煤粉燃燒理論基礎(chǔ)及燃燒設(shè)備

1、電廠鍋爐原理及設(shè)備8/28/2022第五章 煤粉燃燒理論基礎(chǔ)及燃燒設(shè)備第一節(jié)燃燒的基本理論第二節(jié)煤粉氣流的著火和燃燒第三節(jié)煤粉燃燒器及點(diǎn)火設(shè)備第四節(jié)煤粉爐的爐膛及其特性第五節(jié)燃燒調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法8/28/2022第一節(jié)燃燒的基本理論燃燒概念 燃料與氧化劑進(jìn)行的發(fā)熱與發(fā)光的高速化學(xué)反應(yīng) 單相（均相）反應(yīng)多相（異相）燃燒8/28/2022不同狀態(tài)物質(zhì)的燃燒自然界里的一切物質(zhì)，在一定溫度和壓力下，都以一定狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）存在。這三種狀態(tài)的物質(zhì)燃燒過程是不同的。固體和液體發(fā)生燃燒，需要經(jīng)過分解和蒸發(fā)，生成氣體，然后由這些氣體成分與氧化劑作用發(fā)生燃燒。氣體物質(zhì)不需要經(jīng)過蒸發(fā)，可以直接燃燒。 8/28

2、/2022一、化學(xué)反應(yīng)速度 化學(xué)計(jì)量方程式化學(xué)反應(yīng)速度的表示1）反應(yīng)物消耗的速度 或 生成物濃度增加的速度 2）單位：mol/m3s 3）影響反應(yīng)速度的因素 （1）原始反應(yīng)物的性質(zhì) （2）反應(yīng)系統(tǒng)的條件：反應(yīng)物濃度、溫度、壓力、是否有催化反應(yīng)或連鎖反應(yīng)8/28/20221C對的影響1）化學(xué)反應(yīng)本質(zhì) 一定條件下，不同反應(yīng)物分子彼此碰撞單位t內(nèi)碰撞次數(shù)單位V內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)（物質(zhì)C） 2）與C的關(guān)系質(zhì)量作用定律 （1）均相反應(yīng)一定T下，與參加化學(xué)反應(yīng)的各反應(yīng)物的C成正比，各反應(yīng)物濃度項(xiàng)方次取相應(yīng)的反應(yīng)系數(shù) （2）多相燃燒單位t內(nèi)炭粒表面上O濃度的變化B 3）結(jié)論：若T、V一定，反應(yīng)物C8/28/20

3、22甲烷燃燒8/28/20222T對的影響1）反應(yīng)速度常數(shù)k（若反應(yīng)物C不隨t變化）Arrhenius定律2）（1）若C不變，與T成指數(shù)關(guān)系：T （2）現(xiàn)象解釋：活化分子的碰撞才是反應(yīng)的有效碰撞 （3）T一定，E 3）實(shí)際爐內(nèi)燃燒：C、p基本不變，T加速燃燒反應(yīng)，縮短燃燒時(shí)間8/28/20223p對的影響1）V不變，pC 2）與p的n次方成正比：8/28/20224催化反應(yīng)1）催化作用：催化劑加入反應(yīng)系統(tǒng)，引起變化 2）特點(diǎn)（1）催化劑可影響，但自身不受影響 （2）一定條件下不能改變平衡狀態(tài)，只能改變達(dá)到平衡的t（實(shí)質(zhì)是改變E）8/28/20225連鎖反應(yīng)1）作用：使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)連續(xù)加速進(jìn)行

4、2）機(jī)理 3）反應(yīng)過程 （1）鏈的激發(fā)形成過程 （2）鏈的傳遞過程 （3）鏈的斷裂過程 4）不分支連鎖反應(yīng) 分支連鎖反應(yīng)8/28/2022二、氧的擴(kuò)散速度1炭粒的燃燒：炭粒在表面與O進(jìn)行2O的擴(kuò)散速度：ks=ks（C0CB）1）（C0CB）供應(yīng)燃燒足夠空氣量 2）d表面積與O的反應(yīng)面積O消耗CB（C0CB）ks減小d 3）氣流與炭粒的相對速度擾動(dòng)O向炭粒表面的供應(yīng)速度，燃燒產(chǎn)物離開表面的速度ks8/28/2022三、燃燒速度與燃燒區(qū)域1炭粒的多相燃燒反應(yīng)2 炭粒燃燒速度ks：單位表面上的實(shí)際反應(yīng)速度3穩(wěn)定燃燒：B =ks =r4燃燒過程反應(yīng)區(qū)域8/28/20221炭粒的多相燃燒反應(yīng)1）參加燃燒

