A05 固体燃料燃烧技术

第5章固体燃料燃烧技术《燃烧与污染控制技术》林其钊2012年9月1在热能动力设备和工业炉、窑炉中，固体燃料（指煤）的应用很广固体燃料的燃烧较气体燃料复杂得多，属多相燃烧因此，研究固体燃料的基本燃烧规律和燃烧技术是十分重要的§5-1固体燃料燃烧过程及特点煤受热后，先蒸发逸出水分，接着，有机质开始热分解，主要析出由可燃气和液态物质组成的挥发分，剩下的由炭与灰组成的固体残物，称为焦炭挥发分在高温环境下，供给一定量的空气，就会着火和燃烧因为焦碳的活化能较挥发分的大，难以着火，所以焦炭往往在挥发分部分或几乎全部释出后才开始着火和燃烧2对天然固体矿物燃料（煤）来说，焦炭是燃料中最主要的可燃物质(表5-1)在燃料燃烧过程中，焦炭的燃烧时间最长，例如煤粉焦炭的燃烧时间约占燃烧时间的90%此外，燃料燃烧所产生的热量大部分是由焦炭产生的因此，焦炭的燃烧对于固体燃料整个燃烧过程中起着决定性作用所以，要了解固体燃料的燃烧规律，必须首先研究焦炭的燃烧（或者说，碳的燃烧）规律前已述及，碳的燃烧是多相燃烧，碳与氧化剂之间的反应是在碳的表面上进行的，而氧化剂需通过混合扩散到达碳的表面，与此相反，生成的产物（CO2或其它），离开碳的表面扩散出去，因此，碳的燃烧受气体混合扩散和表面化学反应动力因素的制约，称为扩散-动力型燃烧3表5-1固体燃料中焦炭的热值百分数和焦炭占可燃成分的重量百分数下面分析单个煤粒的燃烧过程。如图5-1所示。图5-1单个煤粒的燃烧过程燃料焦炭占可燃成分重量百分数焦炭热值占燃料热值的百分数无烟煤96.695烟煤57~8859.5~83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴15204如图5-1所示，煤粒被加热、干燥后，开始释出挥发分，在有足够数量的空气和高温条件下，挥发分在颗粒周围着火燃烧，形成光亮的火焰，由于氧气先消耗于挥发分的燃烧，故不能到达焦炭表面，因而延缓和阻碍了焦炭的燃烧但是挥发分的燃烧提高了焦炭的温度，当挥发分燃烬后，焦碳马上激烈地燃烧起来显然，若挥发分少，则其产生的热量还不能使焦碳颗粒温度达到着火温度，则焦碳不能着火，因而需要周围提供较多的热量后才能着火当地质年代较短的煤，如泥煤、褐煤等，其挥发分较多，而且由于挥发分中碳氢化合物较少，因而挥发分初始释出的温度较低，这种燃料容易着火反之，地质年代较长的煤，如贫煤、无烟煤等，挥发分少，碳氢化合物较多，需要在较高温度下才能开始释出挥发分，因而难以着火5实验表明，从燃料开始干燥到释出挥发分，以至挥发分基本燃烬所需时间很短，约占煤全部燃烧时间的10%挥发分基本燃烬时，焦炭表面局部开始燃烧，然后逐渐扩展到整个表面，颗粒温度也逐渐升高，温度达到最大值时保持不变这时在颗粒周围发现有极短的蓝色火焰，主要是CO燃烧生成的随后，焦炭逐渐燃烬，在焦炭燃烧阶段所放出的热量，即加热了煤本身，保证燃烧初始阶段所需要的热量，而且也加热了周围介质综上所述，煤的燃烧过程包括预热干燥、挥发分释出与燃烧以及焦炭的燃烧等等其中，焦炭的燃烧对整个燃烧过程起决定作用，它的燃烧强度决定了煤的整个燃烧过程的强度根据固体燃料在燃烧过程中的运动方式，可将其燃烧方法分为四种即：（1）层燃；（2）悬浮燃烧；（3）旋风燃烧；（4）沸腾燃烧6§5-2层燃炉层燃是将燃料置放在一个金属栅格—炉排上，形成一定厚度的燃料层，空气通过燃料层进行燃烧具有操作简单，适应多种燃料，不需要很大的炉膛容积，自用电少，以及负荷变化范围广等优点因而在小容量锅炉上得到广泛的应用§5-2-1固定火床炉最简单的层燃是固定火床燃烧，其炉排是固定不动的，固定火床的燃烧过程如图5-2新燃料由炉门投入，落在正在燃烧的炽热的燃料层上新煤既受到炉膛上部高温火焰和炉墙的热辐射，又受到下部赤热燃料层和自下而上的热烟气的加热，温度迅速升高经过干燥，释出挥发分，进而开始着火由于新煤两面均受到强烈的加热，着火条件极为优越，故能燃用各种燃料燃烧形成的热烟气穿过燃料层进入炉膛在炉膛中，烟气中的可燃气体和被吹到炉膛内的小部分细颗粒燃料进行进行燃烧7新燃料边燃烧边下落，到炉排时已经形成灰渣，所以紧贴炉排面的是灰渣层，它可使进入燃料层的空气分布均匀，并防止炉排过热图5-2固定火床燃烧过程8空气自下而上经过炉排和灰渣层，且被加热，与炽热的焦炭相遇进行强烈的燃烧反应，生成CO2和少量的CO，并放出大量的热量，使温度迅速升高随着燃烧反应的进行，空气中氧很快减少，直至耗尽，而生成的CO2量不断增高燃料层中，进行氧化反应的层称为氧化层在氧化层之后，该处氧气浓度接近于0，即

=1，CO2的浓度达到最大值，燃烧温度也最高研究表明，氧化层厚度主要与燃料颗粒大小有关当颗粒尺寸减小时，由于氧气扩散速度加快，即氧气消耗速度加快，因而氧化层厚度变薄反之，氧化层厚度增大一般氧化层厚度为燃料颗粒的3~4倍当燃料层厚度大于氧化层厚度时，在氧化层上面将出现一个还原层，CO2被焦炭还原成CO，为吸热反应所以，随着CO

