电厂锅炉煤粉燃烧概论

电厂锅炉燃烧理论概述炭粒的燃烧过程与影响因素燃烧的三个区域着火和熄火的热力条件煤粉气流着火的影响因素燃烧完全的条件直流射流的特性、直流燃烧器的种类、特点、布置方式旋流射流的特性、旋流燃烧器的种类与特点、布置方式本节重点及难点燃烧的基本理论

第一节

煤粒燃烧过程：首先被预热干燥,蒸发出水分,然后开始析出挥发物;析出的挥发物在足够高的温度下,与周围空间中的氧作用在煤粒附近着火燃烧,形成光亮的火焰;挥发物燃烧时,煤粒被加热,当挥发物析出并燃烧完毕后,煤焦已是足够热,足可以和扩散进入的氧化合物进行燃烧反应,此时挥发物的可见火焰燃烧已渐为煤焦的无焰燃烧所代替。挥发物的燃烧有两个作用:

妨碍煤焦本身的燃烧(氧先被挥发物截去消耗掉)

加热煤焦,对煤焦着火燃烧有利。第五节煤粒的燃烧

挥发分析出的过程就是热分解过程,挥发分析出速度与时间的关系是指数函数关系,即随时间的增加而递减。关于挥发分析出的过程目前有两种不同见解:

某些碳粒燃烧理论研究者认为(传统见解):煤的主要成分是焦炭,焦炭的燃烧速度决定了煤粒的燃烧速度。挥发分的析出只是在燃烧开始阶段的一个短暂过程,还不到煤粒燃烧时间的10％,而焦炭的燃烧时间要占90％以上。这种论点的根据就是根据煤粒质点燃烧迹象的摄影试验,在试验过程中发现有短暂的闪光掠过,被认为是挥发分的完全燃烧时间。

最新研究资料表明:在煤粒燃烧过程中,挥发分并不是仅在开始阶段析出,而是不断析出,其析出过程和焦炭燃烧交叉进行,几乎延续到煤粒燃尽的最后阶段,因而使得煤粒附近的物理化学更为复杂。有人的解释为:煤粒中心的热分解过程进行的速度取决于煤粒直径的大小,以及周围温度、压力、气流运动等。

当煤粒受热时,煤粒外层的水分、油质等首先蒸发汽化,蒸发的气体和水蒸气在周围形成压力,这个压力使气体和水蒸气向煤粒内部和外部扩散。一部分气体通过外壳的气孔向外扩散;另一部分向煤粒内部扩散,到达煤粒中心时,因该处温度较低,气体就凝结。这样,挥发分的析出就受到了"抑制",使得析出过程拖得很长。挥发分陆续不断地析出,就更加剧了煤粒周围浓度埸的复杂性。

目前,对于挥发物在煤粒燃烧过程中的作用问题还是研究的比较少的。从进一步的研究结果表明,煤焦的燃烧并不象我们所设想的那样在挥发物完全烧完后才开始的,而是和挥发物的燃烧一起交叉进行,而且相互作用,相互影响着。因此,我们在讨论中,把煤粒燃烧分成挥发物燃烧阶段和碳粒燃烧阶段,这只能是近似的分析。近些年来,已有人开始探讨挥发物析出在煤粒过程中的影响问题。

例如,实验表明,煤粒的燃烧速度比煤焦炭有所降低,这显然是挥发物的燃烧对煤粒燃烧过程具有一定的"抑制作用"。随着挥发物的逐渐烧尽,对于煤粒燃烧速度的这种"抑制作用"的影响也将逐渐减小。关于煤粒燃烧速度的计算是比较复杂的,在计算时必须考虑挥发物与焦炭颗粒同时燃烧等因素,因此目前来说,有关煤粒燃烧速度的精确计算公式还是不易导出的,一般所使用的都是一些近似公式,课本中公式P249(7-46)就是一个近似公式.化学反应速度定义：

