第四讲-煤粉燃烧及燃烧器

锅炉设备第四讲煤粉燃烧及燃烧设备第一部分燃料3一、煤的成分及分析基准一般通过元素分析和工业分析来确定煤中各组成成分的含量。4（一）煤的元素分析成分（1）碳（C）碳是煤中含量最多的可燃元素，也是煤的基本成分，其含量约为45％～85％。1kg碳完全燃烧约可放出32866kJ的热量。含碳量越高的煤，着火和燃烧就越困难。（2）氢（H）氢是煤中单位质量发热量最高的可燃元素。氢在煤中的含量较少，约为3％～6％，地质年龄越长的煤，其含量越少。1kg氢完全燃烧时可放出120×103kJ的热量，比碳的发热量高3～5倍。氢的含量越高，煤就越容易着火和燃烧。5（一）煤的元素分析成分（3）硫（S）硫的含量一般不超过2％，个别煤种含量高达3％～10％。1kg硫完全燃烧时可放出约9040kJ的热量。硫是煤中有害的可燃元素。（4）氧（O）和氮（N）（5）水分（M）各煤种的水分含量差别很大，少的仅2％左右，多的可达50％～60％。水分的含量一般随煤的地质年代的延长而减小，同时也受开采方法、运输和储存条件的影响。（6）灰分（A）灰分是煤燃烧后剩余的不可燃矿物杂质，它与燃烧前煤中的矿物质在成分和数量上有较大区别。灰分的含量在各煤种中的变化很大，少的只有4％～5％，多的高达60％～70％。从燃烧的稳定性和运行的安全性考虑，燃煤的灰分不宜超过40％。6（二）煤的工业分析(通过干燥、加热、燃烧）（1）水分（M）全水分测定方法是：将煤样置于105～110℃（褐煤相应的温度约为145℃）的烘箱内约2h，使之干燥到恒重，其所失去的质量占原煤样质量的百分数为该煤的水分值。（2）挥发分（V）将失去水分的煤样放火带盖的坩埚中。置于900℃高温电炉内隔绝空气加热约7min后，试样所失去的质量占原煤试样质量的百分数即为原煤的挥发分值。煤中挥发分含量越高，煤越容易着火，越容易燃尽。7（二）煤的工业分析（3）固定碳（FC）和灰分（A）原煤试样除掉水分，析出挥发分后，剩余部分就是焦炭，焦炭由固定碳和灰分组成。测定方法是：将焦炭放入箱形电炉内；在815±10℃的温度下灼烧2h，固定碳基本烧尽，取出冷却至室温，这时焦炭所失去的质量就是固定碳的质量，剩余部分则是灰分的质量。而这两个质量各占原煤试样质量的百分数，就分别是煤样的固定碳和灰分的含量。83．煤的成分分析基准煤中的成分是以质量百分数表示的。由于煤中的水分和灰分含量常随开采、运输、储存等因素的变化而变化，即使同一种煤，由于水分和灰分的变化，其他成分的含量也就随之变化，因此在给出煤中的成分含量时，应注明其分析基准才有实际意义。常用的分析基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种，相应的表示方法是在各成分符号右下角加角标ar、ad、d、daf。93．煤的成分分析基准10二、煤的主要特性1．煤的发热量发热量是煤的重要特性之一，单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量，称为煤的发热量，包括高位和低位发热量；用Q表示，以kJ/kg为单位。Qar,net标准煤：Qar,net=29270KJ／kg的煤称标准煤。2．灰的熔融性用灰的变形温度DT、软化温度ST和液化温度FT来表示。11二、煤的主要特性变形温度DT—灰锥顶端变圆或开始弯曲时的温度，℃；软化温度ST—灰锥弯曲并触及托板或整个灰锥变成半球形时的温度，℃；液化温度FT—灰锥完全溶化成液态并能在托板上流动时的温度，℃。为防止炉膛出口附近的受热面上结渣，应使炉膛出口烟气温度比灰的软化温度ST低50～100℃。12三、动力煤的分类（用Vdaf作为分类依据）1．无烟煤无烟煤Vdaf≤10％。表面有明显的光泽，机械强度高，密度较大，不易碾磨。无烟煤埋藏年代长，碳化程度最深，其含碳量最高（一般C＞50％，最高可达95％）。由于挥发分含量少，且挥发分析出温度较高，故不易着火，也不易燃尽，但其发热量高，且燃烧时焦炭无黏结性，储存过程中不易风化。13三、动力煤的分类2．贫煤贫煤10％＜Vdaf≤20％碳化程度较无烟煤低，含碳量高，挥发分较低，故一般不易点燃，但其发热量不低(＞18.5×103kJ／kg)，且燃烧时火焰较短，不易结焦。