層燃爐燃燒特性及低Nox燃燒機理的實驗研究

1、層燃爐燃燒特性及低nox燃燒機理的實驗研究上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文姓名：徐華東申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：熱能工程指導(dǎo)教師：羅永浩;王恩祿2001.1.19層燃爐燃燒特性及低ho。燃燒機理的實驗研究摘要f由于中國特殊的能源消費結(jié)構(gòu)和燃煤設(shè)備結(jié)構(gòu)，散煤的高效低污染 燃燒在中國具有重大的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)地研究層燃爐燃燒特性及脫硝問題, 闡明層燃爐燃燒脫硝的一些機理和結(jié)論，這樣的研究還比較少見。廠一、本課題主要研究在層燃鍋爐中燃用不同燃料（包括生物質(zhì)時）的燃燒 特性，分析影響層燃爐燃燒的主要因素（燃料特性、配風(fēng)等），并對如何 降低層燃爐的no。排放，實現(xiàn)低污染燃燒作了實驗研究。最終分析出影 響層燃鍋爐燃燒

2、時noo排放的主要因素，為能源的有效清潔燃燒提供理 論基礎(chǔ)。本文對層燃爐燃燒過程進行了研究分析，概括了影響層燃爐燃燒過程的主要因素，建立了層燃爐燃燒的單元體模型。設(shè)計并搭建了能夠模擬工 業(yè)鏈條爐煤層燃燒過程，用于研究層燃爐燃燒的小型層燃爐燃燒實驗系統(tǒng): 為研究層燃爐燃燒特性和其他問題提供了重耍的研究條件。f本文得出了 關(guān)于層燃爐燃燒的一些重要特性：1對于層燃鍋爐，特別是鏈條鍋爐，其燃燒特性受燃料種類的影響 很大。具體表現(xiàn)在：（1）不同的煤種，它們在鏈條爐上的燃盡時間不同， 揮發(fā)分越高其燃盡時間越短；（2）不同煤種，它們在鏈條爐上燃燒的強 烈區(qū)域不同，揮發(fā)分越高其燃燒強烈區(qū)域越靠前，應(yīng)根據(jù)燃料的

3、特性來設(shè) 定各個分倉的配風(fēng)量；（3）在鏈條爐中，應(yīng)根據(jù)燃料的種類合理選擇爐 拱的類型，實現(xiàn)燃料的充分燃燒，提高鍋爐效率；2空氣分級燃燒技術(shù)在層燃爐屮能夠得到很好地實現(xiàn)，有助于飛灰 及可燃物的燃盡，降低層燃爐的no,排放：（1 ）根據(jù)本次實驗的結(jié)果， 空氣分級燃燒技術(shù)在層燃爐中約能夠降低2 0 %左右的n 0 x排放量；（2）空氣分級燃燒技術(shù)在層燃爐中應(yīng)用時，一次風(fēng)量不宜過低，否則會 出現(xiàn)燃料無法燃盡，爐渣含碳量過高的現(xiàn)象；（3）在層燃爐中，影響空氣分級 燃燒效果的主要因素為還原區(qū)的停留時間和二次風(fēng)的風(fēng)量，一般情況下, 二次風(fēng)的比例應(yīng)在2 0 %左右；3 燃用生物質(zhì)燃料可以減少c 0o的排放；生

4、物質(zhì)燃料由于其自身 的特殊性（灰分和硫分較低，分布較廣），適合在層燃爐上燃燒，通過降 低層燃鍋爐的no,排放，實現(xiàn)生物質(zhì)能的低污染燃燒，不僅可以滿足高 速發(fā)展的國民經(jīng)濟對能源的需要，而且可以減少礦物燃料的污染，產(chǎn)牛巨 大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 一、關(guān)鍵詞no-層燃威生物質(zhì)了燃燒s空氣分玻'、，experiment s t 1 oncharactnoo combust firedbojlerabstractc1eancombu ncyuseofdi s p rtantespecia fitscomposit ion. thesys te bustionchara ogyinstoker

5、i e d o u t i n t h i sf i rsttheco stoker 一 fired esmall fixed nedandinstal sea e b o i i e r st h e m a i n e 1 e stribution)wa l s t u d i e s 0 nthecombuerandlow1onmechanisminstokerionofenergyfurnacements(c0aty pe ,ai rd1h i ch1n f1u enc et hec 0mbu s t ioncharacterof stoker f i r e d b oilersar