5、的O從周圍環(huán)境擴(kuò)散到炭粒的反應(yīng)表面 2）氧氣被炭粒表面吸附（最快） 3）在炭粒表面進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng) 4）燃燒產(chǎn)物由炭粒解吸附（最快） 5）燃燒產(chǎn)物離開炭粒表面，擴(kuò)散到周圍環(huán)境中（較快）8/28/20224燃燒過程反應(yīng)區(qū)域1）動(dòng)力燃燒區(qū)（T1400）改善擴(kuò)散混合條件，相對速度或d3）過渡燃燒區(qū)（1000T1400）提高T，改善擴(kuò)散混合，強(qiáng)化擴(kuò)散 煤粉鍋爐 （1）粗煤粉：爐膛高溫區(qū)，接近擴(kuò)散燃燒 （2）其余煤粉：爐膛燃燒中心外，都為過渡、動(dòng)力區(qū) 層燃爐：擴(kuò)散區(qū)強(qiáng)化燃燒強(qiáng)制通風(fēng)8/28/2022第二節(jié)煤粉氣流的著火和燃燒一、煤粉的燃燒過程 二、燃燒過程著火和熄火的熱力條件 三、煤粉氣流的著火 四、燃

6、燒完全的條件 8/28/2022一、煤粉的燃燒過程1煤粉燃燒的三個(gè)階段1）著火前的準(zhǔn)備階段（吸熱）煤粉氣流被煙氣加熱TM蒸發(fā)干燥煤粉熱分解，析出V（煤的特性、加熱T和速度）V著火燃燒放出的熱量加熱炭粒炭粒溫度達(dá)到一定T并有O接觸炭粒著火燃燒2）燃燒階段（放熱）煤粉顆粒局部著火燃燒燃燒擴(kuò)散到整個(gè)表面3）燃盡階段炭粒變小，表面形成灰殼，少量未燃盡炭繼續(xù)燃燒8/28/20228/28/2022一、煤粉的燃燒過程2炭粒的燃燒 1）煤粉燃燒的關(guān)鍵 （1）可燃質(zhì)的主要部分 （2）燃燒過程最長（3）放熱量份額大 2）燃燒機(jī)理一次反應(yīng)二次反應(yīng) 3）不同T下炭粒燃燒過程（1）T1200 4）影響炭粒燃燒的因素T

7、、是否等溫、炭粒的幾何形狀和結(jié)構(gòu)、炭粒周圍氣流性質(zhì)8/28/2022二、燃燒過程著火和熄火的熱力條件1著火和Tzh 1） 緩慢氧化狀態(tài)高速燃燒狀態(tài)的瞬間著火 2） 轉(zhuǎn)變瞬間的TTzh2燃燒過程中的放熱和吸熱1）燃燒室內(nèi)煤粉空氣混合物燃燒的放熱量Q12）燃燒過程中向周圍介質(zhì)的散熱量Q23Q1-T、Q2-T變化曲線及分析4加快著火的方法 1）加強(qiáng)放熱：散熱條件不變，C、p、T0 2）減少散熱：放熱條件不變，T0，氣流速度、燃燒室保溫8/28/20228/28/2022三、煤粉氣流的著火1著火過程2煤粉燃燒特點(diǎn)之一：較難著火3理想的煤粉氣流著火燃燒器噴口不遠(yuǎn)處4著火熱Qzh：包括加熱煤粉及空氣（一次

8、風(fēng)），并使煤粉中M加熱、蒸發(fā)、過熱所需熱量5影響煤粉氣流著火的主要因素6結(jié)論 8/28/20221著火過程煤粉空氣混合物燃燒器噴入爐膛卷吸高溫?zé)煔猓ㄍ牧鲾U(kuò)散、回流）+ 高溫火焰輻射被迅速加熱熱量達(dá)到一定T著火8/28/20223理想的煤粉氣流著火1）著火過早燃燒器噴口燒壞、附近結(jié)渣 2）著火太遲推遲整個(gè)燃燒過程q4 火焰中心上移爐膛出口受熱面結(jié)渣8/28/20225影響煤粉氣流著火的主要因素1）燃料性質(zhì)：Vdaf、M、A、R90 2）一次風(fēng)溫 3）一次風(fēng)量（r1zj）（1）大Qzh著火推遲 （2）過小缺O(jiān)限制燃燒過程的發(fā)展 （3）需滿足輸粉要求（煤粉堵塞） 4）一次風(fēng)速（適宜風(fēng)速選取） （1）

