第十五部分固体燃料燃烧

2024/5/11河北工业大学能源与环境学院1第十五章固体燃料的燃烧煤的燃烧2024/5/11河北工业大学能源与环境学院2燃烧特征分类1、表面燃烧：燃烧反应在燃料表面进行，通常发生在几乎不含有挥发分的燃料中，如焦炭、木炭，氧气与二氧化碳通过扩散作用到达燃料表面进行燃烧反应。2、分解燃烧：一般发生在热分解温度较低的燃料中，热分解产生的挥发分在离开燃料后与氧气接触进行同相燃烧反应，如纸张、木材、煤等。3、蒸发燃烧：发生在熔点较低的燃料中，先熔化呈液态，然后进行蒸发和燃烧，如石蜡等链烷烃燃料。4、冒烟燃烧：一些易分解的固体燃料当温度较低挥发分未着火时，将产生大量浓烟，从而使大量可燃成分散失在烟雾中。如木材纸张在低温下的燃烧。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院3第一节碳的反应速度在燃烧过程中，碳的反应包括初次反应（碳与氧）和二次反应（碳与二氧化碳及一氧化碳与氧），这两次反应都是在相界面上的异相反应。碳的异相反应可以在外表面进行，也可以在孔隙的内表面进行；异相反应越强烈，越集中在外表面；反之，容易趋向内表面。异相反应速度：单位时间单位表面积上完成的反应物质的量。g/cm2s碳的燃烧包括：1、氧扩散到碳表面；2、氧吸附于碳表面；3、氧与碳进行表面反应；4、反应产物的脱附；5、解析后的生成物从反应表面扩散到周围环境。碳在纯氧中燃烧2024/5/11河北工业大学能源与环境学院4一、碳燃烧过程中的化学反应1、初次反应：碳与氧反应，生成中间状态的碳氧络合物，然后离解为二氧化碳与一氧化碳。2、二次反应：二氧化碳在炽热碳表面进行还原反应，吸热；一氧化碳与氧气进行容积反应，放热。A、温度低于700度：由于温度不高，CO2不能进行还原反应，CO也不能与氧反应2024/5/11河北工业大学能源与环境学院5B、温度700～1200度：CO2仍然不能进行还原反应，CO与氧可以反应生成CO2并形成火焰前锋，所以其浓度高于CO。C、温度大于1200度：CO2的还原反应生成CO，故增大其扩散量。在其扩散过程中与氧反应形成火焰前锋，CO2达到最大。氧已经不能扩散到碳表面。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院6二、碳燃烧过程中的动力区与扩散区一般情况下，碳的燃烧反应可认为是一级反应稳态过程反应速度应该等于反应表面气体扩散速度1、化学反应速度很低时，k<<β，处于动力区，W=kC0。K与T指数关系2、当处于高温区，k>>β，处于扩散区，W=βC0。β与温度无关3、k＝β，处于中间区（过渡区）在动力区，提高温度可以强化燃烧。在扩散区提高气相初始浓度、气流速度，减小碳粒直径可强化燃烧。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院7三、碳燃烧的内部反应对于球状碳粒的稳定燃烧，设其半径为rs，外表面积S，单位体积上内部孔隙总表面积Si，则总表面积为：1、当温度较低时，反应速度远远低于氧扩散速度，内表面氧浓度可以认为等与Cb，只考虑一次反应，则碳的燃烧速度为：2、当温度很高时，反应速度很快，以至于氧扩散速度跟不上内部反应需要，内表面Cb＝0，内部反应停止，碳的燃烧速度为：比较上面两个有效速度常数可以发现，从低温到高温，内部反应引起化学反应速度常数的增值在1～rsSik/3之间。由于Cb很难确定，因此在讨论内部反应时，一般仍看作是在外表面燃烧，氧浓度为C0。引入综合反应速度常数2024/5/11河北工业大学能源与环境学院8对于半径rs的碳粒，氧初始浓度C0，只有一次反应的情况下。那么对于半径为ξ的球面，氧的扩散量为：