6、estudied. the res ea rchofhoweduce theno, e m iionsnthper.fols : ( 1 ) t h e m o rcoalhasfewertimeoutthearchshou“air99agingtechnologyannosinginotburnbfuelscons ideredc02 neut r a lbecausetht tedduringcombus t i ogrowtheye 1oure s . t h i s p r oi d ' s 1 a r g e s g y . i n t h i s p(woodchi p)w

7、a itscombustionchstoker f i r e d b o i 1 e r s ,i x e d g r a t e f u r n a c e c o m bu s t i o n a i rs m a 1 ikeybiomass,一一一一一二二二二二二一一一一一符號說明過量空氣系數(shù)：無量綱煤層著火時間：單位：小時（h） 1 k g燃料燃燒所需的理論空氣量：單位：立方米（m 3 ）鏈條爐床層移動速度；單位: m/ h鏈條爐中燃料在爐排上的燃燒時間；單位：小時（h）鏈條爐爐膛 寬度：單位：米（m）機械不完全燃燒熱損失；單位：千焦（k j ）鏈條 爐的著火角；單位：度（。）實驗時

8、所用燃料的質(zhì)量；單位：千克（k g） 燃料的水分含量；無量綱燃料的灰分含量：無量綱燃料的揮發(fā)分含量：無 量綱燃料的固定碳含量；無量綱爐排的截面熱負荷：單位：kw/m2燃 料消耗量；單位：k g / h燃料收到基的低位發(fā)熱量；單位：k j / k g 燃燒所需實際空氣量；單位：立方米（m3）爐排有效面積；單位：平方 米（m2） 陸歸一,圭童奎望盔蘭要里量蘭墮壘己一第一章緒論§ 11課題的研究背景當(dāng)前人類面臨著資源、環(huán)境與人口三大問題，能源是發(fā)展生產(chǎn)力的基 本保證，它多，直到最近4 0年才受到重視的1 1 j。氮氧化物的危害性 主要冇如下幾點：（1 ）在空氣中，n 0濃度越大，毒性越明顯

9、，而n 0 :的毒性更大， 約為no的4 5倍。其主要表現(xiàn)在，他們很容易和動物血液中的血色素 結(jié)合，使血液缺氧，引起中樞神經(jīng)麻痹；（2 ）形成光化學(xué)煙霧，毒性更強，對人的眼睛和呼吸道有強烈的刺 激性；（3 ） no破壞了平流層（同溫層）屮的臭氧層，使z失去了對紫外 光輻射的屏蔽作用，對地面牛物造成傷害；（4 ） no,與so：和粉塵共存，可生成壽性更大的硝酸或硝酸鹽 氣溶液，最終形成酸雨2 1 0我國一次能源以煤為主，大氣污染類型以煤煙型大氣污染為主。我國 城市大氣污家環(huán)?？偩? 9 9 8年對全國3 2 2個省控城市空氣質(zhì)量監(jiān) 測結(jié)果分析，n 0 o年日平均值范圍在0 0 0 60 1 5

10、2 m g / nv, 全國平均為0. 037mg/mj f “。盡管我國對no、控制的研究己 經(jīng)1萬臺，12 1 . 2萬蒸噸，年耗煤量4億多噸占全國產(chǎn)煤總量的三分之一，no。的排放總量不容忽視。而工業(yè)鍋 爐中使用最普遍的近年來，co：等溫室氣體的排放導(dǎo)致全球氣候變暖，氣候變暖會產(chǎn) 牛海平面上升，關(guān)系著人民生活和國民經(jīng)濟的各個方面，近年來能源造成 的環(huán)境問題相當(dāng)嚴(yán)重。其中氮氧化物是污染大氣的主要有害物質(zhì)之一，人 們對氮氧化物的認識比硫氧化物晚得染嚴(yán)重，1 9 9 4年全國8 5個大中 城市中n0o超標(biāo)的城市就冇3 0個，占3 5 %【3】。根據(jù)國開始，但 是主要在電站鍋爐上，而工業(yè)鍋爐特別是

