第四章 燃燒設備

1、第四章 燃燒設備1一、電廠鍋爐的燃燒設備燃燒器爐膛點火裝置第一節(jié) 電廠鍋爐的燃燒設備2二、對煤粉燃燒器的要求煤粉燃燒器是鍋爐燃燒設備的主要組成部分，其性能對燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及污染物的生成都有很大的影響。將燃料和燃燒所需空氣送入爐膛，在爐內(nèi)形成良好的空氣動力場，使燃料能迅速穩(wěn)定地著火。及時供應空氣，與燃料適時混合，造成必須的燃燒強度，使燃料在爐內(nèi)達到完全燃燒。燃燒可靠穩(wěn)定，爐內(nèi)不結渣，保證鍋爐安全經(jīng)濟地運行。 有較好的燃料和負荷適應性，具有良好的調(diào)節(jié)性能和較大的調(diào)節(jié)范圍，以適應煤種和負荷變化的要求。NOx的生成量控制在允許范圍內(nèi)，以達到環(huán)保的要求。煤粉燃燒器3三、煤粉燃燒器的分類根據(jù)燃燒器出

2、口氣流的特征分為直流燃燒器：出口氣流為直流射流或直流射流組。旋流燃燒器：出口氣流主要為旋轉射流。煤粉燃燒器4一、直流射流（一）射流概念射流：噴口噴出的氣流。自由射流：射流射入到一個很大的不受約束的、充滿靜止氣體的空間。卷吸：射流進入爐膛后由于紊流作用將與周圍的介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量、動量和能量交換，從而帶動周圍介質(zhì)一起運動的過程。其結果是：射流流量增加、寬度增加、速度降低、煤粉濃度降低、溫度升高。（二）自由直流射流直流射流氣流結構和空氣動力學特性：以圓形噴口為例分析射流圖。平面射流特性與圓形射流近似。第二節(jié)直流射流和直流煤粉燃燒器射流特點 5自由直流射流的空氣動力學特性 （三）射流軸線上的軸向速度衰減規(guī)

3、律和射程在其它條件（W0、 x 、a）一定時，噴口尺寸R0愈大，則Wm愈大，即射流衰減愈慢。射程L：按照第一種定義，射程L與W0 無關，只與 R0和紊流系數(shù)a有關。當R0愈大，射程L愈長。按照第二種定義，射程L與W0 、 R0和紊流系數(shù)a有關。W0，則L；R0 ，則L。噴口的幾何尺寸和氣流的初速綜合起來可用射流的初始動量K0來表示 6自由直流射流的空氣動力學特性 （四）射流主體段內(nèi)流量變化規(guī)律和射流卷吸能力卷吸能力：當噴口尺寸R0由大變小時，無因次流量增加，卷吸能力增大。在噴口流通面積不變的情況下，如果將一個大噴口分為幾個小噴口時，會使射流的卷吸能力增加，但射程將縮短。 （五）其它參數(shù)的變化規(guī)

4、律在不等溫射流中，其溫度差的分布與速度分布相似；無因次濃度差的變化規(guī)律與無因次溫度差的變化相同。 7二、直流煤粉燃燒器的配風方式（一）直流煤粉燃燒器結構燃燒器由一組圓形、矩形或多邊形的噴口所構成，煤粉和燃燒所需要的空氣分別由不同的噴口以直流射流的形式進入爐膛。一次風、二次風、三次風一次風：攜帶煤粉送入燃燒器的空氣。主要作用是輸送煤粉和滿足燃燒初期揮發(fā)分燃燒對氧氣的需要。二次風：待煤粉氣流著火后再送入的空氣。主要作用是補充煤粉繼續(xù)燃燒所需的氧氣并起擾動、混合作用。三次風燃盡風(OFA: Over fired air)第二節(jié)直流射流和直流煤粉燃燒器射流特點 8（二） 直流煤粉燃燒器的分類根據(jù)燃燒器

5、中一、二次風口的布置情況，直流煤粉燃燒器分為均等配風和分級配風兩種形式。均等配風燃燒器采用一二次風口相間布置。特點：一、二次風噴口間距小，混合早，使一次風煤粉氣流在著火后就能獲得足夠的空氣；適用于揮發(fā)分含量較高且容易著火的煤種（煙煤、褐煤）。直流煤粉燃燒器9分級配風燃燒器把燃燒所需的二次風分級分段地送入燃燒的煤粉氣流中。一次風口集中布置，二次風口分層布置，且一、二次風口之間保持較大距離。特點：一次風口集中布置，燃燒放熱集中，火焰中心溫度升高，有利于劣質(zhì)煙煤或無煙煤的著火燃燒；二次風混合較遲；二次風分級供給；適用于揮發(fā)分含量較低且難著火燃燒的煤種（無煙煤、貧煤和劣質(zhì)煙煤）。直流煤粉燃燒器10三、