对Vdaf低的贫煤，在燃烧性能方面与无烟煤相近。3．烟煤Vdaf=20％～40％。烟煤外表呈灰黑色，有光泽，质地松软，一般碳的含量Car=40％～70％。灰分含量Aar=7％～30％，水分含量Mar=3％～18％。由于烟煤的挥发分含量较高，着火及燃烧都比较容易，火焰也长，且发热量较高。但燃烧时大多数烟煤有弱焦结性。14三、动力煤的分类4．褐煤褐煤Vdaf＞40％(最高可达60％）外表多呈褐色或黑褐色，质软易碎。褐煤碳化程度很浅，含碳量Mar40％～50％，水分含量Mar＝20％～40％，灰分含量Aar＝6％～40％，水分、灰分含量较高，因而发热量较低。由于挥发分含量高，且析出温度较低，故着火和燃烧都比较容易，也很容易风化和自燃，不宜远途输送和长时间储存。第二部分燃烧原理16一、煤粉气流燃烧过程煤粉的燃烧过程可由下述过程粗略地描写：煤粉受热，水分析出→继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火→引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽→形成灰渣。17一、煤粉气流燃烧过程（1）着火前的准备阶段特点：水分蒸发、挥发分析出。（2）燃烧阶段特点：挥发分燃烧、碳燃烧。（3）燃尽阶段特点：残碳继续燃烧18一、煤粉气流燃烧过程大部分挥发分着火，燃尽时间仅占整个燃烧过程的10％，约为0.2～0.5秒；而焦碳燃尽程度达到98％的过程所占的时间很长，约为90％，燃尽时间为1～2.8秒。从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的60～95％。着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦碳的燃烧速度。根据实际经验，一般着火时间长的燃料，所需的燃尽时间也相应地比较长。19煤燃烧的主要阶段：挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一，绝大部分时间为焦碳的燃烧。一般认为是串联，也有交叉过程。20二、煤粉迅速完全燃烧的条件（l）相当高的炉内温度（2）供应充足而又合适的空气量（3）燃料和空气的充分混合（4）足够的炉内停留时间21三、煤粉气流的燃烧1、影响煤粉气流着火的因素222、风量变化对燃烧的影响（1）一次风与二次风一次风量：三、煤粉气流的燃烧主要取决于煤的挥发分含量。满足煤粉中挥发分着火燃烧所需的氧量，满足输送煤粉的需要。23一次风速：一次风速不但决定着火燃烧的稳定性，而且还影响着一次风气流的刚度。一次风速过低，对稳定燃烧和防止结渣也是不利的。原因在于：(1)煤粉气流刚性减弱，易弯曲变形，偏斜贴墙，切圆组织不好，扰动不强烈，燃烧缓慢；(2)煤粉气流的卷吸能力减弱，加热速度缓慢，着火延迟；(3)气流速度小于火焰传播速度时，可能发生“回火”现象，或因着火位置距离喷口太近，将喷口烧坏；(4)易发生空气、煤粉分层，甚至引起煤粉沉积、堵管现象。三、煤粉气流的燃烧24一次风温：一次风温既应满足使煤粉尽快着火，稳定燃烧的要求，又应保证煤粉输送系统工作的安全性。二次风量和风速：二次风量、风速、风温和投入位置对着火稳定性和燃尽过程起着重要作用。对于大容量锅炉尤其要注意二次风穿透火焰的能力。二次风是在煤粉气流着火后混入的。由于高温火焰的粘度很大，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦碳粒子表面的接触和混合，故通常二次风速比一次风速提高一倍以上。三、煤粉气流的燃烧25三、煤粉气流的燃烧二次风温：从燃烧角度看，二次风温愈高，愈能强化燃烧，并能在低负荷运行时增强着火的稳定性。但是二次风温的提高受到空气预热器传热面积的限制，传热面积愈大，金属耗量就愈多，不但增加投资，而且将使预热器结构庞大，不便布置。26（2）三次风、周界风、夹心风三次风：三次风对燃烧有明显的不利影响：(A)使火焰温度降低，燃烧不稳定。(B)火焰拖长，炉膛出口烟温升高，使过热器与再热器超温，汽温调节幅度增大。(C)三次风高速射入，使火焰残余旋转增大，同时飞灰可燃物增加。(D)三次风量较大时，风速也增大，易扰乱炉正常的空气流动，引起火焰贴墙结渣。