锅炉原理与设备第四章燃烧设备

LOGO锅炉原理与设备石油天然气工程学院王春华LOGO第四章燃烧设备煤粉燃烧器燃烧器的作用直流燃烧器旋流燃烧器W型火焰燃烧技术W型火焰炉膛结构W型火焰燃烧技术的特点煤粉炉炉膛炉膛的要求评价炉膛结构的参数低负荷稳燃及低NOx煤粉燃烧技术低负荷稳燃技术低NOx煤粉燃烧技术LOGO4.1电站锅炉的燃烧设备性能良好的燃烧设备应满足的条件：将燃料和燃烧用空气送入炉膛，形成良好的空气动力场，保证燃料迅速稳定着火。及时供应空气，与燃料适时混合，使燃料达到完全燃烧。燃烧稳定，炉内不结焦。良好的燃料适应性。NOX的生产量控制在允许范围内。LOGO4燃烧器的作用是将燃料与燃烧所需空气按一定的比例、速度和混合方式经喷口送入炉膛。其主要作用为：向锅炉炉膛内输送燃料和空气；组织燃料和空气及时、充分地混合；保证燃料进入炉膛后尽快、稳定地着火，迅速、完全地燃尽。一、燃烧器的作用4.2煤粉燃烧器的射流特点LOGO一次风携带煤粉送入燃烧器的空气。主要作用是输送煤粉和满足燃烧初期挥发分燃烧对氧气的需要。二次风待煤粉气流着火后再送入的空气。二次风补充煤粉继续燃烧所需要的空气，并起气流的扰动和混合的作用。三次风对中间储仓式热风送粉系统，为充分利用细粉分离器排出的含有10%～15%细粉的乏气，由单独的喷口送入炉膛燃烧，这股乏气称为三次风。二、通过燃烧器的空气LOGO6三、直流燃烧器直流燃烧器的一、二、三次风分别由垂直布置的一组圆形或矩形的喷口以直流湍流自由射流的形式喷入炉膛，根据燃煤特性不同，一、二次风喷口的排列方式可分为均等配风和分级配风。直流射流的主要特点：沿流动方向的速度衰减比较慢具有比较稳定的射流核心区一次风和二次风的后期混合比较强LOGOLOGO均等配风燃烧器一、二次风喷口相间布置，即在两个一次风喷口之间均等布置一个或两个二次风喷口，或在每个一次风口的背火侧均等布置二次风口，各二次风喷口的风量分配较均匀均等配风燃烧器一、二次风口间距较小（80-160mm），有利于一、二次风的较早混合，使一次风煤粉气流着火后能迅速获得足够的空气，达到完全燃烧均等配风适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐煤型配风方式1.均等配风直流燃烧器LOGO分级配凤是指把二次风分级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中。分级配风燃烧器一次风喷口相对集中布置，并靠近燃烧器的下部，二次风喷口则分层布置，一、二次风喷口间保持较大的距离(160-350mm)，燃烧所需要的二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中，强化气流的后期混合，促使燃料燃烧与燃尽。2.分级配风直流燃烧器LOGO分级配风燃烧器一次风喷口高宽比大，卷吸量大；煤粉气流相对集中，火焰中心温度高，有利于低挥发分煤的着火、燃烧。分级配风适合于燃用低挥发分煤种或劣质烟煤，常称为无烟煤、贫煤型配风方式。LOGO下二次风防止煤粉离析，避免未燃烧的煤粉直接落入灰斗；托住火焰不致过分下冲，避免冷灰斗结渣，风量较小中二次风是均等配风方式煤粉燃烧阶段所需氧气和湍流扰动的主要风源，风量较大上二次风提供适量的空气保证煤粉燃尽，是分级配风方式煤粉燃烧和燃尽的主要风源，风量较大3.直流燃烧器各层二次风的作用LOGO四角切圆燃烧方式直流燃烧器的布置炉膛四角或接近四角布置，四个角燃烧器出口气流的轴线与炉膛中心的一个或两个假想圆相切，使气流在炉内强烈旋转。4.直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式四角切圆燃烧方式LOGO切圆燃烧方式的特点煤粉气流着火所需热量，除依靠本身外边界卷吸烟气和接受炉膛辐射热以外，主要是靠来自上游邻角正在剧烈燃烧的火焰的冲击和加热，着火条件好。