第12课时单元电厂热力设备及运行第04章_燃烧过程.ppt

华北电力大学环境科学与工程学院 电厂热力设备及运行 任课教师 杨官平 二 一一年一月 封面 3 机械 固体 未完全燃烧热损失q4 定义 飞灰或炉渣内含有未燃烧的碳所造成的热损失 组成 灰渣机械未完全燃烧损失Qsl 灰渣中未燃烧或未燃尽的碳粒一同落入炉膛冷灰斗引起的损失 飞灰机械未完全燃烧损失Qfa 未燃尽碳粒随烟气排出炉外而引起的热损失 机械未完全燃烧热损失的测定和计算 测定数据 在锅炉正常运行工况下 定时收集 飞灰量Gfa 灰渣量Gsl kg h 取样分析 可燃物百分数 飞灰含碳量Cfa 灰渣含碳量Csl 可燃物的发热量 32900 kJ kg 飞灰量和灰渣量测量的困难 飞灰含碳量Cfa 灰渣含碳量Csl可以取样测得 飞灰量无法准确测得 主要原因 除尘器的效率不是100 一部分飞灰附着在锅炉烟道内壁和受热面上 灰渣量无法准确测得 大容量锅炉一般采用水力除灰 灰渣量也无法准确测得 飞灰量和飞渣量必须由经验法求得 即由飞灰份额afa和灰渣份额asl间接求得 灰平衡法 进入锅炉的总灰量等于排出锅炉的灰渣中的灰分和飞灰中的灰分的之和 灰平衡法 说明 一般固态排渣煤粉炉 afa 90 95 asl 5 10 机械未完全燃烧热损失的影响因素 机械未不完全燃烧热损失的影响因素 炉子结构 炉膛高度不够或炉膛体积太小 烟气流程过短 使烟气中一些煤粉未能燃尽而离开炉子 增大q4损失 当炉内水冷壁布置过多时 会使炉膛温度过低 不利于燃烧反应 也会增大q4损失 燃料特性 灰分 水分越大 挥发分越小 灰分熔点越低 q4越大 煤粉细度 煤粉颗粒越细 q4越小 炉内过量空气系数 当炉内过量空气系数较小时 由于氧气供应不足 使q4增大 炉内过量空气系数过大 使炉膛温度降低 煤粉燃烧不充分 q4也会增大 因此 炉内过量空气系数应该适当 炉膛温度 炉膛温度降低会影响燃料的着火与燃烧 使q4增大 锅炉负荷 锅炉负荷过高时 单位时间送入炉内的煤粉量和空气量都增加 风粉运动速度升高 煤粉停留时间缩短 q4增大 锅炉负荷较低时 炉膛温度降低 燃烧反应速度减小 q4增大 减小机械未不完全燃烧热损失的措施 减小机械未不完全燃烧热损失的措施 设计合理的炉膛结构 使燃料在炉膛内有足够的停留时间 保持适当的过量空气系数 加强燃料与空气的混合 保持锅炉在一定的负荷下运行 有足够高的炉膛温度 4 散热损失q5 定义 由于锅炉炉墙 汽包 联箱 烟风道绝热层外表温度高于周围环境温度所散失热量损失 计算 锅炉散热损失图 图4 4锅炉散热损失 散热损失的影响因素 散热损失的影响因素 锅炉本体外表面积 锅炉本体外表面积越大 q5越大 锅炉本体外表面温度 锅炉本体外表面温度越高 q5越大 炉墙与保温材料绝热性能 炉墙与保温材料绝热性能越好 锅炉本体外表面温度越低 q5越小 炉墙与保温材料厚度 炉墙与保温材料厚度越大 锅炉本体外表面温度越低 q5越小 周围环境温度 周围环境温度越低 q5越大 锅炉容量 或锅炉额定蒸发量 当锅炉容量增大时 燃料消耗量基本上也按比例增加 而锅炉的外表面积却增加稍慢 相应于单位燃料的炉墙外表面积便减小 q5减小 锅炉负荷 或锅炉实际蒸发量 锅炉运行时 锅炉负荷减小 锅炉的外表面积并不随锅炉负荷的减小而减小 锅炉本体外表面温度变化不大 q5增大 减小散热损失的措施 减小散热损失的措施 设计时 提高锅炉的结构紧凑程度 减小外表面积 运行时 完善保温 降低外表面温度 5 灰渣物理热损失q6 定义 锅炉排出的炉渣所携带的热量未被利用而引起的热损失 计算 说明 液态排渣煤粉炉 必须考虑q6 固态排渣煤粉炉 只有当A Qar net 420时 才必须考虑q6 灰渣物理热损失的影响因素 灰渣物理热损失的影响因素 排渣量 排渣量越大 q6越大 排渣温度 排渣温度越高 q6越大 定义 有效利用热与送入炉子总热量之比 计算方法 正平衡求效率法 