第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备

2019年8月17日电厂锅炉原理及设备2019年8月17日第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备第一节燃烧的基本理论第二节煤粉气流的着火和燃烧第三节煤粉燃烧器及点火设备第四节煤粉炉的炉膛及其特性第五节燃烧调整实验方法2019年8月17日第一节燃烧的基本理论燃烧概念——燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化学反应单相（均相）反应多相（异相）燃烧2019年8月17日不同状态物质的燃烧自然界里的一切物质，在一定温度和压力下，都以一定状态（固态、液态、气态）存在。这三种状态的物质燃烧过程是不同的。固体和液体发生燃烧，需要经过分解和蒸发，生成气体，然后由这些气体成分与氧化剂作用发生燃烧。气体物质不需要经过蒸发，可以直接燃烧。2019年8月17日一、化学反应速度化学计量方程式化学反应速度的表示1）反应物消耗的速度或生成物浓度增加的速度2）单位：mol/m3·s3）影响反应速度的因素•（1）原始反应物的性质•（2）反应系统的条件：反应物浓度、温度、压力、是否有催化反应或连锁反应hHgGbBaAdtdCdtdCdtdCdtdCHHGGBBAA2019年8月17日1．C对ω的影响1）化学反应本质——一定条件下，不同反应物分子彼此碰撞→单位t内碰撞次数↑→ω↑┠单位V内反应物分子数（物质C）2）ω与C的关系——质量作用定律（1）均相反应一定T下，ω与参加化学反应的各反应物的C成正比，各反应物浓度项方次取相应的反应系数（2）多相燃烧单位t内炭粒表面上O浓度的变化——ωB3）结论：若T、V一定，反应物C↑→ω↑bBaAAAACCkdtdCbBBBkCdtdC2019年8月17日甲烷燃烧2019年8月17日2．T对ω的影响1）反应速度常数k（若反应物C不随t变化）Arrhenius定律2）（1）若C不变，ω与T成指数关系：T↑→ω↑（2）现象解释：活化分子的碰撞才是反应的有效碰撞（3）T一定，E↑→ω↓3）实际炉内燃烧：C、p基本不变，T↑→加速燃烧反应，缩短燃烧时间RTEekk0RTEbBBeCk02019年8月17日3．p对ω的影响1）V不变，p↑→C↑→ω↑2）ω与p的n次方成正比：nnAnRTpxk2019年8月17日4．催化反应1）催化作用：催化剂加入反应系统，引起ω变化2）特点（1）催化剂可影响ω，但自身不受影响（2）一定条件下不能改变平衡状态，只能改变达到平衡的t（实质是改变E）2019年8月17日5．连锁反应1）作用：使化学反应自动连续加速进行2）机理3）反应过程（1）链的激发形成过程（2）链的传递过程（3）链的断裂过程4）不分支连锁反应分支连锁反应2019年8月17日二、氧的扩散速度1．炭粒的燃烧：炭粒在表面与O进行2．O的扩散速度：ωks=αks（C0－CB）1）（C0－CB）——供应燃烧足够空气量2）d↓→表面积↑→与O的反应面积↑→O消耗↑→CB↓→（C0－CB）↑→ωks↑——减小d3）气流与炭粒的相对速度↑→扰动↑→O向炭粒表面的供应速度↑，燃烧产物离开表面的速度↑→ωks↑2019年8月17日三、燃烧速度与燃烧区域1．炭粒的多相燃烧反应2．炭粒燃烧速度ωks：单位表面上的实际反应速度3．稳定燃烧：ωB=ωks=ωr4．燃烧过程反应区域2019年8月17日1．炭粒的多相燃烧反应1）参加燃烧的O从周围环境扩散到炭粒的反应表面2）氧气被炭粒表面吸附（最快）3）在炭粒表面进行燃烧化学反应4）燃烧产物由炭粒解吸附（最快）5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中（较快）2019年8月17日4．