9、過高流量煤粉氣流加熱速度 （2）過低燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞 5）爐內(nèi)散熱條件敷設(shè)衛(wèi)燃帶（注意結(jié)渣） 6）燃燒器結(jié)構(gòu)特性 （1）一、二次風(fēng)混合 （2）尺寸 7）鍋爐負(fù)荷著火穩(wěn)定性條件限制了調(diào)節(jié)范圍8/28/20226結(jié)論1）穩(wěn)定著火過程的首要條件：組織強(qiáng)烈的煤粉氣流與高溫?zé)煔獾幕旌瞎┙o足夠Qzh 2）減小Qzh的有效措施：提高一次風(fēng)溫、合適的一次風(fēng)量和風(fēng)速 3）難燃煤穩(wěn)定著火常用方法：較細(xì)較均勻煤粉，敷設(shè)衛(wèi)燃帶8/28/2022四、燃燒完全的條件1燃燒效率：r=100（q3+q4）%2完全燃燒的原則性條件 1）供應(yīng)充足而又合適的空氣量l”必要條件 2）適當(dāng)高的爐溫 3）空氣和煤粉的良好擾動(dòng)

10、和混合 4）足夠的爐內(nèi)停留時(shí)間8/28/2022第三節(jié)煤粉燃燒器及點(diǎn)火設(shè)備煤粉爐燃燒設(shè)備煤粉燃燒器（噴燃器）點(diǎn)火裝置爐膛燃燒器作用將一、二次風(fēng)送入爐膛，組織氣流結(jié)構(gòu)，迅速穩(wěn)定著火及時(shí)供應(yīng)空氣，風(fēng)粉充分混合，迅速完全燃燒8/28/2022第三節(jié)煤粉燃燒器及點(diǎn)火設(shè)備燃燒器要求（1）空氣動(dòng)力場，著火，風(fēng)粉混合燃燒穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性（2）燃料適應(yīng)性，調(diào)節(jié)性，調(diào)節(jié)范圍適應(yīng)煤種和負(fù)荷變化的需要（3）控制NOx生成保護(hù)環(huán)境（4）運(yùn)行可靠，便于維修（5）易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制型式（按出口氣流特征）直流燃燒器：直流射流（組）旋流燃燒器：旋轉(zhuǎn)（+直流）射流（組）8/28/2022一、旋流煤粉燃燒器1. 旋轉(zhuǎn)射流的特性

11、（1）內(nèi)回流區(qū)：反向氣流卷吸周圍介質(zhì) + 射流外邊界（2）旋轉(zhuǎn)效應(yīng)衰減快：相同初始動(dòng)量下，射程比直流短（3）擴(kuò)展角大：隨旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大而增大8/28/2022旋轉(zhuǎn)射流流動(dòng)狀態(tài)封閉氣流：弱旋轉(zhuǎn)開放氣流：內(nèi)回流區(qū)全擴(kuò)散氣流：飛邊火焰貼墻爐墻、水冷壁結(jié)渣8/28/20222. 旋流煤粉燃燒器的型式8/28/2022（1）單蝸殼型旋流煤粉燃燒器優(yōu)點(diǎn)：一次風(fēng)阻力小，射程遠(yuǎn)，后期擾動(dòng)好 煤種適應(yīng)性好，可燃用低V貧煤缺點(diǎn)：易燒壞、結(jié)渣8/28/2022燒毀的燃燒器8/28/2022燒毀的燃燒器8/28/2022（2）雙蝸殼旋流煤粉燃燒器優(yōu)點(diǎn)：出口氣流前期混合強(qiáng)烈，可燃用煙煤、褐煤和貧煤缺點(diǎn)：燃料適用范圍不廣

12、一次風(fēng)阻力大，不宜直吹式制粉系統(tǒng) 氣流速度、煤粉濃度分布不均8/28/2022（3）軸向葉片型旋流煤粉燃燒器特點(diǎn)1）調(diào)節(jié)性能較好2）中心回流區(qū)較小、較長3）適宜燃用高V煙煤、褐煤8/28/2022（4）切向葉片式旋流煤粉燃燒器8/28/2022（5）雙調(diào)風(fēng)低NOx煤粉燃燒器優(yōu)點(diǎn)：空氣分級(jí)送入、燃燒調(diào)節(jié)靈活、有利穩(wěn)定燃燒、煤質(zhì)適應(yīng)范圍寬、可防止結(jié)渣或腐蝕8/28/2022導(dǎo)流葉片鼓風(fēng)式旋流擴(kuò)散燃燒器8/28/2022二、直流煤粉燃燒器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：長（與噴口尺寸、射流初速有關(guān)）衰減慢，貫穿能力強(qiáng)后期混合好（3）卷吸煙氣能力：高/寬卷吸力速度衰

