《锅炉原理》课件第6章 燃烧过程的基本理论-2013

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 燃烧过程的基本理论,本章内容提纲,本章内容,燃烧概论,燃烧反应的质量作用定律与阿累尼乌斯定律,影响燃烧反应速度的因素,碳粒燃烧的一次反应与二次反应,燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区,热力着火、熄火条件,煤和煤粉气流的着火和燃烧特点,燃烧完全的条件,重点掌握,阿累尼乌斯定律,燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区,着火和熄火的热力条件,煤和煤粉气流的着火和燃烧特点,燃烧完全的条件,燃烧,燃烧,的,定义,：是通过燃料和氧化剂在一定条件下，所进行的具有发光和发热特点的剧烈的氧化反应。,燃烧学,的定义：是研究燃烧过程基本规律及其应用技术的科学。它包括两方面的内容：,燃烧理论,和,燃烧技术,。,燃烧理论,着重研究燃烧过程所包含的各个基本现象，主要运用化学、传热传质学和流体力学的有关理论，对基本现象的物理化学本质进行阐述。,热能领域主要研究燃料的燃烧速度、燃烧稳定性、火焰的流场和结构、燃烧污染物生成机理和燃烧过程的数学模型的建立等等,。,燃烧技术,主要是把燃烧理论中所阐述的物理概念和基本规律与工程技术中的燃烧问题联系起来，对现有的燃烧方法进行分析和改进，探讨新的研究方法，提高燃料利用率和燃烧设备的水平。,燃烧涉及的学科,伴随着流动过程,流体力学,伴随着热量传输,传热学,伴随着新物质的生成和扩散,传质学,燃料和燃烧产物的热量转化及化学反应能够进行的程度,化学热力学,燃烧反应的速度,化学动力学,由此可见，燃烧过程是极其复杂的物理化学过程，是多门学科的综合和交叉,燃烧理论的发展,十八世纪中叶前对火的认识,组成宇宙的四大元素，古希腊的四元论（空气、水、火、土）；我国五行说（金、水、木、火、土）,德国化学家贝歇尔,/,斯塔尔为代表 ，,燃素学说,（燃烧是分解过程，释放燃素，一种没有重量的物质在流动）,十八世纪中叶,俄国化学家罗蒙诺索夫（,1756,）、法国化学家拉瓦锡（,1777,）根据试验首先正确阐明燃烧的本质：可燃物质的,氧化学说,十九世纪,热化学,及,热力学,的发展，燃烧过程被作为热力平衡系来研究，得出了燃烧过程中一些重要的静态特性参数：燃烧反应热、绝热燃烧温度、燃烧产物平衡成份的规律性等。,二十世纪初,美国化学家刘易斯,(B.Lewis),、苏联化学家谢苗诺夫研究了化学反应动力学机理，提出化学反应,动力学,是影响燃烧速率的重要因素，并发现燃烧反应具有链锁反应的特点，从而奠定了,燃烧理论,的基础。,上世纪二十年代到四十年代,俄国化学家谢苗诺夫等人由反应动力学和,传热传质,相互作用的观点，首次从定量关系上建立了着火及火焰传播的,经典燃烧理论,。,人们已逐渐认识到，限制燃烧过程的往往不仅是反应动力学而是传热传质,四十年代到五十年代,基于,扩散燃烧,或,扩散,动力,燃烧的观点开始研究了液滴和炭粒燃烧,五十年代末到六十年代,美国理学家冯,卡门（,Vol Karman,）和钱学森首先提出用连续介质力学来研究燃烧，逐步建立了,“,化学流体力学,”,或者,“,反应流体力学,”,，许多学者根据这一方法来研究燃烧问题，如层流燃烧、湍流燃烧、火焰稳定等，取得了广泛的研究成果，初步形成,燃烧流体力学,。,七十年代初,斯帕尔丁（,D B,Spalding,）等一批学者系统地把,计算流体力学,方法用于研究层流及湍流气体燃烧，液雾及煤粉燃烧，建立了燃烧的数学模拟方法及数值计算方法，形成了,“,计算燃烧学,”,的新领域。能很好地定量预测燃烧过程和燃烧设备性能，使燃烧理论及其应用达到了新的高度。