通过测定锅炉输入热量和有效利用热量 计算锅炉热效率 反平衡求效率法 通过测定锅炉的各项热损失 从而计算出锅炉热效率的方法 计算公式 六 锅炉热效率 定义 锅炉机组每小时燃料消耗量 即每小时实际送入锅炉炉膛的燃料量 也称燃料消耗量 用符号B表示 计算公式 七 燃料消耗量1 实际燃料消耗量 说明 对于大容量锅炉 燃料消耗量一般不直接测出而采用上式计算 在进行燃料运输系统和制粉系统计算时 使用燃料消耗量B 定义 考虑到机械不完全燃烧损失q4的存在 实际参加燃烧反应的燃料量 用符号Bj表示 计算公式 2 计算燃料消耗量 说明 在计算燃烧所需空气量和生成的烟气量时 使用计算燃料消耗量Bj 定义 确定锅炉效率的试验 也称热平衡试验 目的 确定锅炉机组热效率 确定锅炉机组的各项热损失 拟定提高热效率的措施 确定热效率与负荷的关系 以便确定经济负荷 确定锅炉燃煤量 种类 正平衡试验 反平衡试验 八 锅炉热效率试验 定义 通过测定锅炉输入热量和有效利用热量 来计算锅炉热效率的试验 测定参数 燃料消耗量B 锅炉的输入热量Qin 过热蒸汽流量 温度和压力 再热蒸汽流量 温度和压力 给水量 温度 燃料低位发热量 特点 燃料消耗量 蒸汽流量和给水流量测量误差较大 导致正平衡效率误差较大 只能求得锅炉的热效率 不能得出各项热损失 不能据此研究和分析影响锅炉热效率的种种因素 因此不能找到提高锅炉热效率的途径 应用范围 中 小型锅炉 1 正平衡试验 定义 通过测定和计算锅炉各项热量损失 以求得热效率的试验 测定参数 排烟温度 排烟过量空气系数 烟气分析成分 灰中含碳量 燃料的元素分析成分 燃料低位发热量 特点 从误差理论上讲 测定数值较小的各项热损失的相对误差较小 反推的锅炉效率比较准确 不但可以确定锅炉的效率 而且可以确定锅炉的各项热损失 因而可以了解锅炉的工作情况并能找出提高锅炉效率的途径 应用范围 大型锅炉 2 反平衡试验 1 某锅炉在额定蒸汽流量1110t h工作时 散热损失为0 2 当锅炉实际蒸汽流量为721 5t h时 锅炉散热损失是多少 九 例题 2 某锅炉反平衡热力试验 测试结果q2 5 8 q3 0 15 q4 2 2 q5 0 4 q6 0 求锅炉反平衡效率 解 锅炉反平衡效率 b为 b 100 q2 q3 q4 q5 q6 100 5 8 0 15 2 2 0 4 0 91 45 3 某锅炉热效率试验测定 飞灰可燃物Cfa 6 5 炉渣含碳量Csl 2 5 燃煤的低位发热量Qar net 20908kJ kg 灰分Aar 26 燃煤量B 56t h 飞灰占燃料总灰分的分额afa 95 炉渣占燃料总灰分的分额asl 5 求 锅炉机械未完全燃烧热损失q4 由于q4损失 每小时损失多少原煤 九 例题 九 例题 第三节燃烧基本原理 燃烧的基本概念均相燃烧化学反应动力学原理异相燃烧化学反应动力学原理 定义 通常把一切强烈放热的 伴随有光辐射的 快速的化学反应过程 过程 流动 传热 热量传递 传质 质量传递 化学反应 种类 均相燃烧 也称单相燃烧 气体燃料在空气中燃烧 异相燃烧 也称多相燃烧 固体燃料在空气中燃烧 一 燃烧的基本概念 定义 单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加 二 均相燃烧化学反应动力学原理1 化学反应速度 2 质量作用定律 质量作用定律 对于均相反应 在一定温度下 化学反应速度与参加反应各反应物浓度幂的乘积成正比 各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数 适用范围 适用于理想气体 在均相反应中 假定参与反应的气体为理想气体 则质量作用定律可以应用 3 阿累尼乌斯定律 阿累尼乌斯定律 反应物浓度不变时 反应速度常数k随温度变化的关系 4 化学反应速度的影响因素 反应物浓度 反应物浓度越大 反应速度越快 压力 