锅炉原理课件4章.ppt

1、第四章 燃烧设备,4.1 燃料燃烧的基本概念,4.2 手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,4.3 煤粉炉,返 回,4.4 流化床及循环流化床燃烧技术,4.1 燃料燃烧的基本概念,第四章,锅炉燃料燃烧是个复杂的化学物理过程，其影响因素很多。,一、燃烧设备的分类,1.层燃炉固体燃料被层铺在炉排上进行层状燃烧的炉子， 如：手烧炉、链条炉、抛煤机炉、往复炉排炉、振动炉排炉等； 2.室燃炉燃料呈雾状细颗粒随空气喷入炉内呈悬浮状燃烧 的炉子，又称悬燃炉，如：煤粉炉、油炉、气炉等； 3.沸腾炉燃料被气流托起携带呈上下翻滚沸腾状燃烧的炉 如：流化床、鼓泡床、循环流化床、增压流化床等；,4.1 燃料燃烧的

2、基本概念,着火前的热力准备阶段； 挥发份着火与焦炭的燃烧阶段； 灰渣形成及燃烬阶段。,二、固体燃料的燃烧过程 1. 燃料燃烧的几个阶段：,2. 燃料完全燃烧的必备条件,1）保持一定的高温环境； 2）供给足够而适度的空气量，并确保燃料与空气有良好 的接触和充分混合的氛围； 3）燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间； 4）及时排出低温燃烧产物（如：低温烟气和灰渣）。,第四章,4.1 燃料燃烧的基本概念,三、燃料的燃烧反应速度 锅炉燃烧过程是个复杂的化学物理过程，燃烧速度取决于化学条件和物理条件。,反应速度单位时间内、单位体积中反应物消耗或产物生成的摩尔数，mol/(m3s)。 燃烧技术中常采用炉膛容积

3、热强度qv和面积热强度qf 来表征燃烧反应速度。,1. 化学条件：燃料氧化反应的化学反应速度，其影响因素有：温度、反应物质的浓度及反应空间的压力等；在锅炉燃烧技术中，其影响因素主要是温度。,2.物理条件：空气与燃料的相对速度，气流扩散速度及热量传递速度等；在锅炉燃烧技术中，起主要作用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和燃烧产物的反向扩散。,第四章,4.1 燃料燃烧的基本概念,影响反应速度的因素： 反应物质（燃料）的特性，E降低，反应速度提高； 温度，温度提高，分子平均动能增加，碰撞机会增加。 浓度：提高，碰撞机会增加 压力：提高，单位体积分子数增加，碰撞机会增加 l其中温度是最重要的燃

4、烧反应影响因素，,1. 温度对燃烧速度的影响 遵循阿累尼乌斯定律：,式中：K表征化学反应速度的常数； K0频率因子； R通用气体常数， R8.314kJ/(mol.K)； E化学反应活化能， T绝对温度，K。,第四章,4.1 燃料燃烧的基本概念,2. 气流扩散能力对燃烧速度的影响 气流扩散能力决定于氧气浓度，遵循如下关系式：,M表征气流扩散速度的量； Dk扩散速度常数，主要取决于气流速度； Cql，Cjt、气流和焦炭表面的氧气浓度。 温度和气流扩散速度在燃料燃烧不同区段有着不同的影响。由此燃料的燃烧过程可以分成三种不同的燃烧区域：,燃烧速度取决于温度亦即取决于化学反应速度的工况，动力燃烧工况所

5、在的燃烧区域为动力燃烧区,动力燃烧区：,扩散燃烧区：,过渡燃烧区：,燃烧速度取决于气流的扩散速度的工况，扩散燃烧工况所在的燃烧区域为扩散燃烧区,动力燃烧区及扩散燃烧区之间的区域为过渡燃烧区,第四章,4.1 燃料燃烧的基本概念,四、燃烧设备特性的主要参数,1. 层燃炉 炉排面积可见热强度：单位面积的炉排，在单位时间内所燃烧的煤的放热量,炉膛容积可见热强度：单位容积的炉膛，在单位时间内所燃烧的煤的放热量,kW/m3,kW/m2,2. 室燃炉 炉膛截面可见热强度： kW/m2 炉膛容积可见热强度： kW/m3,第四章,4.1 燃料燃烧的基本概念,3. 炉膛设计步骤,（1）根据给定参数（D、T、P和燃

