固體燃燒課件

第十一章固體燃料的燃燒煤的燃燒2023/2/111燃燒特征分類1、表面燃燒：燃燒反應在燃料表面進行，通常發(fā)生在幾乎不含有揮發(fā)分的燃料中，如焦炭、木炭，氧氣與二氧化碳通過擴散作用到達燃料表面進行燃燒反應。2、分解燃燒：一般發(fā)生在熱分解溫度較低的燃料中，熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分在離開燃料后與氧氣接觸進行同相燃燒反應，如紙張、木材、煤等。3、蒸發(fā)燃燒：發(fā)生在熔點較低的燃料中，先熔化呈液態(tài)，然后進行蒸發(fā)和燃燒，如石蠟等鏈烷烴燃料。4、冒煙燃燒：一些易分解的固體燃料當溫度較低揮發(fā)分未著火時，將產(chǎn)生大量濃煙，從而使大量可燃成分散失在煙霧中。如木材紙張在低溫下的燃燒。2023/2/112河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院第一節(jié)煤的燃燒過程

煤的燃燒需要經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分著火燃燒、焦炭著火燃燒、燃盡等幾個過程。

1、煤受熱，表面水分蒸發(fā)，干燥。溫度繼續(xù)升高，熱分解反應，析出碳氫化合物和少量CO2，稱為揮發(fā)分；在很短時間內(nèi)就可以析出全部揮發(fā)分的90％左右，但需要較長時間才可全部析出。2、溫度足夠高，揮發(fā)分著火燃燒，一方面加熱焦炭，一方面爭奪氧氣，抑制焦炭不能燃燒，中心溫度800左右。這90％的揮發(fā)分的燃燒時間占全部燃燒時間10％左右。

3、焦炭在大部分揮發(fā)分燃燒后才著火，溫度達到1200度，出現(xiàn)藍火焰，是CO燃燒。仍有少量揮發(fā)分析出，二至幾乎同時燃盡。由于焦炭發(fā)熱量很高，故在煤燃燒中起決定性作用。2023/2/113河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院灰分對煤燃燒的影響有利影響：當灰分中含有Na、K等元素時，對煤的燃燒油催化作用。不利影響：當煤顆粒由外層逐漸燒向內(nèi)層的時候，灰分有可能形成包裹顆粒的灰殼，妨礙了氧氣的擴散，不僅降低了燃燒速度，甚至導致不能燃燼。另外灰分升溫消耗了一部分熱量，降低了燃燒溫度并導致著火延遲。2023/2/115河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院隨著燃燒的進行，灰殼厚度將逐漸增大，從而導致煤粒的燃燒速率逐漸下降。實驗表明，只要灰殼的厚度不過分大（不超過0.3-0.5mm），灰分對燃燒速率的影響是比較小的2023/2/116河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院焦炭對煤燃燒的影響

焦炭在煤中所占的份額最大，焦炭的發(fā)熱量又占有煤的發(fā)熱量的主要部分，而其著火最遲、燃盡所需時間最長（約占總?cè)急M時間的90%），因此焦炭的燃燒在煤粒的燃燒過程中起著決定性的作用。2023/2/117河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院1、碳的燃燒過程1、初次反應：碳與氧反應，生成中間狀態(tài)的碳氧絡(luò)合物，然后離解為二氧化碳與一氧化碳。2、二次反應：二氧化碳在熾熱碳表面進行還原反應，吸熱；一氧化碳與氧氣進行容積反應，放熱。Re<100情況下A、溫度低于700度：由于溫度不高，CO2不能進行還原反應，CO也不能與氧反應2023/2/119河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院B、溫度700～1200度：CO2仍然不能進行還原反應，CO與氧可以反應生成CO2并形成火焰前鋒，所以其濃度高于CO。C、溫度大于1200度：CO2的還原反應生成CO，故增大其擴散量。在其擴散過程中與氧反應形成火焰前鋒，CO2達到最大。氧已經(jīng)不能擴散到碳表面。2023/2/1110河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2、主要反應碳與氧的反應T<1300度，氧的吸附速率很高，對碳的燃燒反應速率起制約作用的主要是碳氧絡(luò)合物的離解過程T>1300度，吸附、絡(luò)合、分解三個環(huán)節(jié)中，氧的吸附速率最慢，因此對燃燒反應起制約作用的是吸附過程燃燒反應為一級反應。2023/2/1111河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院3、燃燒速率一般情況下，碳的燃燒反應可認為是一級反應穩(wěn)態(tài)過程反應速度應該等于反應表面氣體擴散速度碳的燃燒速率僅與碳粒尺寸及擴散系數(shù)有關(guān)，而與溫度無關(guān)2023/2/1113河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院1、動力燃燒區(qū)，溫度很低或直徑很小時2、擴散燃燒區(qū)，高溫區(qū)3、過渡燃燒區(qū)：強化燃燒的措施既要考慮化學動力因素，又要兼顧物理擴散因素

