电站锅炉-第四章..ppt

第四章燃烧设备和煤粉燃烧技术,煤粉高效燃烧技术,旋流燃烧器及其布置,直流式燃烧器及其布置,煤粉炉的炉膛及燃烧器,W型火焰燃烧技术,煤粉炉的点火装置,流化床燃烧的状态及特征,锅炉原理课件,燃料的燃烧方式不同其锅炉设备也相应不一样。电站锅炉是耗用大量燃料的动力设备，其主要燃料是煤粉、油或天然气。燃料在炉内为悬浮状燃烧。我国煤炭资源比较丰富，而石油和天然气资源相对较少，因此，我国的燃料政策规定，电站锅炉以燃煤为主，而且主要烧劣质煤，以满足国民经济建设各个方面的需要及能源的合理使用。劣质煤的燃烧是比较困难的，而且会给锅炉运行的安全性和经济性带来重大的影响。了解和掌握锅炉燃煤的特性对于锅炉运行、管理人员来说是非常重要。掌握有关的燃烧基本理论和燃烧设备的性能特点，保证锅炉的安全运行、提高锅炉燃烧效率，节约能源消耗，降低电厂成本。,引言,煤粉气流的着火：由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为着火温度,着火和熄火的热力条件,1/3,煤粉气流的着火温度,放热曲线Q1是一条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线,2/3,点2对应的温度即为着火温度Tzh,Tb=Tb1（很低），散热线与Q1交点1为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢氧化状态,Tb=Tb2，散热线与Q1交点2为不稳定平衡点，只要稍增加系统的温度，Q1Q2，反应将自动加速过渡到点3（高温稳定平衡点），此时，只要保证煤粉和空气的不断供应，最后将稳定在高速燃烧状态,煤粉气流的熄火温度,Tzh、Txh是在一定测试条件下的相对特征值，Txh大于Tzh。（此时的熄火温度已与着火时的热力条件不同，不可同一而语）着火温度和熄火温度是随着热力条件的变化而变化的，是在一定条件下得出的相对特征值强化着火的措施在散热条件不变的情况下，增加可燃混合物的初温、浓度和压力，加强放热在放热条件不变时，提高燃烧室的保温效果，减少放热,3/3,Tb=Tb2、强化散热，散热线与Q1交点4为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低，Q1T0,湍流自由射流是直流燃烧器各喷口以较高的初速（Re105）和一定的浓度，射入尺寸很大的炉膛空间（炉膛内充满高温、静止介质（烟气），煤粉浓度为零）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,1/9,直流射流空气动力特性,2/9,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-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布等温自由射流的结构特性及速度分布,wh=0，ch=0，ThT0,直流射流空气动力特性,3/9,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，其交角称为扩展角,1-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布,直流射流空气动力特性,基本段中各截面的速度分布是相似的，对于喷口是矩形或圆形截面的直流射流，都可用下面的半经验公式加以描述：,（4-14）,式中：wx在距喷口x处与轴线垂直的截面上任意点的轴向速度，m/s；wm上述截面上轴线的速度，m/s；y任意点到射流轴线的距离，m；Rm该截面的半宽度，即是轴线与外边界的距离，m。式（4-14）说明，在基本段内的速度是相似的。,4/9,直流射流空气动力特性,在基本段内，在轴线上的轴向速度wm沿射流流动方向上的变化规律为：,对于圆形喷口：对于矩形喷口：,式中：w0射流的初始速度，m/s；a湍流系数，对于圆形喷口，a0.0660.076；对于矩形喷口，a0.100.12；R0圆形喷口直径，m；b0矩形喷口两边中的短边长度，m；x计算截面距喷口的距离，m。