6、直流煤粉燃燒器的射流特性1. 切圓燃燒射流直流煤粉燃燒器采用切圓燃燒方式。直流燃燒器布置在爐膛的四角或接近四角，四個燃燒器射流的幾何軸線在爐膛中心形成假想的切圓（四角切圓燃燒），也可以是其它形式的布置。空氣動力特性：不僅取決于每個燃燒器本身的結構和工況參數(shù)的選擇，而且還決定于燃燒器的布置方式；一角燃燒器煤粉氣流著火所需熱量，除依靠本身卷吸煙氣和接受爐膛輻射熱以外，主要是靠來自上游鄰角正在劇烈燃燒的火焰的混合和加熱。各角燃燒器射流間的相互作用對爐內(nèi)燃燒過程有重要的影響。 第二節(jié)直流射流和直流煤粉燃燒器射流特點 11直流燃燒器切圓燃燒的特點著火性能較好，煤種適應性強；一、二次風混合的快慢可以通過燃

7、燒器的設計進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)； 初期混合差，后期混合好，燃燒后期氣流擾動較強，有利于燃盡；爐內(nèi)空氣動力場不僅取決于單個燃燒器，而且決定于整體布置；NOx生成量相對少。 直流煤粉燃燒器射流特點 122. 氣流偏斜與殘余旋轉 射流剛性是指氣流在外界干擾下不改變自己流動方向的能力。氣流偏斜在四角切圓燃燒的爐膛內(nèi)，從燃燒器噴口出來的氣流并不能保持沿噴口幾何軸線方向前進，而會出現(xiàn)一定程度的偏斜，氣流偏向爐墻一側。射流（特別是一次風射流）偏斜嚴重，會導致火焰貼墻或沖墻，是引起爐膛水冷壁結渣的主要原因之一。殘余旋轉直流煤粉燃燒器射流特點 13影響次風煤粉射流偏斜的主要因素 鄰角氣流的橫向推力：與爐膛四角射流的旋

8、轉動量矩有關，即一、二次風的動量比。二次風動量增加，偏斜加劇一次風動量（剛性）大，偏斜小假想切圓直徑：直徑，使鄰角火炬易于達到下角射流的根部，有利于著火；增大氣流的旋轉強度，燃燒后期混合加強，有利于燃盡。直徑，氣流偏斜貼墻，引起水冷壁結渣；爐膛出口殘余旋轉大，易引起熱偏差。燃燒器的結構特性（射流兩側的補氣條件不同）：燃燒器的高寬比，易偏斜各噴口之間的距離，偏斜小爐膛斷面形狀：爐膛的寬深之比接近于正方形，射流兩側補氣條件差異小。直流煤粉燃燒器射流特點 14一、旋轉射流和旋流產(chǎn)生辦法旋流燃燒器的結構旋流燃燒器出口的二次風射流是繞燃燒器軸線旋轉的射流，一次風射流可為直流射流或旋轉射流，但燃燒器總的出

9、口氣流都是旋轉射流。旋流燃燒器是利用旋流裝置使氣流產(chǎn)生旋轉運動的。第三節(jié)旋轉射流和旋流煤粉燃燒器射流特點 15旋轉射流旋轉射流的特點：除具有直流射流中存在的軸向速度Wa和徑向速度Wr外，還有切向分速度Wt。有內(nèi)回流區(qū)在燃燒器出口附近形成與主氣流流向相反的回流運動，因而產(chǎn)生內(nèi)回流區(qū)。 因此旋流射流由內(nèi)回流區(qū)和射流外邊界兩個方面卷吸周圍介質(zhì)沿射流的運動方向，切向速度Wt衰減很快，即旋轉效應衰減很快。軸向速度Wa的衰減比切向速度Wt慢些，但遠比直流射流快。在同樣的初始動量下，旋轉射流的射程比直流射流短。旋轉射流的擴展角比一般直流射流大，而且隨著旋轉強度的增大而增大。旋轉射流16旋流強度及其影響決定旋