11、層燃鍋爐因其本身no,的排放 值較低，平均約為5 0 0mg/nm3 （圖1一1） 口j,還沒有引起人 們的足夠重視，目前還沒有針對工業(yè)鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)，這里一個很重要的 因素是我國目前的排放標(biāo)準(zhǔn)要比西方發(fā)達國家要松。目前，我國共有工業(yè) 鍋爐5 0就是層燃爐，約占7 0%8 0%。盡管目前在大力發(fā)展燃油燃 氣鍋爐，但燃煤鍋爐的比例在近期內(nèi)很難有大的改變。另外，層燃鍋爐特 別是鏈條爐具有操作簡單，運行和維護方便等一些有利因素，在我國還將 長期存在。工業(yè)鍋爐的另一個重要特點就是分布面廣，遍及全國各地。圭堡鑾望查堂堡主主壘燮生態(tài)系統(tǒng)變化等一系列不良后果。我國排放的溫室氣體總量占世界各國第二位，占1 3

12、. 6%【6】o 為解決全球氣候變暖和礦物能源資源有限問題，生物質(zhì)能將成為二十一世 紀(jì)的主要能源之一。燃燒生物質(zhì)不會帶來co：的增加，生物質(zhì)燃燒釋放 出的碳量大致相當(dāng)于生物質(zhì)口身生長時吸收的碳量-1o我國目前在推廣各種節(jié)能技術(shù)，提高工業(yè)鍋爐熱效率的工作方面已經(jīng) 取得較大成績。但從我國礦物能源資源有限和因大量浪費所造成環(huán)境狀態(tài) 嚴(yán)重惡化的戰(zhàn)略觀點岀發(fā)，結(jié)合我國擁有豐富生物質(zhì)資源的現(xiàn)實，逐步發(fā) 展工業(yè)鍋爐生物質(zhì)的燃燒技術(shù)，對節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，將 有積極意義。因此，研究層燃鍋爐的燃燒特性，對提高能源利用效率和降 低no,排放都顯得十分必要。拳:蕾杏膏童堪櫥爐，當(dāng)薑束no j崎捧敢位為鯽

13、皿擱【時i oo幻摹o印*趟1 t 8g2 0圖卜1不同燃煤設(shè)備所生成的n 0 ,原始排放值及為達到環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)所需的n0o降低率【3】fi gl?ltheor i gi na inoxemi s s i o n s p roducedbyd i f ferentcoalburningequi p m e n t sandtheneeded reduct ionratetofi t t h eenvi ronmentalstand 3§12工業(yè)鍋爐燃煤污染與控制問題§ 121我國燃煤n 0 ,排放源組成特點我國能源消費以煤為主，煤炭在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)都將是我國能源 消費的

14、主體，目前煤炭在我國的能源消費總量中占7 5%,在能源結(jié)構(gòu)中 的主導(dǎo)地位近期不會有太大的改變。作為礦物燃料的煤炭的主要利用形式 是燃燒，我國每年所產(chǎn)煤炭的8 4 %直接用于燃燒【8】。在眾多燃煤設(shè) 備中，電站鍋爐和工業(yè)鍋爐（包括工業(yè)窯爐）為主要污染源。工業(yè)鍋爐盡 管由于自身的燃燒特性，noo的排放值較低，但工業(yè)鍋爐每年耗煤量約 為全國產(chǎn)煤總量的三分之一，其總體no；的排放量不容忽視。因此，工 業(yè)鍋爐圭塑鑾墨查蘭堡主蘭焦蘭墨是n 0,的主耍污染排放源z。§ 12 2工業(yè)鍋爐n 0。排放污染問題由于工業(yè)鍋爐數(shù)量多，分布廣，難以集中處理。而電站鍋爐容量大, 數(shù)量少，地點集中，相對要容易處理

15、。因此在今后，中小型鍋爐no,污 染排放將成為n晩排放控制的主耍難點。研究屮小型工業(yè)鍋爐的no,污 染排放控制技術(shù)措施對整個n 0 :污染排放控制將具有重大意義。在中小型工業(yè)鍋爐中，應(yīng)用最廣泛的是鏈條爐燃燒設(shè)備。鏈條爐是一 種有著悠久丿刃史的層燃爐，它具有燃燒效率高，機械化程度高等特點，在 我國中小型鍋爐中使用得十分普遍，在數(shù)量上占有絕對的優(yōu)勢。因此本文 主要討論鏈條爐的燃燒特性及低no,燃燒機理問題。§ 1 2 . 3鏈條爐燃燒脫硝技術(shù)由于現(xiàn)行環(huán)保政策的關(guān)系，目前我國還沒有對no,的排放有一個十 分具體而又明確的標(biāo)準(zhǔn)，只是對新建的額定蒸發(fā)量大于1 0 0 0 t / h煤 粉鍋爐（