,5/9,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,对于圆形喷口：对于矩形喷口：,式中Q距喷口为x的基本段截面的射流流量，m3/s；Q0射流的初始流量，m3/s。,6/9,直流射流空气动力特性,扩展角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扩展角相对较小,对于圆形喷口：对于矩形喷口：,7/9,直流射流空气动力特性,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，射流的初始动量越大，刚度越大。,8/9,直流射流空气动力特性,一列相互平行的射流组的流动,9/9,直流射流空气动力特性,直流燃烧器均等配风,均等配风燃烧器一、二次风喷口相间布置，即在二个一次风喷口之间均等布置一个或二个二次风喷口，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，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,1/3,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,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,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，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,直流燃烧器分级配风,2/3,分级配风适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，常称为无烟煤和贫煤配风方式,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，风量较大燃尽风喷口位于整组燃烧器的最上部（三次风喷口之上），送入剩余15%的空气，实现富燃料燃烧，抑制燃烧区段温度，达到分级燃烧目的，有效减少炉内NOX生成量，有利于燃料的燃尽周界风位于一次风喷口的四周，周界风的风层薄；风量小；风速较高。可防止喷口烧坏，适应煤质的变化此外，可布置的二次风还有侧二次风、中心十字二次风和夹心风等,直流燃烧器各层二次风的作用,3/3,直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式,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,1/4,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,假想切圆直径dJX较大的dJX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dJX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,一次风煤粉气流的偏斜,2/4,炉膛和燃烧器的结构特性燃烧器射流两侧卷吸烟气形成负压，内侧（向火侧）夹角1大，且有上游邻角气流横扫过来，补气条件充裕；面向炉墙的一侧（外侧）夹角2小，且需从射流较远处回流烟气或由射流上下两端来补气，补气条件很差，射流两侧因此出现压差，迫使射流偏向压力低的一侧,切圆燃烧方式直流燃烧器的布置形式,（a）正四角布置；（b）正八角布置；（c）大切角正四角布置；（d）同向大小双切圆方式；（e）正反双切圆方式；（f）两角相切，两角对冲方式；（g）双炉膛切圆方式；（h）两侧墙布置方式,3/4,切圆燃烧方式直流燃烧器的主要热力参数,表4-2直流燃烧器的一次风喷口,表4-3直流燃烧器的一次风率r1（%）及热风温度tRF（）,表4-4固态排渣煤粉炉直流燃烧器的一、二次风速推荐值,4/4,宽调节比(WR)直流燃烧器,美国CE公司生产直流燃烧器，在可摆动的一次风喷口内装设水平放置的三角形扩锥（钝体），促进烟气卷吸混合，提高煤粉气流的着火性能，使锅炉在低负荷下也能有较好的燃烧稳定性。使用该燃烧器时锅炉能达到较大的负荷调节比，因此又称之为宽调节比喷口。