煤粉爐燃燒原理及燃燒設(shè)備[課堂講課]

1、第五章煤粉爐燃燒原理及燃燒設(shè)備,1,知識分享,第一節(jié)燃燒化學反應(yīng)動力學基礎(chǔ),一、燃燒化學反應(yīng)速度 （一）化學反應(yīng)速度 燃燒反應(yīng)是一種發(fā)光發(fā)熱的高速化學反應(yīng)； 1、均相反應(yīng)和多相反應(yīng)： 2、反應(yīng)速度可以用某一反應(yīng)物濃度減少的速度表示，也可以用生成物濃度增加的速度表示。 aA+bB一gG+hH wA=dCA/dt 影響因素： （1）反應(yīng)物性質(zhì)；（2）反應(yīng)物的濃度；（3）溫度； （4）壓力；（5）是否有催化劑或連鎖反應(yīng),2,知識分享,二）質(zhì)量作用定律,3,知識分享,三）阿累尼烏斯定律,4,知識分享,四）催化作用 催化劑本身不變 改變化學反應(yīng)速度，不改變反應(yīng)限度 （五）鏈鎖反應(yīng) 多米諾效應(yīng)活化分子,5

2、,知識分享,二、燃燒速度與燃燒區(qū)域 1、碳的多相燃燒特點,6,知識分享,2、多相燃燒反應(yīng)的燃燒區(qū)域,7,知識分享,第二節(jié)煤和煤粉的著火和燃燒,一、熱力著火 1、定義 著火：由緩慢的氧化反應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程 可分為： 連鎖著火：這種由連鎖反應(yīng)引起的著火叫連鎖著火。 熱力著火：由于溫度不斷升高而引起的著火叫熱力著火。在鍋爐中發(fā)生的著火就是熱力著火,8,知識分享,著火過程有兩層意義：一是著火是否可能發(fā)生？二是能否穩(wěn)定著火？ 實現(xiàn)穩(wěn)定著火滿足兩個條件 A、放熱量和散熱量達到平衡，放熱量等于散熱量。 B、放熱量隨系統(tǒng)溫度的變化率大于散量熱隨系統(tǒng)溫度的變化率,9,知識分享,2、著火和熄火的

3、熱力條件,10,知識分享,11,知識分享,關(guān)于著火溫度的說明,著火溫度不是物性參數(shù)，隨所處熱力條件的變化而不同， 各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入很大，過分強調(diào)著火溫度意義不大， 如，褐煤堆，如果通風不良，接近于絕熱狀態(tài)，孕育時間長，著火溫度可低于大氣溫度,12,知識分享,著火溫度的概念可以使著火過程的物理模型大大簡化。 嚴格上，只說著火的臨界條件或著火條件：使系統(tǒng)在某個瞬時或空間某部分達到高溫的反應(yīng)狀態(tài)。 實現(xiàn)這一過渡過程的初始條件或邊界條件為著火條件,13,知識分享,3、著火熱,14,知識分享,著火熱的來源,卷吸爐膛高溫煙氣而產(chǎn)生的對流換熱 爐內(nèi)高溫火焰的輻射換熱,15,知識分享,二、

4、煤粉的燃燒過程,1、燃燒階段 著火前的準備階段 燃燒階段 燃盡階段,16,知識分享,2、碳粒的燃燒機理 煤粉燃燒好壞的關(guān)鍵：碳的燃燒 原因： 焦炭中的碳是可燃質(zhì)的主要部份； 焦炭著火最晚，燃燒最遲； 焦炭中的碳的放熱量比例較大,17,知識分享,碳的反應(yīng)可分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng),18,知識分享,19,知識分享,20,知識分享,三、影響煤粉氣流著火的因素,21,知識分享,四、燃燒完全的條件,燃燒的完全程度可用燃燒效率來表示,22,知識分享,五、強化煤粉氣流燃燒的措施,提高熱風和一次風溫度 限制一次風量 合理送入二次風 著火區(qū)保持高溫 選擇適當?shù)拿悍奂毝?強化燃燒階段和燃盡階段 合理組織爐內(nèi)空氣動力