13、減射程（4）射流剛性：高/寬剛性不易偏轉(zhuǎn)，吸引剛性小的射流8/28/20222. 直流煤粉燃燒器的型式 結(jié)構(gòu)：狹長形，由一組噴口（圓形、矩形或多邊形）組成流動(dòng)介質(zhì)：一次風(fēng)煤粉氣流、二次風(fēng)、乏氣（中間儲(chǔ)倉式，熱風(fēng)送粉）直流射流方向：水平、傾斜一定角度（向上、向下）8/28/2022（1）均等配風(fēng)直流煤粉燃燒器一、二次風(fēng)噴口相間布置適宜燃用煙煤、褐煤8/28/2022（2）分級(jí)配風(fēng)直流煤粉燃燒器把二次風(fēng)分級(jí)分階段送入燃燒的煤粉氣流中適宜燃用無煙煤、貧煤、劣質(zhì)煙煤8/28/2022（2）分級(jí)配風(fēng)直流煤粉燃燒器設(shè)計(jì)和布置上的特點(diǎn)1）噴口呈狹長形：高/寬著火周界卷吸能力利于煤粉氣流著火2）噴口集中布置：

14、著火區(qū)煤粉濃度，放熱集中火焰中心T利于煤粉 迅速穩(wěn)定著火 一次風(fēng)射流剛性、貫穿能力火焰偏斜，風(fēng)粉后期混合3）一、二次風(fēng)噴口間距加大：一、二次風(fēng)混合推遲，利于著火4）二次風(fēng)分級(jí)布置：利于前期著火和后期燃燒5）周界風(fēng)、夾心風(fēng)：風(fēng)速氣流剛性防止氣流偏斜和燃燒器燒壞 影響著火穩(wěn)定6）三次風(fēng)：布置在燃燒器上方，有下傾角，風(fēng)速高8/28/2022鍋爐內(nèi)部#1/#2燃燒器及水冷壁布置8/28/2022（3）幾種改進(jìn)的直流煤粉燃燒器寬調(diào)節(jié)比燃燒器PM燃燒器8/28/2022三、點(diǎn)火裝置1. 作用（1）點(diǎn)燃主燃燒器煤粉氣流（2）穩(wěn)定著火、燃燒（3）輔助燃燒2. 點(diǎn)火方式（1）三級(jí)點(diǎn)火：氣體燃料霧化燃料油煤粉氣流

15、（2）二級(jí)點(diǎn)火：燃料油煤粉氣流3. 點(diǎn)火器8/28/2022電火花點(diǎn)火器8/28/2022電弧點(diǎn)火器8/28/2022高能點(diǎn)火器8/28/2022等離子煤粉燃燒器8/28/2022等離子點(diǎn)火系統(tǒng)組成 8/28/2022等離子燃燒器8/28/2022第四節(jié)煤粉爐的爐膛及其特性一、煤粉鍋爐的爐膛1. 爐膛結(jié)構(gòu)需滿足的要求（1）空間足夠，形狀合理（2）爐內(nèi)溫度場和空氣動(dòng)力特性良好（3）布置足夠輻射受熱面，爐膛出口煙溫合理2. 影響爐膛形狀、尺寸的因素燃料種類、燃燒方式、燃燒器布置、火焰形狀和行程3. 爐膛水平橫截面選取（1）直流燃燒器：正方形或接近正方形的矩形（2）旋流燃燒器：長方形4. 爐膛寬度的

16、選取（1）適應(yīng)過熱器和尾部受熱面布置的需要（2）與汽包長度相匹配8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性1. 旋流燃燒器（1）布置要求a. 各燃燒器火焰自由發(fā)展，相鄰射流不互相干擾b. 保持適當(dāng)距離：燃燒器間、與鄰近爐墻間、與冷灰斗上緣間c. 相鄰氣流旋轉(zhuǎn)方向相反8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性1. 旋流燃燒器（2）前墻布置a. 優(yōu)點(diǎn)：煤粉管道短，煤粉分配均勻，爐膛寬度方向煙溫偏差小b. 缺點(diǎn)：火焰擾動(dòng)弱，后期混合差，死滯漩渦區(qū)大，火焰充滿程度差，易結(jié)渣8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性1. 旋流燃燒器（3）兩面墻布置a. 優(yōu)點(diǎn)：死滯漩渦區(qū)減少，火焰充滿混合程度好b. 缺點(diǎn)：風(fēng)、粉管道布置復(fù)雜，爐膛寬度方向溫度分布不均，局部易結(jié)渣8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性2. 直流燃燒器8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性2. 直流燃燒器（1）切向燃燒方式a. 單切圓b. 兩角對沖c. 雙切圓d. 八向或六向切圓e. 雙爐膛切圓8/28/2022二、燃燒器的布置及爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性2. 直流燃燒器（2）切向燃燒爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性a. 空氣動(dòng)力工況b. 對煤粉燃燒的影響著火角度：相鄰煤粉氣流互相引燃，高溫?zé)煔?回流、卷吸，接受輻射熱燃燒角度：混合充分燃盡角度：火焰充滿