛出口烟温，防止炉膛出口及其后的受热面结渣对炉膛的要求足够的空间和合理的结构，以组织燃烧，减小不完全燃27一次风

携带煤粉送入燃烧器的空气。主要作用是输送煤粉和满足燃烧初期对氧气的需要，用于挥发分的燃烧二次风着火后单独送入的空气，补充后期燃烧所需空气，用于焦炭燃烧，并起到气流的扰动和混合的作用三次风对中间储仓式热风送粉系统，为充分利用细粉分离器排出的含有10%～15%细粉的乏气，由单独的喷口送入炉膛燃烧燃烧器中的“风”一次风携带煤粉送入燃烧器的空气。主要作用是输送煤粉和满足28燃烧器的分类直流燃烧器旋流燃烧器燃烧器的分类直流燃烧器29直流射流直流射流30直流射流的特性射程

射流轴向速度wm与射流初始速度w0的比值降低到某一不为零的数值（如0.05）时的截面与喷口间的距离卷吸能力刚性射流抗偏转的能力扩展角θ

直流射流的特性射程31直流煤粉燃烧器的型式均等配风

适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐煤型配风方式。分级配风

适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，常称为无烟煤和贫煤配风方式。直流煤粉燃烧器的型式均等配风32直流燃烧器均等配风

一、二次风喷口相间布置，即在二个一次风喷口之间均等布置一个或二个二次风喷口，各二次风喷口的风量分配较均匀。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，利于挥发份高的烟煤、褐煤燃烧直流燃烧器均等配风一、二次风喷口相间布置，即在二个一33直流燃烧器均等配风一次风二次风二次风直流燃烧器均等配风一次风二次风二次风34直流燃烧器分级配风一次风喷口相对集中布置，并靠近燃烧器的下部，二次风喷口则分层布置，一、二次风喷口间保持较大的距离，燃烧所需要的二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中，有利于挥发份低的无烟煤、贫煤燃烧。直流燃烧器分级配风一次风喷口相对集中布35直流燃烧器分级配风二次风分级风一次风二次风分级配风图直流燃烧器分级配风二次风分级风一次风二次风分级配风图36典型燃烧器结构

典型燃烧器结构37各级二次风的布置及作用上、下二次风周界风夹心风十字风各级二次风的布置及作用上、下二次风38三次风位于燃烧器上方具有一定的下倾角（7°～15°）风速：50～60m/s三次风位于燃烧器上方39改进的直流燃烧器宽调节比燃烧器（WR燃烧器）PM燃烧器原理：煤粉稳燃技术低NOx燃烧技术改进的直流燃烧器宽调节比燃烧器（WR燃烧器）原理：煤粉稳燃技40宽调节比（WR）燃烧器煤粉气流通过管道弯头时，受离心力作用分成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稳定的回流区一次风喷嘴设有周界风，可避免一次风喷口烧坏；宽调节比（WR）燃烧器煤粉气流通过管道弯头时，受离心力作用分41PM燃烧器PM燃烧器42直流燃烧器的布置方式切向燃烧方式U型火焰燃烧W型火焰燃烧直流燃烧器的布置方式切向燃烧方式43切向燃烧方式特性切向燃烧方式特性44

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，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。卷吸量较大但射程短，适用于挥发份较高的煤种。旋流射流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45旋流射流的特性射程

射流轴向速度wm与射流初始速度w0的比值降低到某一不为零的数值（如0.05）时的截面与喷口间的距离卷吸能力刚性射流抗偏转的能力旋流射流的特性射程46旋流射流旋流射流47旋流射流的型式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、飞边火焰。

旋流射流的型式根据气流的旋流强度的大小，旋流式燃烧器形成的火48旋流煤粉燃烧器的型式单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切向叶片式旋流煤粉燃烧器双调风低NOx煤粉燃烧器旋流煤粉燃烧器的型式单蜗壳旋流煤粉燃烧器49旋流燃烧器的布置方式旋流燃烧器的布置方式50第五章煤粉燃烧理论及燃烧设备课件51第五章煤粉燃烧理论及燃烧设备课件52北仑电厂1#600MW机组