在反应容积不变的情况下 反应系统压力的增高 就意味着反应物浓度增加了 从而使化学反应速度增加 反应温度 随着反应温度的升高 分子运动的平均动能增加 活化分子的数目大大增加 有效碰撞频率和次数增多 因而反应速度加快 燃料活性 燃料活性越强 活化能越小 化学反应速度越快 说明 实际的炉内燃烧过程 反应物的浓度 炉膛压力可认为基本不变 因此化学反应速度主要与温度有关 实际运行中 提高炉膛温度是加速燃烧反应 缩短燃烧时间的重要方法 参加燃烧的氧气从周围环境扩散到反应表面 氧的扩散速度 w d C0 C 4 87 d 质量交换系数 C0 远离固体表面氧的浓度 C 固体表面氧的浓度 氧气被燃料表面吸附 在燃料表面进行燃烧化学反应 燃烧化学反应速度 w kC 4 88 k 反应速率常数 燃烧产物由燃料表面解吸附 燃烧产物离开燃料表面 扩散到周围环境中 三 异相燃烧化学反应动力学原理1 焦炭燃烧过程 2 燃烧速度 异相燃烧反应速度取决于5个过程中进行得最慢的过程 研究指出 取决于氧气的扩散和固体表面的化学反应两个过程 3 燃烧反应区域 动力区 1400 C 燃烧反应的温度很高 k很大 d相对来说很小 焦碳燃烧处于扩散控制下 燃烧速度取决于扩散速度 燃烧速度w dC0 强化燃烧的措施是强化扰动 减小煤粉颗粒 过渡区 1000 C 1400 C 动力区与扩散区之间区域 燃烧速度取决于化学反应速度和扩散速度 强化燃烧的措施是同时提高炉膛温度和扩散速度 4 煤燃烧阶段 预热干燥阶段 煤被加热至100 左右 煤粒表面及煤粒缝隙间的水被逐渐蒸发出来 大量吸热 挥发分析出并着火阶段 温度升至一定值 煤中挥发分析出 同时生成焦碳 固定碳 挥发分的释放量及成分主要取决于升温速度 不同的煤 开始析出挥发分的温度不同 达到一定温度 析出的挥发分就着火 燃烧 对应的温度称煤的着火温度 不同煤的着火温度不同 少量吸热 燃烧阶段 挥发份首先燃烧造成高温 包围焦炭的挥发分基本烧完且燃烧产物离析后 碳开始着火 燃烧 大量放热 燃尽阶段 残余的焦炭最后燃尽 成为灰渣 少量放热 说明 上述各阶段实际是交叉进行的 其中着火和燃尽是最重要的两个阶段 着火是前提 燃尽放热是目的 5 煤粉迅速而又完全燃烧的条件 供应充足而又适量的空气 燃料完全燃烧的必要条件 保持最佳的炉膛出口过量空气系数 适当高的炉内温度 炉温高 着火快 燃烧速度快 燃烧也易趋于完全 试验证明 锅炉的炉温在1000 2000 内比较适宜 在这个温度区域内 若保证炉内不结渣 可以尽量高一些 空气和煤粉的良好扰动和混合 原因 煤粉的燃烧反应速度主要取决于煤粉的化学反应速度和氧气扩散到煤粉表面的扩散速度 要求 燃烧器的结构特性优良 一 二次风配合良好 并有良好的炉内空气动力场 煤粉和空气不但要在着火 燃烧阶段充分混合 在燃尽阶段也要加强扰动混合 足够的停留时间煤粉在炉内的停留时间 指从煤粉自燃烧器出口一直到炉膛出口这段行程所经历的时间 停留时间的决定因素 炉膛容积 炉膛截面积 炉膛高度及烟气在炉内的流动速度 这都与炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷有关 即要在锅炉设计中选择合适的数据 而在锅炉运行时切不可超负荷运行 第四节悬浮燃烧 定义 煤粉随气流悬浮在空中燃烧 煤粉炉 固态排渣煤粉炉的简称 煤粉炉燃烧器的作用 将燃料和空气送入炉膛 组织一定的炉内气流结构 促使煤粉气流稳定着火 使煤粉和空气强烈混合 以达到燃烧完全 减少NOx形成 实现清洁燃烧 煤粉燃烧器按气流结构可分为直流燃烧器和旋流燃烧器 直流燃烧器 出口气流是直流射流的燃烧器 旋流燃烧器 出口气流包含旋转射流的燃烧器 一 直流燃烧器及炉内气流结构1 直流射流空气动力特性 1 直流射流空气动力特性 湍流自由射流 指直流燃烧器各喷口以较高的初速度 Re 105 和一定的浓度 射入尺寸很大的炉膛空间 炉膛内充满高温 静止烟气 