单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加，单位对于反应瞬时化学反应速度可表示为影响化学反应速度的因素浓度温度压力催化反应氧的扩散速度炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的。由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧浓度CB小于周围介质中的氧浓度CO，周围环境的氧不断向炭粒表面扩散。氧扩散过程的快慢用氧的扩散速度表示。扩散速度系数燃烧区域动力燃烧区扩散燃烧区过渡燃烧区加强燃烧的措施减小粒径不同炉型所处的燃烧区域层燃炉扩散区煤粉炉中心区以外—过渡区＋动力区粗粉高温区—扩散区扰动↑炭粒直径↓强制通风扰动↑、炭粒直径↓温度↑、燃料性质煤粉气流的

着火和燃烧

第二节煤粉的燃烧过程着火前的准备阶段燃烧阶段燃尽阶段用时最长75％三个过程既串联又并联用时25％着火和熄火煤粉气流的着火

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、熄火的热力条件

煤粉气流燃烧时要放出热量，同时又向周围介质散热。这两个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停止（熄火）着火热定义将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量计算一次风煤粉水分炉后水分影响煤粉气流着火的因素燃料性质一次风性质炉内散热条件燃烧器结构特性锅炉负荷燃烧完全的条件供应充足而又合适的空气量（Air）适当高的炉温(Temperature)空气和煤粉的良好扰动和混合(Turbulence)在炉内要有足够的停留时间(Time)燃烧效率煤粉燃烧器

及其炉内布置型式第三节燃烧器的作用

将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定的着火；及时供应空气，使燃料和空气充分混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。燃烧器的要求组织良好的空气动力场，及时着火，保证燃烧的稳定性和经济性。有较好的燃料适应性和负荷调节范围。能减少NOx生成，减少对环境的污染。运行可靠，不易烧坏和磨损易于自动控制炉膛的作用燃烧空间换热部件对炉膛的要求足够的空间和合理的结构，以组织燃烧，减小不完全燃烧损失有合理的温度场和良好的炉内空气动力特性，保证稳定完全燃烧；避免火焰冲墙，防止水冷壁结渣布置足够的辐射受热面，保证炉膛出口烟温，防止炉膛出口及其后的受热面结渣一次风

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对氧气的需要，用于挥发分的燃烧二次风着火后单独送入的空气，补充后期燃烧所需空气，用于焦炭燃烧，并起到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燃烧器中的“风”燃烧器的分类直流燃烧器旋流燃烧器直流射流直流射流的特性射程

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卷吸能力刚性射流抗偏转的能力扩展角θ

直流煤粉燃烧器的型式均等配风

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

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。直流燃烧器均等配风

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。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，利于挥发份高的烟煤、褐煤燃烧直流燃烧器均等配风一次风二次风二次风直流燃烧器分级配风

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，有利于挥发份低的无烟煤、贫煤燃烧。直流燃烧器分级配风二次风分级风一次风二次风分级配风图典型燃烧器结构

各级二次风的布置及作用上、下二次风周界风夹心风十字风三次风位于燃烧器上方具有一定的下倾角（7°～15°）风速：50～60m/s改进的直流燃烧器宽调节比燃烧器（WR燃烧器）PM燃烧器原理：煤粉稳燃技术低NOx燃烧技术宽调节比（WR）燃烧器煤粉气流通过管道弯头时，受离心力作用分成浓淡两股煤粉喷嘴出口处的波纹扩流锥，可在喷嘴出口形成一个稳定的回流区一次风喷嘴设有周界风，可避免一次风喷口烧坏；PM燃烧器直流燃烧器的布置方式切向燃烧方式U型火焰燃烧W型火焰燃烧切向燃烧方式特性

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，煤粉气流着火热量，来源于旋转射流内、外边界同时卷吸炉内高温烟气的热量。卷吸量较大但射程短，适用于挥发份较高的煤种。旋流射流旋流射流的特性射程射流轴向速度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卷吸能力刚性射流抗偏转的能力旋流射流旋流射流的型式根据气流的旋流强度的大小，旋流式燃烧器形成的火焰形状可能有三种：封闭式火焰、开放式火焰、飞边火焰。

