锅炉设备与原理chapter5工业锅炉的燃烧设备

1第五章工业锅炉的燃烧设备5.1燃料的燃烧过程5.2固定炉排炉5.4链条炉排炉5.5往复炉排炉5.6抛煤机炉5.7流化床锅炉5.8煤粉炉5.9燃油锅炉5.10燃气锅炉5.11工业锅炉燃烧设备的热力特性2§5-1燃料的燃烧过程燃烧设备的分类层燃炉（火床炉）—燃料在炉排上燃烧。室燃炉—燃料随空气进入炉膛，悬浮燃烧，如煤粉炉、油炉、燃气炉。流化床炉—燃料在床内呈沸腾状态燃烧，如鼓泡流化床炉和循环流化床炉。3燃烧设备应满足的基本要求燃料能及时、连续、稳定地着火燃烧；具有高的热效率、热负荷；运行安全可靠、故障少、使用寿命长、调节灵活；燃料适应性广、负荷调节幅度大；燃烧排放物对环境的污染小；噪声小；机械化、自动化程度高等。4一、煤的燃烧过程煤在空气中的燃烧？过程主要经历以下四阶段：1．煤的加热与干燥煤粒被加热，t↑，当t=100℃左右时，煤中的水分逐渐蒸发，煤被干燥。2．挥发分析出与焦炭的形成煤粒被继续加热，当温度升高到一定值时，煤粒析出挥发分。不同煤开始析出挥发分的温度也不同，褐煤130~170℃，烟煤170~260℃，贫煤＞350℃，无烟煤380~400℃。煤中挥发分析出后，形成多孔焦炭。53．挥发分着火与焦炭燃烧随着温度的继续升高，挥发分与氧的反应速度加快。当达到一定温度时，挥发分开始着火。此时的温度称煤的着火温度。下表5-1给出不同煤在空气中的着火温度。挥发着火后，在焦炭周围形成火膜，当温度继续升高后，焦炭开始着火燃烧。焦炭燃烧发热量多，燃烧速度是煤燃烧的关键阶段。6表5-1煤在空气中的着火温度74．燃尽阶段焦炭燃烧后，在焦炭表面形成一层灰壳，致使空气中的氧气难以扩散到焦炭表面。后期的燃烧速度更慢，称为燃尽阶段。实际上煤的挥发分析出，焦炭的燃烧与燃尽并不是按上述各阶段机械的串联进行，而是相互重叠，挥发分的析出几乎伴随煤的整个燃烧过程。8强化燃烧的途径⑴着火阶段：合理的组织炉内空气动力场，保证供给足够的热量。⑵燃烧阶段：↓煤粒、↑炉膛温度、加强空气与燃料的混合。⑶燃尽阶段：此阶段与燃烧阶段无本质差别，只是可燃成分少，燃烧速度慢。燃烧阶段的措施都可采用，另外，要有足够的炉排面积和炉膛容积。9二、燃料油的燃烧过程燃料油的燃烧方式：预蒸发燃烧、喷雾燃烧。在燃油锅炉中，油的燃烧一般采用喷雾燃烧方式（“油气”燃烧）。1．燃料油的喷雾燃烧过程⑴雾化阶段（油喷嘴）⑵蒸发阶段（沸点）⑶“油气”与空气的混合阶段（加强混合）⑷着火燃烧阶段（着火热）102．影响燃料油着火和稳定燃烧的主要因素(1)回流区的大小回流区愈大，回流的烟气量愈多，在回流区内燃烧就愈充分，回流区后的烟气温度也就愈高，着火和燃烧愈稳定。(2)混合物的初始温度混合物的初始温愈高，加热到着火温度所需要的热量愈少，着火速度愈快，燃烧愈稳定。提高混合物的初始温度的方法：采用预热空气。11(3)燃烧器区域的烟气温度燃烧器区域的烟气温度愈高，油雾蒸发着火愈迅速，有利于油雾的燃烧与燃尽。(4)燃料油性质燃料油的化学反应能力越强，燃烧愈强烈，炉膛温度愈高，回流的烟气温度也就愈高，促进着火与燃烧。12三、气体燃料的燃烧过程气体燃料是最清洁的燃料。气体燃料的燃烧过程分两个阶段：第一阶段：可燃气体和空气的混合（物理性接触）；第二阶段：燃气的着火与燃烧（化学反应）。对于气体燃料而言，不同的燃烧方式其燃料燃烧过程各异。13（1）扩散式燃烧燃烧起喷口喷出的单一燃气，即一次空气系数为0（混合、化学反应）。（2）部分预混式燃烧燃气与部分空气在喷口之前预先混合，一次空气系数为0.45~0.75，喷口外与其余二次空气混合燃烧（混合、化学反应）。（3）完全预混式燃烧气体燃料与全部空气在燃烧器内混合，过量空气系数为1.05~1.10（化学反应）。14§5-2固定炉排炉固定炉排炉是最简单的一种层燃炉。它的加煤、拨火和除灰渣等操作均由人工完成，故又称手烧炉。