5、工況,23,知識分享,第三節(jié) 燃燒器和點火裝置,煤粉爐的燃燒設(shè)備包括： 煤粉燃燒器（也稱為噴燃器） 點火裝置 爐膛,24,知識分享,穩(wěn)定著火 著火后，良好的混合 充滿度 與 刷墻(配風、角度) 燃料適應(yīng)性 負荷調(diào)節(jié)(穩(wěn)燃技術(shù)) 低NOx燃燒器 流動阻力小,1、作用：組織燃燒 2、要求,3、分類,旋流燃燒器前后墻布置： 直流燃燒器四角布置切圓燃燒方式,25,知識分享,26,知識分享,直流自由射流 湍流（紊流）自由射流 卷吸 衰減 射程 高寬比,一）直流煤粉燃燒器的射流特性,一、直流煤粉燃燒器的類型及特點,27,知識分享,直流燃燒器,28,知識分享,直流燃燒器,29,知識分享,30,知識分享,點火

6、,31,知識分享,射流的結(jié)構(gòu)及術(shù)語 等速核心區(qū) 射流外邊界 射流內(nèi)邊界 射流的轉(zhuǎn)折截面 射流初始段 射流主體段 射流擴散（展）角,32,知識分享,33,知識分享,二）直流煤粉燃燒器的類型及特點,直流煤粉燃燒器的出口是由一組圓形、矩形或多邊形的噴口所組成。 直流煤粉燃燒器大都采用四角布置切圓燃燒的方式,34,知識分享,35,知識分享,36,知識分享,37,知識分享,根據(jù)煤種的不同，直流煤粉燃燒器的一次風噴口和二次風噴口有各種不同的布置方式，使燃料穩(wěn)定地著火、煤粉與空氣有效地混合、完全燃燒和避免結(jié)渣。 直流燃燒器可分為均等配風燃燒器和分級配風燃燒器兩種形式,38,知識分享,1.均等配風直流煤粉燃燒

7、器,均等配風方式是指一、二次風噴口相間布置。 在均等配風方式中，由于一、二次風噴口間距相對較近，一、二次風處自噴口流出后能很快得到混合，使煤粉氣流著火后不致由于空氣跟不上而影響燃燒，故一般適用于煙煤和褐煤,39,知識分享,40,知識分享,分清圖(b)中的“向火側(cè)”、“背火側(cè),41,知識分享,四角切圓燃燒,42,知識分享,向火側(cè),背火側(cè),43,知識分享,2.分級配風直流煤粉燃燒器,分級配風方式是指把燃燒所需要的二次風分級分階段地送入燃燒的煤粉氣流中， 此種燃燒器適用于無煙煤、貧煤和劣質(zhì)煤，所以又叫做無煙煤型直流煤粉燃燒器,44,知識分享,45,知識分享,46,知識分享,分級配風直流燃燒器的特點,

8、一次風噴口狹長； 一次風噴口集中布置； 一、二次風噴口各自集中在一起，且一、二次風噴口的間距較大,47,知識分享,二次風分層布置 一次風噴口的周圍或中間還布置有一股二次風，分別稱為周界風和夾心風,48,知識分享,三次風噴口布置在燃燒器的最上方，距相鄰二次風噴口有較大間距，并應(yīng)有一定的傾角，此外，三次風速不宜過低，一般為5060m/s。 3100 31018,49,知識分享,二、旋流煤粉燃燒器,1、旋流燃燒器的射流特性 旋流燃燒器是利用旋流器使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的。旋流燃燒器中所采用的旋流器主要有以下幾種：蝸殼、切向葉片及軸向葉片等,50,知識分享,51,知識分享,52,知識分享,53,知識分享,

9、54,知識分享,55,知識分享,56,知識分享,2、旋轉(zhuǎn)射流的特點,1）二次風是旋轉(zhuǎn)氣流。一次風可以是旋轉(zhuǎn)氣流，也可用擴錐擴展。因此整個氣流形成空心圓錐形旋轉(zhuǎn)氣流。 （2）旋轉(zhuǎn)射流有強烈的卷吸作用，能將中心及外緣的氣體帶走，造成負壓區(qū)，在中心部分和外緣就會因高溫煙氣回流而形成回流區(qū)。 中心部分形成的回流區(qū)稱為內(nèi)回流區(qū)； 外緣部分形成的回流區(qū)稱為外回流區(qū),57,知識分享,58,知識分享,59,知識分享,3）在同樣的初始動量下，旋轉(zhuǎn)射流的射程要比直流射流短。 （4）旋轉(zhuǎn)射流外邊界所形成的夾角稱為擴散角，用符號表示。旋轉(zhuǎn)射流的擴散角一般比直流射流大，而且隨著氣流旋轉(zhuǎn)氣流旋轉(zhuǎn)強度的增加，擴散角也增大，