浓度的增大，温度是降低的9上述情况说明，根据煤层厚度的不同，所得到的燃烧反应及其产物也不同，因此就出现了两种不同的层燃法，即薄煤层燃烧法和厚煤层燃烧法：薄煤层燃烧法的煤层较薄，对于烟煤只有100~150mm，在煤层中不产生还原反应燃烧用空气全部由煤层下部送入炉膛厚煤层燃烧法也叫做半煤气燃烧法，煤层较厚，对于烟煤，大约为200~400mm，燃烧时，使部分燃烧产物得到还原，因而燃烧产物中含有一些CO、H2等可燃气体，以便使火焰拉长，改善炉膛内的温度分布这种燃烧法，将一部分空气从煤层下部送入，称为一次风称为二次风的另一部分空气，是从煤层上部炉膛空间分多股流高速送入，以便和燃烧产物中的可燃气体迅速混合和燃烧二次风和一次风的比例应根据燃料挥发分和燃烧产物中可燃气体的多少来决定挥发分多和燃烧产物中CO、H2等可燃气体多，则二次风多反之则少工业加热炉通常采用这种厚煤层燃烧法10必须指出，就锅炉来说，为了减少化学不完全燃烧损失，要求采用薄煤层燃烧法，将还原层减薄但是实践证明，燃料层过薄会引起炉排面上通风不均匀，甚至造成火口同时，燃料层过薄，因层内储热量减少，不易保持燃料层内的高温，所以不利于燃料的稳定着火和燃烧煤层厚度的选择既要考虑上述因素，还应与炉型和煤种等因素有关在火床炉工作过程中，进行加煤、除渣和拨火操作所谓拨火，就是拨动火床，平整和松碎燃料层，使火床的通风均衡、流畅，避免出现结渣和堵塞火口拨火还能除去燃料颗粒外部包裹的灰层，使燃料迅速而完全地燃烧11为了实现上述操作的机械化，火床炉可分为：燃料层不动的固定火床炉，如：抛煤机炉燃料层沿炉排面移动的炉子，如：倾斜推饲炉振动炉排炉燃料层随炉排面一起移动的炉子，如：链条炉抛煤机链条炉12§5-2-2抛煤机炉利用机械、风力或风力与机械联合的方式把煤抛到炉排上机械抛煤机所抛成的煤层，沿炉排长度方向的颗粒分布情况是：粗颗粒抛落于远处；细颗粒落于近处，甚至就落在抛煤机出口下面，堆成小丘风力抛煤机则与其相反，粗粒煤堆于炉排前端，细粒煤被吹向后端风力与机械联合抛煤，燃料在沿炉排长度方向的颗粒度分布则比较均匀试验结果表明，如图5-3，炉排后部粗粒煤较多，说明此抛煤机以机械抛煤为主，风力抛煤为辅为了保证煤层均匀，提高燃烧效率，对燃料颗粒尺寸有一定要求一般最大煤块不超过30~40mm小于6mm的不超过60%小于3mm的不超过30%13图5-3煤层厚度和颗粒组成沿炉排长度的分布14图5-4所示的炉子，由水平的翻转炉排和风力机械抛煤机所组成，每台锅炉装有两台或两台以上的抛煤机每台抛煤机对炉排的供煤宽度为900~1100mm整个炉排对应于各抛煤机的供煤范围内沿宽度而分组，每组炉排有独立的传动机构，每组炉排下的灰斗也彼此隔开，并分别装有炉门和灰门，以利于分组清灰和除渣，炉排长度为1525~3660mm这种炉子燃烧过程的特点是：大颗煤粒下落在炉排上作火床燃烧，两面着火，着火条件优越煤屑微粒在经过炉膛空间时呈悬浮状态燃烧，但稍大的煤粒可能来不及燃烬就被烟气带出炉膛，造成机械不完全燃烧损失，尤其是燃用低挥发分的燃料时，这个损失较大因此，宜装设飞灰回收复燃装置，以提高锅炉效率15图5-4风力机械抛煤机翻转炉排炉因为落到炉排上的是经过炉膛加热焦化后较粗的煤粒，煤粒之间不易粘结，所以通风强度可以增大，也不会造成火口对结焦性强的煤，燃烧效果好而且由于煤层较薄，对调节煤的燃烧量十分敏感16§5-2-3链条炉链条炉是应用广泛的机械化层燃炉燃料由炉子前部的煤斗落到炉排上，炉排由链轮带动，逐渐向后移动空气从炉排的下方引入，自下而上流过燃料层，空气与燃料的供给方向相交燃料受到炉内辐射后，经预热、干燥、挥发分释出，焦炭着火燃烧和燃烬，灰渣则随炉排移动而被排出以上各阶段是沿炉排长度相继进行的，但又是同时发生的，所以炉子的燃烧过程不随时间而变化，不存在火床工作的热力周期性图5-5为燃料层燃烧阶段示意图17图5-5链条炉排上煤层燃烧区域的分布1—新燃料区；2—挥发分析出和燃烧区；3—焦炭燃烧氧化区；4—焦炭气化还原区；5—灰渣区18燃料受到炉内热辐射，首先燃料层表面得到热量而开始点燃，然后逐渐向下传播由于燃料层随炉排向后移动，所以，燃料层中燃烧过程的各阶段的分界面都是向后倾斜的面图5-5中区域1表示新燃料的干燥和加热区从O1A斜面开始，由于燃料的温度继续升高而释出挥发分，挥发分着火燃烧因为对于一定种类的燃料，挥发分开始释出的温度是一定的，所以O1A斜面代表一个等温面19从O2B开始，燃料层进入焦炭燃烧区由于燃料层的厚度超过氧化层的高度，同固定火床燃烧一样，焦炭燃烧区也分为氧化区和还原区，如图5-5中的区域3和4经过炉排自上而下的空气中的氧气，在氧化区中被迅速耗尽。燃烧产物中的CO2和H2O浓度上升，进入还原区，与炽热焦炭进行还原反应，生成CO和H2以及剩余的CO2一同逸出燃料层进入炉膛链条炉排最后为灰渣区由于燃料层是从上部开始点燃的，因此燃料层上面首先形成灰渣同时由于空气从燃料层下面送入，故紧靠炉排面的燃料层也较早形成灰渣因此，在炉排尾部未燃烬的焦炭层，夹在灰渣层中间，难于燃烬20由上可知，链条炉排上燃料层的燃烧过程，是沿着炉排长度方向分段进行的因此，沿炉排长度方向所需空气量和燃料层中释放出的气体成分是变化的燃料加热干燥的OO1段基本上不需要空气从O1点开始，挥发分释出并燃烧，因而燃烧所需空气量逐渐增大烟气中的CO2与CO的含量也不断增加，O2含量则相应减少，直至耗尽，与此相对应的是出现第一个CO2最大值进入焦炭燃烧区后，随着还原区的不断增厚，CO和H2不断增多，CO2逐渐减少当CO与H2达最大值（CO2最低）后，随着燃料层部分烧成灰渣，还原区厚度减薄，CO与H2又逐渐下降当还原区消失时（此时燃料还在进行氧化反应），出现了第二个CO2最大值此后，灰渣不断增多，焦炭层厚度愈来愈薄，所需空气量也愈来愈少，因此烟气中氧气增加，CO2和CO均下降可见：在炉排前后两区段，燃料层上方的气体中氧气有余（

