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第六章燃烧设备和煤粉燃烧新技术2煤粉炉的炉膛炉膛的作用与型式煤粉燃烧器燃烧器的作用与要求燃烧器的类型与布置煤粉火炬的稳燃技术W型火焰燃烧方式W型火焰炉膛结构W型火焰燃烧方式的特点燃烧污染物的控制方法N0X、S0X的控制技术内容提要3第一节锅炉燃烧设备概述一、不同的煤燃烧方式火床炉，煤粉炉，循环流化床锅炉二、煤粉锅炉燃烧设备的组成炉膛+燃烧器+供风设备+制粉设备三、煤粉燃烧器的作用与类型燃烧器输送煤粉和一次空气，组织煤粉气流的着火、稳定和低污染燃烧。4四、炉膛的作用与类型炉膛的作用：经济、安全地组织和完成燃烧过程和传热过程。煤粉锅炉炉型：П型炉最多，分为四角燃烧、墙式燃烧；W型火焰炉，塔式炉，旋风炉等五、锅炉燃烧设备的发展方向高效、低污染的燃烧技术和设备。5六、与炉内燃烧过程相关的问题(1)受热面积灰、结渣；(2)受热面金属表面的高温腐蚀；(3)蒸发受热面中水动力的安全性；(4)氧化氮等污染物的生成；(5)火焰在炉膛容积中的充满程度。6直流燃烧器直流射流直流燃烧器的类型直流燃烧器的布置旋流燃烧器旋流射流旋流燃烧器的类型与布置第二节燃烧器的类型与布置7燃烧器的作用是将燃料与燃烧所需空气按一定的比例、速度和混合方式经喷口送入炉膛保证燃料与空气充分混合、及时着火、稳定燃烧和燃尽，燃烧效率较高能形成良好的炉内空气动力场，火焰在炉内的充满程度好，且不会冲墙贴壁，避免结渣有较好的燃料适应性和负荷调节范围能减少NOX的生成，减少对环境的污染结构简单，流动阻力较小燃烧器的作用与要求81-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布等温自由射流的结构特性及速度分布湍流自由射流是直流燃烧器各喷口以较高的初速（Re≥105）和一定的浓度，射入尺寸很大的炉膛空间（炉膛内充满高温、静止介质（烟气），煤粉浓度为零）的煤粉气流湍流自由射流除了做整体运动外，流体微团还具有纵向脉动和横向脉动，后者对热质交换起着重要作用W0C0T0直流射流空气动力特性91-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布射流（煤粉气流）自喷口喷出后，沿着轴线方向运动，其边界上的流体微团不断与周围介质发生热质交换和动量交换，将部分周围高温、静止介质卷吸到射流中来，并随射流一起运动射流横断面不断扩展，流量Q增加；煤粉浓度C下降；温度T升高；轴向速度W逐渐减慢，最后射流的能量完全消失在空间介质中直流射流空气动力特性10射流核心区射流中心尚未被周围气体混入，保持初速w0的区域湍流边界层核心区维持初速w0的边界称为内边界；射流与周围气体的分界称为外边界。内、外边界间区域为湍流边界层，其内为射流本身的流体以及卷吸进来的周围气体1-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布直流射流空气动力特性11转折截面核心区消失，只在射流轴线保持初速w0的某点对应的截面。在转折截面前的射流段称为初始段，在转折截面后的射流称为基本段.扩展角射流外边界线的交点称为源点，其交角称为扩展角1-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布直流射流空气动力特性12射流的扩展角决定了射流的外边界线，也就是决定了射流的形状。直流射流的扩展角用下列公式计算：对于圆形喷口4.32tg对于矩形喷口4.22tg式中——经验系数。对于圆形喷口，＝0.07～0.08；对于矩形喷口，＝0.10～0.11。13卷吸量Q外边界卷吸的高温烟气量圆形喷口的卷吸量大于矩形喷口；一个喷口分成总面积相等的若干个小喷口，卷吸量是增加的直流Q＜旋流Q；直流射流适用于无烟煤，后期混合好直流射流空气动力特性14显然，射流卷吸周围气体越多，衰减较快。射程L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射程反映轴向速度wm沿射流运动方向衰减的程度，即射流对周围气体的穿透能力。