10、同時回流區(qū)也加大，因而高溫煙氣的回流量也增多,60,知識分享,5）當氣流旋流強度增加到一定程度時射流會突然貼在墻壁上，即擴散角等于180，這種現(xiàn)象稱為氣流的飛邊現(xiàn)象。 當飛邊現(xiàn)象產(chǎn)生后，會導致噴口和爐墻結(jié)渣，也容易燒壞燃燒器,61,知識分享,62,知識分享,3、旋流強度及其影響,63,知識分享,64,知識分享,65,知識分享,4、常用的旋流燃燒器,單蝸殼擴錐型旋流燃燒器： 雙蝸殼旋流燃燒器： 軸向葉片旋流燃燒器： 切向葉片式旋流燃燒器,66,知識分享,67,知識分享,68,知識分享,69,知識分享,70,知識分享,三、新型煤粉燃燒器,一）煤粉穩(wěn)燃 1、常用穩(wěn)燃措施 （1）敷設(shè)燃燒帶； （2）熱

11、風送粉； （3）較低的一次風速和一次風率； （4）減小顆粒細度； （5）控制最低運行負荷以及采用性能良好的燃燒器。 2、三高區(qū)理論 高溫、高煤粉濃度和適當高的氧濃度,71,知識分享,二）低NOx燃燒技術(shù),隨著燃燒運行中煙氣中含氧量的增加，NOX的生成量和增加的幅度與燃料的種類、燃燒方式以及排渣方式有關(guān),72,知識分享,燃煤排放的眾多污染物中，NOX是唯一可通過改進燃燒方式來降低排放量的氣體污染物， 選擇合理燃燒參數(shù)和合理地組織燃燒過程減少在燃料燃燒階段NOX的形成量， 是比較經(jīng)濟且合理的降低NOX排放的技術(shù)措施,73,知識分享,氮氧化物的生成：生成NOx的途徑主要有三個：熱力型、燃料型和快速型

12、。 熱力型NOx是空氣中的氮氣在高溫下直接氧化而生成的，它的生成和溫度密切相關(guān)，僅當火焰溫度大于1500時，才會大量生成； 燃料型是燃料中氮在燃燒過程中氧化而生成的NOx，與溫度的關(guān)系不大，是最主要的NOx生成途徑； 快速型是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應(yīng)生成的NOx，在煤燃燒過程中的生成量較小,74,知識分享,三種類型NOx生成量與溫度關(guān)系,三種類型NOx生成量與溫度關(guān)系圖,75,知識分享,抑制NOX生成的理論依據(jù),降低火焰峰值溫度、 降低最高溫度區(qū)域的局部氧濃度， 降低燃料在最高溫度區(qū)域的停留時間,76,知識分享,燃煤粉電站鍋爐降低NOX的燃燒技術(shù)措施,燃燒空氣分級技術(shù)

13、組織爐內(nèi)燃料分級再燃還原NOX 濃淡分離技術(shù) 低氧燃燒技術(shù),77,知識分享,空氣分級燃燒技術(shù) (air staging): 燃料的燃燒過程分段進行，燃燒用風分為一、二次風，減少煤粉燃燒區(qū)域的空氣量，提高燃燒區(qū)域的煤粉濃度。 推遲一、二次風混合時間，煤粉進入爐膛時形成富燃料區(qū)，并在富燃料區(qū)進行缺氧燃燒，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與補入的二次風混合，使燃料完全燃燒。 “燃盡風”噴口的位置決定了煤粉氣流在主燃燒區(qū)內(nèi)的停留時間，它和過量空氣系數(shù)一起，共同決定了主燃燒區(qū)內(nèi)NOx降低的程度，也直接關(guān)系到其在燃盡區(qū)的燃盡效果和爐膛出口煙氣溫度水平,沿爐膛高度空氣分級燃燒,78,知識分享,