16、第1 1 1時段）有一個標(biāo)準(zhǔn)。因此，在我國no、污染的影響沒 有受到足夠的重視，特別是關(guān)于中小型工業(yè)鍋爐no,排放的論述很少。 實際上適用于煤粉鍋爐的低no,技術(shù)也適用于鏈條爐（層燃爐）”】，如 采用煙氣再循環(huán)或低過量空氣系數(shù)運行，最多可降低no。排放值2 0 %, 鏈條爐采用燃料分級燃時，可降低no、排放值5 0%。拋煤機爐也可以 采用空氣分級燃燒和煙氣再循環(huán)等方法進一步降低n 0。的排放。根據(jù)no。生成原理，降低鍋爐n 0 o排放的主要技術(shù)措施，有如下 幾種：1改變?nèi)紵龡l件，主要包括：低過量空氣燃燒；空氣分級燃燒；燃 料分級燃燒；煙氣再循環(huán)；2爐膛噴射脫硝，主要包括：噴氨或尿素；噴入二次燃

17、料（屬于燃 料分級）；3.煙氣脫硝，主要包括：干法煙氣脫硝（煙氣催化脫硝，電 子束照射煙氣脫硝）；濕法煙氣脫硝。目前技術(shù)上比較成熟的是燃燒后脫硝（主要指煙氣脫硝技術(shù)），但該 技術(shù)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，主耍應(yīng)用于大容量煙氣處理，如電站鍋爐，應(yīng) 用在中小型鍋爐上存在較大的困難；燃燒中脫硝（主要是指改變?nèi)紵龡l件 和爐膛噴射脫硝方法）具有成本低，應(yīng)研究和開發(fā)適合我國國情的實用脫硝技術(shù)是支持有關(guān)法規(guī)和規(guī)劃制 定、實施的重用簡單等特點，易于在中小型鍋爐上實現(xiàn)，這在后面第三章 上中將詳細介紹。耍保障，對于解決我國大氣污染的問題具有十分重耍的 意義。§ 13國內(nèi)外層燃爐的研究進展一直以來，國內(nèi)外關(guān)于層

18、燃爐的研究要比煤粉鍋爐要少得多，近年來 隨著c 0 z排量的增加，全球氣候變暖的趨勢日漸嚴(yán)重，生物質(zhì)能逐步受 到重視，人們對其主要燃燒設(shè)備（層燃工業(yè)鍋爐）的研究也相應(yīng)增加。在眾多研究方法中，最重要的就是數(shù)值模擬和實驗研究。在實驗研究 中通常有兩種方法：歐拉法和拉格朗日法。由于歐拉方法需在實際的工業(yè) 爐上測量局部溫度，氣氛等各種物理和化學(xué)參數(shù)，十分困難。所以，通過 拉格朗目方法，運用小型層燃爐單元體來模擬實際工業(yè)爐的運行，這一研 究手段逐步被人們所認可，圖1 2為層燃爐燃燒單元體原理示意圖憎1。同濟大學(xué)的張鶴聲教授建立了鏈條爐煤層在上部輻射引燃下的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了揮發(fā)分析出和揮發(fā)分燃燒反應(yīng)

19、，對影響煤層著火的各 種因素進行了實驗和分析，其計算結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得較好。圖13 表示煤層在上部輻射加熱下的受熱情況。煤層視為半無限大的固相層，煤 層的上方為半無限大的氣相空間。煤層經(jīng)受熱升溫后蒸發(fā)的水份和析出的 揮發(fā)份通過煤層表面進入氣相空間。揮發(fā)份在氣相空間內(nèi)擴散并與空氣中 的氧混合，發(fā)生放熱的化學(xué)反應(yīng)而使氣體溫度提高。在不同初始投射熱流 之下的煤層著火時間q的理論計算值和實驗值如圖1 4所示，著火延遲 時間隨初始投射輻射熱流的增加而減少。其理論計算值與實驗值之間的相 對誤差為2 1 6 . 9 % 1 1 0 i圖12層燃爐燃燒單元體原理示意圖191f i g 1一 2 s c h

20、e m a t i c v i e w o f thecombu stioninabedofsolidf u e 1 t 9圭塑窒望查蘭堡圭蘭堡蘭芒揩丨曩取覘r戢正仰碾盯吁 1 1野媚棍輔i# _ i s自燃證“篋i a f口'撒1 j瑩向蠕曩f為崔.i i 1 0善圖1 3上部輻射加熱的煤層受熱情況fi gl3coa 1 bedhea t i n g c o n d i t i o n sofoverradj a t ionl”圖卜4煤層著火延遲時問的計算值與實驗值比較figb4thecompari s o n o f c o m 1 ） u t a t i ona lva luea