旋流煤粉燃烧器的型式单蜗壳旋流煤粉燃烧器双蜗壳旋流煤粉燃烧器轴向叶片型旋流煤粉燃烧器切向叶片式旋流煤粉燃烧器双调风低NOx煤粉燃烧器旋流燃烧器的布置方式煤粉炉点火设备第四节点火装置的作用及分类作用机组启动时点燃主燃烧器的煤粉气流低负荷运行时稳定着火和燃烧分类三级点火装置（电火花点火器）二级点火装置（电弧点火器、高能点火器）高能点火器蒸汽雾化油喷嘴燃烧调整试验方法第五节动力燃烧区燃烧反应速度决定于化学反应动力因素，而氧的扩散过程对燃烧反应速度影响很小，这个反应温度区称为动力燃烧区温度↑、燃料性质扩散燃烧区燃烧反应速度只决定于氧的扩散速度，即扩散到反应表面氧远不能满足化学反应的需要，这个反应温度区称为扩散燃烧区。扰动↑、炭粒直径↓过渡燃烧区燃烧反应速度取决于化学反应速度和扩散速度，这个反应温度称为过渡燃烧区反应温度介于1000～1400℃时

扰动↑、炭粒直径↓温度↑、燃料性质着火前的准备阶段水分蒸发挥发分析出挥发分着火措施预先干燥炉温↑扰动↑吸热阶段燃烧阶段挥发份燃烧焦炭燃烧措施（过渡区）空气↑炉温↑扰动↑放热阶段燃尽阶段焦炭的燃尽措施扰动↑放热阶段三次风不同燃料的着火、熄火温度不同同种燃料不同测试条件有不同的着火、熄火温度燃料性质的影响一次风温一次风量总风量取决于炉膛出口过量空气系数。同时，一次风量还必须保证制粉系统中对干燥、输送煤粉的要求。一次风速炉内散热条件减小散热，提高燃烧器区域温度水平措施：卫燃带燃烧器结构本质：一、二次风混合情况二次风分批混入，做到既不缺氧又不降低炉温，且混入要强烈锅炉负荷一般，不投油稳定着火负荷70％（好的可到50％）射程喷口尺寸喷口尺寸↑，初始动量↑，射程↑初速初速↑，射程↑直流射流射程>旋流射流射程卷吸能力喷口形式多个小喷口，周界面↑，卷吸力↑高宽比高宽比↑，周界面↑，卷吸力↑刚性动量动量↑，刚性↑高宽比高宽比↓，刚性↑扩展角θθ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空气的及时补充有很大影响，直流湍流自由射流的θ相对较小上、下二次风上二次风作用供应上排煤粉燃烧器所需空气提供炉内未燃尽煤粉所需空气下二次风作用供应下排煤粉燃烧器所需空气把煤粉气流中析出的粗煤粉托起周界风

作用冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形少量热空气与煤粉火焰及时混合周界风的速度比煤粉气流的速度要高，能增加一次风气流的刚度，防止气流偏斜高速周界风有利于卷吸高温烟气，促进着火，并加速一、二次风的混合过程。夹心风

作用：补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度高速的夹心风提高了一次风射流的刚度，能防止气流偏斜，而且增强了煤粉气流内部的扰动十字风

作用：冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形将一次风喷口分为四个小喷口，减少煤粉气流分布不均程度在燃烧器附近增大回流区和回流量，获较强的高温烟气回流浓淡分离则可以提高燃烧器出口局部的煤粉浓度合理配风形成合理氧浓度分布煤粉火炬的稳燃技术降低一次风煤粉气流的着火热着火后放热量增加，促进着火并稳燃增加炉内火焰黑度和辐射吸热量，提高火焰传播速度降低NOX的生成量（缺氧燃烧）高煤粉浓度对稳燃的好处NOx的生成机理（NO＋NO2）

温度型（热力型）：N2在超过1500摄氏度的高温下氧化生成NOx，温度越高NOx的生成量越多。25－30％燃料型：Nar受热分解和氧化生成NOx。其占NOx总量的70～80%快速型：

N2和碳氢燃料先在高温下反应生成中间产物N、NCH、CN等，然后快速与氧反应，生成NOx。低NOx的燃烧技术