对于稳态燃烧，存在dm=0，因此减小碳粒直径可以使反应速度加快。当rs趋于零时，有效综合反应速度常数等与k，转入动力燃烧。因此为了保证火焰尾部的燃烧，必须保证足够高的温度。仅适用于200微米以上颗粒。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院9四、碳燃烧的二次反应实验研究发现：当碳粒燃烧进入扩散区以后，其反应速度并非如上图所示与温度无关，而是随着温度的提高显著提高，这便是二次反应的影响。温度越高，CO2越容易还原为CO，CO在离开表面途中与迎面的氧反应生成CO2，达到峰值并向碳表面扩散，此时氧已经不能扩散到碳表面，所以是CO2在与碳进行反应。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院10第二节碳粒的燃尽时间对于直径d0的碳粒，经过燃烧时间dt后，直径缩小d(d0),则碳粒质量减小速率为：根据异相反应速度的定义：1、动力区燃烧时燃尽时间与碳粒直径成正比2、扩散区燃烧时燃尽时间与碳粒直径的平方成正比，服从颗粒直径燃烧平方规律2024/5/11河北工业大学能源与环境学院11对于直径d0的碳粒和油滴，从试验结果可以看出，碳粒的燃尽时间比油滴长。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院12第三节碳粒的着火与熄火简化模型：碳粒为球状，反应仅在表面进行，且为一级反应，则碳粒着火的必要条件就是反应放热量Qf必须大于系统散热Qs。1、T0=T01时，两者有三个交点，A为下稳定点，缓慢氧化状态，不能着火；B为不稳定点，没有外加热量不可能达到。因此此温度不能着火。2、T0=T02时，二者切于D，着火临界条件，温度略有提升即可着火。E为上稳定点，位于扩散燃烧区。3、T0=T02时，二者切于F，熄火临界点，位于低温动力区。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院13讨论影响Qf、Qs的因素包括环境温度、气流速度、碳粒尺寸等都将影响着火温度，所以着火温度并非燃料的固有特性。如当气流速度增加时，碳粒的尺寸减小或者放热系数增大都会令Qs增加，引起着火温度与熄火温度的增大。但是并非碳粒直径越小越难以着火。当直径减小时，气加热速率很高，因此在很短的时间内就可以达到着火温度。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院14第四节煤的燃烧过程煤的燃烧需要经历干燥、挥发分析出、挥发分着火燃烧、焦炭着火燃烧、燃尽等几个过程。1、煤受热，表面水分蒸发，干燥。温度继续升高，热分解反应，析出碳氢化合物和少量CO2，称为挥发分；在很短时间内就可以析出全部挥发分的90％左右，但需要较长时间才可全部析出。2、温度足够高，挥发分着火燃烧，一方面加热焦炭，一方面争夺氧气，抑制焦炭不能燃烧，中心温度800左右。这90％的挥发分的燃烧时间占全部燃烧时间10％左右。3、焦炭在大部分挥发分燃烧后才着火，温度达到1200度，出现蓝火焰，是CO燃烧。仍有少量挥发分析出，二至几乎同时燃尽。由于焦炭发热量很高，故在煤燃烧中起决定性作用。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院15不同煤种挥发分的析出速度2024/5/11河北工业大学能源与环境学院16挥发分对煤燃烧的影响挥发分对粒煤燃烧具有双重影响有利影响：挥发分与空气的混合物着火温度很低，因此先于焦炭着火燃烧，并形成包络火焰，提高了焦炭的温度，为其着火燃烧提供了条件；同时焦炭温度升高也促进了挥发份的析出。挥发分析出在焦炭内部形成众多空洞，增加了焦炭反应表面积，利于提高燃烧速度。不利影响：挥发分的燃烧消耗了大量的氧气，造成扩散到焦炭表面的氧气显著减少，从而降低了煤颗粒的燃烧速度，特别是燃烧初期，对煤粒燃烧的抑制作用尤其明显。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院17灰分对煤燃烧的影响有利影响：当灰分中含有Na、K等元素时，对煤的燃烧油催化作用。不利影响：当煤颗粒由外层逐渐烧向内层的时候，灰分有可能形成包裹颗粒的灰壳，妨碍了氧气的扩散，不仅降低了燃烧速度，甚至导致不能燃烬。另外灰分升温消耗了一部分热量，降低了燃烧温度并导致着火延迟。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院18煤粉燃烧湍流火焰2024/5/11河北工业大学能源与环境学院19第五节煤的燃烧方式按照燃烧方式分类：层燃、悬浮燃烧、旋风燃烧、沸腾燃烧。