燃烧过程反应区域1）动力燃烧区（T1000℃）取决于T和燃料反应特性→提高T以强化动力燃烧工况2）扩散燃烧区（T1400℃）→改善扩散混合条件，相对速度↑或d↓3）过渡燃烧区（1000℃T1400℃）→提高T，改善扩散混合，强化扩散煤粉锅炉（1）粗煤粉：炉膛高温区，接近扩散燃烧（2）其余煤粉：炉膛燃烧中心外，都为过渡、动力区层燃炉：扩散区→强化燃烧→强制通风2019年8月17日第二节煤粉气流的着火和燃烧一、煤粉的燃烧过程二、燃烧过程着火和熄火的热力条件三、煤粉气流的着火四、燃烧完全的条件2019年8月17日一、煤粉的燃烧过程1．煤粉燃烧的三个阶段1）着火前的准备阶段（吸热）煤粉气流被烟气加热→T↑→M蒸发→干燥煤粉热分解，析出V（煤的特性、加热T和速度）→V着火燃烧→放出的热量加热炭粒→炭粒温度↑→达到一定T并有O接触→炭粒着火燃烧2）燃烧阶段（放热）煤粉颗粒局部着火燃烧→燃烧扩散到整个表面3）燃尽阶段炭粒变小，表面形成灰壳，少量未燃尽炭继续燃烧2019年8月17日2019年8月17日一、煤粉的燃烧过程2．炭粒的燃烧1）煤粉燃烧的关键（1）可燃质的主要部分（2）燃烧过程最长（3）放热量份额大2）燃烧机理一次反应二次反应3）不同T下炭粒燃烧过程（1）T1200℃（2）T1200℃4）影响炭粒燃烧的因素T、是否等温、炭粒的几何形状和结构、炭粒周围气流性质222222COOCOCOCOCCOOCCOOC222222019年8月17日二、燃烧过程着火和熄火的热力条件1．着火和Tzh1）缓慢氧化状态→高速燃烧状态的瞬间——着火2）转变瞬间的T——Tzh2．燃烧过程中的放热和吸热1）燃烧室内煤粉空气混合物燃烧的放热量Q12）燃烧过程中向周围介质的散热量Q23．Q1-T、Q2-T变化曲线及分析4．加快着火的方法1）加强放热：散热条件不变，C↑、p↑、T0↑2）减少散热：放热条件不变，T0↑，气流速度↑、燃烧室保温rnORTEVQCekQ201bTTSQ22019年8月17日2019年8月17日三、煤粉气流的着火1．着火过程2．煤粉燃烧特点之一：较难着火3．理想的煤粉气流着火——燃烧器喷口不远处4．着火热Qzh：包括加热煤粉及空气（一次风），并使煤粉中M加热、蒸发、过热所需热量5．影响煤粉气流着火的主要因素6．结论2019年8月17日1．着火过程煤粉空气混合物→燃烧器→喷入炉膛→卷吸高温烟气（湍流扩散、回流）+高温火焰辐射→被迅速加热→热量达到一定T→着火2019年8月17日3．理想的煤粉气流着火1）着火过早→燃烧器喷口烧坏、附近结渣2）着火太迟→推迟整个燃烧过程→q4↑→火焰中心上移→炉膛出口受热面结渣2019年8月17日5．影响煤粉气流着火的主要因素1）燃料性质：Vdaf、M、A、R902）一次风温3）一次风量（r1zj）（1）大→Qzh↑→着火推迟（2）过小→缺O→限制燃烧过程的发展（3）需满足输粉要求（煤粉堵塞）4）一次风速（适宜风速选取）（1）过高→流量↑→煤粉气流加热速度↓（2）过低→燃烧器喷口烧坏，煤粉管道堵塞5）炉内散热条件——敷设卫燃带（注意结渣）6）燃烧器结构特性（1）一、二次风混合（2）尺寸7）锅炉负荷——着火稳定性条件限制了调节范围2019年8月17日6．结论1）稳定着火过程的首要条件：组织强烈的煤粉气流与高温烟气的混合→供给足够Qzh2）减小Qzh的有效措施：提高一次风温、合适的一次风量和风速3）难燃煤稳定着火常用方法：较细较均匀煤粉，敷设卫燃带2019年8月17日四、燃烧完全的条件1．燃烧效率：ηr=100－（q3+q4）%2．完全燃烧的原则性条件1）供应充足而又合适的空气量αl”——必要条件2）适当高的炉温3）空气和煤粉的良好扰动和混合4）足够的炉内停留时间2019年8月17日第三节煤粉燃烧器及点火设备煤粉炉燃烧设备•煤粉燃烧器（喷燃器）•点火装置•炉膛燃烧器作用•将一、二次风送入炉膛，组织气流结构，迅速稳定着火•及时供应空气，风粉充分混合，迅速完全燃烧2019年8月17日第三节煤粉燃烧器及点火设备燃烧器要求•（1）空气动力场，着火，风粉混合→燃烧稳定性、经济性•（2）燃料适应性，调节性，调节范围→适应煤种和负荷变化的需要•（3）控制NOx生成→保护环境•（4）运行可靠，便于维修•（5）易于实现远程或自动控制型式（按出口气流特征）•直流燃烧器：直流射流（组）•旋流燃烧器：旋转（+直流）射流（组）2019年8月17日一、旋流煤粉燃烧器1.