同时燃烧测试技术的发展改进了试验方法和测试精度，使人们有可能更深入、更全面和更精确地研究和掌握燃烧机理。,3.1,化学反应速度及其影响因素,部分内容自学,(,化学反应速度、影响化学反应速度因素,),燃烧反应二种类型：均相反应和多,(,异,),相反应,主要解决化学反应速度。,燃烧反应速度的大小取决于反应物质与进行反应的条件。,化学条件：,燃料氧化反应的化学反应速度的影响因素有：,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,。,物理条件：,燃烧空气与燃料的,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。,质量作用定律：浓度对化学反应速度影响,见书本公式,3-4,阿累尼乌斯,(Arrhenius),定律,(,瑞典物理化学家,1889,年提出,),阿累尼乌斯定律,化学反应速度和反应速度常数与燃料性质及温度的关系,温度愈高，化学反应速度愈快，试验表明，温度每增加,10,化学反应速度可增加,1,2,倍。,1889,年阿累尼乌斯在实验的基础上，总结出了速率常数与热力学温度关系的经验公式,阿累尼乌斯定律：,k,0,频率因子或指前因子。单位浓度中，反应物分子间碰撞频率及有效碰撞次数的系数,E,活化能，受温度影响，但影响不大,kJ/kmol,T,热力学温度,K,R,气体常数,8.31kJ/(Kmol,.,K),温度对反应速度的影响集中反映在反应速度常数,k,上。,W,=kC,B,b,W,=kC,a,A,C,b,B,化学反应的先决条件是反应物分子必须先发生碰撞，能引起化学反应的碰撞称为,有效碰撞,，发生有效碰撞时形成的中间活化物分子称为,活化分子,，活化分子的平均能量,(,E,*,),与反应物分子的平均能量,(,E,),之差称为化学反应的,活化能,E,a,。,E,a,E,*,E,活化状态,反应物,产物,能量,a,b,c,E,(,放热,),E,1,E,2,反应进程,基元反应的能量变化示意图,E,=,E,1,(,E,a,) ,E,2,温度一定时，活化能越大，活化分子数就越少，反应速度越慢；,活化能越小，反应速度越快,。,在相同条件下，燃料的焦炭燃烧反应的活化能是不同的，高挥发分煤的活化能较小,活化分子与活化能,举例：某种煤燃烧反应活化能,E,=130kJ/mol,，不同温度时发生有效碰撞的概率,在阿定律中，反应物碰撞总数,K,0,，有效碰撞在总碰撞中的比例,exp(-,E,/,RT,),，则反应物有效碰撞数,(,代表反应速度,) ,K,0,exp(-,E,/,RT,),当温度,T,=300K,时，有效碰撞数,/,碰撞总数,=,当温度,T,=400K,时，有效碰撞数,/,碰撞总数,=,当温度,T,=1500K,时，有效碰撞数,/,碰撞总数,=,就是说每,4.43,10,22,次碰撞中只有一次碰撞是有效的。,计算结果表明，温度升高,100K,，有效碰撞几乎增加,45,万倍。,温度升高到实际燃煤锅炉燃烧温度,1500K,，有效碰撞增加,10,8,万倍以上。,一般化学反应的活化能约在：,41.9-419kJ/mol,，活化能小于,41.9kJ/mol,的反应，其速度快到难以测定,褐煤：,92-105kJ/mol,；烟煤：,117-134kJ/mol,；贫煤、无烟煤：,140-147kJ/mol,热天平试验,热重法,(Thermo gravimetry,，,TG),是在程序控制温度下测量物质的质量和温度关系的一种技术，用于热重法的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关系（,TG,曲线）。,燃烧反应动力学方程：,为转化百分率，,为升温速率。,f,(,),为反应机理函数，表示反应速率,d,/,dT,与转化率,之间所遵循的函数关系。