>1）；而在中部区段，氧气缺乏，不完全燃烧产物CO和H2很多（

<1），如图5-5所示21这种炉排前后两端空气过剩，而炉排中部空气不足的情况是由于空气供需不协调所引起的供入的风量随炉排长度方向燃料层厚度减薄而增加，而所需风量则要求两端少、中间多所以炉排两端风量供大于需，而中间则是需大于供因而引起炉温降低、排烟损失和未完全燃烧热损失增加为了解决风量供需矛盾，必须对送入风量按需要进行控制，即所谓分段送风这就是说，向燃烧炽热的炉排中部送入足够数量的空气，并相应减少送至炉排前后部的空气量，图5-5为此，必须将炉排下面的风室隔成几段（通常4~6段），每段装有单独调节的风门，以便调节送入的风量22图5-6可见，仅采用分段送风还不能完全解决上述矛盾为了使CO和H2等可燃气体和被烟气从燃料层中带出来的煤屑细粉，与炉排前后的过量空气相互混合和燃烧，以降低未完全燃烧热损失和排烟热损失，通常采用两个措施：1装置适当的前后拱2采用二次风图5-6分段送风23图5-7为燃用无烟煤的链条炉它采用高而微倾斜的前拱，使之与后拱配合形成喉部，以改善气流在炉膛内的混合前拱下有足够厚的高温烟气层，它对新燃料提供较多的辐射热，促使燃料着火低而长的后拱又可将火焰的高温烟气流导向炉前，提高了着火区炉温，从而加强了对新燃料的辐射加热和对流加热，保证了无烟煤的着火显然，对于容易着火的烟煤，依靠炉内火焰的直接辐射即可使燃料着火，所以其前后拱都可以短些为了使炉内气流混合强烈，采用二次风这部分空气（约占总风量的5~8%）用高速度（50~70m/s）喷入炉膛，它有利于可燃气体和煤屑细粉的燃烬实验表明，二次风适当集中的效果较好如果二次风量不大，从一侧送入如果炉膛较深，从前后墙同时送入，最好从前后墙炉拱形成的喉部处喷入为了充分利用炉膛空间进行燃烧，二次风喷嘴应尽可能接近燃料层，比燃料层高出1.25~2.0m喷嘴可以水平布置，也可以稍向下倾斜，但要防止二次风直接射在燃料层上24图5-7燃用无烟煤的链条炉1—前拱；2—后拱；3—二次风25链条炉对燃煤要求较高：水分：不大于20%，以免着火太迟灰分（干燥基）：不大于30%，以免影响燃料的燃烬但也不得低于10%，以免烧坏炉排片灰熔点：不得低于1250

C，以免煤层熔结，使燃烧恶化粘结性：要低也不易破裂成粉煤块：大小适宜26§5-2-4抛煤机链条炉抛煤机链条炉是在链条炉排前方装设抛煤机抛煤机炉有着火条件好、煤种适应性广等优点链条炉排的加煤和出渣机械化因此抛煤机链条炉得到广泛的应用这种炉子的特点是：炉排运动方向与普通链条炉排运动方向相反，是自后向前运动，称为倒转炉排可使抛在炉排后面的粗煤粒燃烬随着炉排向前移动，沿炉排长度方向形成燃料加热、干燥、释出挥发分和焦炭燃烧等几个阶段27随着炉排向前移动，沿炉排长度方向形成燃料加热、干燥、释出挥发分和焦炭燃烧等几个阶段：落下的燃料覆盖在燃烧着的焦炭层上，不仅受到炉内辐射加热，还受到下面炽热燃料层的引燃作用，其着火条件好由于燃料经过炉内分选，落在炉排每个断面上的煤粒粒度组成较均匀，燃料层较薄，故沿炉排长度方向各处燃烧情况相似，火床上面的气体成分较均匀，化学不完全燃烧损失很少但由于很多煤屑在炉膛空间悬浮燃烧，其煤屑较粗，且与空气的混合较差，故可能造成较大的机械不完全燃烧损失（特别是燃用低挥发性煤时）所以，这种炉子中需采用二次风，或采用飞灰复燃装置一般要求燃料vr>15~20%，对煤屑、粉末的含量和煤块的最大尺寸有一定限制此外，还要求Ay<20%，W

y<17%在机械化层燃炉中，还有振动炉排炉和倾斜推饲炉等28§5-3煤粉燃烧煤粉燃烧是先将煤磨成细粉，然后，煤粉随空气流经燃烧器喷入炉内，使其在炉内运动中完成燃烧过程它与层燃相比：燃烧强度和燃烧效率高燃用煤种广，可燃用劣质煤热力设备的容量大炉温可以自动控制，容易满足工业炉对炉温的要求可以减轻劳动强度，改善劳动条件因而，煤粉燃烧在工业上应用很广§5-3-1煤粉特性煤粉炉燃用煤粉的颗粒尺寸在1~500

m范围，其中20~50

m占多数煤粉具有随空气输送、并在一定的煤粉浓度下容易自燃爆炸等性质29煤粉细度是煤粉的主要特性之一。煤粉细度主要影响：磨制过程的电耗以及机械不完全燃烧热损失煤粉细，机械不完全燃烧热损失少，但磨制电耗大反之，煤粉粗，热损失大，电耗小用筛分法得到煤粉细度，用筛子上的剩余量（或称筛余量）R来表示，即：R=[a/(a+b)]