6、料种类），估计燃料消耗量 （2）查表选取qv, qR （3）利用公式计算炉排面R和炉膛体积V （4）根据炉排面积，按具体情况选定炉子宽度和深度 （5）确定炉膛高度 （6）对室燃炉相应计算,第四章,4.2 手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,一、手烧炉 加煤、拨火和除渣由人工完成 ( 1t/h),二、手烧炉燃烧特性,1、双面引火 2、周期性变化,炉排长度不超过2.2m,一般为铸铁,板状炉排 通风面积比例20%40% 大块高挥发分的烟煤褐煤 条状炉排 通风面积比例8%12% 低挥发分、低灰熔点的煤,第四章,4.2 手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,一、链条炉1链条炉的构造,1）链条炉

7、排有效长度：煤闸门到除渣板的炉排长度，实际参与燃烧的炉排有效面积的深度。 2）防焦箱：纵向安装在炉膛两侧，一般嵌入炉墙，贴近运动着的炉排，主要作用有：,第四章,4.2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,2. 链条炉排结构 1）炉排通风截面比：炉排通风孔隙总截面积与炉排有效面积的百分比。 2）结构型式,鳞片式：p67 链带式：p69,3. 链条炉燃烧层结构及其特性,1) 煤在链条炉排层面上，燃料燃烧层的各个燃烧阶段分界面与炉排面有一定的倾斜角。,2) 煤在排层面上的燃烧过程分四个燃烧区段：,新煤预热、干燥区(距煤闸门200300mm范围内)； 挥发份逸出着火、焦炭形成区；,第四章,4.2手

8、烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,焦炭燃烧区：a焦炭氧化燃烧区；b焦炭燃烧还原区； 灰渣形成、余燃、冷却区（在出闸板尖端之前400500mm范 围内）。,(3) 新煤进入炉内呈“单向引火”，燃用低挥发份的煤，必须借助于炉拱加强着火，其煤种适应能力差。,单面引火： 机械化操作：,(4) 机械化连续上煤，克服了手烧炉间断上煤的周期性； (5) 沿炉排有效长度方向的上方空间气体成分变化情况（呈不均匀的变化）。,第四章,4.2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,1）分段送风： P74图4-16 a-b曲线为统仓送风时炉内空气量分布情况； c-d曲线为链条炉燃烧理论空气量分布情况； 1-4

9、为链条炉分段送风后各个燃烧区段实际空气量分布情况。,4. 链条炉燃烧改善措施：,第四章,4.2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,5链条炉的运行 1）燃料性质对链条炉燃烧的影响,(1) 煤的粒度：堆积，通风阻力 (2) 煤的粘结性：通风 (3) 水分：与着火燃尽的关系 (4) 灰分：灰熔点,2）链条炉的燃烧调节 主要取决于燃料层厚度、送风量和炉排速度。,(1) 燃料层厚度的调节：100150mm (2) 给料速度 (3) 送风量调节：对适应负荷的变动最为灵敏 当锅炉负荷变化时，总是先调节送风量，随即调节炉排速度与之配合,第四章,4.2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,二、抛煤机链

10、条炉 1. 抛煤机链条炉的结构及工作原理,抛煤机链条炉是由炉子前墙布置23台机械、风力抛煤机，将煤自前而后地均匀抛撒在倒转链条炉排上燃烧。,2. 抛煤机链条炉的燃烧过程及其特点,煤的颗粒大小经抛煤机抛撒，基本上沿炉膛深度上方空间筛分均匀，落到火床上与燃烧层中的焦炭颗粒大小基本相同。 连续抛落的新煤颗粒总是均匀复盖在炽热的焦炭燃烧层上，呈“双向引火”，着火条件优越，煤种适应性广；燃烧强烈，炉子热惯性小，负荷调节灵敏度高，不易结渣。 在炉排与炽热的焦炭燃烧层之间有120150mm的灰渣层，炉排的冷却度较好，提高了炉排热强度。 煤的燃烧层呈簿煤层的燃烧特点，火床上方空间的气体成分变化情况比链条炉均匀