21、ndtes tvalueof coal i g n i t i o n t i m e 通過上面的實驗和計算說明，為了使燃煤在進入爐內(nèi)后能及時著火, 應(yīng)保證引燃區(qū)煤層表血有足夠的投射輻射熱流，這可為鏈條爐的爐拱設(shè)計 提供理論和實驗依據(jù)。英國人n. f o r d用實驗對層燃爐單元體模型模擬實際鏈條爐的可 行性作了較為詳細的分析。對小型層燃爐實驗臺的各種參數(shù)進行了測量并 與實際運行的三臺鏈條爐作了比較。圖15為小型層燃爐實驗臺和實際 鏈條爐的no。排放值比較仇）。通過比較后發(fā)現(xiàn)：小型層燃爐實驗臺在灰渣成分，床層溫度分布，煙 氣成分（c0除外，這點將在第三章中討論）等系列參數(shù)都與實際工 業(yè)鏈條爐很

22、好地相符（英國洗煤，燃燒率為13 5mw/m2）,用小 型層燃爐實驗臺來研究實際鏈條爐的運行情況是一種簡便而乂經(jīng)濟有效 的方法。圭塞鑾望查蘭墮圭蘭竺蘭芒n饑 e m?b? t o h i ” 口5 . ?'也圖卜5小型層燃爐實驗臺和實際鏈條爐的no,排放值比較】f i g. 卜 5n0。e m i s s i o n s compa r i s o n of s imul a torandoperat i o n a 1 p 1 a n t浙江大學(xué)湯龍華博士首次在國內(nèi)運用層燃爐單元體來研究層燃爐燃 燒固硫技術(shù)并與實際運行的工業(yè)鍋爐作了對比，得出了關(guān)于層燃爐固硫問 題的一個重要結(jié)論：對層

23、燃爐燃燒裝置，只耍煤層能夠達到穩(wěn)定燃燒，其 形成的燃燒環(huán)境就足以使c a s 0。能夠大部分分解，通常能夠達到8 0 % 左右或更高的分解率iii j o美國尤他大學(xué)的gp. starley運用層燃爐單元體模型來研究層燃爐在不同過量空氣系數(shù)燃燒時對生成noo的影響。通過監(jiān)測岀口 煙氣的co和0：的濃度來調(diào)幣過量空氣系數(shù)，并使其在整個實驗過程中 保持不變，結(jié)論是：料層區(qū)的過量空氣系數(shù)對no。的形成影響較大，當(dāng) 料層區(qū)過量空氣系數(shù)s rb = 0. 6 6時，運用空氣分級燃燒的no、的 還原率約為0. 6 7,燃料氮向no的轉(zhuǎn)換率僅為4 % （尤它煤，燃燒率 為1 . 9 m w / m 2 ）；

24、而當(dāng)料層區(qū)的過量空氣系數(shù)s r n = i . 4 2時， 燃料氮向no的轉(zhuǎn)換率為1 2%。另外，他們的研究還發(fā)現(xiàn)，層燃爐中空 氣分級燃燒能夠降低n 0,排放的主要原因是它改變了床層上部（爐膛內(nèi)） 氮類化合物的分布比例德國斯圖加特大學(xué)過程與電站技術(shù)研究所運用層燃爐單元體模型來研究木材等生物質(zhì)在層燃爐中的燃燒特性，通過測量單元體模型的火焰鋒 面的傳播速度（溫度分布），失重曲線，燃燒速率和風(fēng)量等來分析影響生 物質(zhì)著火和燃燒的主要特性（水分，揮發(fā)分，灰分等），并與數(shù)值分析和 實際工業(yè)爐的測量結(jié)果作了進一步的比較，設(shè)計了適合生物質(zhì)燃燒的層燃 鍋爐，即分室燃燒和空氣分級燃燒相結(jié)合。從而既可以降低no。的

