第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备

11三月2024第五章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一节 燃烧的基本理论第二节 煤粉气流的着火和燃烧第三节 煤粉燃烧器及点火设备第四节 煤粉炉的炉膛及其特性第五节 燃烧调整实验方法 3/11/2024第一节 燃烧的基本理论燃烧概念

——燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化学反应

单相（均相）反应多相（异相）燃烧3/11/2024不同状态物质的燃烧自然界里的一切物质，在一定温度和压力下，都以一定状态（固态、液态、气态）存在。这三种状态的物质燃烧过程是不同的。固体和液体发生燃烧，需要经过分解和蒸发，生成气体，然后由这些气体成分与氧化剂作用发生燃烧。气体物质不需要经过蒸发，可以直接燃烧。3/11/2024一、化学反应速度化学计量方程式化学反应速度的表示1）反应物消耗的速度或生成物浓度增加的速度2）单位：mol/m3·s3）影响反应速度的因素（1）原始反应物的性质（2）反应系统的条件：反应物浓度、温度、压力、是否有催化反应或连锁反应3/11/20241．C对ω的影响1）化学反应本质 ——一定条件下，不同反应物分子彼此碰撞 →单位t内碰撞次数↑→ω↑ ┠单位V内反应物分子数（物质C）

2）ω与C的关系——质量作用定律（1）均相反应 一定T下，ω与参加化学反应的各反应物 的C成正比，各反应物浓度项方次取相应 的反应系数（2）多相燃烧 单位t内炭粒表面上O浓度的变化——ωB

3）结论：若T、V一定，反应物C↑→ω↑3/11/2024甲烷燃烧3/11/20242．T对ω的影响1）反应速度常数k（若反应物C不随t变化）

Arrhenius定律2）（1）若C不变，ω与T成指数关系：T↑→ω↑（2）现象解释：活化分子的碰撞才是反应的有效碰撞（3）T一定，E↑→ω↓

3）实际炉内燃烧：C、p基本不变，T↑→加速燃烧反应，缩短燃烧时间3/11/20243．p对ω的影响1）V不变，p↑→C↑→ω↑2）ω与p的n次方成正比： 3/11/20244．催化反应1）催化作用：催化剂加入反应系统，引起ω变化2）特点（1）催化剂可影响ω，但自身不受影响（2）一定条件下不能改变平衡状态，只能改变达到平衡的t（实质是改变E）3/11/20245．连锁反应1）作用：使化学反应自动连续加速进行2）机理3）反应过程（1）链的激发形成过程（2）链的传递过程（3）链的断裂过程

4）不分支连锁反应 分支连锁反应3/11/2024二、氧的扩散速度1．炭粒的燃烧：炭粒在表面与O进行2．O的扩散速度：ωks=αks（C0－CB）1）（C0－CB）——供应燃烧足够空气量2）d↓→表面积↑→与O的反应面积↑→O消耗↑→CB↓→（C0－CB）↑→ωks↑——减小d3）气流与炭粒的相对速度↑→扰动↑→O向炭粒表面的供应速度↑，燃烧产物离开表面的速度↑→ωks↑3/11/2024三、燃烧速度与燃烧区域1．炭粒的多相燃烧反应2．炭粒燃烧速度ωks：单位表面上的实际反应速度3．稳定燃烧：ωB=ωks=ωr4．燃烧过程反应区域3/11/20241．炭粒的多相燃烧反应1）参加燃烧的O从周围环境扩散到炭粒的反应表面2）氧气被炭粒表面吸附（最快）3）在炭粒表面进行燃烧化学反应4）燃烧产物由炭粒解吸附（最快）5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中（较快）3/11/20244．燃烧过程反应区域1）动力燃烧区（T<1000℃）取决于T和燃料反应特性 →提高T以强化动力燃烧工况2）扩散燃烧区（T>1400℃） →改善扩散混合条件，相对速度↑或d↓3）过渡燃烧区（1000℃<T<1400℃） →提高T，改善扩散混合，强化扩散煤粉锅炉（1）粗煤粉：炉膛高温区，接近扩散燃烧（2）其余煤粉：炉膛燃烧中心外，都为过渡、动力区

层燃炉：扩散区→强化燃烧→强制通风3/11/2024第二节 煤粉气流的着火和燃烧一、煤粉的燃烧过程二、燃烧过程着火和熄火的热力条件三、煤粉气流的着火四、燃烧完全的条件3/11/2024一、煤粉的燃烧过程 1．煤粉燃烧的三个阶段1）着火前的准备阶段（吸热）

煤粉气流被烟气加热→T↑→M蒸发→干燥煤粉热分解，析出V（煤的特性、加热T和速度）→V着火燃烧→放出的热量加热炭粒→炭粒温度↑→达到一定T并有O接触→炭粒着火燃烧2）燃烧阶段（放热）

