5煤粉炉燃烧原理及燃烧设备

热能与动力工程1第五章煤粉炉燃烧原理及燃烧设备热能与动力工程2第一节燃烧化学反应动力学基础一、燃烧化学反应速度（一）化学反应速度燃烧反应是一种发光发热的高速化学反应；1、均相反应和多相反应：2、反应速度可以用某一反应物浓度减少的速度表示，也可以用生成物浓度增加的速度表示。aA+bB一＞gG+hHwA=－dCA/dt影响因素：（1）反应物性质；（2）反应物的浓度；（3）温度；（4）压力；（5）是否有催化剂或连锁反应。热能与动力工程3（二）质量作用定律热能与动力工程4（三）阿累尼乌斯定律热能与动力工程5（四）催化作用催化剂本身不变改变化学反应速度，不改变反应限度（五）链锁反应多米诺效应－活化分子热能与动力工程6二、燃烧速度与燃烧区域1、碳的多相燃烧特点热能与动力工程72、多相燃烧反应的燃烧区域热能与动力工程8第二节煤和煤粉的着火和燃烧一、热力着火1、定义着火：由缓慢的氧化反应状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程可分为：连锁着火：这种由连锁反应引起的着火叫连锁着火。热力着火：由于温度不断升高而引起的着火叫热力着火。在锅炉中发生的着火就是热力着火。热能与动力工程9着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳定着火？实现稳定着火满足两个条件A、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。B、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。热能与动力工程102、着火和熄火的热力条件热能与动力工程11热能与动力工程12关于着火温度的说明•着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，•各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，•如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。热能与动力工程13•着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。•严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。•实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。热能与动力工程14•3、着火热热能与动力工程15着火热的来源•卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热•炉内高温火焰的辐射换热热能与动力工程16二、煤粉的燃烧过程1、燃烧阶段•着火前的准备阶段•燃烧阶段•燃尽阶段热能与动力工程17•2、碳粒的燃烧机理•煤粉燃烧好坏的关键：碳的燃烧原因：•焦炭中的碳是可燃质的主要部份；•焦炭着火最晚，燃烧最迟；•焦炭中的碳的放热量比例较大热能与动力工程18碳的反应可分为一次反应和二次反应热能与动力工程19热能与动力工程20热能与动力工程21三、影响煤粉气流着火的因素热能与动力工程22四、燃烧完全的条件燃烧的完全程度可用燃烧效率来表示：热能与动力工程23五、强化煤粉气流燃烧的措施•提高热风和一次风温度•限制一次风量•合理送入二次风•着火区保持高温•选择适当的煤粉细度•强化燃烧阶段和燃尽阶段•合理组织炉内空气动力工况热能与动力工程24第三节燃烧器和点火装置煤粉炉的燃烧设备包括：煤粉燃烧器（也称为喷燃器）点火装置炉膛热能与动力工程25稳定着火着火后，良好的混合充满度与刷墙(配风、角度)燃料适应性负荷调节(稳燃技术)低NOx燃烧器流动阻力小1、作用：组织燃烧2、要求：3、分类：旋流燃烧器前后墙布置：直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式：热能与动力工程26炉膛形状前后墙布置：旋流燃烧器(B&W)四角布置切圆燃烧方式：直流燃烧器(ABB-CE)W形火焰锅炉：无烟煤(FW)燃烧器种类旋流燃烧器：适用于高挥发分煤种：烟煤、褐煤直流燃烧器：煤种适应性较广热能与动力工程27直流自由射流湍流（紊流）自由射流卷吸衰减射程高宽比（一）直流煤粉燃烧器的射流特性一、直流煤粉燃烧器的类型及特点热能与动力工程28直流燃烧器热能与动力工程29直流燃烧器热能与动力工程30热能与动力工程31点火热能与动力工程32射流的结构及术语–等速核心区–射流外边界–射流内边界–射流的转折截面–射流初始段–射流主体段–射流扩散（展）角热能与动力工程33热能与动力工程34（二）直流煤粉燃烧器的类型及特点直流煤粉燃烧器的出口是由一组圆形、矩形或多边形的喷口所组成。