100%式中

a为筛余量；b为通过筛子的燃料量显然，R越大，表示煤粉越粗，筛分时应采用一定尺寸的筛子常用的筛孔边长为90和200，分别以R90和R200来表示若将煤粉筛分结果整理成Rx=

f(x)曲线，就可反映出煤粉颗粒的组成特性，如图5-8所示曲线1表示较粗煤粉（R90=

32%；R200=10%）曲线2代表粗煤粉（R90=

50%；R200=22%）曲线3表示细煤粉（R90=

8%；R200=0%）每一曲线都表示煤粉颗粒的组成情况30图5-8煤粉颗粒组成特性曲线31实验证明，可用下式描述煤粉颗粒特性Rx=100

exp(

b

xn)式中Rx为筛孔尺寸为x的筛余量；b、n分别为反映煤粉细度的系数和煤粉均匀性的系数若已知R90与R200，则可由式（5-2）推导出b与n

，即：由式（5-3）知：当R90相同时，比值增大，则R200减少，表示煤粉中粗颗粒少当R200相同时，n值增大，则R90增加，表示细粉减少这就是说，n

值越大，煤粉中既没有过粗颗粒也没有过细粉粒，煤粒组成较均匀，故n值为煤粉的均匀度系数由式（5-4）知：当n值相同时，b值越大，则R90越小，反之，则煤粉越粗，故b