火焰在炉内充满度较好，燃烧后期气流扰动较强，有利于燃尽，煤种适应性强风粉管布置复杂LOGO切圆燃烧方式直流燃烧器的布置（a）正四角布置（b）正八角布置（c）大切角正四角布置（d）同向大小双切圆（e）正反双切圆（f）两角相切，两角对冲置（h）大切角双室炉膛方式（g）双室炉膛切圆方式LOGO大切角正四角布置：大容量锅炉常采用。把炉膛四角切去，在四个切角上安装燃烧器。除具有正四角布置的特点外，还可形成切角形水冷壁。既可增大燃烧器喷口两侧的空间，使两侧补气条件差异更小，射流不易偏斜；切角水冷壁形成燃烧器的水冷套，保护喷口不易被烧坏。正四角布置：中小容量煤粉炉常采用。炉膛截面为正方形或接近正方形的巨型，燃烧器布置在四个角上，燃烧器喷口的几何轴线和炉膛两侧墙的夹角接近相等，射流两侧的补气条件差异很小，气流向壁面的偏斜较小，因而煤粉火炬的充满程度较好，热负荷较均匀。LOGO采用同向大小双切圆方式，适用于截面深宽比较大的炉膛或由于炉膛四角有柱子，而不能四角布置，燃烧器只能布置在两侧墙靠角的位置。可改变气流偏斜，防止实际切圆的椭圆度过大；采用正反双切圆方式，两股气流反切，可减少实际切圆的椭圆度；采用两角相切，两角对冲方式，可减少气流相切时实际假想圆的直径，减低气流的旋转强度，防止气流的过分偏斜，但却使燃烧后期的混合扰动变差。LOGO17切圆燃烧方式实际气流并不能完全沿轴线方向前进，会出现一定的偏斜，严重时会导致燃烧器出口射流冲墙贴壁，造成炉膛水冷壁结渣。邻角气流的撞击（主要原因）炉内气流围绕假想切圆旋转所产生的旋转动量矩有关，其中二次风射流的动量矩其主要作用。适当增加一次风动量或减小二次风动量，都会减小旋转动量矩，减弱气流的偏斜。一次风煤粉气流的偏斜LOGO射流两侧“补气”条件的影响燃烧器射流两侧卷吸烟气形成负压，向火侧受到上游邻角气流的撞击，补气充裕，压力较高；背火侧补气条件差，压力较低，射流两侧因此形成压差，迫使射流偏向压力低的一侧，甚至迫使气流贴墙，引起结渣。LOGO燃烧器的高宽比（h/d）对射流弯曲变形影响较大高宽比愈大，射流形状愈宽而薄；其“刚性”就愈差，因而，射流愈容易弯曲变形。LOGO假想切圆直径dim较大的dim可使邻角火炬的高温烟气更易达到下角射流的根部，扰动更强烈，有利于煤粉气流着火、燃尽；但dim过大，射流偏斜增大，容易引起水冷壁结渣；炉膛出口较大的残余旋转会引起烟温和过热汽温偏差。LOGO旋流燃烧器出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流一、二次风用不同管道与燃烧器连接，在燃烧器内一、二次风通道隔开。二次风射流均为旋转射流,一次风射流可以是旋转射流,也可以是直流射流。旋流燃烧器是一组圆形喷口。一、旋转射流4.3旋转射流和旋流煤粉燃烧器的射流特点LOGO旋流射流具有比直流射流大得多的扩展角，射流中心形成回流区，射流内、外同时卷吸炉内高温烟气，卷吸量大。从燃烧器喷出的气流不但具有轴向速度，而且具有很高的切向速度，早期湍动混合强烈。轴向速度衰减较快，射流射程较短，后期扰动较弱。二、旋转射流的特点LOGOLOGO表征旋转射流旋转程度的特征参数，定义为气流相对于轴线的旋转动量矩M与气流的轴向动量K及定性尺寸L乘积的比值，即随着n的不同，旋流燃烧器形成三种不同的射流状态封闭式气流（封闭式火焰）n较小，出口气流旋流强度很小，射流中心不出现回流区或回流区很小，基本上是封闭气流。在火焰根部卷吸高温烟气，形成回流区；可卷吸火焰自身燃烧放出的热量，具有一定的自稳定着火能力。但回流量小，不适合燃烧难燃的煤三、旋流强度nMnKL封闭气流—弱旋转射流开放式射流全扩散式射流LOGO开放式旋转射流（开放式火焰）n较大，射流内、外侧的压力差逐渐接近，射流中心形成较大回流区，延长到速度很低处才封闭，其着火稳定性主要依赖于炉内烟气温度。全扩散式射流（飞边火焰）射流外卷吸作用强烈，使外侧压力小于中心压力，整个射流向外全部张开，气流离开燃烧器后，贴墙运动，引起结渣。