直流煤粉燃烧器大都采用四角布置切圆燃烧的方式。热能与动力工程35热能与动力工程36热能与动力工程37热能与动力工程38根据煤种的不同，直流煤粉燃烧器的一次风喷口和二次风喷口有各种不同的布置方式，使燃料稳定地着火、煤粉与空气有效地混合、完全燃烧和避免结渣。直流燃烧器可分为均等配风燃烧器和分级配风燃烧器两种形式。热能与动力工程391.均等配风直流煤粉燃烧器均等配风方式是指一、二次风喷口相间布置。在均等配风方式中，由于一、二次风喷口间距相对较近，一、二次风处自喷口流出后能很快得到混合，使煤粉气流着火后不致由于空气跟不上而影响燃烧，故一般适用于烟煤和褐煤。热能与动力工程40热能与动力工程41热能与动力工程42四角切圆燃烧热能与动力工程43热能与动力工程442.分级配风直流煤粉燃烧器分级配风方式是指把燃烧所需要的二次风分级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中，此种燃烧器适用于无烟煤、贫煤和劣质煤，所以又叫做无烟煤型直流煤粉燃烧器。热能与动力工程45热能与动力工程46热能与动力工程47分级配风直流燃烧器的特点•一次风喷口狭长；•一次风喷口集中布置；•一、二次风喷口各自集中在一起，且一、二次风喷口的间距较大；热能与动力工程48•二次风分层布置•一次风喷口的周围或中间还布置有一股二次风，分别称为周界风和夹心风热能与动力工程49•三次风喷口布置在燃烧器的最上方，距相邻二次风喷口有较大间距，并应有一定的倾角，此外，三次风速不宜过低，一般为5060m/s。–ｔ3＜100℃–ｒ3≈10％～18％热能与动力工程50二、旋流煤粉燃烧器1、旋流燃烧器的射流特性旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动的。旋流燃烧器中所采用的旋流器主要有以下几种：蜗壳、切向叶片及轴向叶片等。热能与动力工程51热能与动力工程52热能与动力工程53热能与动力工程54热能与动力工程55热能与动力工程56热能与动力工程572、旋转射流的特点（1）二次风是旋转气流。一次风可以是旋转气流，也可用扩锥扩展。因此整个气流形成空心圆锥形旋转气流。（2）旋转射流有强烈的卷吸作用，能将中心及外缘的气体带走，造成负压区，在中心部分和外缘就会因高温烟气回流而形成回流区。–中心部分形成的回流区称为内回流区；–外缘部分形成的回流区称为外回流区。热能与动力工程58热能与动力工程59热能与动力工程60（3）在同样的初始动量下，旋转射流的射程要比直流射流短。（4）旋转射流外边界所形成的夹角称为扩散角，用符号表示。旋转射流的扩散角一般比直流射流大，而且随着气流旋转气流旋转强度的增加，扩散角也增大，同时回流区也加大，因而高温烟气的回流量也增多。热能与动力工程61（5）当气流旋流强度增加到一定程度时射流会突然贴在墙壁上，即扩散角等于180℃，这种现象称为气流的飞边现象。当飞边现象产生后，会导致喷口和炉墙结渣，也容易烧坏燃烧器。热能与动力工程62热能与动力工程633、旋流强度及其影响热能与动力工程64热能与动力工程65热能与动力工程664、常用的旋流燃烧器•单蜗壳扩锥型旋流燃烧器：•双蜗壳旋流燃烧器：•轴向叶片旋流燃烧器：•切向叶片式旋流燃烧器：热能与动力工程67热能与动力工程68热能与动力工程69热能与动力工程70热能与动力工程71三、新型煤粉燃烧器（一）煤粉稳燃1、常用稳燃措施（1）敷设燃烧带；（2）热风送粉；（3）较低的一次风速和一次风率；（4）减小颗粒细度；（5）控制最低运行负荷以及采用性能良好的燃烧器。2、三高区理论高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。