直流射程L旋流射程L直流射流空气动力特性15射流的刚度射流组的流动过程射流在有限空间内，抵抗外界干扰不发生偏离轴线的能力。刚度不够，射流偏移到炉墙，可能引起结渣；偏向其他射流，会干扰其正常工作，射流的初始动量越大，刚度越大扩展角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氧化剂的及时补充有很大影响，直流射流的θ相对较小。直流射流空气动力特性16四角切圆燃烧方式直流燃烧器及其布置直流燃烧器布置在炉膛四角，每个角的燃烧器出口气流的几何轴线均切于炉膛中心的假想圆，故称四角布置切圆燃烧方式。由于四角射流着火后相交，相互点燃，有利于稳定着火；四股气流相切于假想圆后，使气流在炉内强烈旋转，有利于燃料与空气的扰动混合；而且火焰在炉内的充满程度较好。17均等配风燃烧器一、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直流燃烧器的一、二、三次风分别由垂直布置的一组圆形或矩形的喷口以直流湍流自由射流的形式喷入炉膛，根据燃煤特性不同，一、二次风喷口的排列方式可分为均等配风和分级配风直流燃烧器均等配风18均等配风燃烧器一、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，达到完全燃烧.均等配风适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐煤型配风方式直流燃烧器均等配风19分级配风燃烧器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，强化气流的后期混合，促使燃料燃烧与燃尽。直流燃烧器分级配风202.分级配风(1)目的：在燃烧过程不同时期的各个阶段，按需要送入适量空气，保证煤粉既能稳定着火、又能完全燃烧。(2)特点使着火区保持比较高的煤粉浓度，以减少着火热；燃烧放热比较集中，使着火区保持高温燃烧状态，适用于难燃煤；煤粉气流刚性增强，不易偏斜贴墙。同时，卷吸高温烟气的能力加强。21分级配风一次风处于高温、风速较低，喷口易烧坏。为了冷却，可采用夹心风或周界风。适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，称为无烟煤和贫煤配风方式。(3)一次风集中布置的问题着火区煤粉高度集中，易造成着火区供氧不足，延缓燃烧进程；喷嘴附近为高温区，喷嘴易变形，使喷嘴出口附近气流速度分布不均，容易出现空气、煤粉分层。22周界风（属于二次风）周界风的作用是：(1)冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形；(2)少量热空气与煤粉火焰及时混合。(3)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；并能托住煤粉，防止煤粉从主气流中分离出来而引起不完全燃烧；(4)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。23夹心风（属于二次风）夹心风的作用：(1)补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度，而对一次风射流外缘的烟气卷吸作用没有明显的影响；(2)高速的夹心风提高一次风射流的刚度，能防止气流偏斜，而且增强了煤粉气流内部的扰动，对加速外缘火焰向中心的传播是有利的；(3)夹心风速度较大时，扩展角减小，煤粉气流扩散减弱，这对于减轻和避免煤粉气流贴壁，可防止结渣；(4)可作为变煤种、变负荷时燃烧调整的手段之一。24切圆燃烧方式直流燃烧器的布置炉膛四角或接近四角布置，四个角燃烧器出口气流的轴线与炉膛中心的一个或两个假想圆相切，使气流在炉内强烈旋转，形成旋转燃烧火焰。三、直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式25三、四角布置直流燃烧器的工作原理1、工作原理主要表现为几个过程：(1)煤粉气流卷吸高温烟气而被加热的过程；(2)射流的相互撞击、射流两侧的补气及压力平衡过程；(3)煤粉气流的着火过程；(4)煤粉与二次风空气的混合过程；(5)四股气流形成的切圆旋转过程；(6)焦碳的燃尽过程。