值是反映煤粉细度的系数（5-3）（5-4）32§5-3-2煤粉燃烧系统煤粉燃烧系统由磨粉装置、煤粉输送设备和燃烧设备等组成，如图5-9所示原煤从煤斗经给煤机送入磨煤机，煤被磨碎后送到分离器，分离下来的粗粉沿回路重新回到磨煤机破碎，合格的细煤粉沿管道送至排粉机然后经燃烧器送入炉内燃烧这种系统称为直吹制系统优点：系统简单、设备部件少、制粉电耗少；因此在工业上得到了广泛的应用缺点：磨煤机解列时会降低炉子的出力。因此又出现了中间贮仓制系统33图5-9直吹制系统1—煤斗；2—给煤机；3—磨煤机；4—分离器；5—输粉管道；6—一次风机；7—二次风机；8—燃烧器；9—炉膛34中间贮仓制系统与直吹制系统比较，增加了旋风分离器、螺旋输粉机及粉仓等设备（图5-10）由磨煤机出来的气粉混合物经分离器后不直接送入炉内，而将分离后煤粉贮存在粉仓内各炉间可用螺旋输粉机相互联系，使供粉可靠；而且磨煤机可在经济工况下运行，提高了制粉系统的经济性这种系统常用于电站锅炉从细粉分离器出来的乏气中还含有10%左右的细粉，它可作为一次风输送煤粉进入炉膛（见图5-10a）这种系统称为乏气送粉系统燃用低挥发分煤和劣质煤时，为了稳定燃烧，用热空气送粉（见图5-10b）而乏气经燃烧器上部的乏气喷嘴送入炉内，称为三次风磨煤机是指粉系统中的重要设备，有球蘑机、中速磨煤机、竖井磨煤机和高速磨煤机等35图5-10中间贮仓制系统1—原煤斗；2—给煤机；3—磨煤机；4—粗粉分离器5—细粉分离器；6—螺旋输粉机；7—粉仓；8—给粉机9—一次风机；10—燃烧器；11—乏气喷嘴；12—排粉机36燃烧器是燃烧系统中的重要部件在工业炉中，它又称煤粉烧嘴按喷口断面形状分，有圆口和扁口烧嘴，见图5-11按气流情况分，有直流和旋流烧嘴，见图5-12按送风方式分，有单管式、双管式和多孔式烧嘴，见图5-13在锅炉中多使用直流式和旋流式燃烧器直流式煤粉燃烧器是由一组圆形或矩形喷口所构成，煤粉和空气分别从不同喷口送入炉膛因流过的介质不同，喷口分为一次风口、二次风口和三次风口作为助燃用的二次风的喷口的布置，有均等配风和分级配风两种形式，见图5-14前者指一、二次风口相间布置，因而煤粉与空气混合快，适用于燃用挥发分高的煤后者是一次风口相对集中，煤粉和二次风混合得慢，适于燃用着火困难的低挥发分煤37图5-11煤粉烧嘴图5-12旋流式煤粉烧嘴（a）—圆口；（b）--扁口38图5-13双管式和多孔式煤粉烧嘴39图5-14直流煤粉燃烧器（a）均等配风；（b）分级配风1—一次风；2—二次风；3--三次风40直流燃烧器常布置在炉膛四角，四角燃烧器的轴线相切于炉膛中心的一个假想圆，形成切向燃烧燃烧器喷出的火焰，顺着火焰旋转方向喷到下邻角的一次风煤粉气流的向火侧面，使之着火在炉膛中心形成旋涡，混合强烈，燃烧效率高旋流燃烧器有轴向可动叶轮，见图5-15，它可使二次风气流产生旋转，沿着燃烧器轴向移动叶轮，可改变直流风与旋流风的比例，因而调节二次风旋转气流强度和回流区大小，使之适应煤种多变的要求但由于一、二次风相隔很近，煤粉与空气的混合较早，而且二次风将热烟气与煤粉气流隔绝开来，不利于烟气对煤粉加热，因而影响着火41图5-15轴向可动叶轮式旋流燃烧器1—二次风叶轮拉杆；2—一次风管；3—一次风舌形挡板4—二次风筒；5—二次风叶轮；6—喷油嘴42§5-3-3煤粉气流的着火和燃烧煤粉气流喷入炉膛后，除了被高温烟气加热外，还受到火焰与炉壁的辐射加热，但由于煤粉颗粒的彼此屏蔽，使辐射热的吸收仅能在有限的边界上进行所以，对煤粉气流着火起主要作用的是烟气对流加热下面分析影响煤粉着火的主要因素：1燃料的种类燃料中挥发分对着火和燃烧影响很大：挥发分高的燃料，其开始释出挥发分的温度低，焦炭空孔表面积增大，所以着火温度也低挥发分高的燃料容易着火，低挥发分的燃料着火较困难燃料灰分多，不仅灰分要吸收热量而且由于燃料的发热量下降，单位时间内需送入的燃料更多，需要吸收更多的着火热，故燃料着火推迟燃料水分多，不仅减少燃料发热量而且水分蒸发和过热需要吸收热量，对着火不利432煤粉细度煤粉细，在相同煤粉重量浓度下其化学反应表面积增加煤粉本身的热阻减小，煤粉着火提早但是，细煤粉的制粉电耗大，所以必须前面权衡，以确定所需煤粉细度通常，高挥发分煤可以粗些，低挥发分煤应磨得细些3煤粉气流初温用热风作为一次风来输送煤粉，提高了煤粉气流初温，从而减少了把煤粉气流加热到着火温度所需要的热量，有利于煤粉的着火在燃用低挥发分煤和劣质煤时，广泛采用热风送粉444一次风量和一次风速若增加一次风量，则因降低了气粉混合物中的煤粉浓度，使放热量减少；而又因增加了煤粉气流的热容量，故煤粉气流升温缓慢，燃烧延后反之，一次风量太小，会影响挥发分完全燃烧，不仅产生煤烟，而且会降低煤粒温度，延迟着火因此，燃用不同的煤种应有其合适的一次风量当然一次风量还应考虑满足磨煤、干燥和输粉的要求一次风速过大，通过气流单位截面积的流量太大，因而会降低对煤粉气流的加热，使着火延后但一次风速也不能太低，以免管道堵粉和喷口烧坏故，一次风速应有一合适的数值455二次风引入方式不宜早：若二次风送入过早，又送入火焰的根部，如同增加一次风量，使着火延迟不宜迟：但送入太迟，将会影响燃烧过程的发展不宜太集中：同时，若二次风送入太集中，会降低火焰温度，影响着火和燃烧所以，二次风应逐步地、分批地送到已着火燃烧的煤粉气流中每批加入量不宜多，应以不影响着火为限，送入的二次风要与气粉混合物强烈混合另外，二次风的引入亦不应妨碍一次风和烟气的混合466烟气回流前已述及，烟气回流对煤粉加热着火十分有利实际上，气粉混合物射流的着火是靠其射流外部卷吸热烟气，传热至射流内部，从外至内，一层一层地着火热量先传给一次风，再由一次风传给煤粉，使煤粉着火对于直流燃烧器，通过改变喷口尺寸、喷口间距与倾角大小，可改变外部卷吸的烟气量（外回流）例如增大喷口高宽比（矩形喷口）和喷口间距，减小射流下倾角，则烟气外回流量增加若在燃烧器一次风喷口装设钝体稳燃器，则由于射流绕过钝体后，在射流轴线上形成一反向压力差，而形成一回流区（内回流），如图5-16所示依靠回流区内的环流，可卷吸高温烟气，因而增加了总的烟气卷吸量，而且由于回流区边界层上速度梯度大、湍流热质交换强烈，促使煤粉提早着火47图5-16钝体尾迹速度分布1—wx=0的面；2—

=0（流函数为零）的面487卫燃带在燃烧器区域及其附近的水冷壁上涂以耐火材料，构成卫燃带它可以减少炉壁的吸热量，提高该区域内的温度，于煤粉着火有利在煤粉着火以后，进入燃烧阶段图5-17示出了沿火焰长度的煤粉气流燃烧情况在燃烧初始阶段，温度高，氧气充足，混合强烈，故燃烧激烈，温度不断升高，当其达到最高值时，即达到了燃烧中心阶段而后由于氧气减少，煤粉已大部分燃烬，有些粉粒被灰渣裹住，气流混合大大减弱，因而燃烧速度减慢，温度下降，燃烧过程的发展十分缓慢，进入了燃烬区，它占据了火焰长度的很大一部分49图5-17煤粉炉中沿火焰长度的燃烧过程1—温度；2—飞灰含碳量；3—CO2浓度；4—氧浓度；I为着火区；II为燃烧中心区；III为燃烬区50对于R90=

5%的煤粉，实验表明：在25%的时间内燃烬了97%的煤粉余下的3%的煤粉却需要在75%的时间内燃烬因此/沿火焰长度可分为着火区、燃烧中心区和燃烬区着火区内，煤粉干燥、预热以至着火燃烧中心区内，挥发分与焦炭强烈燃烧燃烬区内，只要少量可燃物质继续燃烬强化着火，缩短着火区的时间与长度，可相应增加焦炭燃烬的时间与空间但还必须强化燃烬过程，因为它占据了煤粉燃烧的大部分时间与空间一般强化燃烬的措施是：（1）在炉内有足够的停留时间（2）各燃烧器之间燃料与空气分配均匀（3）在着火区后，二次风分批送入（4）提高煤粉细度（5）提高热风温度51§5-3-4煤粉的燃烧时间下面计算碳粒在等温条件下的燃烬时间由于碳粒燃烧的复杂性，这里假定碳粒为球形颗粒，其密度为定值，不考虑碳粒内部空孔反应和灰分对表面燃烬速度的影响可假定碳球按图5-18所示的模型燃烧燃烧着的炽热焦炭球被发生燃烧反应的一个边界层所包围，边界层以外是氧化介质的主气流主气流为强烈的湍动状态，故认为主气流内温度和氧浓度分布均匀氧气通过扩散经边界层输送到碳球反应表面单位时间内经边界层向单位碳球表面积的氧量可由下式确定 m=azl