热能与动力工程72（二）低NOx燃烧技术•随着燃烧运行中烟气中含氧量的增加，NOX的生成量和增加的幅度与燃料的种类、燃烧方式以及排渣方式有关0100020003000012345燃烧器出口氧量，%NOX，mg/m3液态排渣炉固态排渣炉高挥发份煤低挥发份煤图3—1不同燃烧方式和煤种的NOX排放浓度比较热能与动力工程73•燃煤排放的众多污染物中，NOX是唯一可通过改进燃烧方式来降低排放量的气体污染物，•选择合理燃烧参数和合理地组织燃烧过程减少在燃料燃烧阶段NOX的形成量，•是比较经济且合理的降低NOX排放的技术措施。热能与动力工程74氮氧化物的生成：生成NOx的途径主要有三个：热力型、燃料型和快速型。热力型NOx是空气中的氮气在高温下直接氧化而生成的，它的生成和温度密切相关，仅当火焰温度大于1500℃时，才会大量生成；燃料型是燃料中氮在燃烧过程中氧化而生成的NOx，与温度的关系不大，是最主要的NOx生成途径；快速型是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NOx，在煤燃烧过程中的生成量较小。热能与动力工程75•三种类型NOx生成量与温度关系18001400100050010001500快速型燃料型热力型炉膛温度(°C)NOx(mg/Nm)3三种类型NOx生成量与温度关系图热能与动力工程76抑制NOX生成的理论依据•降低火焰峰值温度、•降低最高温度区域的局部氧浓度，•降低燃料在最高温度区域的停留时间热能与动力工程77燃煤粉电站锅炉降低NOX的燃烧技术措施燃烧空气分级技术组织炉内燃料分级再燃还原NOX浓淡分离技术低氧燃烧技术热能与动力工程78空气分级燃烧技术(airstaging):燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高燃烧区域的煤粉浓度。推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。“燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一起，共同决定了主燃烧区内NOx降低的程度，也直接关系到其在燃尽区的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。沿炉膛高度空气分级燃烧热能与动力工程79旋流燃烧器空气分级示意图空气煤粉气流炉膛热能与动力工程80与主燃烧器一体的OFA第二次生成的NOXNOXNOX被还原NOXNOX燃烧器分级配风的喷口布置示意和NOX的还原过程上部二次风SOFA主燃烧器热能与动力工程81燃料分级燃烧技术(fuelstaging):根据NOx的分解机理，已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应从而降低NOx排放水平。第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行富氧燃烧，生成大量的NOx；第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，从而降低NOx的排放。燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气。沿炉膛高度燃料分级燃烧热能与动力工程8220%入炉燃料80%入炉燃料一次燃料二次燃料燃尽风一次风主燃烧区燃尽区40%NOX再燃还原区100%NOX炉膛内燃料分级燃烧过程热能与动力工程83主燃烧区燃尽区还原区主燃烧器再燃燃料燃尽风NO，CO2，H2O，O2，SO2，灰N2，NONON2NOX浓度再燃与还原NOX技术的示意热能与动力工程84低NOX燃烧器调节风口上部燃尽风再燃喷口前墙后墙采用炉内再燃技术的喷口布置示意图热能与动力工程85一次风煤粉气流上下浓淡隔板V型扩流锥喷口锯齿形V型括流锥喷口图3—7垂直浓淡煤粉燃烧器（WR燃烧器）浓淡分离技术热能与动力工程86稀相一次风浓相一次风图3—6一次风水平浓淡燃烧示意图热能与动力工程87（三）新型煤粉燃烧器•钝体燃烧器（华中理工）热能与动力工程88热能与动力工程89火焰稳定船式直流燃烧器（清华）热能与动力工程90浓淡燃烧器1、WR型燃烧器2、PM型燃烧器•PM型燃烧器是在燃烧器内将煤粉气流分为浓度气流和煤粉气流。浓煤粉气流在上，淡煤粉气流在下。热能与动力工程91热能与动力工程923、宽调节比燃烧器•宽调节比燃烧器实际上也是一种浓、淡型煤粉燃烧器。这种燃烧器的主要性能是在低负荷下，不投油仍然能稳