三、煤粉气流的燃烧27(A)冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形。(B)就起着补氧作用。(C)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。(D)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。周界风的风量一般为二次风量的10％或略多一些，风速为30～40m／s，风层厚度为15～25mm。周界风：周界风的作用三、煤粉气流的燃烧28夹心风：夹心风的作用：(A)补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度。(B)高速的夹心风提高了一次风射流的刚度。(C)夹心风速度较大时，一次风射流扩展角减小，煤粉气流扩散减弱，对于减轻和避免煤粉气流贴壁，防止结渣有一定作用。(D)可作为变煤种、变负荷时燃烧调整的手段之一。三、煤粉气流的燃烧29四、煤粉气流着火、燃烧、燃尽及强化1．煤粉气流的着火与强化（1）组织强烈的煤粉与高温烟气的混合。（2）提高一次风温、采用合适的一次风量和风速。（3）采用较细较均匀和敷设卫燃带。煤粉气流的燃烧与强化。302．煤粉气流的燃烧与强化（1）合理的送入二次风。（2）较高的二次风温和风速；（3）合理组织炉内空气动力工况。（4）保持较高的炉温。四、煤粉气流着火、燃烧、燃尽及强化313．煤粉气流的燃尽与强化（1）保证煤粉在炉内停留的时间。（2）强化着火和燃烧区的燃烧。（3）改善火焰在炉内的充满程度。（4）保证煤粉细度，提高煤粉的均匀度。（5）选择合适的炉膛出口过量空气系数。四、煤粉气流着火、燃烧、燃尽及强化324.低负荷稳燃技术（1）提高一次风气流的煤粉浓度。（2）提高煤粉气流的初温。（3）提高煤粉颗粒细度。（4）在难燃煤中加入易燃燃料。四、煤粉气流着火、燃烧、燃尽及强化第三部分燃烧设备34煤粉炉的燃烧设备包括燃烧器点火装置炉膛。35一、煤粉燃烧器煤粉燃烧器是燃煤锅炉燃烧设备的主要部件。其作用是：(1)向炉内输送燃料和空气；(2)组织燃料和空气及时、充分的混合；(3)保证燃料进入炉膛后尽快、稳定的着火，迅速、完全的燃尽。36一、煤粉燃烧器进入煤粉炉燃烧器的空气不是一次集中送进的，按对着火、燃烧有利而合理组织、分批送入，按作用不同，可分为三种一次风携带煤粉送入燃烧器的空气。主要作用是输送煤粉和满足燃烧初期对氧气的需要二次风待煤粉气流着火后再送入的空气。二次风补充煤粉继续燃烧所需要的空气，并起气流的扰动和混合的作用。三次风对中间储仓式热风送粉系统，为充分利用细粉分离器排出的含有10%～15%细粉的乏气，由单独的喷口送入炉膛燃烧，这股乏气称为三次风。37一、煤粉燃烧器（一）直流燃烧器1．直流射流的特性2．直流燃烧器布置及炉内燃烧工况直流燃烧器通常由一列矩形喷口组成。煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。38（一）直流燃烧器直流煤粉燃烧器的一、二次风喷口的布置方式大致上有两种类型。（1）均等配风直流燃烧器。（2）分级配风直流燃烧器。391、均等配风直流燃烧器适用于燃烧容易着火的煤，如烟煤、挥发分较高的贫煤以及褐煤。这类燃烧器的一、二次风喷口通常交替间隔排列，相邻两个喷口的中心间距较小。因一次风携带的煤粉比较容易着火，故希望在一次风中煤粉着火后及时、迅速地和相邻二次风喷口射出的热空气混合。这样，在火焰根部不会因为缺乏空气而燃烧不完全，或导致燃烧速度降低。因而沿高度相间排列的二次风喷口的风量分配就接近均匀。401、均等配风直流燃烧器一次风二次风二次风直流喷燃器配风图411、均等配风直流燃烧器422．一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器适用于燃烧着火比较困难的煤，如贫煤、无烟煤或劣质煤。这种燃烧器的特点是：几个一次风喷口集中布置在一起，一、二次风喷口中心间距较大。由于一次风中携带的煤粉着火比较困难，一、二次风的混合过早，会使火焰温度降低，引起着火不稳定。为了维持煤粉火焰的稳定着火，希望推迟煤粉气流与