旋转射流的特性（1）内回流区：反向气流卷吸周围介质+射流外边界（2）旋转效应衰减快：相同初始动量下，射程比直流短（3）扩展角大：随旋转强度增大而增大2019年8月17日旋转射流流动状态封闭气流：弱旋转开放气流：内回流区全扩散气流：飞边→火焰贴墙→炉墙、水冷壁结渣2019年8月17日2.旋流煤粉燃烧器的型式2019年8月17日（1）单蜗壳型旋流煤粉燃烧器优点：一次风阻力小，射程远，后期扰动好煤种适应性好，可燃用低V贫煤缺点：易烧坏、结渣2019年8月17日烧毁的燃烧器2019年8月17日烧毁的燃烧器2019年8月17日（2）双蜗壳旋流煤粉燃烧器优点：出口气流前期混合强烈，可燃用烟煤、褐煤和贫煤缺点：燃料适用范围不广一次风阻力大，不宜直吹式制粉系统气流速度、煤粉浓度分布不均2019年8月17日（3）轴向叶片型旋流煤粉燃烧器特点1）调节性能较好2）中心回流区较小、较长3）适宜燃用高V烟煤、褐煤2019年8月17日（4）切向叶片式旋流煤粉燃烧器2019年8月17日（5）双调风低NOx煤粉燃烧器优点：空气分级送入、燃烧调节灵活、有利稳定燃烧、煤质适应范围宽、可防止结渣或腐蚀2019年8月17日导流叶片鼓风式旋流扩散燃烧器2019年8月17日二、直流煤粉燃烧器1.直流射流的特性（1）直流湍流自由射流：初始段基本段（2）射程：长（与喷口尺寸、射流初速有关）→衰减慢，贯穿能力强→后期混合好（3）卷吸烟气能力：高/宽↑→卷吸力↑→速度衰减↑→射程↓（4）射流刚性：高/宽↓→刚性↑→不易偏转，吸引刚性小的射流2019年8月17日2.直流煤粉燃烧器的型式结构：狭长形，由一组喷口（圆形、矩形或多边形）组成流动介质：一次风煤粉气流、二次风、乏气（中间储仓式，热风送粉）直流射流方向：水平、倾斜一定角度（向上、向下）2019年8月17日（1）均等配风直流煤粉燃烧器一、二次风喷口相间布置适宜燃用烟煤、褐煤2019年8月17日（2）分级配风直流煤粉燃烧器把二次风分级分阶段送入燃烧的煤粉气流中适宜燃用无烟煤、贫煤、劣质烟煤2019年8月17日（2）分级配风直流煤粉燃烧器设计和布置上的特点1）喷口呈狭长形：高/宽↑→着火周界↑→卷吸能力↑→利于煤粉气流着火2）喷口集中布置：着火区煤粉浓度↑，放热集中→火焰中心T↑→利于煤粉迅速稳定着火→一次风射流刚性、贯穿能力↑→火焰偏斜↓，风粉后期混合↑3）一、二次风喷口间距加大：一、二次风混合推迟，利于着火4）二次风分级布置：利于前期着火和后期燃烧5）周界风、夹心风：风速↑→气流刚性↑→防止气流偏斜和燃烧器烧坏影响着火稳定6）三次风：布置在燃烧器上方，有下倾角，风速高2019年8月17日锅炉内部#1/#2燃烧器及水冷壁布置2019年8月17日（3）几种改进的直流煤粉燃烧器宽调节比燃烧器PM燃烧器2019年8月17日三、点火装置1.作用（1）点燃主燃烧器煤粉气流（2）稳定着火、燃烧（3）辅助燃烧2.点火方式（1）三级点火：气体燃料—雾化燃料油—煤粉气流（2）二级点火：燃料油—煤粉气流3.点火器2019年8月17日电火花点火器2019年8月17日电弧点火器2019年8月17日高能点火器2019年8月17日等离子煤粉燃烧器2019年8月17日等离子点火系统组成2019年8月17日等离子燃烧器2019年8月17日第四节煤粉炉的炉膛及其特性一、煤粉锅炉的炉膛1.炉膛结构需满足的要求（1）空间足够，形状合理（2）炉内温度场和空气动力特性良好（3）布置足够辐射受热面，炉膛出口烟温合理2.影响炉膛形状、尺寸的因素燃料种类、燃烧方式、燃烧器布置、