LOGO旋流燃烧器通常前墙布置，前后墙对冲或交错布置若锅炉容量较小，一般将旋流燃烧器布置在前墙，单排或多排布置；若锅炉容量较大，采用前后墙或两侧墙对冲或交错布置，单排或多排布置四、旋流燃烧器的布置LOGO常用的旋流燃烧器LOGO旋流燃烧器的布置燃烧器前后墙或两侧墙布置两面墙上燃烧器喷出的火炬在炉膛中央互相撞击后，火焰大部分向炉膛上方运动，炉内的火焰充满程度较好，扰动性也较强若对冲的两个燃烧器负荷不相同，则炉内高温火焰将向一侧偏移，造成结渣旋流燃烧器炉顶布置只在采用W火焰燃烧技术的较矮的下炉膛中才应用LOGONOx生成机理温度型（热力型）NOx：空气中的氮气在高温下（1500℃以上）氧化而生成，占NOx总量的10%-20%。燃料型NOx：燃料中含有的氮化合物（主要是挥发分中的氮化合物）在燃烧过程中热分解而又接着被氧化而生成，占NOx总量的75%左右。快速型NOx：燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的，占NOx总量的5%左右。4.5低NOx燃烧LOGO30影响NOx生成的主要因素火焰温度和高温下的燃烧时间（或滞留时间）•燃烧过程中，温度越高，生成的NOx量越大，尤其是热力NOx量在2000℃以上时几乎瞬间内完成。在1600-2000℃内，若持续时间较长，NOx易生成；若时间较短，NOx的生产速度减慢。在1500℃以下时热力NOx的生成速度显著减慢，但燃料NOx的生成并不减慢。LOGO燃料性质•燃煤中的含N量越高，燃烧过程中转化为NOx也就越多。燃烧区中氧的浓度•燃烧区中氧浓度增大，不论热力NOx还是燃料NOx其生产量都将增大。LOGO常见的低NOX燃烧技术低过量空气燃烧（低氧燃烧）•在保证完全燃烧的情况下，使燃料在炉内总体过量空气系数较低的工况下燃烧。浓淡偏差•在炉膛多只燃烧器中，选择几只燃烧器使部分燃料在空气不足条件下燃烧，即燃料过浓或富燃料燃烧，其余燃烧器使燃料在空气过量条件下燃烧，即过淡或富空气燃烧。•在燃烧器的燃烧区域内，因燃料燃烧不完全，燃烧温度下降，从而抑制NOx的生成。因富燃料火焰较长，富空气火焰较短，若两者配合适当，相互补充，可实现燃料的完全燃烧。最适宜用在燃气锅炉上。LOGO空气分级•把燃烧用的空气由原来的一股分为两股或多股。在燃烧开始阶段加入部分空气，造成一次气流燃烧区域的富燃料状态，燃料部分燃烧，使得有机结合在燃料中氮的一部分生成无害的氮分子，从而抑制燃料NOx的生成。作为完全燃烧用的其余二次风，喷射到富燃料区域的下游，形成二次燃烧区，实现燃料的完全燃烧。LOGO炉膛是燃料燃烧和热交换（主要是辐射热交换）的场所有利于着火、稳燃，并使燃料燃烧完全；将烟气冷却到煤灰的熔点温度以下，保证炉膛内所有受热面不结渣;布置足够的蒸发受热面，不发生传热恶化;有合适的热强度降低NOx生成量;对煤质和负荷变化有较好的适应性。一、燃烧煤粉对炉膛的要求4.8煤粉锅炉炉膛LOGO35qV过大Vf过小，单位时间，单位炉膛容积内燃烧过多燃料，烟气量增多，烟气流速过高，燃料在炉内的停留时间过短，不利于燃烧的完全燃烧；布置的水冷壁受热面过少，炉膛及炉膛出口烟气温度偏高，易结渣；qV过小Vf过大，炉内温度较低，燃料燃尽困难。二、炉膛设计参数炉膛容积热强度（热负荷）qV表示单位时间、单位炉膛容积内，燃料燃烧释热的热量。Vf——炉膛容积3,,k/mcalarnetVfBQqWVLOGOLOGO随着锅炉容量增大，qV呈下降趋势。这是因为燃煤量增大后，要求保证燃料在炉内有足够的停留时间，因而必须增大炉膛容积。与此间时，又要求布置足够的水冷壁来冷却烟气，并防止水冷壁管内出现传热恶化。但是容积与几何尺寸的三次方成正比，而壁面积与几何尺寸的二次方成正比，因而容积的增长速度比壁面积要快，为了布置足够的水冷壁，炉膛容积相对地增长得多。因此，当容量增大时，qV呈下降趋势。LOGO38过大，炉膛断面积过小，水冷壁少，使燃烧器区域的局部温度过高，引起结渣和，增加NOx的生产量；Aq炉膛断面热强度表示单位时间、燃烧器区域炉膛单位横截面上，燃料燃烧释热的热量。Aq炉膛设计参数过小，水冷壁多，火焰温度低，不利于稳定着火，减轻结渣，减少污染物生成。Aq2,,k/mcalarnetABQqWALOGOLOGO随着锅炉容量的增加，qA值相应增加。这是因为当锅炉容量增加时，虽然炉膛横断面积必然增大，但相对