25、排放 值，又可以使燃料充分燃燒，降低co等不完全燃燒產(chǎn)物的排放，提高鍋 爐的效率。英國巴威公司的w. r. l i v i n g s z o n等人用小型桶狀實驗 臺（potfurnace）通過分時上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文間段給風(fēng)來研究鏈條爐分倉給風(fēng)和空氣分級燃燒時的燃燒特性及n0。的生成情況。英結(jié)論是：在不改變鍋爐負荷和保持合理的過?？諝庀?數(shù)（=2 0%）的情況下，使二次風(fēng)占總風(fēng)量的2 0%左右。通過調(diào)整 一次風(fēng)的流量（實際鏈條爐中的分倉送風(fēng)）可以使實際鏈條爐的no,排 放值在 4 00450mg/nm。（ d r y , a t 6 % 0 o）o 圖 16 該條件下的煙氣成分曲線（英

26、國煙煤，燃燒率為1 4 mw / m 2 ）。圖卜6小型層燃爐實驗臺采用分級燃燒和分時配風(fēng)后的煙氣成分曲線f 1 4figi一 6gas compos i t i o n p r o f i i e s o fsimulator（a i r s tagingandt i m e c o n t r o 1 1 i n g ）【i 4丹麥理工大學(xué)的rpvanderlan s等人同樣也是采用小 型層燃爐實驗臺來研究稻草在鏈條爐上燃燒特性，并建一g-t-個二維 的數(shù)學(xué)模型，模型計算出的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c實驗值吻合得較好。通過比較 實驗值和計算結(jié)果，他們認為：在火焰鋒面?zhèn)鞑テ冢ǚ€(wěn)定燃燒區(qū)），燃料 氮向no

27、的轉(zhuǎn)換率隨一次風(fēng)流量的增加而減少；而在焦炭燃盡區(qū)，轉(zhuǎn)換率 與次風(fēng)量成正比。通過上面的說明，不難發(fā)現(xiàn)，運用小型層燃爐實驗臺，用拉格朗h方 法通過時間上先后關(guān)系來模擬燃料在鏈條爐上的移動，研究實際鏈條爐的 燃燒特性，這一方法已經(jīng)被國內(nèi)外廣大學(xué)者接受并采用。當(dāng)然小型層燃爐實驗臺同樣可以用于固定床燃燒實驗的模擬，斯洛文 尼亞的j a n e ： oma n等人用其對木材在上部給料的固定床的燃燒過 程作了研究，并建立了一個一維的數(shù)學(xué)模型。他們的研究發(fā)現(xiàn)：（1 ）在 固定床燃燒過程中，燃料層的厚度與一/二次風(fēng)的比例成反比，當(dāng)料層較 厚時，離開料層的煙氣溫度相應(yīng)較低。（2 ）在穩(wěn)定燃燒時，最佳一 /二次風(fēng)的

28、比例與燃料的質(zhì)量流量無關(guān)【16】。圭塑奎望 查堂堡圭蘭壁笙芒一一一一§14本文研究的目的和主要內(nèi)容由于中國特殊的能源消費結(jié)構(gòu)和燃煤設(shè)備結(jié)構(gòu)，散煤的高效低污染燃 燒在中國具冇重大的現(xiàn)實意義。針對我國的煤種，系統(tǒng)地研究層燃爐燃燒 特性及脫硝問題，闡明層燃爐燃燒脫硝的一些重要機理和結(jié)論，這樣的研 究還比較少見。本文研究的目的是希望通過對層燃爐燃燒脫硝涉及到的一 系列重要基礎(chǔ)問題包括層燃爐燃燒過程、層燃爐通過分級燃燒脫硝、提高 燃燒脫硝率的機理措施等進行專門深入的系統(tǒng)研究，給岀人們提供有關(guān)層 燃爐燃燒脫硝問題的整體概念和結(jié)論，同時也為合理開發(fā)利用層燃爐本課題主耍研究在層燃鍋爐屮燃用不同燃料（

29、包括生物質(zhì)時）的燃燒 特性，分析為能源的有效清潔利用提供理論和實驗基礎(chǔ)。這些問題的研究 成果和初步結(jié)論，探討層燃爐燃燒脫硝技術(shù)的可行性和應(yīng)用前景，為燃燒 脫硝技術(shù)以及選擇層燃爐脫硝技術(shù)途徑提供參考和決策依據(jù)。影晌層燃爐 燃燒的主耍因素（燃料特性、配風(fēng)等），并對如何降低層燃爐的no,排 放，實現(xiàn)低污染燃燒作了實驗研究。最終分析出影響層燃鍋爐燃燒時n 0 ； 排放的主要因素，第二章層燃爐燃燒特性分析目前在工業(yè)鍋爐中廣泛采用火床爐，而在火床爐中應(yīng)用最多的是鏈條 爐，鏈條爐采用層燃方式進行燃燒。由于在實際鏈條爐上測量局部溫度、 氣氛等各種物理化學(xué)參數(shù)十分困難；因此需要建立小型的、便于測量控制 的實驗裝