11、,故抛煤机链条炉的分段送风，相对比链条炉分段送风分的段数少一些。,第四章,4.2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点,3. 抛煤机链条炉的炉膛结构及其二次风,（1）由于抛煤机链条炉的着火条件优越，及其火床上方空间的气体成分变化情况比较均匀，一般采用无拱的开式炉膛；由于抛煤机使烟气中飞灰较大，为此，抛煤机链条炉的炉膛比链条炉炉膛高一些。 （2）抛煤机链条炉的二次风，一般布置在抛煤机上方和后墙水冷壁下方： 布置在抛煤机上方的二次风略向下倾斜一些，原则上二次风的有效射程不干扰抛煤行程为上；主要将由抛煤机抛出的(01mm)细小煤屑压回火床上燃烧，以此减少飞灰损失； 在后墙水冷壁下方布置的二次风略向

12、上倾斜一些，主要防止由抛煤机抛出的大颗粒的煤(30mm)抛落时，会对后墙下部水冷壁管和后墙等造成磨损或砸坏事故。,第四章,4.3 煤粉炉,一、煤粉炉特点,煤粉炉的燃煤磨制成煤粉，并与空气混合成雾状气粉混合物喷射到炉内呈悬浮状态燃烧。,（1）煤粉炉的容量和燃烧率的提高，不受炉排面积可见热强度的限制； （2）燃烧效率高； （3）炉膛体积较大; （4）燃烧调节和运行管理易实现自动化。,第四章,4.3 煤粉炉,1. 煤粉的性质,(1)由煤粉制备系统磨制成1000m以下(2050m居多)不规 则的细小颗粒组成；,(2)刚磨制的煤粉，有较强的吸附空气的能力，其流动性便于管道输送；干煤粉疏松性好，轻轻堆放时

13、的自然倾角为2530，堆积重度为0.450.5t/m3；,(3)煤粉与空气接触面增大了若干倍，对于高Vdaf的煤粉与空气混合成雾状气粉混合物，一旦遇到火源迅速燃烧，其体积迅猛扩展将产生0.20.3MPa的爆炸压力；,(4)影响煤粉爆炸的因素有：高Vdaf、过细的煤粉细度Rx、煤粉浓度、雾状气粉混合物的含氧浓度、及其温度、流速、湿度等。,高Vdaf的煤粉易自燃自爆，而Vdaf 10%的煤粉无爆炸危险 煤粉浓度的危险浓度下限：泥煤0.160.18kg/m3、褐煤0.160.25kg/m3、烟煤 0.320.4kg/m3；而煤粉浓度在1.22kg/m3范围内为爆炸危险浓度；,第四章,二、煤粉的基本性

14、质,4.3 煤粉炉, 输粉气流的含氧浓度（其体积比）降低到15%16%时，一般不易引起爆炸；, 煤粉制备系统中煤粉管道应有一定的倾斜角度，使管内的气粉混合物有适当的流速1630m/s：流速过高易引起爆炸；流速过低易造成气粉分离，煤粉在管内沉积而失去流动性；, Vdaf高而细度又细的煤粉极易引起爆炸，对0.1mm细度的烟煤粉不会引起爆炸；, Vdaf高的褐煤和烟煤，当煤粉水分稍大于固有水分时，一般不会自燃自爆。,2. 煤粉的细度,1) 煤粉细度Rx,将磨制的煤粉用标准筛孔尺寸的筛子进行筛分，筛分后残留在筛面上粗煤粉的重量与煤粉筛分前总重量的百分比：,第四章,4.3 煤粉炉,式中：x标准筛孔的内边