因此，炉膛的深度和宽度都受到操作的限制，不能太大，锅炉的容量则均在1t/h以下。15人工加入的新煤，一方面接受来自上方高温烟气及耐火砖衬的辐射热，另一方面接受自下而上经灰渣、燃料层的热空气及烟气的对流热，还有与高温焦炭层的接触导热。新煤层在这样优越的条件下完成燃烧的各个阶段，燃料层厚度不断减薄，直至形成灰渣，落入灰坑。燃烧层结构（自下而上）：炉排、灰渣层、氧化层、还原层、新燃料、火焰。16燃烧特点：着火条件优越，燃烧效率低；燃烧时间充足；周期性冒黑烟???，污染环境，结构简单；操作方便，基本上能燃烧各种煤种。17为了改善手烧炉的燃烧，克服冒黑烟的缺点，在对手烧炉技术的改造中，发展形成了具有双层炉排的燃烧设备。双层炉排炉的煤层阻力较大，一般需要引风机来增强炉内的烟气流通。如果采用自然通风，则要求减小炉排面积热负荷和增加烟囱高度。炉排常用铸铁制造，有板状炉排和条状炉排两种。18§5-4链条炉排炉一、链条炉的构造及工作原理1.构造（下图5-9）2.工作原理（图5-9d）煤闸门的作用：可以上、下升降，用以调节煤层厚度。除渣板（老鹰铁）的作用：主要作用是铲除灰渣；可延长灰渣在炉内的停留时间；可减少炉排后端的漏风。19203.链条炉排的结构型式国产链条炉排：链带式、横梁式和鳞片式。⑴链带式链条炉排属轻型结构，适用小容量供热锅炉，见下图5-10。炉排片的形状似链节，这些“链节”串联形成一个宽阔的环形链带。主动炉排片：组成主动链环，直接与固定在主动轴上的主动链轮啮合，担负传递整个炉排运动的拉力。主动轴由电动机通过变速箱驱动，图5-10d。2122从动炉排片：不承受拉力，分为四种形式：薄片型炉排片大块型炉排片活络芯片型炉排片拔柏葛炉排片23⑵横梁式链条炉排下图5-15所示，采用横梁作支架，炉排片嵌于支架(横梁)的槽内，横梁搁置在链条的大链环上，横梁与传动链条固结在一起，当主动轴上的链轮带动链条转动时，横梁及其上的整付炉排便随之移动。2425横梁式链条炉排的形式很多，最常用的是Coxe型链条炉排，如图5-16所示。26⑶鳞片式链条炉排由多组链条和炉排片组成，如下图5-17所示。炉排片(鳞片)嵌在炉排夹板之间，炉排夹板用销钉固定在链条上。拉杆穿过节距套筒(其上套有铸铁滚筒)，把平行工作的各组链条和炉排片串联起来，组成链状软性结构，图5-17d。2728二、链条炉的燃烧过程1．特点单面引火，着火条件差。无周期性，整个燃烧过程沿炉排长度由前至后，连续顺序地完成。燃烧过程的区段性，沿炉排长度方向，燃烧层被划分为四个区域，图5-18d。29302．燃烧过程Ⅰ新煤区：煤在此区段内预热干燥，从O1k线所示的斜面开始析出挥发分。Ⅱ挥发分析出和燃烧区：O2H为挥发分析出殆尽线，煤在O1k至O2H曲线相距不远，也就是说，挥发分在沿O1k线析出的同时，挥发分就开始着火。31Ⅲ焦炭燃烧区：从O2H线焦炭开始着火，该区段是煤的主要燃烧区段。该区分为氧化区Ⅲa和还原区Ⅲb。Ⅲa区：在该区氧气被迅速耗尽；Ⅲb区：在该区燃烧产物中的CO2、H2O（气）被灼热的焦炭所还原。32Ⅳ燃尽阶段：单面引火，最上层的煤首先着火，因此灰渣也先在表面形成；空气由下进入，最底层的煤燃尽也快，较早形成灰渣。由此可见，在炉排末端未燃尽的焦炭处于上、下灰渣之间。O5点为燃尽点，随煤质特性的变化O5点前后移动。333.烟气成分变化规律在O1点以前，煤层预热干燥，通过煤层空气中的O2浓度基本不变，容积成分约为21%。从O1以后，挥发分开始析出并着火燃烧，CO2浓度↑，O2的浓度↓。在O2点以后，焦炭开始着火燃烧，O2↓，CO2↑；在O3点，α=1，CO2浓度出现第一个峰值。34在O3点后，开始还原反应，CO↑，CO2↓，同时H2↑。在严重缺氧情况下，CH4↑。在O4点，CO↑，H2↑到最大值，CO2↓到最小后，燃烧层部分燃尽成灰，还原层渐薄，CO↓和H2↓，CO2↑。