30、置來研究層燃爐的燃燒特性。這些裝置必須能夠在機理上模擬實 際工業(yè)鏈條爐。§ 2 . 1鏈條爐的燃燒過程分析§211鏈條爐的燃燒過程及特點鏈條爐是典型的前飼燃料式爐子。爐排如同皮帶運輸機樣，自前向 后緩慢移動。燃料從燃料斗下來落在爐排上，隨爐排一起前進?？諝鈴臓t 排下方自下而上引入。半燃料經(jīng)過燃料閘門時，被刮成一定的厚度，隨后 便進入爐膛。燃料在爐膛內(nèi)受輻射加熱后，就進入燃燒階段。開始是烘 干并放出揮發(fā)分，繼之著火燃燒和燃盡，灰渣則隨爐排移動而被排出。很 明顯，以上各階段是沿爐排長度相繼進行的，但是又是同時發(fā)生，所以爐 子的燃燒過程不隨時間而變。1 一新燃料區(qū)；2揮發(fā)分析出與

31、燃燒區(qū)：3 a焦炭氧化區(qū)；3卜 焦炭還原區(qū)；4 一灰渣燃盡區(qū)圖2-1鏈條爐排上煤層燃燒階段的分布1。7 7f i g 2 1 c o m b u s t i o n s t a g e o f c o a 1 b edinagrate, firedfurnace 17圭塑至望查蘭嬰主蘭焦絲芒如圖2 1所示，鏈條鍋爐的工作與固定爐排鍋爐不同，它的新燃料 是落在較冷的爐排面上，而不是像固定爐排鍋爐那樣落在灼熱的燃料層上。 所以落在鏈條爐排上的新燃料的著火條件是不利的。由于下層沒有灼熱的 火床加熱，故只能從上面吸收爐膛火陷、高溫?zé)煔?、高溫爐墻的輻射熱。 從燃料層下血來的預(yù)熱空氣，一般預(yù)熱溫度為2 0

32、 0。c左右，最多不超 11 4 0 0 0 co預(yù)熱空氣對新燃料雖有加熱作用，但不足以使之著火。因 此，鏈條爐屮燃料的著火是由燃料層最上面開始，然后逐漸向下傳播。由 于鏈條爐的燃料層是隨著爐排一起由爐前向爐后移動的，且著火是自上而 下的，所以燃料的著火線0, k不是與爐排面平行的水平線，而是與水平 方向成一傾斜角p，如圖2-2所示。顯然，著火角e的大小主要取決于 燃料的性質(zhì)、預(yù)熱程度和爐內(nèi)輻射熱強度、空氣的預(yù)熱溫度以及爐排的運 動速度等。藁§囊1一一二互企一圖2-2鏈條爐燃料層的著火線f i g . 2 2theign) fionl ineofagrate f i redfurna

33、ce燃料著火以后，燃料層屮所發(fā)生的燃燒過程的各個階段的分界線，都 與水平面成/ h,僅為爐排移動速度的十分之一，所以熱力準(zhǔn)備階段在爐排上占據(jù)了相當(dāng)長的區(qū)zk線之后，難以劃分清楚，因而o, k線可以看作是著火線。從02 l線開始，燃傾角。因為燃料層的導(dǎo)熱性能相當(dāng)差，從上而下的火焰 傳播速度一般為0. 20. 5 m段，如圖2 1中所示。圖中區(qū)域1, 表示新燃料的烘干和加熱區(qū)域。由0. k線所表示的斜面開始，燃料放出 揮發(fā)分，接著揮發(fā)分著火燃燒。對于一定的燃料，揮發(fā)分開始析出的溫度 基本上是一定的。所以開始析出揮發(fā)分的0 1 k線實際上就是一個等溫面。 同樣，ozl線代表揮發(fā)分析出結(jié)束的一個等溫面

