第五章 煤粉燃燒理論基礎(chǔ)及燃燒設(shè)備

電廠鍋爐原理及設(shè)備2/7/2023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 2/7/2023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2/7/2023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(guò)程是不同的。固體和液體發(fā)生燃燒，需要經(jīng)過(guò)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(guò)蒸發(fā)，可以直接燃燒。2/7/2023一、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/m3·s3）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)2/7/20231．C對(duì)ω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)↑→ω↑ ┠單位V內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)（物質(zhì)C）

2）ω與C的關(guān)系——質(zhì)量作用定律（1）均相反應(yīng) 一定T下，ω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——ωB

3）結(jié)論：若T、V一定，反應(yīng)物C↑→ω↑2/7/2023甲烷燃燒2/7/20232．T對(duì)ω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，ω與T成指數(shù)關(guān)系：T↑→ω↑（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↑→ω↓

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2/7/20233．p對(duì)ω的影響1）V不變，p↑→C↑→ω↑2）ω與p的n次方成正比： 2/7/20234．催化反應(yīng)1）催化作用：催化劑加入反應(yīng)系統(tǒng)，引起ω變化2）特點(diǎn)（1）催化劑可影響ω，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）2/7/20235．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2）機(jī)理3）反應(yīng)過(guò)程（1）鏈的激發(fā)形成過(guò)程（2）鏈的傳遞過(guò)程（3）鏈的斷裂過(guò)程

4）不分支連鎖反應(yīng) 分支連鎖反應(yīng)2/7/2023二、氧的擴(kuò)散速度1．炭粒的燃燒：炭粒在表面與O進(jìn)行2．O的擴(kuò)散速度：ωks=αks（C0－CB）1）（C0－CB）——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↓→（C0－CB）↑→ωks↑——減小d3）氣流與炭粒的相對(duì)速度↑→擾動(dòng)↑→O向炭粒表面的供應(yīng)速度↑，燃燒產(chǎn)物離開(kāi)表面的速度↑→ωks↑2/7/2023三、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ωks：?jiǎn)挝槐砻嫔系膶?shí)際反應(yīng)速度3．穩(wěn)定燃燒：ωB=ωks=ωr4．燃燒過(guò)程反應(yīng)區(qū)域2/7/20231．炭粒的多相燃燒反應(yīng)1）參加燃燒的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(kāi)炭粒表面，擴(kuò)散到周圍環(huán)境中（較快）2/7/20234．燃燒過(guò)程反應(yīng)區(qū)域1）動(dòng)力燃燒區(qū)（T<1000℃）取決于T和燃料反應(yīng)特性 →提高T以強(qiáng)化動(dòng)力燃燒工況2）擴(kuò)散燃燒區(qū)（T>1400℃） →改善擴(kuò)散混合條件，相對(duì)速度↑或d↓3）過(guò)渡燃燒區(qū)（1000℃<T<1400℃） →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(guò)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)2/7/2023第二節(jié) 煤粉氣流的著火和燃燒一、煤粉的燃燒過(guò)程二、燃燒過(guò)程著火和熄火的熱力條件三、煤粉氣流的著火四、燃燒完全的條件2/7/2023一、煤粉的燃燒過(guò)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→T↑→M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2/7/20232/7/2023一、煤粉的燃燒過(guò)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(guò)程最長(zhǎng)（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(guò)程（1）T<1200℃（2）T>1200℃

4）影響炭粒燃燒的因素

T、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)2/7/2023二、燃燒過(guò)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T——Tzh2．燃燒過(guò)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(guò)程中向周圍介質(zhì)的散熱量Q23．Q1-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2/7/20232/7/2023三、煤粉氣流的著火1．著火過(guò)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（一次風(fēng)），并使煤粉中M加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱所需熱量5．影響煤粉氣流著火的主要因素6．結(jié)論2/7/20231．著火過(guò)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2/7/20233．理想的煤粉氣流著火1）著火過(guò)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(guò)程→q4↑ →火焰中心上移→爐膛出口受熱面結(jié)渣2/7/20235．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(guò)小→缺O(jiān)→限制燃燒過(guò)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?。?）過(guò)高→流量↑→煤粉氣流加熱速度↓（2）過(guò)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2/7/20236．結(jié)論1）穩(wěn)定著火過(guò)程的首要條件：組織強(qiáng)烈的煤粉氣流與高溫?zé)煔獾幕旌稀┙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2/7/2023四、燃燒完全的條件1．燃燒效率：ηr=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αl”——必要條件2）適當(dāng)高的爐溫3）空氣和煤粉的良好擾動(dòng)和混合4）足夠的爐內(nèi)停留時(shí)間2/7/2023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2/7/2023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(chǎng)，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）2/7/2023一、旋流煤粉燃燒器1.旋轉(zhuǎn)射流的特性（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2/7/2023旋轉(zhuǎn)射流流動(dòng)狀態(tài)封閉氣流：弱旋轉(zhuǎn)開(kāi)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2/7/20232.旋流煤粉燃燒器的型式2/7/2023（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2/7/2023燒毀的燃燒器2/7/2023燒毀的燃燒器2/7/2023（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 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2/7/2023（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(zhǎng) 3）適宜燃用高V煙煤、褐煤2/7/2023（4）切向葉片式旋流煤粉燃燒器2/7/2023（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2/7/2023導(dǎo)流葉片鼓風(fēng)式旋流擴(kuò)散燃燒器2/7/2023二、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(zhǎng)（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2/7/20232.直流煤粉燃燒器的型式結(jié)構(gòu)：狹長(zhǎng)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(cāng)式，熱風(fēng)送粉）直流射流方向：水平、傾斜一定角度（向上、向下）2/7/2023（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2/7/2023（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(wú)煙煤、貧煤、劣質(zhì)煙煤2/7/2023（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(zhǎng)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：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2/7/2023鍋爐內(nèi)部#1/#2燃燒器及水冷壁布置2/7/2023（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2/7/2023三、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（2）二級(jí)點(diǎn)火：燃料油—煤粉氣流3.點(diǎn)火器2/7/2023電火花點(diǎn)火器2/7/2023電弧點(diǎn)火器2/7/2023高能點(diǎn)火器2/7/2023等離子煤粉燃燒器2/7/2023等離子點(diǎn)火系統(tǒng)組成2/7/2023等離子燃燒器2/7/2023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(chǎng)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(zhǎng)方形4.爐膛寬度的選?。?）適應(yīng)過(guò)熱器和尾部受熱面布置的需要（2）與汽包長(zhǎng)度相匹配2/7/2023二、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2/7/2023二、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2/7/2023二、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