(C

Cb)式中azl为质量交换系数；C

为主气流中氧浓度；Cb

为碳球表面的氧浓度52图5-18碳粒燃烧模型1—碳粒反应表面；2—边界层3—湍流氧化介质53如果认为扩散来的氧全部都在碳球表面上参加燃烧反应，那么化学反应速度可用氧的消耗量来表示，即：式中为单位时间单位碳球表面上消耗掉的氧量；k为化学反应速度常数，服从阿累尼乌斯定律在碳球表面上参加化学反应的氧量应该等于经边界层扩散进来的氧量所以由式（5-5）和式（5-6）可得碳球表面燃烧速度：假定碳球处于温度很高的燃烧工况，碳球表面上的化学反应很快，从主气流扩散来的氧量很快被消耗掉，所以碳球表面上的氧浓度Cb几乎为零。因而：即燃烧速度决定于气体的扩散，或者说燃烧反应处于扩散区（5-6）（5-7）（5-8）（5-9）54对于质量交换系数azl可比拟传热学中放热系数写成：假设碳球表面与周围气体之间没有相对运动，则：式中Nuzl为质量交换努谢尔特准则数；

为碳球直径；D为氧的扩散系数假设碳球表面上的化学反应是C+O2==CO2，所生成的二氧化碳与碳没有发生二次反应因此碳的消耗量与氧的消耗量之比值为：所以碳球表面燃烧率定义为单位时间内碳的燃烧量为（kg/s）（5-10）（5-11）（5-12）55由于碳球直径随着表面燃烧而逐渐变小，因而碳球燃烧率可写成：（其中为半径减小率）令此两组相等，约去

2，得：积分，得：式中

r为碳的密度；

0为碳球的初始直径；

为经过燃烧时间

之后碳球的直径设C

等均不变，于是：最后得到：式中K为比例常数式（5-13）称为碳球燃烧的直径平方-直线定律由式（5-13）可求出碳球的燃烬时间，即令

=0，得：可见，碳球燃烬时间是和它的直径平方成比例的因此，若煤粉过粗，则在煤粉炉内不能充分燃烬，引起机械未完全燃烧损失增大为了降低飞灰机械未完全燃烧热损失，一方面要提高煤粉细度，另一方面提高煤粉均匀度，减少粗煤粉的份额（5-13）（5-14）（5-15）56§5-4旋风燃烧由前可知，在煤粉炉内，煤粉随烟气流一起运动，在炉内停留时间是很短的，约2~3秒钟要使煤粉在如此短的时间内烧完，煤粉必须很细，尤其是低挥发分煤，煤粉颗粒最大直径不应超过100

m即使是挥发分高的煤，最大粒径也不应超过500

m粗煤粉不易燃烬，而且有可能从气流中分离出来此外，煤粉炉的炉膛容积热强度（qV=BQdwy

/VkW/m3）不能太大，因为BQdwy

值与烟气量近似成正比，所以qV可近似地看作为煤粉在炉内停留时间的倒数关系当qV

太大时，煤粉在炉内的停留时间缩短，不利于煤粉燃烬采用旋风燃烧方式，能克服煤粉炉的上述弱点燃料在炉内的停留时间将大大地延长，不仅可以燃烧粗煤粉，而且可燃用5~6mm（不超过5~10%）以下的煤屑，可以提高炉膛容积热强度57旋风炉有卧式和立式两种图5-19为卧式旋风炉的结构燃料和空气（一次风）可以是轴向送入，亦即经旋流燃烧器沿着旋风筒轴向送入，见图5-19或是在二次风口下以切向送入旋风炉二次风则以100~150m/s的高速切向送入，因而在旋风炉内产生强烈的旋转运动，使与燃料强烈混合并燃烧生成的烟气由旋风炉的缩口流出，进入后面的燃烬室和冷却室，继续进行燃烧和冷却液态溶渣由排渣口流出排渣率可高达90%旋风炉可以水平布置，也可以下倾5~20