在碳粒燃燒的初期，提高系統(tǒng)溫度將有助于提高燃燒速率在擴散燃燒區(qū)強化燃燒：粉碎燃料、增強氣流與碳粒之間的相對速度2023/2/1114河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院對于直徑dc的碳粒，經(jīng)過燃燒時間dt后，直徑縮小d(dc),則碳粒質(zhì)量減小速率為：根據(jù)異相反應速度的定義：1、動力區(qū)燃燒時燃盡時間與碳粒直徑成正比2、擴散區(qū)燃燒時燃盡時間與碳粒直徑的平方成正比，服從顆粒直徑燃燒平方規(guī)律4、碳粒的燃盡時間2023/2/1115河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院對于球狀碳粒的穩(wěn)定燃燒，設(shè)其半徑為rs，外表面積S0，單位體積上內(nèi)部孔隙總表面積Si，則總表面積為：碳的燃燒速率可以寫為：比較上面兩個有效速度常數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，從低溫到高溫，內(nèi)部反應引起化學反應速度常數(shù)的增值在1～rsSik/3之間。2023/2/1117河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院（1）在低溫或者碳粒直徑很小的情況下，，因此碳粒的燃燒速率主要取決于內(nèi)、外表面上的化學反應速率，處于內(nèi)動力燃燒區(qū)，有效滲透深度為r0/3，（2）在高溫或者碳粒直徑較大情況下，，碳粒的燃燒速率主要取決于氧的擴散速率，此時有效滲透深度為0，內(nèi)部反應完全停止，化學反應僅在外表面進行，處于外擴散燃燒區(qū)2023/2/1118河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院6、次級反應的影響

實驗研究發(fā)現(xiàn)：當碳粒燃燒進入擴散區(qū)以后，其反應速度并非如上圖所示與溫度無關(guān)，而是隨著溫度的提高顯著提高，這便是二次反應的影響。溫度越高，CO2越容易還原為CO，CO在離開表面途中與迎面的氧反應生成CO2，達到峰值并向碳表面擴散，此時氧已經(jīng)不能擴散到碳表面，所以是CO2在與碳進行反應。2023/2/1119河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院第三節(jié)碳粒的著火與熄火簡化模型：碳粒為球狀，反應僅在表面進行，且為一級反應，則碳粒著火的必要條件就是反應放熱量Qf必須大于系統(tǒng)散熱Qs。1、T0=T01時，兩者有三個交點，A為下穩(wěn)定點，緩慢氧化狀態(tài)，不能著火；B為不穩(wěn)定點，沒有外加熱量不可能達到。因此此溫度不能著火。2、T0=T02時，二者切于D，著火臨界條件，溫度略有提升即可著火。E為上穩(wěn)定點，位于擴散燃燒區(qū)。3、T0=T02時，二者切于F，熄火臨界點，位于低溫動力區(qū)。2023/2/1121河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院討論

影響Qf、Qs的因素包括環(huán)境溫度、氣流速度、碳粒尺寸等都將影響著火溫度，所以著火溫度并非燃料的固有特性。如當氣流速度增加時，碳粒的尺寸減小或者放熱系數(shù)增大都會令Qs增加，引起著火溫度與熄火溫度的增大。但是并非碳粒直徑越小越難以著火。當直徑減小時，氣加熱速率很高，因此在很短的時間內(nèi)就可以達到著火溫度。2023/2/1122河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院煤粉燃燒湍流火焰2023/2/1123河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院一、層燃

層燃：煤在火床上（爐排、爐篦等）完成燃燒過程，空氣通過爐排穿過燃料層與燃料混合、燃燒；高溫產(chǎn)物進入爐膛換熱。特點：1、由于具有連續(xù)點火源，燃燒穩(wěn)定；2、空氣一般分兩次送入，煤層下送入80％以上，稱一次風；爐膛送入20％左右，二次風；3、煤層運動緩慢，燃燒強度低，燃燒效率不高。2023/2/1125河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2023/2/1126河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院鏈條爐排、振動爐排2023/2/1129河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院往復推飼爐排2023/2/1130河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院二、懸浮燃燒