10、轉射流旋轉強烈程度的特征參數(shù)是旋流強度或旋流數(shù)n。旋流強度n是用兩個特征量旋轉動量矩M和軸向動量K為基礎組成的一個無因次準則。旋流強度的影響旋轉射流17二、旋轉煤粉燃燒器的射流特性旋流煤粉燃燒器布置方式：墻式布置，故也稱之為采用墻式燃燒方式。前后墻對沖布置前墻布置特點：燃燒器在爐膛內(nèi)形成的空氣動力結構基本是獨立的，它主要取決于燃燒器本身的結構和工況參數(shù)的選擇，燃燒器彼此之間的影響是次要的。鍋爐燃燒過程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性基本上決定于單個燃燒器的工作狀況。初期混合好利于著火后期混合差NOx生成量一般較切圓燃燒方式高。燃燒器調(diào)節(jié)：旋流強度（回流區(qū)的大小、擴展角、射程）各次風量（一、二、三次風）比第三節(jié)

11、旋轉射流和旋流煤粉燃燒器射流特點 18一、煤粉燃燒煤粉顆粒燃燒的過程分三個階段1. 著火前的準備階段：預熱、干燥、揮發(fā)分的析出（50-100ms）和著火燃燒；2. 燃燒階段：揮發(fā)分燃燒和焦碳燃燒；3. 燃盡階段：焦碳燃盡。對應于爐內(nèi)的燃燒區(qū)域：著火區(qū)、火焰區(qū)（主燃燒區(qū)）、燃盡區(qū)第四節(jié) 煤粉氣流的著火 19第四節(jié) 煤粉氣流的著火 二、煤粉氣流的著火著火熱將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量。包括：加熱煤粉、一次風、煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需要的熱量。著火熱影響因素：燃料性質(zhì)（著火溫度、水分）；運行工況（煤粉氣流初溫、一次風量）20二、煤粉氣流的著火著火熱的來源煤粉氣流的加熱主要依靠外邊界和內(nèi)回流卷吸

12、高溫煙氣的對流傳熱，其次是輻射傳熱。燃燒器射流的空氣動力特性不同時，煤粉氣流的著火形式也不一樣。直流燃燒器：依靠一次風射流外邊界卷吸高溫煙氣，著火由外向內(nèi)擴展。旋流燃燒器：主要是內(nèi)回流區(qū)卷吸煙氣，著火由內(nèi)向外擴展。第四節(jié) 煤粉氣流的著火 21三、影響煤粉氣流著火的主要因素燃料的性質(zhì)Vdaf，Mar，A，R90煤粉氣流的初溫一次風量（一次風率）和一次風速燃燒器結構特性（如穩(wěn)定火焰裝置）鍋爐負荷第四節(jié) 煤粉氣流的著火 22一、煤燃燒過程中NOx的生成和轉化煤燃燒過程中NOx的生成機理NOx的生成機理熱力型NOx：空氣中的N2在高溫下氧化生成的。一般在高溫（1500C）下生成，其生成量與溫度、在高溫

13、中的停留時間、氧氣的濃度有關。燃料型NOx：煤中的有機N氧化生成的。生成溫度低，其生成量與溫度關系不大；但與氧濃度關系密切，煤粉與空氣的混合過程也對其有顯著的影響?？焖傩蚇Ox：富燃料條件下碳氫化合物與N2反應生成。其生成量與化學當量比和溫度有關，在煤粉燃燒中可忽略。煤粉燃燒生成的NOx中，燃料型占60-80%；熱力型約20%。第五節(jié) 低NOx燃燒 23燃料氮NOx的轉化率在燃燒過程中，燃料N僅部分轉化成NOx。其轉化率與燃料特性有關燃料中N含量增加，生成NOx的總量增加，但轉化率卻減少煤的燃料比（FC/V）越高，NOx的轉化率越低揮發(fā)分含量高，則生成的NOx相對較少與過量空氣系數(shù)有關過量空氣

14、系數(shù)越大，生成的NOx量和轉化率都越高燃燒過程中NOx的還原在氧化性氣氛中生成的NOx，當遇到還原性氣氛（富燃料或缺氧）時，會還原成N2。第五節(jié) 低NOx燃燒 24綜合：影響NOx生成量的因素溫度氧濃度燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間燃料特性：煤的含氮量、燃料比（FC/V）、揮發(fā)分含量等即與煤質(zhì)特性、燃燒方式、燃燒器及其布置、制粉系統(tǒng)類型、爐膛結構等有關。第五節(jié) 低NOx燃燒 25燃燒過程中的控制對熱力型NOx，通過控制燃燒溫度和采用低過量空氣系數(shù)；對燃料型NOx，通過燃燒組織，造成局部低氧甚至還原性氣氛，控制生成、促進還原。低NOx燃燒技術低過量空氣系數(shù)：NOx可降低約15%。局部高煤粉濃度：強化