该燃烧器利用一次风管的弯头进行煤粉浓淡分离，利用中间隔板使浓度差异保持到喷口，形成垂直方向的浓淡燃烧。,典型直流燃烧器,WR燃烧器,1/6,百叶窗式煤粉浓淡燃烧器,通过百叶窗式分离器，把一次风在水平方向上分成浓淡两股气流，其中一股为高浓度煤粉气流，另一股的煤粉浓度很低。高浓度煤粉在向火面，着火稳定性好。淡煤粉位于背火面，可降低水冷壁附近处还原性气氛，减小了炉膛结渣的可能性，也抑制了烟气对管壁的高温腐蚀。,2/6,典型直流燃烧器,稳燃腔煤粉燃烧器,钝体置于稳燃腔燃烧器中，煤粉气流流经钝体后形成一个回流区，卷吸炉内的高温烟气来加热煤粉气流，使之提前着火燃烧。腔体保证钝体后的回流区不被短路和避免钝体的烧坏。三角形的作用是在煤粉气流进入腔体之前，利用一次风直管段和煤粉惯性比空气大的原理进行煤粉的浓淡分离。,3/6,典型直流燃烧器,为了获得煤粉的水平浓淡燃烧而又不影响煤粉的燃尽，可在单个燃烧器内进行煤粉的浓淡分离，将浓相煤粉置于向火面，稀相煤粉置于背火面。这一要求应在煤粉燃烧器出口前完成，才能达到促进煤粉着火和稳定燃烧的目的。在燃烧器入口前的直管段内设置三角形滑块进行煤粉浓淡分离。试验表明，三角形滑块角度、高度和距离燃烧器出口的距离与煤粉浓淡分离比率有着明确的关系。,稳燃腔煤粉燃烧器,4/6,典型直流燃烧器,双通道煤粉燃烧器,该燃烧器与传统的燃烧器不同，有两个一次风通道，即在同一个燃烧器的上下侧各开一个一次风口；两股一次风是以贴壁射流形式进入一突扩燃烧器。贴壁射流产生大量的高温烟气回流。,5/6,典型直流燃烧器,开缝钝体煤粉燃烧器,6/6,典型直流燃烧器,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。,旋流射流空气动力特性,1/3,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,旋流燃烧器适用于含挥发分较高的煤种,从燃烧器喷出的气流具有很高的切向速度和足够大的轴向速度，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,旋流强度n表征旋转射流旋转程度的特征参数，随着n的不同，旋转射流有三种不同的流动状态封闭气流n较小，弱旋或不旋，中心没有回流区或回流区较小，回流区负压小，主射流受到压缩，旋转射流呈封闭状态，其特性接近直流射流,开放气流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，形成开放式的结构,2/3,全扩散气流n和扩展角很大，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，外侧回流区全部消失,旋流射流空气动力特性,3/3,旋流强度的概念决定旋转气流旋转强烈程度的特征参数是旋流强度n，它是气流旋转动量矩M与轴向动量矩KL的比值。按此定义:,旋转动量矩M=Qwqr（4-26）轴向动量K=Qwx（4-27）,式中：气流的密度，kg/m3；Q气流的体积流量，m3/s；wq、wx分别为气流平均的切向和轴向速度，m/s；r气流旋转半径，m；L定性尺寸，m。,旋流强度:,旋流射流空气动力特性,旋流燃烧器的类型,旋流燃烧器根据旋流器的结构不同，旋流燃烧器分为蜗壳式旋流燃烧器采用蜗壳作旋流器叶片式旋流燃烧器采用叶片作旋流器,1/4,2/4,单蜗壳旋流燃烧器,双蜗壳旋流燃烧器,旋流燃烧器的类型,切向叶片旋流燃烧器,轴向叶片旋流燃烧器,3/4,旋流燃烧器的类型,4/4,新型低NOx旋流式燃烧器挥发分燃烧区；还原区；NOx分解区；碳燃尽区,双调风旋流燃烧器1一次风；2点火燃烧器；3中心风；4文丘利管；5内层二次风；6外层二次风；7燃烧器出口,旋流燃烧器的类型,旋流燃烧器的布置,旋流燃烧器前墙布置不受炉膛截面宽、深比限制，布置方便，与磨煤机联接煤粉管道短。主气流上下两端形成明显的停滞旋涡区，炉膛火焰的充满程度较差，炉内火焰的扰动较差，不利于燃烧后期的扰动和混合。,1/4,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。,2/4,旋流燃烧器的布置,旋流燃烧器炉底布置、炉顶布置,3/4,旋流燃烧器的布置,各只燃烧器应尽可能都有单独的二次风道，便于调整风量。