制粉燃烧系统（控制循环）制粉系统：正压直吹式制粉系统配6台碗式中速磨，5台可带MCR负荷，一台备用。6台磨共24根煤粉管道在磨煤机上引出分6层布置成水平走向引至炉膛四角燃烧系统：四角切圆燃烧，摆动式燃烧器，每角6只煤粉喷口，6只二次风喷口北仑电厂1#600MW机组

制粉燃烧系统（控制循环）制粉系统53北仑电厂2#600MW机组

制粉燃烧系统（自然循环）制粉系统：正压直吹式制粉系统配6台HP-983碗式中速磨，5台可带MCR负荷，一台备用。燃烧系统：旋流燃烧器前、后墙对冲布置，36只双调节旋流燃烧器以前、后墙各布置3层，每层6个燃烧器，同墙面、同标高的6个燃烧器共用1个二次风室，也通过6根煤粉管道与同一台磨煤机连接，即同层燃烧器与同一个煤粉子系统相对应。北仑电厂2#600MW机组

制粉燃烧系统（自然循环）制粉系统54煤粉炉点火设备第四节煤粉炉点火设备第四节55点火装置的作用及分类作用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分类三级点火装置（电火花点火器）二级点火装置（电弧点火器、高能点火器）点火装置的作用及分类作用56高能点火器高能点火器57蒸汽雾化油喷嘴蒸汽雾化油喷嘴58燃烧调整试验方法第五节燃烧调整试验方法第五节59燃烧调整试验的目的在以下情况下：新投产或大修后的锅炉燃料种类、燃烧设备、炉膛结构改变通过试验来确定确定最合理、最经济的安全运行方式和参数控制要求燃烧调整试验的目的在以下情况下：60冷态空气动力场试验一次风调平二次风挡板调节，确定风速、风量四角：飘带法确定切圆位置、大小旋流：调整旋流强度改变射流形式冷态空气动力场试验一次风调平61性能试验（热态试验）负荷特性试验（最大负荷、最低稳燃负荷、经济负荷）风量分配试验（结合冷动场试验）热效率试验磨最大出力/单耗一次风调平（考虑运行后煤粉管道与之前冷动场的不同）单个设备的试验（空预器漏风、分离器效率）性能试验（热态试验）负荷特性试验（最大负荷、最低稳燃负荷、经62浓度的影响根据质量作用定律，对于单相反应对于炭粒的多相燃烧来说，化学反应是在炭粒表面上进行的，可以认为炭粒的浓度CA不变化，浓度的影响根据质量作用定律，对于单相反应63温度的影响阿累尼乌斯定律E－活化能T－反应温度温度的影响阿累尼乌斯定律E－活化能64活化能定义：

使某一反应得以进行，分子所需的最低能量即为活化能。能量达到或超过活化能的分子为活化分子。

不同的燃料具有不同的活化能，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分煤的活化能较大。活化能定义：65压力的影响

在反应容积不变的情况下，反应系统压力的提高，就意味着反应物浓度增加，从而使反应速度加快。实际工作过程中，锅炉多采用平衡通风，炉膛内微负压状态，压力不会明显变化，因而不会对反应速度造成影响。压力的影响在反应容积不变的情况下，反应66催化反应的影响催化剂可影响化学反应速度，但化学反应却不能影响反应进行的程度。催化剂可以改变反应物的活化能。锅炉实际生产过程要考虑成本和效益的平衡，一般不以投用催化剂作为加速反应的手段。催化反应的影响催化剂可影响化学反应速度67动力燃烧区燃烧反应速度决定于化学反应动力因素，而氧的扩散过程对燃烧反应速度影响很小，这个反应温度区称为动力燃烧区温度↑、燃料性质动力燃烧区燃烧反应速度决定于化学反应动力因素，而氧的扩散过程68扩散燃烧区燃烧反应速度只决定于氧的扩散速度，即扩散到反应表面氧远不能满足化学反应的需要，这个反应温度区称为扩散燃烧区。扰动↑、炭粒直径↓扩散燃烧区燃烧反应速度只决定于氧的扩散速度，即扩散到反应表面69过渡燃烧区燃烧反应速度取决于化学反应速度和扩散速度，这个反应温度称为过渡燃烧区反应温度介于1000～1400℃时