15、著火但減少燃料N向NOx的轉化；空氣分級（燃燒器空氣分級）：控制燃料與空氣的混合，延長燃燒過程，降低火焰平均溫度；NOx可降低約40-70%（結合高濃度）。爐內(nèi)空氣分級：降低主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)，減少NOx的生成；NOx可降低達30%。煙氣再循環(huán)：降低燃燒區(qū)氧濃度和溫度；NOx可降低達20%。再燃技術：燃料分級（NOx的還原）；NOx可降低達70%。低NOx燃燒技術 26切圓燃燒方式直流燃燒器煤粉和二次風采用不同噴口的布置本身就是空氣分級。高濃度或局部高濃度煤粉燃燒(濃淡燃燒)，既有利于著火和火焰穩(wěn)定，又有利于低NOx燃燒。典型燃燒器有寬調(diào)節(jié)比燃燒器（WR燃燒器）PM燃燒器強化一次風著火的噴

16、嘴結構鈍體：強化煤粉氣流的著火、燃燒和火焰穩(wěn)定性周界風（燃料風）：防止煤粉氣流刷墻和水冷壁避免附近出現(xiàn)還原性氣氛，避免結渣和高溫腐蝕。燃盡風(OFA)技術(緊湊燃盡風CCOFA和分離燃盡風SOFA)和爐內(nèi)空氣分級（垂直方向）p91：圖4-17偏置二次風(CFS）：形成水平空氣分級，也防止水冷壁結渣和腐蝕采用大風箱結構和燃燒器的整體或局部擺動第六節(jié) 典型直流煤粉燃燒器27以Babcock系列雙調(diào)節(jié)（調(diào)風）旋流煤粉燃燒器的發(fā)展進行介紹.雙調(diào)風旋流煤粉燃燒器美國B&W公司在普通圓形旋流燃燒器的基礎上，于1972年起開發(fā)的一系列低NOx旋流燃燒器的統(tǒng)稱。其共同特點在于，將二次風分成內(nèi)外兩股，并分別裝有

17、調(diào)風器以調(diào)節(jié)風量和旋流強度，因此統(tǒng)稱為雙調(diào)風燃燒器（DRB，Dual Register Burner）。這類燃燒器的演變過程充分體現(xiàn)了低NOx燃燒技術的發(fā)展和應用。第七節(jié) 典型旋流煤粉燃燒器28雙調(diào)風旋流煤粉燃燒器DRB（第一代DRB）技術的關鍵是二次風分兩股，實現(xiàn)燃燒器內(nèi)的空氣分級燃燒。軸向控制型雙調(diào)風燃燒器DRB-XCL（第二代DRB）增強著火型雙調(diào)風燃燒器EI (enhanced ignition) DRB軸向控制型雙調(diào)風燃燒器DRB-XCL其它型式（LNASB、HT-NR3）核心技術是高濃度煤粉燃燒（局部高煤粉濃度）技術的引入。雙調(diào)風四區(qū)（4 Zone）燃燒器DRB-4Z（第三代DRB

18、）技術核心是引入煙氣再循環(huán)方式。雙調(diào)風旋流煤粉燃燒器29一、爐膛爐膛既是燃燒的空間，又是鍋爐的換熱部件。它的結構應能保證燃料完全燃燒，同時又應使煙氣在到達爐膛出口時已被冷卻到對流受熱面不結渣時的溫度。爐膛結構必須滿足以下條件：良好的爐內(nèi)空氣動力特性，避免火焰沖墻；具有較好的火焰充滿度；布置一定數(shù)量的受熱面，將煙氣溫度冷卻到允許的數(shù)值；有合適的熱強度第八節(jié) 煤粉鍋爐爐膛30第八節(jié) 煤粉鍋爐爐膛二、爐膛設計參數(shù)1. 爐膛容積熱負荷：單位容積爐子的發(fā)熱功率。 qv的大小與燃料及燃燒煙氣在爐內(nèi)的停留時間（s）的倒數(shù)有關 Vl一般按煙氣的冷卻條件來選取，保證爐內(nèi)可布置足夠的受熱面，使燃燒產(chǎn)物在爐膛出口冷

19、卻到一定的溫度。31爐膛設計參數(shù)2. 爐膛斷面熱負荷：單位截面積爐子的發(fā)熱功率，反映了燃燒器區(qū)域的溫度水平。qA, A：爐膛成瘦高形，沒有足夠的水冷壁來吸收燃燒放出的熱量，燃燒器區(qū)域局部溫度過高，引起燃燒器區(qū)域結渣。qA , A ：爐膛成矮胖形，煙氣不能充分利用爐膛容積，離開爐膛未被充分冷卻，導致爐膛出口附近的受熱面結渣。32爐膛設計參數(shù)3. 燃燒器區(qū)域壁面熱負荷：qB反應火焰集中的程度，也反映燃燒器區(qū)域的溫度水平qB火焰越集中，燃燒器區(qū)的溫度水平就越高 有利于著火和維持燃燒的穩(wěn)定性， 但易造成燃燒器區(qū)域壁面的結渣。33爐膛設計參數(shù)4. 爐膛壁面熱負荷：也稱爐膛輻射受熱面的熱負荷（或熱流密度）