煤粉颗粒局部着火燃烧 →燃烧扩散到整个表面3）燃尽阶段

炭粒变小，表面形成灰壳， 少量未燃尽炭继续燃烧3/11/20243/11/2024一、煤粉的燃烧过程 2．炭粒的燃烧1）煤粉燃烧的关键（1）可燃质的主要部分（2）燃烧过程最长（3）放热量份额大

2）燃烧机理

一次反应 二次反应

3）不同T下炭粒燃烧过程（1）T<1200℃（2）T>1200℃

4）影响炭粒燃烧的因素

T、是否等温、炭粒的几何形状和结构、炭粒周围气流性质3/11/2024二、燃烧过程着火和熄火的热力条件1．着火和Tzh

1）缓慢氧化状态→高速燃烧状态的瞬间——着火2）转变瞬间的T——Tzh2．燃烧过程中的放热和吸热1）燃烧室内煤粉空气混合物燃烧的放热量Q12）燃烧过程中向周围介质的散热量Q23．Q1-T、Q2-T变化曲线及分析4．加快着火的方法1）加强放热：散热条件不变，C↑、p↑、T0↑2）减少散热：放热条件不变，T0↑，气流速度↑、燃烧室保温3/11/20243/11/2024三、煤粉气流的着火1．着火过程2．煤粉燃烧特点之一：较难着火3．理想的煤粉气流着火——燃烧器喷口不远处4．着火热Qzh：包括加热煤粉及空气（一次风），并使煤粉中M加热、蒸发、过热所需热量5．影响煤粉气流着火的主要因素6．结论3/11/20241．着火过程煤粉空气混合物→燃烧器→喷入炉膛→卷吸高温烟气（湍流扩散、回流）+高温火焰辐射→被迅速加热→热量达到一定T→着火3/11/20243．理想的煤粉气流着火1）着火过早→燃烧器喷口烧坏、附近结渣2）着火太迟→推迟整个燃烧过程→q4↑ →火焰中心上移→炉膛出口受热面结渣3/11/20245．影响煤粉气流着火的主要因素1）燃料性质：Vdaf、M、A、R90

2）一次风温3）一次风量（r1zj）（1）大→Qzh↑→着火推迟（2）过小→缺O→限制燃烧过程的发展（3）需满足输粉要求（煤粉堵塞）

4）一次风速（适宜风速选取）（1）过高→流量↑→煤粉气流加热速度↓（2）过低→燃烧器喷口烧坏，煤粉管道堵塞

5）炉内散热条件——敷设卫燃带（注意结渣）6）燃烧器结构特性（1）一、二次风混合（2）尺寸7）锅炉负荷——着火稳定性条件限制了调节范围3/11/20246．结论1）稳定着火过程的首要条件：组织强烈的煤粉气流与高温烟气的混合→供给足够Qzh