14、79,知識分享,80,知識分享,燃料分級燃燒技術(shù) (fuel staging): 根據(jù)NOx的分解機理，已生成的NOx在遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時，會發(fā)生NO的還原反應(yīng)從而降低NOx排放水平。 第一級燃燒區(qū)：將85%左右的燃料送入進行富氧燃燒，生成大量的NOx； 第二級燃燒區(qū)：送入15%的燃料，進行缺氧燃燒，將第一區(qū)生成的NOx進行還原，從而降低NOx的排放。 燃料分級燃燒時所使用的再燃燃料可以與主燃料相同，但由于煤粉氣流在再燃區(qū)內(nèi)的停留時間相對較短，再燃料宜于選用容易著火和燃燒的烴類氣體或液體燃料，如天然氣,沿爐膛高度燃料分級燃燒,81,知識分享,82,知識分享

15、,83,知識分享,84,知識分享,濃淡分離技術(shù),85,知識分享,86,知識分享,三）新型煤粉燃燒器,鈍體燃燒器（華中理工,87,知識分享,88,知識分享,火焰穩(wěn)定船式直流燃燒器（清華,89,知識分享,濃淡燃燒器,1、WR型燃燒器 2、PM型燃燒器 PM型燃燒器是在燃燒器內(nèi)將煤粉氣流分為濃度氣流和煤粉氣流。濃煤粉氣流在上，淡煤粉氣流在下,90,知識分享,91,知識分享,3、寬調(diào)節(jié)比燃燒器 寬調(diào)節(jié)比燃燒器實際上也是一種濃、淡型煤粉燃燒器。這種燃燒器的主要性能是在低負荷下，不投油仍然能穩(wěn)定燃燒。故其對鍋爐負荷變化時的燃燒調(diào)節(jié)范圍比較寬,92,知識分享,4、雙調(diào)風低NOx燃燒器,BW低NOx燃燒器,9

16、3,知識分享,94,知識分享,95,知識分享,FW低NOx燃燒器,96,知識分享,分類： 1、采用過渡燃料的點火裝置 2、帶煤粉預(yù)燃室的點火裝置 3、等離子點火裝置,作用： 1、鍋爐啟動點火 2、鍋爐負荷過低或煤質(zhì)變差時穩(wěn)定燃燒,四、煤粉爐的點火裝置,97,知識分享,高能點火器,98,知識分享,蒸汽霧化噴嘴,99,知識分享,帶煤粉預(yù)燃室的點火裝置,100,知識分享,101,知識分享,102,知識分享,直流燃燒器,103,知識分享,等離子體煤粉點火技術(shù),等離子體定義,等離子體是指被電離的氣體。 由原子、電子、離子或分子等粒子組成。 正、負電核數(shù)相等，對內(nèi)為良導體，對外為中性,104,知識分享,等

17、離子發(fā)生器原理,105,知識分享,等離子點火裝置,106,知識分享,等離子點火裝置,107,知識分享,系統(tǒng)組成,二次風,火焰監(jiān)視電視,觸摸屏,一次風,火焰探頭,進水,回水,壓縮空氣,電源控制柜,108,知識分享,主燃燒器更換為等離子燃燒器的過程,109,知識分享,墻式燃燒鍋爐 等離子燃燒器兼主燃燒器,110,知識分享,點火,111,知識分享,第四節(jié) 固態(tài)排渣煤粉爐,一、煤粉爐爐膛及燃燒器布置 1、爐膛結(jié)構(gòu)及其要求 四周布滿水冷壁 冷灰斗 平爐頂結(jié)構(gòu) 頂棚管過熱器 屏式過熱器 折焰角,112,知識分享,113,知識分享,114,知識分享,鍋爐爐膛,爐膛,冷灰斗,水冷壁,平爐頂,屏式過熱器,折焰角

18、,燃燒器,115,知識分享,爐膛應(yīng)滿足以下要求,1)要有良好的爐內(nèi)空氣動力特性 (2)應(yīng)能布置足夠的受熱面，保證爐膛出口及其后的受熱面不結(jié)渣 (3)要有合適的熱強度,116,知識分享,2、爐膛熱負荷 爐膛熱負荷包括爐膛容積熱負荷、爐膛斷面熱負荷和燃燒器區(qū)域壁面熱負荷。下面分別加以介紹： 1爐膛容積熱負荷和斷面熱負荷 式中 qv爐膛容積熱負荷， kWm3； Vl爐膛容積，m3,117,知識分享,對于一定參數(shù)、一定容量的鍋爐來說，燃料單位時間在爐內(nèi)的放熱量是一定的。 因此qv取得大，爐膛容積就??；取得小，爐膛容積就大。 qv過大，爐膛容積就過小，煤粉在爐內(nèi)停留時間短，燃燒不完全，同時水冷壁面積小，