15、长度m； a残留在筛面上的粗煤粉重量, g； b通过标准筛孔筛分后的细煤粉重量, g；,对于磨矿产品，颗粒分布符合分布：,式中：b反映颗粒粗细程度，在相同n条件下，b越大，Rx越小 n均匀性系数，n越大，煤粉越均匀，n=0.81.3,第四章,4.3 煤粉炉,三、煤粉的燃烧过程（以D=670t/h煤粉炉为例）,1. 煤粉由运载它的空气（一次风）喷入炉膛后，受到炉内火焰和高温烟气的辐射热的加热，一般在喷入炉膛300500mm处完成着火前的热力准备阶段及挥发份逸出着火，到12m处大部分挥发份逸出燃尽，而无烟煤要在离燃烧器喷口4m处；,2. 在挥发份逸出燃尽的同时，高温的焦炭颗粒在二次风的及时混合下，

16、一般到1020m处才燃烧完全或接近完全燃烧；,3. 无烟煤在20m处已达到97%，到炉膛出口28m处燃尽率增加不到1%；褐煤和烟煤在一半火焰长度上燃尽率可达98%，,4. 煤粉气流中一次风量只要能把煤粉受热析出的挥发份燃烧完即可。因此, 一次风量应近似地等于可燃基中的挥发份含量Vdaf：,第四章,4.3 煤粉炉,不同煤种煤粉燃烧的一次风率r1,第四章,4.3 煤粉炉,四、磨煤机 其工作性能对煤粉细度、煤粉出力、磨煤电耗、磨煤机金属耗量和干燥煤粉的能力等有影响。 破碎机理：压碎、击碎和研碎,1. 竖井式磨煤机 7501500rpm，多排高速旋转的重锤，其粗粉分离主要靠转子上方的竖井。产生微弱的通

17、风力,与阻力小的燃烧器配合，多用于中小型锅炉.锤头磨损很快，即使用耐磨合金钢制造或耐磨合金堆焊，一般寿命都不到600h。,2. 风扇式磨煤机 7501500rpm，风扇式磨煤机本身就是排粉机，其叶轮很厚，叶轮和外壳护板都用锰钢制成；能产生15003500Pa的压头，因此它既能磨煤粉又能克服煤粉系统的阻力，完成输送煤粉及一次风的任务,适合磨制高水份、高挥发份的褐煤和高可磨度(Kkm)的烟煤。,第四章,4.3 煤粉炉,3. 球磨机（低速磨煤机）： 1) 筒式球磨机是中间储仓式煤粉制备系统中主要设备，其筒体内壁装设波浪形铸钢护板，内径Dn=24m，筒长l=38m，筒内装有d=3060mm的锻钢球。

18、2) 筒式球磨机转速随筒体直经的不同而变化，转速一般为1625rpm。转速过快时，钢球在离心力作用下会紧贴筒壁运动而不下落，起不到磨煤的作用。因此，筒式球磨机的工作转速必须小于临界转速 。, 临界转速 ： 最佳转速 ： ，一般取。 3) 影响磨煤出力的主要因素： (1) 筒体的直径和长度愈大，单位时间内磨出的合格煤粉 愈多，磨煤出力愈大。 (2) 钢球装载量和钢球直径的影响：,第四章,4.3 煤粉炉,五、煤粉燃烧器 煤粉燃烧器设计的基本要求： 出口处燃料分配均匀，配风合理，保证及时着火与燃烧 组织良好的空气动力场，有利于空气和燃料的混合 良好的调节性能，煤种适应性强 流动阻力小,1. 旋流煤粉

19、燃烧器 1）双蜗壳旋流煤粉燃烧器： 2）单蜗壳扩锥型燃烧器： 2. 直流煤粉燃烧器,第四章,4.3 煤粉炉,六、煤粉制备系统 1.直吹式制粉系统 2. 中间储仓式制粉系统 乏气送粉和温风送粉系统 乏气：由细分分离器流出的含有大量水蒸气和细煤粉的气体,第四章,4.3 煤粉炉,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,主要型式：鼓泡床、湍动床、快速床、循环流化床等 应用领域：石油、化工、冶金、能源、环保等 主要优点：,燃料适应性广； 低温燃烧，NOx排放低 可实现炉内脱硫； 燃烧效率高 强化燃烧和传热,一、流态化基本原理 流态化过程：固体粒子与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程 沸腾燃烧（