当达到O5时，还原区消失，CO2↑达一个新的峰值，此后，灰渣↑，焦炭层↓，O2↑，在炉排末端，O2↑→几乎21%。当出现还原反应时，表明氧量不足，表示α＜1，在还原区段前、后，氧量过剩，表示α＞1。354.链条炉的燃烧调节链条炉的燃烧调节：主要是风量与给煤量调节。因燃烧层温度很高，化学反应速度快，燃烧速度主要取决于氧向焦炭的扩散速度和供给量。↑风量，锅炉出力↑，反之出力↓。当锅炉负荷变动时，先调节风量，然后调节给煤量，即调整炉排速度与之匹配，协同跟踪负荷的变化。煤层厚度通过煤闸门人工调节。一般100～150mm左右。煤层厚度通过试验确定。36三、改善链条炉燃烧的措施1．合理配风⑴分段配风链条炉的燃烧过程是分区段的，沿炉排长度方向燃烧所需的空气量各不相同。一般都采用“两端少，中间多”的分段配风方式，即把炉排下的统仓风室沿长度方向分成几段，互相隔开做成多个独立的小风室。每个小风室装设调节风门，可按燃烧需要进行调节和分配风量，如下图5-19中虚线所示。3738⑵均匀送风均匀送风是指沿链条炉排宽度方向的送风而言。实验结论表明，风仓横向配风的均匀性与进风口结构、小风仓的宽高比、风室内空气的轴向气流和风仓密封性等多种因素有关，其中以进风口尺寸的影响最为显著。随风口与风室的截面比的增大而更趋于均匀。单侧进风的链条炉：设置导风板或采用风仓节流挡板装置。炉排宽度较大的链条炉：采取双侧相对进风方式。392.炉拱(1)作用（图5-20d）可改变自燃料层上升的气流流动方向，使可燃气体与空气良好混合，为可燃气体的燃尽创造条件；加速新入炉煤着火燃烧的作用。(2)炉拱的设置炉拱的形状、尺寸与燃料的性质密切相关。通常前、后拱同时布置，各自伸入炉膛形成“喉口”，对炉内气体有强烈的扰动作用，如下图5-20所示。40①前拱要有一定的敞开度，保证有较好热辐射条件。如图5-20所示。41②引燃拱前拱下部紧靠煤闸门处的炉拱，称为引燃拱。如上图所示。引燃拱的作用：再辐射引燃新进入炉内的煤；保护煤闸门。42③后拱与前拱形成喉口。把炉排后端灼热过量氧的高温烟气，导向燃烧中心，使可燃气体在炉膛空间进一步燃烧。被导向前端的灼热高温烟气及被它所夹带的发红的炭粒在气流转弯向上时被分离下来，落在刚进煤闸门的新煤上，将有利于着火燃烧。43燃用低挥发分的无烟煤时，采用低而长的后拱，如下图所示。44燃用烟煤和褐煤时，一般采用高而短的前拱，后拱也不大长（如下图所示），但组成的喉口应有较大的扰动。也有在喉口处加投二次风的。453.二次风⑴二次风的作用不在于补给空气，主要在于加强对烟气的扰动与混合。二次风可以是空气、蒸汽或烟气。二次风必须具有一定的风量和风速。二次风为总风量的5～15%。以获得在炉膛应有的穿透深度。风速50～80m/s，风压2000～4000Pa。46⑵二次风的布置对小容量锅炉二次风常布置在前墙或后墙。布置在前墙，喷嘴轴线向下倾斜10～25°。对无烟煤，二次风易布置在后墙鼻尖处。对大容量锅炉二次风可采用前、后墙布置（错开布置），以形成切圆旋转气流，提高二次风的功能。上述分区送风，炉拱和二次风等措施，不仅适用于链条炉，也适用于类似燃烧的其他炉型。47四、链条炉的分层燃烧技术1．给煤方式对链条炉排炉燃烧的影响（不利）炉排上的煤密实，透气性差，通风阻力大，送风机电耗大；炉排上通风不均匀，易形成“火口”，使炉膛内过量空气系数增加，漏煤量增加。煤经过输煤装置卸入原煤斗时，块状煤易向两侧滚动，两侧块煤多，中间细煤多。两侧块煤多，通风阻力小，易漏入冷空气，使炉膛过量空气系数增加，炉膛温度降低，影响煤的燃烧、燃尽。另外链条炉排炉中，煤在炉排上的位置不动，一旦出现异常情况，炉排本身无法弥补，为了防止出现以上问题，一般采用分层燃烧技术。482．分层燃烧技术保证炉排面上煤的颗粒度分布均匀，并使块煤位于煤层最下面，即紧贴炉排面；中、小颗粒位于煤层中间；细煤位于煤