香港CastelPeak电厂锅炉2024/5/11河北工业大学能源与环境学院20一、层燃层燃：煤在火床上（炉排、炉篦等）完成燃烧过程，空气通过炉排穿过燃料层与燃料混合、燃烧；高温产物进入炉膛换热。特点：1、由于具有连续点火源，燃烧稳定；2、空气一般分两次送入，煤层下送入80％以上，称一次风；炉膛送入20％左右，二次风；3、煤层运动缓慢，燃烧强度低，燃烧效率不高。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院21下饲加煤层燃2024/5/11河北工业大学能源与环境学院22前饲给煤层燃2024/5/11河北工业大学能源与环境学院23链条炉排、振动炉排2024/5/11河北工业大学能源与环境学院24往复推饲炉排2024/5/11河北工业大学能源与环境学院25二、悬浮燃烧悬浮燃烧：将煤磨成粉末，利用煤粉燃烧器将煤粉与空气喷入炉膛，使之以悬浮状态燃烧。根据燃料特性和炉内燃烧组织的不同要求，燃烧器由直流、旋流，前者用于组织U型、W型火焰或四角切圆火焰，后者用于组织L型火焰。特点：1、煤粉在炉膛内随气流快速运动，逗留时间很短，因此要求细粉；2、多次送风，一次风输送煤粉，二次风助燃；3、可燃用劣质煤，燃烧效率高，多用于大型锅炉；4、飞灰严重，结渣严重，磨损严重。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院26煤粉锅炉数值模拟2024/5/11河北工业大学能源与环境学院27直流煤粉燃烧器2024/5/11河北工业大学能源与环境学院28旋流燃烧器2024/5/11河北工业大学能源与环境学院29磨煤设备三井－巴布科克能源有限公司煤粉燃烧器喷口炉膛内部2024/5/11河北工业大学能源与环境学院30三、旋风燃烧旋风燃烧：使燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。燃料颗粒由一次风经过燃烧器送入旋风炉，大量二次空气沿切向高速进入旋风炉，形成强烈旋流。由于气流的旋转，燃料贴壁边旋转、边进行热分解、着火、燃烧、燃尽。烟气从中心孔排出。特点：1、强烈旋流，燃料空气混合好，燃烧温度高达1700度；2、燃料逗留时间短，故颗粒要求较小；3、由于高温，液态排渣，减少了飞灰。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院31旋风炉内速度分布2024/5/11河北工业大学能源与环境学院32四、沸腾燃烧

沸腾燃烧：相当于层燃时火床的通风速度达到煤颗粒沉降速度时的临界状态下的燃烧，此时煤颗粒失去稳定性而在煤层中作强烈的上下翻腾运动，类似于沸腾状态。特点：1、燃烧过程强烈、燃烬率高、传热效率高；2、飞灰严重，需要二次除尘；3、适用燃料广，煤颗粒要小于10mm，一般0.2~3mm；4、床内温度800～900度，烟气有害成分降低；5、由于受热面受到强烈的冲刷，破坏了层流边界层，因此提高了传热系数。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院33B&W公司循环流化床锅炉2024/5/11河北工业大学能源与环境学院34德国鲁奇公司循环硫化床1、炉膛；2、旋风分离器；3、过热器；4、外置式换热器；5、煤仓；6、返料装置；7、石灰石进料口；8、灰冷却器；9、省煤器；10、空气预热；11、除尘器；12、引风机；13、尾部烟道；14、汽包2024/5/11河北工业大学能源与环境学院352024/5/11河北工业大学能源与环境学院36第六节煤粉的低Nox燃烧ABB公司煤粉燃烧器分段送风：一次风与燃料混合，在燃烧器附近形成相对低温、贫氧而富燃料的区域，有助于减少燃料中的氮形成NOx（燃料型NOx）。燃尽风通过一个专用的风箱，利用燃尽风喷口和/或安装在燃烧器上方的喷嘴喷入主燃烧段上方，达到完全燃烧；由于富氧的二次燃烧段温度相对较低，有助于限制燃烧用空气的NOx（热反应型NOx）形成。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院37在再燃烧系统中，分段供给的燃料和空气在炉内形成三个不同的燃烧段，分别在贫燃料、富燃料和贫燃料状态下运行。在一次或“主”燃烧段，煤粉在过量的空气中燃烧，由燃料中和燃烧用空气中的氮形成NOx。