煤粉浓度近似为零 的煤粉气流 湍流自由射流除了做整体运动外 流体微团还具有纵向脉动和横向脉动 后者对对热质交换起着重要作用 卷吸作用 射流 煤粉气流 自喷口喷出后 沿着轴线方向运动 其边界上的流体微团不断与周围介质发生热质交换和动量交换 将部分周围高温 静止介质卷吸到射流中来 并随射流一起运动 射流横断面不断扩展 流量Q增加 煤粉浓度C下降 温度T升高 轴向速度W逐渐减慢 最后射流的能量完全消失在空间介质中 1 直流射流空气动力特性 射流核心区 射流中心尚未被周围气体混入 保持初速w0的区域 湍流边界层 核心区维持初速w0的边界称为内边界 射流与周围气体的分界称为外边界 内 外边界间区域为湍流边界层 其内为射流本身的流体以及卷吸进来的周围气体 转折截面 核心区消失 只在射流轴线保持初速w0的某点对应的截面 在转折截面前的射流段称为初始段 在转折截面后的射流称为基本段 扩展角 射流外边界线的交点称为源点 其夹角称为扩展角 1 直流射流空气动力特性 卷吸量Q 外边界卷吸的高温烟气量 圆形喷口的卷吸量大于矩形喷口 一个喷口分成总面积相等的若干个小喷口 卷吸量是增加的 直流Q 漩流Q 直流射流适用于无烟煤 后期混合好 射程L 射流轴向速度wm与射流初始速度w0的比值降低到某一不为零的数值 如0 05 时的截面与喷口间的距离 射程反映轴向速度wm沿射流运动方向衰减的程度 即射流对周围气体的穿透能力 直流射程L 漩流射程L 显然 射流卷吸周围气体越多 衰减较快 直流湍流自由射流的卷吸量相对较小 而射流的衰减较慢 1 直流射流空气动力特性 扩展角 可决定射流的形状及两相邻射流开始混合点 其位置对煤粉气流着火和氧化剂的及时补充有很大影响 直流湍流自由射流的 相对较小 图4 6射流组的流动射流的刚度 射流在有限空间内 抵抗外界干扰不发生偏离轴线的能力 刚度不够 射流偏移到炉墙 可能引起结渣 偏向其他射流 会干扰其正常工作 刚性大的射流吸引刚性小的射流并使其偏转 射流的初始动量越大 刚度越大 2 直流燃烧器喷嘴 图4 7直流燃烧器喷嘴 3 直流燃烧器组 图4 8直流燃烧器组 4 均等配风直流燃烧器 一 二次风相间布置的均等配风直流燃烧器 布置特征 一二次风口相间布置 且间距相对较近 各二次风喷口的风量分配较均匀 燃烧器最高层为上二次风喷口 燃烧器最底层为下二次风喷口 特点 一 二次风口间距较小 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 适用范围 挥发分含量较高的煤种 如烟煤 褐煤 图4 9一 二次风相间布置的均等配风直流燃烧器 侧二次风均等配风直流燃烧器 侧二次风 指在煤粉喷口的外侧 背火侧 与一次风平行布置的二次风 布置特征 一次风口集中布置 一次风布置在向火侧 内侧 二次风布置在一次风的背火侧 外侧 特点 一次风在炉膛内侧 有利着火 二次风在外侧 使与水冷壁接触的是一层二次风 利于防止水冷壁结渣 气流高度短 宽度大 刚性好 适用范围 贫煤 劣质烟煤 图4 10侧二次风均等配风直流燃烧器 5 分级配风直流燃烧器 布置特征 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 特点 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 二次风混合较迟 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 适用范围 挥发分较低的煤种 如无烟煤 贫煤 劣质烟煤 图4 11分级配风直流燃烧器 6 PM型低NOx煤粉燃烧器 布置特征 一次风气流分为浓 淡两相喷口 浓相一次风喷口位于燃烧器中部 在它的上下各有一个再循环烟气喷口 用以推迟浓相一次风跟二次风和淡相一次风的混合 分为两级燃烧 二级燃烧所用的二次风由最上部喷口送入 淡相一次风口 位于再循环烟气喷口的