，便于顺利流渣根据研究结果，旋风炉出口直径Dn与旋风炉直径D的比值，对炉内压力、气流情况以及流动阻力等有很大影响一般工业旋风炉内径D

1.1~1.8m，少数增大到4m旋风炉长度约为直径的1.0~1.4倍58二次风口长度约为旋风炉圆筒长的0.45倍二次风口截面大小要满足上述二次风速的要求，其二次风量大小与煤种有关，一般为总风量的75~80%，其余为一次风量图5-19卧式旋风炉1—燃料与一次风；2—二次风；3—烟气出口；4—排渣口59§5-4-1旋风炉内空气动力特性旋风炉内燃烧强烈，炉膛容积热强度大大提高，这与炉内空气动力特性关系极大炉内旋转气流上的任一点速度可以分成三个速度分量：切向速度u（引起旋转），轴向速度w和径向速度v对旋风炉来说，切向速度和轴向速度（尤其是轴向速度）更为重要图5-20示出了卧式旋风炉内气流速度的变化从图5-20a可以看出：开始切向速度沿旋风炉壁面轴线方向逐渐增大，到达最大值后，仍向轴线方向逐渐减小在轴线处，切向速度减小至零因此，可将气流分成两个区域：外层气流为势位流旋转区（区域1）中心气流为准刚体旋转区（区域2）这两个区域的分界面就是最大切向速度表面60图5-20卧式旋风炉内气流速度变化（a）切向速度场；（b）轴向速度场；（c）轴向气流流动61旋风炉内轴向速度的变化更为复杂图5-20b可看出：轴向速度沿半径变化有三次改变流动方向如果把轴向速度为零的点连接起来，可得到三个轴向速度为零值的锥形体侧表面，如图中I-I、II-II和III-III空气流由二次风喷嘴喷入炉内后，大部分将沿炉壁向炉子出口处（缩口方向）流动，见图5-20c：在缩口和旋风炉内壁所形成的环室处向炉前折回，形成环室回流环室回流流到炉子前端后，和部分二次风相遇混合后又折回，向后流出缩口另外，由于气流高速旋转在旋风炉轴心处形成负压区，将炉后缩口外的高温烟气抽吸回炉内，形成一股中心回流，然后再随外气流一起流出旋风炉这样，根据气流的轴向流动情况，旋风炉内的气流可分成如下几部分：62这样，根据气流的轴向流动情况，旋风炉内的气流可分成如下几部分：（1）主气流它位于靠炉壁的外层气流中，沿着炉壁旋转着并流向炉后缩口，大部分二次风都在该区内流动，它首先和燃料颗粒相遇，并且是粘附在炉壁渣膜上的燃料燃烧所需空气的来源（2）环室回流它邻近主气流，是主气流由出口端的环室处折回炉前流动而形成的，位于轴向速度为零的侧锥体表面II-II与III-III之间63（3）外出气流它紧靠环室回流的内层，位于轴向速度为零的表面I-I与II-II之间是由环室回流与一部分二次风组成，流向炉子末端缩口处并排出炉外（4）中心回流它沿旋风炉轴线，位于轴向速度为零的表面I-I之内，它是由于气流高速旋转在炉子中心处造成负压，抽吸缩口外高温烟气返流入炉内而形成的它可加热内层气流，促进燃料的着火和燃烧由于气流的强烈旋转运动，并且在轴向速度wx

=

0的面上，速度梯度很大，所以气流的湍动强烈，比一般直流自由射流增强数十倍之多，燃料与空气混合很好64§5-4-2旋风炉内煤粒浓度的分布煤粒在旋转气流中的运动是比较复杂的煤粒在炉内沿着半径方向的浓度分布对燃烧过程的影响很大如果忽略煤粒本身的重力，以Fc

表示作用在颗粒上的离心力，以Fr表示周围气流反抗颗粒运动的力，则任一瞬间作用在颗粒上径向力：式中

m为煤粒质量；

f为煤粒横截面积；C为煤粒迎风面阻力系数，取决于雷诺数；ur为煤粒切向速度；vr与vq

分别表示煤粒与空气的径向速度；

为气流的重度（5-16）65如果某种尺寸的煤粒的离心力与阻力相等，煤粒处于平衡状态，则vr

=0；同时假定煤粒切向速度等于气流切向速度uq

，煤粒为球形，则式（5-16）可简化为：式中

r与

q分别表示煤粒与气流的密度，

q与

r相比较，其值很小，故式中右侧与

q可以忽略从式（5-17）可以得到煤粒处于平衡状态时的平衡圆周的半径：可见，旋风炉内的煤粒在各自的平衡圆周轨道上旋转如果煤粒较粗，平衡圆周大于或等于炉壁圆周，这种煤粒会被炉壁上的熔渣膜粘住如果煤粒较细，平衡圆周较小，煤粒就在这个平衡圆周上旋转，而由湍流的随即脉动使其在平衡圆周内外稍微波动如果煤粒很细，平衡圆周更小，已落入外气流区域中，那么煤粒就会被带出旋风炉（5-17）（5-18）66根据计算，常用卧式旋风炉的直径约在2m左右，处于平衡圆周上的极限颗粒尺寸不大于50

m

，而在旋风炉中所用的煤粒绝大部分在50

m以上这样，95%以上的颗粒会被甩在旋风炉炉壁上实际上，只有当炉壁上粘满的煤粒被烧掉以后，后续的煤粒才能在腾出的空位置上被粘住因此，大量的粗煤粒就反复地被气流甩上炉壁再反弹回来，同时还不断地旋转，因而在炉壁附近集中了大量的煤粒根据研究：50

m以上的煤粒都集中在炉壁附近100mm（相当于炉筒半径的三分之一）厚的环形带上作跳跃式的运动50

m以下的粉粒则分布于不同半径的平衡圆周上67§5-4-3旋风炉内的燃烧过程根据前面分析，旋转的粗煤粒受离心力的作用，被甩到有熔渣粘附的旋风筒内壁上而壁面上熔渣膜的温度高于灰的熔化温度，因此煤粒被粘附在液态渣膜上，并随渣膜缓慢地运动，这样就大大地增加了煤粒在旋风筒内的停留时间液态渣膜上是煤粒，既受高温渣膜的加热，又受高速二次风的冲刷，故燃烧十分强烈实际上，在液态渣膜上燃烧的煤粒并不多，大部分煤粒被炉壁附近的主气流携带入环室中68该处煤粒浓度很高，氧气不足，于是在高温条件下发生气化还原反应，产生CO和H2形成环室回流，遇到外出气流中的氧而强烈混合燃烧因为外气流不但旋转，而且速度梯度很大，湍流交换强度很大，火焰锋面处于环室回流与外出气流的交界面上由于环室的存在，煤粒在炉内的停留时间将大大增加，因而燃烧比较充分那些没有到边缘环带的细煤粉，则悬浮在旋风炉空间燃烧，颗粒尺寸逐渐减小，一面湍动，一面向轴线方向滑动，直至燃烬，最后流出旋风炉69显然，当轴向进煤时，炉中心悬浮燃烧的煤粒多些，机械未完全燃烧热损失也就大些，故对于挥发分较多的煤采用切向进煤它可燃用Vr