26从燃烧器喷口射出的气流仍然保持着高速流动。气流的紊流扩散，带动周围的热烟气一道向前流动，形成“卷吸”。射流质量不断扩大，速度不断衰减。高温烟气将热量不断送给新煤粉气流，煤粉气流不断升温，而从汽流的外边缘着火，然后火焰迅速向气流深层传播，达到稳定着火状态。着火过程：272、“自点燃”作用煤粉气流向火的一侧受到上游邻角高温火焰的直接撞击被点燃，这是着火的主要条件。背火的一侧也卷吸炉墙附近的热烟气，但量较少。正常燃烧时，一般在距离喷口0.3～0.5m处开始着火，在离开喷口1-2m的范围内，大部分挥发分析出并烧完。此后是焦炭和剩余挥发分的燃烧，需要延续10-20m的距离。到炉膛出口，燃料中的98%的可燃物基本可以燃尽。一、二次的过早混合28切圆燃烧方式的特点煤粉气流着火所需热量，除依靠本身外边界卷吸烟气和接受炉膛辐射热以外，主要是靠来自上游邻角正在剧烈燃烧的火焰的冲击和加热，着火条件好火焰在炉内充满度较好，燃烧后期气流扰动较强，有利于燃尽，煤种适应性强缺点：风粉管布置复杂直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式29为什么切圆燃烧方式直流燃烧器的一次风喷口是多层布置？1、随着锅炉容量的增大，单个一次风喷口的热负荷不成正比增加，否则会导致炉膛局部热负荷过高而引起结渣;2、燃烧中心温度过高，致使有害气体NOx的产量增加;切圆燃烧直流燃烧器主要热力参数30四、四角切圆燃烧的气流偏斜及切圆直径1、气流偏斜问题引起燃烧器出口气流偏斜的主要原因是：（1）邻角气流的撞击是气流偏斜的主要原因。（2）射流偏斜还受射流两侧“补气”条件的影响。（3）燃烧器的高宽比(hr/b)对射流弯曲变形影响较大。（4）当燃烧器多层布置时，上层气流不断的被卷吸到下层气流中，加上气流受热膨胀的影响，使气流容积流量增大，旋涡直径相应增大，一般可使实际切圆直径膨胀到假想切圆直径的8～10倍。31切圆燃烧方式实际气流并不能完全沿轴线方向前进，会出现一定的偏斜，严重时会导致燃烧器出口射流贴墙或冲墙。邻角气流的横向推力大小取决于四角射流的旋转动量矩。其中二次风射流动量矩起主要作用；一次风射流本身的动量（刚性）则是维持气流不偏斜的内在因素。一次风煤粉气流的偏斜32增加一次风动量或减少二次风动量，可减轻一次风射流的偏斜。但一次风速受着火条件限制，不能相应提高；而为加强炉内气流的扰动，二次风速也不宜降低。一、二次风速推荐值见下表一次风煤粉气流的偏斜33一次风煤粉气流的偏斜过小的djx则会使炉内高温火焰集中的炉膛中央，炉膛四周温度水平较低也不利于煤粉气流的着火。假想切圆直径dJX较大的dJX可使邻角火炬的高温烟气更易达到下角射流的根部，扰动更强烈，有利于煤粉气流着火、燃尽；但dJX过大，射流偏斜增大，容易引起水冷壁结渣；炉膛出口较大的残余旋转会引起烟温和过热汽温偏差。34炉膛和燃烧器的结构特性燃烧器射流两侧卷吸烟气形成负压，内侧（向火侧）夹角α1大，且有上游邻角气流横扫过来，补气条件充裕；面向炉墙的一侧（外侧）夹角α2小，且需从射流较远处回流烟气或由射流上下两端来补气，补气条件很差，射流两侧因此出现压差，迫使射流偏向压力低的一侧一次风煤粉气流的偏斜35燃烧器的结构特性直流燃烧器的狭长形喷口喷出来的扁薄射流，刚性较差，一次风射流因着火需求，刚性更差，更易偏斜。因此为增加刚性，燃烧器的高宽比不能过大，一般小于6－8。但是高宽比大会使出口气流与炉内高温烟气接触大而对着火和燃烧有利。一次风煤粉气流的偏斜燃烧器的多层布置会使得实际切圆直径远大于假想切圆直径，导致气流贴墙。36下二次风防止煤粉离析，避免未燃烧的煤粉直接落入灰斗；托住火焰不致过分下冲，避免冷灰斗结渣，风量较小中二次风是均等配风方式煤粉燃烧阶段所需氧气和湍流扰动的主要风源，风量较大。上二次风提供适量的空气保证煤粉燃尽，是分级配风方式煤粉燃烧和燃尽的主要风源，风量较大。直流燃烧器各层二次风的作用燃尽风喷口位于整组燃烧器的最上部（三次风喷口之上），送入剩余15%的空气，实现富燃料燃烧，抑制燃烧区段温度，达到分级燃烧目的，有效减少炉内NOX生成量，有利于燃料的燃