34、。圖上這兩個等溫面的 距離不大，也就是說，在區(qū)域2中的溫度梯度很大。這是由于揮發(fā)分與空 氣的混合物，在燃料層中燃料顆粒之間的空隙中就開始著火，使燃料層中 的溫度急劇升高。著火線實際上就緊靠在0圭塑至望查蘭堡主堂竺簍奎料層進入焦炭燃燒區(qū)域3,這就是主要的燃燒階段。這個區(qū)域的溫度很高，燃燒相當(dāng)猛烈。由于燃料層 厚度一般超過氧化層高度。因此，焦炭燃燒區(qū)域沿燃料層高度上又劃分為 氧化區(qū)3 a和還原區(qū)3 b。從爐排下面來的空氣中的氧氣在氧化區(qū)中便被 迅速消耗盡。故當(dāng)含有c0：和水蒸汽（h2 0）的燃燒產(chǎn)物繼續(xù)上升后。 就在還原區(qū)與灼熱的焦炭進行還原反應(yīng)，還原區(qū)3 b也稱為焦炭的氣化區(qū)。 這里的溫度應(yīng)當(dāng)比

35、氧化區(qū)低些。由圖可知，氧化區(qū)和還原區(qū)的分界線，也 是傾斜的。最后為焦炭燃盡區(qū)4,此處，燃料己燃盡成為灰渣?；以S爐排的運 動而落入灰渣斗中。在鏈條爐排的燃料層中，灰渣的形成也是很復(fù)雜的。最上層的燃料層首先著火，因而燃料在燃料層表面首先形成灰渣；空氣是 自下面送入，最下層的燃料首先遇到含氧最多的空氣，故最下層的燃料也 較早燃盡成為灰渣。因此，在鏈條爐排后端的燃料層屮，上層和下層均形 成灰渣，兩層渣之間為未燃盡的焦炭層，這就使多灰分燃料難以燃盡，造 成機械不完全燃燒損失q d增加。從前面的分析可知，燃料點燃著火后，由于爐排不停地向前移動，帶 動燃料層向前移動。所以，鏈條爐的燃燒過程是沿爐排長度分區(qū)

36、段進行的。 在工況穩(wěn)定的情況下，爐排上任何一處的燃燒狀況不隨時間變化，煤層的 各種熱力學(xué)參數(shù)和物理化學(xué)過程以及燃料層空間的各種參數(shù)也相應(yīng)保持 穩(wěn)定。§ 2 12爐排長度方向燃料層上方的氣氛分析冀倒鏈筐塑婺熟趟尺l八，口圖2-3沿爐排長度的煙氣成分分布f1 92 3ga s compos i t ionacrossthe iengthof furnacegratel 1 8i § o 1 j o,渡溢蘸菇漱j ,托w潼圭壅奎望奎蘭堡主蘭堡絲芒一一當(dāng)新燃料進入爐內(nèi)時，燃料處于預(yù) 熱干燥階段，不需要氧氣，因此，通過燃料層的氧氣濃度基本上保持不變， 其容積成分百分數(shù)大致與空氣中氧濃

37、度相同，約為2 1 %。從0 1點開始, 揮發(fā)分不斷析岀并著火燃燒，隨后焦炭也開始進入燃燒反應(yīng)，因此，爐排 上部氣體中的coo含量不斷增加，同樣，co含量也不斷增加，而氧氣 成分卻相應(yīng)減少，直到耗盡為零。與氧氣耗盡相對應(yīng)的是出現(xiàn)第一個c 0： 含量的最高點。其后，隨著主要燃燒階段屮還原區(qū)的出現(xiàn)和加厚，氣體屮 c 0 :被還原成c 0 ,因此氣體中c 0 （還有少量的c ho和h。）便不 斷增加。c 0o相應(yīng)逐漸減少，此時說明煙氣中缺氧情況相當(dāng)嚴(yán)重，以致 連揮發(fā)分中的可燃成分如ch和h。都可能無法燃盡。當(dāng)co和h2含量 達到最大值時，coo含量最小。其后隨著燃料部分燃盡成灰渣，燃料層 減薄，還原層厚度也減薄，co和地含量又逐漸下降。當(dāng)還原區(qū)消失時, 還有燃料在進行氧化反應(yīng)，co：再次增至最大值。這時上、下層燃料己 成為灰渣，燃料層越來越薄，灰渣層相對加厚，焦炭層減薄，故燃燒所需 氧氣量減少。因此，燃料層上煙氣中的氧含量不斷增加，最后可增至和新 燃料區(qū)一樣，可能達到2 1 %,圖2-3為沿爐排長度方向的煙氣成分分 布。顯然，只要燃料層中還有還原區(qū)存在，就表明供給的空氣量不足。因 此，在爐排中部地區(qū)，過量空氣系數(shù)0<】，co及hz等很多