20、流化燃烧）：将流态化过程用于燃料燃烧 沸腾炉（流化床炉）：燃烧设备,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,固定床 流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变 实际流速线形增长 通风阻力随风速的平方关系增大,2. 流化床 颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的磨擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质流态化。此时： 料层膨胀，床高增加 颗粒间实际空气流速保持不变 料层阻力变化不大，由托起的颗粒质量决定,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,截面气流速度w：以布风板界面积作为计算截面的气流速度 临界流化速

21、度wlj：颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低 速度。 极限流化速度wjx：颗粒床层从流态化状态转变为气力输送时的 最低速度。,二、床内颗粒的运动规律,1. 颗粒的受力分析 1） 重力 2） 浮力 3） 流体阻力 4） 颗粒旋转时的升力 5） 颗粒间的碰撞力 6） 湍流脉动力,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,2. 宽筛分颗粒流化时的流体动力特性, 在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量； 无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状； 床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出； 密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物

22、体会浮在床面上； 床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。,3. 流化风速运行时的空截面气流速度，一般为3.54.5wlj,三、流化床的燃烧与传热,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,1流化床的燃烧 1)保持很厚的灼热料层，相当于一个很大的蓄热池，新煤(约5%)加入后很快与灼热的炉料混合，迅速达到着火温度具有极好的着火条件 2)颗粒与气流相对速度较大，扰动强烈，混合较完善，燃烧温度低燃烧好 3) 上部始终有过剩氧存在，无明显还原区 4) 料层高度对上层烟气成分无明显影响 5) NOx生成减少，可以加入石灰石脱硫,2流化床的传热 1) 具有良好的扰动和混合，床温很均

23、匀，传热系数高； 2) 埋管表面不积灰，吸热比一般辐射受热面强45倍，达230350kW/cm2.；,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,3) 热负荷均匀，对水循环等有利。,四、流化床的型式与结构 1链带式流化床 2鼓泡式流化床 1) 给煤 2) 布风板 3) 风室 4) 炉膛 5)埋管 3循环流化床 4. 流化床燃烧设备的常用类型 常压鼓泡流化床锅炉：流化速度12.5m/s；截面热负荷1.5MW/m2 常压循环流化床锅炉：流化速度3.55m/s；截面热负荷5MW/m2 增压鼓泡流化床锅炉：流化速度0.91m/s；截面热负荷1017MW/m2 压循环流化床锅炉：流化速度3.55m/s；

24、截面热负荷2050MW/m2,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,五、循环流化床的原理和特点,1. 组成 炉膛、加料（含石灰石加料）、排渣、高温除尘、返料、布风板等,2. 循环流化床的原理 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态是不同的：随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体颗粒被速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解体。在这种流体状态下，气流还可

25、携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平均气流速度。,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,3. 循环流化床的特点, 不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，；并且向各个方向运动 颗粒与气体之间相对速度大，而且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； 运行流化速度为鼓泡流化床的23倍； 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； 颗粒横向混合良好； 强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使整个上升段内温度分部均匀； 改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,钟

26、到数小时范围调节； 流化气体的整体性状呈塞状流； 流化气体(二次风)根据需要可在反应器的不同高度加入。,五、循环流化床锅炉的特点 1. 循环流化床锅炉的主要工作条件,第四章,4.6 流化床及循环流化床燃烧技术,2. 循环流化床锅炉的特点,循环流化床锅炉可分为两个部分组成：第一部分由炉膛(快速流化床)、气固物料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道、布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧相近。循环流化床锅炉的特点如下：,1) 低温的动力控制燃烧； 炉内温度水平因受脱硫最佳温度的限制，一般850左右，低于一般煤的灰熔点，免去了灰熔化带来的种种烦恼。可以组织炉内廉价而高效的脱硫工艺，使氮氧化物生成量低。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区及扩散燃烧区（过度燃烧区）内，其燃烧速率主要取决于化学反应速率温度水平。循环流化床锅炉内燃料燃尽度很高，性能良好的循环流化床锅炉燃