20、。 5. 燃盡區(qū)容積熱負荷關于煤粉燃盡程度的參數(shù)包括最上層煤粉噴口至折焰角尖端的垂直距離燃盡區(qū)的容積熱負荷 數(shù)值越高，爐膛單位壁面所吸收的熱量就越大，說明爐內(nèi)平均煙溫水平越高。故 過高，會造成爐膛結渣。 34三、爐型固態(tài)排渣爐膛液態(tài)排渣爐膛W型火焰爐膛第八節(jié) 煤粉鍋爐爐膛35直流射流的特點和噴口形狀的影響。直流煤粉燃燒器的配風方式。直流燃燒器的氣流偏斜及其影響因素。旋流射流的特定和旋流強度。旋流煤粉燃燒器的空氣動力學特性。煤粉氣流著火及其影響因素。直流燃燒器切圓燃燒和旋流燃燒器墻式燃燒的特點。低NOx燃燒原理和降低NOx排放的技術。低NOx旋流燃燒器的技術特點和原理。直流燃燒器切圓燃燒系統(tǒng)低N

21、Ox燃燒的原理和主要關鍵技術。爐膛的熱負荷及其影響。本章小結36自由紊流煤粉空氣射流 4-l 自由紊流煤粉空氣射流1煤粉空氣噴口；2射流等速核心區(qū)；3射流邊界層； 4-射流內(nèi)溫度分布；5射流內(nèi)速度分布 (初始段內(nèi)煤粉濃度分布圖與此相似)；6出口速度分布圖；7主體段內(nèi)速度分布圖； 8射流外擴展角； 9內(nèi)擴展角 37射程是表示氣流在環(huán)境介質(zhì)中的貫穿能力，也即軸向速度Wm在射流運動方向上的衰減情況。第一種定義：由噴口沿射流軸線到某一截面的距離L，該截面上最大軸向速度Wm=0.05W0。第二種定義：當射流在某一截面上的最大軸向流速降低到某一數(shù)值時（即仍保持一定的余速），該截面與噴口的距離。射流的射程3

22、8直流燃燒器39四角切圓燃燒40直流煤粉燃燒器切圓燃燒布置方式圖4-3 直流煤粉燃燒器切圓燃燒布置方式(a) 單切圓；(b) 雙切圓；(c) 六角或八角布置；(d) 雙切圓布置 41切圓燃燒爐膛內(nèi)的氣流偏斜圖4-4 爐膛截面氣流分布及氣流偏斜 1無風區(qū)；2強風區(qū)；3弱風區(qū) 42旋流燃燒器 （B&W）43旋流器圖4-7 旋流裝置 (a)蝸殼旋流器；(b)切向葉片旋流器；(c)軸向葉片旋流器 44旋轉射流 圖4-5 旋轉射流(a)截面1-1內(nèi)切向速度的分布，(b)截面1-l、2-2、3-3內(nèi)軸向速度的分布，(c)截面1-1內(nèi)徑向速度的分布，(d)沿射流軸線方向，軸向速度的分布45旋轉強度 圖4-6

23、 旋轉射流的流動狀態(tài)封閉氣流一弱旋轉射流； (b)開放式旋轉射流； (c)全擴散式旋轉射流 (1)隨著旋流強度的不同，旋轉射流的氣流結構型式不同。(2) 隨著旋流強度的增加，中心回流區(qū)的回流量增加，而回流區(qū)的長度是先增加而后又縮短的。(3)擴展角是隨氣流的旋轉強度增加而增大。(4)氣流的射程隨著旋流強度的增大而減小。46旋轉煤粉燃燒器墻式燃燒方式（前后墻對沖）47旋轉煤粉燃燒器墻式燃燒方式（前后墻對沖）48煤粉顆粒燃燒示意圖49NOx的生成50WR燃燒器1擺動噴口；2阻擋塊（三角錐鈍體）； 3水平隔板；4-二次風箱；5一次風管； 6入口彎頭 WR燃燒器：利用一次風管彎頭和隨后的水平隔板，將煤粉氣流分成上濃、下淡的兩股，實現(xiàn)濃淡燃燒，有利于著火和火