扰动↑、炭粒直径↓温度↑、燃料性质过渡燃烧区燃烧反应速度取决于化学反应速度和扩散速度，这个反应70着火前的准备阶段水分蒸发挥发分析出挥发分着火措施预先干燥炉温↑扰动↑吸热阶段着火前的准备阶段水分蒸发措施预先干燥吸热阶段71燃烧阶段挥发份燃烧焦炭燃烧措施（过渡区）空气↑炉温↑扰动↑放热阶段燃烧阶段挥发份燃烧措施空气↑放热阶段72燃尽阶段焦炭的燃尽措施扰动↑放热阶段三次风燃尽阶段焦炭的燃尽措施扰动↑放热阶段三次风73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、熄火温度不同燃料的着火、熄火温度不同74燃料性质的影响燃料性质的影响75一次风温一次风温76一次风量总风量取决于炉膛出口过量空气系数。同时，一次风量还必须保证制粉系统中对干燥、输送煤粉的要求。一次风量总风量取决于炉膛出口过量空气系数。同时，一次风量还必77一次风速一次风速78炉内散热条件减小散热，提高燃烧器区域温度水平措施：卫燃带炉内散热条件减小散热，提高燃烧器区域温度水平79燃烧器结构本质：一、二次风混合情况二次风分批混入，做到既不缺氧又不降低炉温，且混入要强烈燃烧器结构本质：一、二次风混合情况80锅炉负荷一般，不投油稳定着火负荷70％（好的可到50％）锅炉负荷一般，不投油稳定着火负荷70％（好的可到50％）81射程喷口尺寸喷口尺寸↑，初始动量↑，射程↑初速初速↑，射程↑直流射流射程>旋流射流射程射程喷口尺寸82卷吸能力喷口形式多个小喷口，周界面↑，卷吸力↑高宽比高宽比↑，周界面↑，卷吸力↑卷吸能力喷口形式83刚性动量动量↑，刚性↑高宽比高宽比↓，刚性↑刚性动量84扩展角θθ可决定射流的形状及两相邻射流开始混合点，其位置对煤粉气流着火和空气的及时补充有很大影响，直流湍流自由射流的θ相对较小扩展角θθ可决定射流的形状及两相邻射流开始混合点，其位85上、下二次风上二次风作用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下二次风作用供应下排煤粉燃烧器所需空气把煤粉气流中析出的粗煤粉托起上、下二次风上二次风作用下二次风作用86第五章煤粉燃烧理论及燃烧设备课件87周界风

作用冷却一次风喷口，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。周界风作用88夹心风

作用：补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度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夹心风作用：89十字风

作用：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，减少煤粉气流分布不均程度十字风作用：90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浓淡分离则可以提高燃烧器出口局部的煤粉浓度合理配风形成合理氧浓度分布煤粉火炬的稳燃技术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煤粉火炬91降低一次风煤粉气流的着火热着火后放热量增加，促进着火并稳燃增加炉内火焰黑度和辐射吸热量，提高火焰传播速度降低NOX的生成量（缺氧燃烧）高煤粉浓度对稳燃的好处降低一次风煤粉气流的着火热高煤粉浓度对稳燃的好处92NOx的生成机理（NO＋NO2）

温度型（热力型）：N2在超过1500摄氏度的高温下氧化生成NOx，温度越高NOx的生成量越多。25－30％燃料型：Nar受热分解和氧化生成NOx。其占NOx总量的70～80%快速型：N2和碳氢燃料先在高温下反应生成中间