相邻燃烧器的气流不相互干扰，当炉墙上布置两个以上的旋流式燃烧器时，相邻燃烧器出口主气流的旋转方向彼此对称，反向旋转。,燃烧器旋转方向对火焰位置的影响（a）火焰向下；（b）火焰向上；（c）火焰向左；（d）火焰向右,4/4,旋流燃烧器的布置,旋流燃烧器运行参数,旋流燃烧器一次风率、一、二次风速和热风温度,单只燃烧器的热功率,W型火焰炉膛结构,W形火焰炉膛由下部的拱型着火炉膛（燃烧室）和上部的辐射炉膛（燃尽室）组成。前者的深度比后者约大80120%,燃尽室前后墙向外扩展构成炉顶拱，并布置燃烧器，煤粉气流和二次风从炉顶拱向下喷射，在燃烧室下部与三次风相遇后，再1800转弯向上流经燃尽室炉膛，形成W形火焰，,由于着火炉膛四周的水冷壁上敷有卫燃带，使得炉内烟气温度很高，十分有利于煤粉的着火过程,W型火焰燃烧方式的特点,炉膛温度高煤粉喷嘴出口处于燃烧中心炉顶拱的辐射传热可提供部分着火热，同时可减少对燃尽室的放热着火区水冷壁敷设卫燃带,较高的NOx生成量由于炉温高、燃烧时间长、过剩空气系数，虽空气沿着火焰行程逐步加入，可实现分级配风，分段燃烧。但NOx生成量仍然很高。,炉膛内的火焰行程长增加了煤粉在炉内的停留时间，燃尽度提高。,烟气中的飞灰含量少火焰在下部着火炉膛底部转弯180向上流动时，可使烟气中部分飞灰分离出来,有利于组织良好的着火、燃烧过程可以采用直流燃烧器或轴向可动叶片旋流燃烧器，也可采用高浓度煤粉燃烧器,有良好的负荷调节性能负荷变化时，下部着火炉膛火焰中心温度变化不大,适用于无烟煤等低挥发分煤的燃烧,W型火焰燃烧方式的特点,W锅炉旋风分离式煤粉燃烧器,50的空气和少量（约占1020）煤粉组成的低浓度煤粉气流从旋风分离器上部的抽气管通过燃烧器乏气喷嘴送入炉膛。,1/2,煤粉空气混合物经过分配箱分成两路，各进入一个旋风分离器。,50的空气和80%以上的煤粉形成的高浓度煤粉气流从旋风分离器下部流出，然后垂直向下通过主燃烧器进入炉膛。,该燃烧器的工作原理：,旋风分离式煤粉燃烧器,调节乏气量是适应煤种变化的一种手段煤质变差，开大乏气调节挡板，抽出的乏气量增加，煤粉浓度随之增加，有利于煤粉气流的着火燃烧。,主燃烧器两侧有高速二次风气流同时喷入,2/2,W锅炉旋风分离式煤粉燃烧器,W锅炉一次风更换型旋流式燃烧器,一次风更换型旋流式燃烧器（PAX燃烧器）PAX燃烧器是一种高浓度煤粉燃烧器，它的工作原理是：一次风煤粉气流通过弯管将大部分煤粉浓缩到一次风管外侧，再与热风混合，可将煤粉从90加热到170以上，然后喷入炉膛。另一部分经分离后被抽出的冷一次风气流中含有约10%的煤粉，再从燃烧器下方以一定倾角射入炉膛，并补充着火后期所需空气量。,PAX燃烧器结构示意图1一次风管；2PAX弯头；3偏心异径管；4抽出风弯管头；5增压风弯管头；6盖板；7内调风口；8旋转叶片；9外调风口；10水冷壁管,W锅炉直流缝隙式燃烧器,直流缝隙式燃烧器,W锅炉直流缝隙式燃烧器在每个一次风喷口两侧，都有一个二次风喷口，一、二次风喷口交错布置，喷口为长方形，喷出来的同样是扁平状气流，其较大的周界比有利于着火。三次风喷口距主燃烧器一定距离，平行于主气流从上向下送入炉膛。另有一部分二次风从前后墙送入炉膛。,煤粉炉的点火装置,煤粉炉的点火：油燃烧器（柴油或重油）点火装置：10001500kg/h小油枪或等离子直接点燃煤粉装置：省油首先用雾化喷嘴将油雾化成很细小（200250m）的雾状液滴群（即油雾），经过受热、蒸发，成为气态燃料。当气态燃油与空气混合并达到着火条件时，便开始着火（均相燃烧）。油喷嘴：雾化燃油至细小油雾群，并保持一定的雾化角与空气相交混合，油雾中心区形成回流区，卷吸热烟气，加热油雾。,1/4,压力雾化式油喷嘴,压力雾化式油喷嘴：将具有一定压力的燃油在油喷嘴内产生的高速旋转，从油喷嘴射出后，油膜被撕裂，形成雾状小液滴。简单压力式：喷油量由油压来调节，压力小，流量随着变小，而此时雾化质量差。结构及调节比较简单回油式调节流量方法：恒定进油压力下改变回油压力、同时改变进出口油压力维持恒压差、恒回油量、恒进油压力等调节方法。,简单压力式,回油式,蒸汽（空气）雾化油喷嘴：利用高速蒸汽（空气）气流的喷射使燃油雾化，蒸汽（空气）压力保持不变，调节油压来改变喷油量。雾化效果好,2/4,蒸汽雾化油喷嘴（a）喷嘴螺帽；