>10%的粗煤粉（R90=40~70%）而轴向进煤旋风炉可燃用Vr

>15%，粒度小于5mm的煤屑容积热强度可达3.5~7.0MW/m3上述可知，卧式旋风炉的构造比较复杂，对煤种的适应性差，二次风机的电耗大，因而其应用受到了限制图5-21为立式旋风炉的两种形式：BTИ型KSG型70（a）BTИ型（b）KSG型图5-21立式旋风炉1—燃料和一次风；2—二次风；3—排渣4—扑渣管；5—冷却室；6—喉口71BTИ型立式旋风炉，图5-21a，煤粉经旋风炉顶部的叶片式旋流燃烧器进入炉内，二次风由切向进入，因而在炉内产生旋转气流这种炉内的空气动力特性与卧式旋风炉相似，切向速度分布也有势位流旋转区和准刚体旋转区但因为炉子出口没有缩口，故轴向速度分布简单，整个炉子横截面都充满着正向气流，没有反向气流，故气流扰动混合不够强烈又因旋流燃烧器出口有一回流区，所以立式旋风炉内的旋转气流不及卧式旋风炉的那样强烈炉内燃烧强度也不十分大，但仍比煤粉炉的燃烧强度高立式旋风炉只能燃用煤粉，而不能烧煤屑它的二次风不象卧式旋风炉混合早，但可以根据煤种不同改变二次风配风方式，控制二次风的混合时间一次风出口又有烟气回流，便于着火，所以可燃用褐煤、烟煤和无烟煤为了保证有较高的燃烬程度和扑渣率，旋风炉呈细长形，长径比为3.4~4.572KSG型立式旋风炉见图5-21b，旋风炉置于冷却室之下煤粉和二次风由直流燃烧器切向进入旋风炉由于旋风炉的直径大，二次风速低，所以炉膛容积热强度约为1.2~1.4MW/m3可燃用的煤粉参数为： Vr

>10% R90=15~45%73§5-5沸腾燃烧沸腾燃烧是介于火床燃烧和火室燃烧之间的一种燃烧方式燃料即不固定的炉排上燃烧，也不是在炉膛空间内随气流悬浮燃烧，而是在沸腾床内，进行一种剧烈的，杂乱无章的、沸腾运动状态的燃烧§5-5-1沸腾床的空气动力特性首先研究单个煤粒在上升气流中的运动情况如图5-22所示，煤粒受力的平衡方程式为：式中m为煤粒的质量；u及w分别表示煤粒和气流的运动速度；

为煤粒的阻力系数；f为煤粒的最大受风面积；Vr为煤粒的体积；

q及

r分别表示气流和煤粒的密度；g为重力加速度（5-19）745-2275式（5-19）右边第一项为煤粒在气流中所受的推力右边第二项为重力与浮力之差因为

r

>>

q

，浮力可以忽略不计煤粒在气流中所受的推力随气流速度的增加而增加若推力比重力小，则煤粒将下沉或保持在床上不动若推力与重力相同，则煤粒既不下沉也不飞走，处于浮动沸腾状态若推力比重力大，则煤粒会被气流带走图5-23表示煤层在不同风速下的运动状态可以看出，当气流以较小的速度w0（按炉排整个空截面积计算的流速）通过煤层时，其气流推力较煤粒重力小，所以煤粒静止在炉排上，煤层不动，这称为固定床在这种情况下，由于气流通过煤层的实际速度ws增加，故煤层阻力相应增加76图5-23床层状态和特性曲线1—固定床；2—沸腾床；3—平稳沸腾状态4—鼓泡沸腾状态；5—气力输送状态77ws可按照下式计算

ws

=w0/

式中ws为煤层空隙中的实际速度；

为床层的空隙率，即空隙所占体积占床层体积的份额当w0增加时，煤层开始松软当w0增加到临界速度wlj

时，煤层空隙中的实际速度ws

达到颗粒自由沉降速度wg

*时，颗粒就会被吹起，这时料层高度增大，煤粒和气流混合在一起，在一定高度范围内上下翻腾，但并不飞走，即达到了沸腾状态，也称流化状态在这种状态下，若继续增加风速w0，则ws

>wg，燃料层就沸腾膨胀，膨胀使空隙率

增加，所以煤层中实际流速并不增加，即ws

=wg

，因此，料层阻力不增加如果风速w0再继续增加，并且使空隙率增加到最大值，

1，这时w0=wg，颗粒随时会被气流带出料层，即处于气力输送状态将这时的w0称为飞出速度（5-20）*所谓颗粒自由沉降速度wg

，是指颗粒重力与阻力相等，能使颗粒悬浮在空中时的颗粒速度78从临界速度到飞出速度这一段是沸腾床的工作范围临界沸腾雷诺数：临界沸腾速度：式中阿基米德数

为煤粒的当量直径；

r和

q分别为煤粒和气体的密度；

为气体运动粘性系数

0为静止床层中的空隙率当床层内颗粒全部被吹走时，

=1由此可算出颗粒飞出速度（吹走速度）79当设计沸腾炉时，如果缺少煤的筛分特性、颗粒密度等数据，则可按表5-2来选择临界沸腾风速表5-2临界沸腾风速推荐值颗粒直径燃料种类临界沸腾风速wlj

，m/s8mm以下无烟煤0.9~1.1烟煤0.7~0.8褐煤0.65~0.756mm以下无烟煤0.7~0.8烟煤0.4~0.6褐煤0.35~0.5580分析上面临界沸腾风速的计算公式，可以看出，料层中的一些物理因素对临界沸腾风速的影响1料层厚度对临界风速影响不大料层高度变化时，临界风速基本上不变2颗粒直径对临界沸腾风速影响很大直径增加时，临界沸腾风速也增加3料层的颗粒密度和空隙率增加，临界沸腾风速也增加4流体的物理性质对临界沸腾风速也有较大的影响当气流运动粘性系数增加时，临界沸腾风速减小料层温度提高，临界沸腾风速减少，热态下的临界风量约为冷态时的五分之一左右综上所述，维持料层间气流的实际速度大于临界值而小于吹走速度，是建立沸腾床的必要工作条件但是，由于沸腾炉燃用的燃料是由尺寸不同（0~8mm）的颗粒组成的，对于尺寸不同的颗粒，其临界速度和吹走速度相差很大，所以运行风速的选取，既要考虑粗粒的沸腾质量，也要尽量减少细粒被吹走而造成机械不完全燃烧热损失81§5-5-2沸腾床燃烧特性图5-24表示沸腾锅炉示意图在沸腾床层静止时高度为500~60