懸浮燃燒：將煤磨成粉末，利用煤粉燃燒器將煤粉與空氣噴入爐膛，使之以懸浮狀態(tài)燃燒。根據(jù)燃料特性和爐內(nèi)燃燒組織的不同要求，燃燒器由直流、旋流，前者用于組織U型、W型火焰或四角切圓火焰，后者用于組織L型火焰。特點：1、煤粉在爐膛內(nèi)隨氣流快速運動，逗留時間很短，因此要求細粉；2、多次送風，一次風輸送煤粉，二次風助燃；3、可燃用劣質(zhì)煤，燃燒效率高，多用于大型鍋爐；4、飛灰嚴重，結(jié)渣嚴重，磨損嚴重。2023/2/1131河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院煤粉鍋爐數(shù)值模擬2023/2/1132河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院直流煤粉燃燒器2023/2/1133河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院旋流燃燒器2023/2/1134河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院磨煤設(shè)備三井－巴布科克能源有限公司煤粉燃燒器噴口爐膛內(nèi)部2023/2/1135河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院三、旋風燃燒

旋風燃燒：使燃料懸浮于旋轉(zhuǎn)空氣中的燃燒方式。燃料顆粒由一次風經(jīng)過燃燒器送入旋風爐，大量二次空氣沿切向高速進入旋風爐，形成強烈旋流。由于氣流的旋轉(zhuǎn)，燃料貼壁邊旋轉(zhuǎn)、邊進行熱分解、著火、燃燒、燃盡。煙氣從中心孔排出。特點：1、強烈旋流，燃料空氣混合好，燃燒溫度高達1700度；2、燃料逗留時間短，故顆粒要求較??；3、由于高溫，液態(tài)排渣，減少了飛灰。2023/2/1136河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院旋風爐內(nèi)速度分布2023/2/1137河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院四、沸騰燃燒

沸騰燃燒：相當于層燃時火床的通風速度達到煤顆粒沉降速度時的臨界狀態(tài)下的燃燒，此時煤顆粒失去穩(wěn)定性而在煤層中作強烈的上下翻騰運動，類似于沸騰狀態(tài)。特點：1、燃燒過程強烈、燃燼率高、傳熱效率高；2、飛灰嚴重，需要二次除塵；3、適用燃料廣，煤顆粒要小于10mm，一般0.2~3mm；4、床內(nèi)溫度800～900度，煙氣有害成分降低；5、由于受熱面受到強烈的沖刷，破壞了層流邊界層，因此提高了傳熱系數(shù)。2023/2/1138河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院B&W公司循環(huán)流化床鍋爐2023/2/1139河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院德國魯奇公司循環(huán)硫化床1、爐膛；2、旋風分離器；3、過熱器；4、外置式換熱器；5、煤倉；6、返料裝置；7、石灰石進料口；8、灰冷卻器；9、省煤器；10、空氣預熱；11、除塵器；12、引風機；13、尾部煙道；14、汽包2023/2/1140河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2023/2/1141河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院第五節(jié)煤粉的低Nox燃燒ABB公司煤粉燃燒器分段送風：一次風與燃料混合，在燃燒器附近形成相對低溫、貧氧而富燃料的區(qū)域，有助于減少燃料中的氮形成NOx（燃料型NOx）。燃盡風通過一個專用的風箱，利用燃盡風噴口和/或安裝在燃燒器上方的噴嘴噴入主燃燒段上方，達到完全燃燒；由于富氧的二次燃燒段溫度相對較低，有助于限制燃燒用空氣的NOx（熱反應型NOx）形成。2023/2/1142河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

在再燃燒系統(tǒng)中，分段供給的燃料和空氣在爐內(nèi)形成三個不同的燃燒段，分別在貧燃料、富燃料和貧燃料狀態(tài)下運行。在一次或“主”燃燒段，煤粉在過量的空氣中燃燒，由燃料中和燃燒用空氣中的氮形成NOx。再燃燃料，通常是天然氣或煤粉（油或任何其他的碳氫化合物燃料也都可以使用），在主燃燒段上方噴入，形成富燃料的“再燃”段。從這一區(qū)段的再燃燃料中釋放出來的烴基與主燃燒段中形成的NOx反應，NOx被還原成分子氮。最后，在再燃段上方噴入剩余的燃燒用空氣，形成貧燃料的“燃盡”區(qū)，從而完成了燃燒全過程。通常再燃燃料的熱量占總輸入熱量的10%-30%。再燃技術(shù)可以減少高達70%的NOx。右圖顯示了再燃過程中三個不同的燃燒段。ABB公司再燃技術(shù)2023/2/1143河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2023/2/1144河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