再燃燃料，通常是天然气或煤粉（油或任何其他的碳氢化合物燃料也都可以使用），在主燃烧段上方喷入，形成富燃料的“再燃”段。从这一区段的再燃燃料中释放出来的烃基与主燃烧段中形成的NOx反应，NOx被还原成分子氮。最后，在再燃段上方喷入剩余的燃烧用空气，形成贫燃料的“燃尽”区，从而完成了燃烧全过程。通常再燃燃料的热量占总输入热量的10%-30%。再燃技术可以减少高达70%的NOx。右图显示了再燃过程中三个不同的燃烧段。ABB公司再燃技术2024/5/11河北工业大学能源与环境学院382024/5/11河北工业大学能源与环境学院39第七节除尘、脱硫、降噪2024/5/11河北工业大学能源与环境学院40一、烟尘1、气相析出型：主要来自于气态可燃物在空气量不足时的不完全燃烧，析出碳黑。另外包括固体液体燃料燃烧过程中形成的气态可燃物。0.02~0.05微米。2、剩余型来自于液体燃料燃烧后剩余的固体灰壳，称为油灰；以及液体燃料高温析出的固体颗粒。100~300微米。3、粉尘：固体燃料燃烧时产生的飞灰，主要成分是碳和灰。分为降尘与飘尘两种，前者10微米以上，很快沉降；后者小。长期漂浮。3~100微米。抑制烟尘措施：1、改善燃烧：改善空气与燃料的混合；保证足够高的燃烧温度以及足够的燃烧时间。2、安装除尘设备或者采取高烟囱排放2024/5/11河北工业大学能源与环境学院41二、脱硫燃烧过程中，S生成SO2、SO3，与空气中的水蒸气结合生成硫酸，温度降低时形成酸雨。形成原因：1、燃料含S高；2、燃烧时空气系数过大，产生更多的SO3；3、火焰中心温度高，燃料在高温区长时间停留都产生更多SO3。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院42措施1、控制燃料含硫量：燃烧前脱硫。将煤气化、液化后再燃烧是比较好的抑制硫化物生成的办法。2、炉内处理：燃烧过程的脱硫，将石灰石等粉末与煤粉一同送入炉内燃烧，利用氧化钙、氧化镁吸收炉内二氧化硫。3、烟气处理：燃烧后脱硫，利用粉末吸收剂与烟气中二氧化硫反应，或者使烟气通过石灰水吸收二氧化硫。高烟囱排放。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院43烟气脱硫2024/5/11河北工业大学能源与环境学院44三、降噪1、空气动力性噪声：气体振动造成，如燃烧送风的鼓风机以及燃气轮机、蒸汽锅炉的排汽等。2、机械性噪声：固体振动造成，在摩擦撞击作用下，齿轮、金属板发出机械噪声。3、电磁性噪声：交变磁场产生的周期性交变力产生的噪声，如发电机、电动机、变压器等。4、燃烧噪声：燃烧过程中，进行能量交换是由于压力、温度变化产生的噪声。如内燃机、锅炉。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院45燃烧噪声1、空气动力性噪声：主要是射流噪声、湍流噪声和边界层噪声。对于大气式燃烧器和无焰燃烧器，燃气由喷嘴高速喷出所引起的噪声随着气体压力的升高而增大，峰值在2000dB以上。一般采用降低燃气压力或者在进风口设置消声器的方法来降低噪声。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院462、燃烧轰鸣声：一般指自由射流湍流火焰发出的噪声，是由于燃烧产物压力与温度不规则变化引起的。燃烧反应引起烟气体积、密度的变化，而气体密度的变化会引起压力波的升降。或者射流湍流强度因为燃烧而加强，都会引起噪声增大。烧轰鸣声与湍流强度的平方成正比，因此多采用降低湍流强度、降低喷射速度、降低燃烧强度、减少反应初期的燃烧速度等方法来降低燃烧轰鸣声。2024/5/11河北工业大学能源与环境学院473、振荡燃烧噪声：是由燃烧反应放热而激发的振荡现象，份低频振荡与高频振荡两种。前者的引发原因是燃料供应系统的振动、湍流射流边界层的旋涡振动、临界熄火状态时的火焰忽燃忽灭以及高频的振荡燃烧。后者的引发原因包括：周期性的放热速率例如液雾蒸发的脉动火焰传播速度的脉动等等、气流通过导向叶片时产生脉动、旋涡脱落脉动如稳焰器后部的旋涡脱落等。抑制方法：1、改变燃烧器的安装位置，避免气流流动产生波动；2、加长火焰长度，使之在整个燃烧室内燃烧，一般来说