19、爐溫過高，容易造成結(jié)渣,118,知識分享,爐膛的大體形狀常由爐膛斷面熱負荷和爐膛容積熱負荷一起來確定。爐膛斷面熱負荷是指單位時間、單位爐膛橫斷面積放出的熱量，即,顯然，當qv一定時，qA取得大，爐膛橫斷面Al就小，爐膛就瘦長些; qA取得小，爐膛橫斷面Al就大，爐膛就矮胖些,119,知識分享,2燃燒器區(qū)域壁面熱負荷 燃燒器區(qū)域壁面熱負荷是指單位時間、單位燃燒器區(qū)域壁面面積放出的熱量，即,120,知識分享,qr越大，說明火焰越集中，燃燒器區(qū)域的溫度水平就越高。這對燃料的著火和維持燃燒的穩(wěn)定是有利的。 但過高qr ，意味著火焰過分集中，使燃燒器區(qū)域局部溫度過高，容易造成燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)渣,121

20、,知識分享,二、切圓燃燒方式,四角布置的切圓燃燒方式,122,知識分享,著火 互相引燃 燃燒 氣流在爐膛中心強烈旋轉(zhuǎn)燃燒 燃盡 旋轉(zhuǎn)上升延長了煤粉在爐內(nèi)停留的時間,四角布置的直流燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成一個穩(wěn)定的強烈旋轉(zhuǎn)火炬。在爐膛中心形成一股螺旋上升的氣流,切圓燃燒方式的特點,123,知識分享,124,知識分享,125,知識分享,空氣動力特性,126,知識分享,四角切圓燃燒的氣流偏斜及切圓直徑,假想切圓直徑實際切圓直徑,127,知識分享,1、氣流偏斜問題 引起燃燒器出口氣流偏斜的主要原因是： （1）鄰角氣流的撞擊是氣流偏斜的主要原因。 （2）射流偏斜還受射流兩側(cè)“補氣”條件的影響。

21、 （3）燃燒器的高寬比(hr/b)對射流彎曲變形影響較大。 （4）當燃燒器多層布置時，上層氣流不斷的被卷吸到下層氣流中，加上氣流受熱膨脹的影響，使氣流容積流量增大，旋渦直徑相應(yīng)增大，一般可使實際切圓直徑膨脹到假想切圓直徑的810倍,128,知識分享,運行證實，爐內(nèi)實際切圓直徑遠比設(shè)計的假想切圓直徑大得多，如下圖所示,熱態(tài)時為6-9倍,冷態(tài)時為8-12倍,129,知識分享,2切圓直徑過大問題 優(yōu)點：上游鄰角火焰向下游煤粉氣流的根部靠近，煤粉的著火條件較好。這時爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強烈，氣流擾動大，使后期燃燒階段可燃物與空氣流的混合加強，有利于煤粉的燃盡。 問題：(1) 火焰容易貼墻，引起結(jié)渣； (2)

22、著火過于靠近噴口，容易燒壞噴口； (3) 火焰旋轉(zhuǎn)強烈時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動量矩大，同時因為高溫火焰的粘度很大，到達爐膛出處，殘余旋轉(zhuǎn)較大，這將使爐膛出口煙溫分布不均勻程度加大，因而既容易引起較大的熱偏差，也可能導致過熱器結(jié)渣或超溫,130,知識分享,燃燒器射流貼附或沖擊爐墻，是水冷壁結(jié)渣的主要原因,131,知識分享,132,知識分享,三、L型火焰燃燒方式,133,知識分享,前后墻3排布置，每層4只6只，總共24只36只。 組織前后墻對沖燃燒。 主燃燒器之上設(shè)燃盡風口，燃盡風風口含兩股獨立的氣流，中央部分為非旋轉(zhuǎn)氣流，外圈為旋轉(zhuǎn)氣流,都勻電廠燃燒器布置,134,知識分享,四、W型火焰燃燒方式,一）W形火焰燃燒方式的特點 W形火焰燃燒方式的固態(tài)排渣煤粉爐是美國的FW公司首創(chuàng)，為法國和日本吸收并發(fā)展起來，它脫胎于早期的U形火焰燃燒方式，故又稱雙U形火焰燃燒方式，由于W形火焰燃燒方式有許多特點，適合于低揮發(fā)份煤的燃燒，許多國家都采用這種燃燒方式