第十二章除塵、脫硫、降噪2023/2/1145河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院一、煙塵1、氣相析出型：主要來自于氣態(tài)可燃物在空氣量不足時的不完全燃燒，析出碳黑。另外包括固體液體燃料燃燒過程中形成的氣態(tài)可燃物。0.02~0.05微米。2、剩余型來自于液體燃料燃燒后剩余的固體灰殼，稱為油灰；以及液體燃料高溫析出的固體顆粒。100~300微米。3、粉塵：固體燃料燃燒時產(chǎn)生的飛灰，主要成分是碳和灰。分為降塵與飄塵兩種，前者10微米以上，很快沉降；后者小。長期漂浮。3~100微米。抑制煙塵措施：1、改善燃燒：改善空氣與燃料的混合；保證足夠高的燃燒溫度以及足夠的燃燒時間。2、安裝除塵設(shè)備或者采取高煙囪排放2023/2/1146河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院二、脫硫

燃燒過程中，S生成SO2、SO3，與空氣中的水蒸氣結(jié)合生成硫酸，溫度降低時形成酸雨。形成原因：1、燃料含S高；2、燃燒時空氣系數(shù)過大，產(chǎn)生更多的SO3；3、火焰中心溫度高，燃料在高溫區(qū)長時間停留都產(chǎn)生更多SO3。2023/2/1147河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院措施1、控制燃料含硫量：燃燒前脫硫。將煤氣化、液化后再燃燒是比較好的抑制硫化物生成的辦法。2、爐內(nèi)處理：燃燒過程的脫硫，將石灰石等粉末與煤粉一同送入爐內(nèi)燃燒，利用氧化鈣、氧化鎂吸收爐內(nèi)二氧化硫。3、煙氣處理：燃燒后脫硫，利用粉末吸收劑與煙氣中二氧化硫反應，或者使煙氣通過石灰水吸收二氧化硫。高煙囪排放。2023/2/1148河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院煙氣脫硫2023/2/1149河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院三、降噪1、空氣動力性噪聲：氣體振動造成，如燃燒送風的鼓風機以及燃氣輪機、蒸汽鍋爐的排汽等。2、機械性噪聲：固體振動造成，在摩擦撞擊作用下，齒輪、金屬板發(fā)出機械噪聲。3、電磁性噪聲：交變磁場產(chǎn)生的周期性交變力產(chǎn)生的噪聲，如發(fā)電機、電動機、變壓器等。4、燃燒噪聲：燃燒過程中，進行能量交換是由于壓力、溫度變化產(chǎn)生的噪聲。如內(nèi)燃機、鍋爐。2023/2/1150河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院燃燒噪聲1、空氣動力性噪聲：主要是射流噪聲、湍流噪聲和邊界層噪聲。對于大氣式燃燒器和無焰燃燒器，燃氣由噴嘴高速噴出所引起的噪聲隨著氣體壓力的升高而增大，峰值在2000dB以上。一般采用降低燃氣壓力或者在進風口設(shè)置消聲器的方法來降低噪聲。2023/2/1151河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2、燃燒轟鳴聲：一般指自由射流湍流火焰發(fā)出的噪聲，是由于燃燒產(chǎn)物壓力與溫度不規(guī)則變化引起的。燃燒反應引起煙氣體積、密度的變化，而氣體密度的變化會引起壓力波的升降?；蛘呱淞魍牧鲝姸纫驗槿紵訌姡紩鹪肼曉龃蟆Z鳴聲與湍流強度的平方成正比，因此多采用降低湍流強度、降低噴射速度、降低燃燒強度、減少反應初期的燃燒速度等方法來降低燃燒轟鳴聲。2023/2/1152河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院3、振蕩燃燒噪聲：是由燃燒反應放熱而激發(fā)的振蕩現(xiàn)象，份低頻振蕩與高頻振蕩兩種。前者的引發(fā)原因是燃料供應系統(tǒng)的振動、湍流射流邊界層的旋渦振動、臨界熄火狀態(tài)時的火焰忽燃忽滅以及高頻的振蕩燃燒。后者的引發(fā)原因包括：周期性的放熱速率例如液霧蒸發(fā)的脈動火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拿}動等等、氣流通過導向葉片時產(chǎn)生脈動、旋渦脫落脈動如穩(wěn)焰器后部的旋渦脫落等。抑制方法：1、改變?nèi)紵鞯陌惭b位置，避免氣流流動產(chǎn)生波動；2、加長火焰長度，使之在整個燃燒室內(nèi)燃燒，一般來說擴散式燃燒比大氣式燃燒振蕩?。?、在著火起始位置采取穩(wěn)焰措施，防止忽燃忽滅；4、提高燃料壓力，避免引流量變化引起的壓力變化；5、改善