2）减小Qzh的有效措施：提高一次风温、合适的一次风量和风速3）难燃煤稳定着火常用方法：较细较均匀煤粉，敷设卫燃带3/11/2024四、燃烧完全的条件1．燃烧效率：ηr=100－（q3+q4）%2．完全燃烧的原则性条件1）供应充足而又合适的空气量αl”——必要条件2）适当高的炉温3）空气和煤粉的良好扰动和混合4）足够的炉内停留时间3/11/2024第三节 煤粉燃烧器及点火设备煤粉炉燃烧设备煤粉燃烧器（喷燃器）点火装置炉膛燃烧器作用将一、二次风送入炉膛，组织气流结构，迅速稳定着火及时供应空气，风粉充分混合，迅速完全燃烧3/11/2024第三节 煤粉燃烧器及点火设备燃烧器要求（1）空气动力场，着火，风粉混合→燃烧稳定性、经济性（2）燃料适应性，调节性，调节范围→适应煤种和负荷变化的需要（3）控制NOx生成→保护环境（4）运行可靠，便于维修（5）易于实现远程或自动控制型式（按出口气流特征）直流燃烧器：直流射流（组）旋流燃烧器：旋转（+直流）射流（组）3/11/2024一、旋流煤粉燃烧器1.旋转射流的特性（1）内回流区：反向气流 卷吸周围介质 +射流外边界（2）旋转效应衰减快：相同初始动量下，射程比直流短（3）扩展角大：随旋转强度增大而增大3/11/2024旋转射流流动状态封闭气流：弱旋转开放气流：内回流区全扩散气流：飞边→火焰贴墙→炉墙、水冷壁结渣3/11/20242.旋流煤粉燃烧器的型式3/11/2024（1）单蜗壳型旋流煤粉燃烧器优点：一次风阻力小，射程远，后期扰动好 煤种适应性好，可燃用低V贫煤缺点：易烧坏、结渣3/11/2024烧毁的燃烧器3/11/2024烧毁的燃烧器3/11/2024（2）双蜗壳旋流煤粉燃烧器优点：出口气流前期混合强烈，可燃用烟煤、褐煤和贫煤缺点：燃料适用范围不广 一次风阻力大，不宜直吹式制粉系统 气流速度、煤粉浓度分布不均3/11/2024（3）轴向叶片型旋流煤粉燃烧器特点 1）调节性能较好 2）中心回流区较小、较长 3）适宜燃用高V烟煤、褐煤3/11/2024（4）切向叶片式旋流煤粉燃烧器3/11/2024（5）双调风低NOx煤粉燃烧器优点：空气分级送入、燃烧调节灵活、有利稳定燃烧、煤质适应范围宽、可防止结渣或腐蚀3/11/2024导流叶片鼓风式旋流扩散燃烧器3/11/2024二、直流煤粉燃烧器1.直流射流的特性（1）直流湍流自由射流： 初始段 基本段（2）射程：长（与喷口尺寸、射流初速有关）→衰减慢，贯穿能力强→后期混合好（3）卷吸烟气能力：高/宽↑→卷吸力↑→速度衰减↑→射程↓（4）射流刚性：高/宽↓→刚性↑→不易偏转，吸引刚性小的射流3/11/20242.直流煤粉燃烧器的型式结构：狭长形，由一组喷口（圆形、矩形或多边形）组成流动介质：一次风煤粉气流、二次风、乏气（中间储仓式，热风送粉）直流射流方向：水平、倾斜一定角度（向上、向下）3/11/2024（1）均等配风直流煤粉燃烧器一、二次风喷口相间布置适宜燃用烟煤、褐煤3/11/2024（2）分级配风直流煤粉燃烧器把二次风分级分阶段送入燃烧的煤粉气流中适宜燃用无烟煤、贫煤、劣质烟煤3/11/2024（2）分级配风直流煤粉燃烧器设计和布置上的特点

1）喷口呈狭长形：高/宽↑→着火周界↑→卷吸能力↑→利于煤粉气流着火 2）喷口集中布置：着火区煤粉浓度↑，放热集中→火焰中心T↑→利于煤粉 迅速稳定着火 →一次风射流刚性、贯穿能力↑→火焰偏斜↓，风粉后期混合↑ 3）一、二次风喷口间距加大：一、二次风混合推迟，利于着火 4）二次风分级布置：利于前期着火和后期燃烧 5）周界风、夹心风：风速↑→气流刚性↑→防止气流偏斜和燃烧器烧坏 影响着火稳定 6）三次风：布置在燃烧器上方，有下倾角，风速高3/11/2024锅炉内部#1/#2燃烧器及水冷壁布置3/11/2024（3）几种改进的直流煤粉燃烧器宽调节比燃烧器PM燃烧器3/11/2024三、点火装置1.作用（1）点燃主燃烧器煤粉气流（2）稳定着火、燃烧（3）辅助燃烧2.点火方式（1）三级点火：气体燃料—雾化燃料油—煤粉气流（2）二级点火：燃料油—煤粉气流3.点火器3/11/2024电火花点火器3/11/2024电弧点火器3/11/2024高能点火器3/11/2024等离子煤粉燃烧器3/11/2024等离子点火系统组成3/11/2024等离子燃烧器3/11/2024第四节 煤粉炉的炉膛及其特性一、煤粉锅炉的炉膛1.炉膛结构需满足的要求（1）空间足够，形状合理（2）炉内温度场和空气动力特性良好（3）布置足够辐射受热面，炉膛出口烟温合理2.影响炉膛形状、尺寸的因素

燃料种类、燃烧方式、燃烧器布置、火焰形状和行程3.炉膛水平横截面选取（1）直流燃烧器：正方形或接近正方形的矩形（2）旋流燃烧器：长方形4.炉膛宽度的选取（1）适应过热器和尾部受热面布置的需要（2）与汽包长度相匹配3/11/2024二、燃烧器的布置及炉内空气动力特性1.旋流燃烧器（1）布置要求

a.各燃烧器火焰自由发展，相邻射流不互相干扰 b.保持适当距离：燃烧器间、与邻近炉墙间、与冷灰斗上缘间 c.相邻气流旋转方向相反3/11/2024二、燃烧器的布置及炉内空气动力特性1.旋流燃烧器（2）前墙布置 a.优点：煤粉管道短，煤粉分配均匀，炉膛宽度方向烟温偏差小 b.缺点：火焰扰动弱，后期混合差，死滞漩涡区大，火焰充满程度差，易结渣3/11/2024二、燃烧器的布置及炉内空气动力特性1.旋流燃烧器（3）两面墙布置

a.优点：死滞漩涡区减少，火焰充满混