,k,(,T,),为速率常数，与温度的关系通常认为符合,Arrhenius,公式,升温速率为,20 /min,失水阶段,挥发分析出与,焦炭燃烧阶段,剩余灰渣,煤样,转化率,E,/ (KJ/mol),R,r,SD,云石煤,0.2,198.64,0.99987,0.01062,0.5,168.07,0.99813,0.03406,0.8,137.95,0.99966,0.01309,江山煤,0.2,190.25,0.99999,0.00498,0.5,121.57,0.99151,0.09241,0.8,210.15,0.99999,0.00429,风川煤,0.2,210.09,0.99891,0.04129,0.5,180.54,0.99754,0.06415,0.8,113.08,0.98815,0.10371,华亭煤,0.2,114.57,0.99643,0.06859,0.5,41.59,0.98893,0.06565,0.8,16.91,0.97234,0.06368,煤样,工业分析,w/%,Q,net,ad,kJ/kg,M,ad,A,ad,V,ad,V,daf,FC,ad,云石煤,1.13,84.38,3.77,26.02,10.72,3574,江山煤,1.02,81.68,6.44,35.35,11.78,3611,风川煤,0.91,84.86,3.31,23.39,10.84,4063,华亭煤,3.43,20.73,26.72,35.23,49.12,22185,鸿基煤,0.89,27.02,6.72,9.32,65.37,24421,凤川煤,华亭煤,云石煤,催化剂对化学反应速率的影响,催化剂,:,凡能改变反应速率而它本身的组成和质量在反应前后保持不变的物质。,催化作用,:,催化剂能改变反应速率的作用。,2SO,2,+ O,2,=2SO,3,V,2,O,5,A+K,AK+B,AB+K,E,1,E,2,E,a,A + B = AB,催化机理,:,主要是改变了反应的途径，从而使反应的,活化能发生了改变,。,反应,A+B=AB,，没有催化剂的活化能为,Ea,，有催化剂时活化能为,E1,和,E2,A+K = AK E,1,AK+B = AB +K E,2,催化反应,3.2,煤、碳粒和煤粉的燃烧,煤燃烧、碳燃烧、煤粉燃烧（煤粉气流燃烧）概念不同,一、煤燃烧过程的四个阶段,预热干燥阶段：水分蒸，吸热过程， 温度,200,300,；,燃烧阶段：挥发分和焦炭,燃烬阶段：焦炭燃尽成灰渣,说明,：,(1),实际上，四个阶段没有明显区别，特别是挥发分析出、着火及燃烧和焦炭燃烧没有明显区别。,曾经有人在实验室做试验与加热速率有很大关系。,10,3,/S,有明显的热分解挥发分析出燃烧；,10,4,/S,着火,产生火焰,显著热分解。,煤粉炉,5000,10,4,/S,没有明显区别。,工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳,元素分析：碳、氢、氧、氮、硫,(2),时间,挥发分占比例小，干燥无灰基烟煤,20,30%,，燃烧时间极短。,挥发分析出,+,挥发分与空气混和,+,着火燃烧,90% 1,秒左右,煤粉在炉内停留时间,2,3S,左右。,(3),位置,挥发分析出、着火燃烧,燃烧器区域前期（未到中心）；,焦炭燃烧,燃烧器区域后期至炉膛中心位置；,燃烬阶段,炉膛中部到出口前；,(4),挥发分组成,CO,2,、,CO,、,CH,4,、,H,2,、,C,2,H,2,、,C,m,H,m,、少量,H,2,S,、,N,2,；,(5),最重要的是着火和燃烬两个阶段。,二、碳的燃烧反应,煤中含有大量碳，,50-95%,，发热量，,60-95%,。关于碳燃烧，,3,种反应：,碳表面和氧的多相反应,C + O,2,CO,2,C + 1/2O,2,CO,（一次反应）,碳表面生成物的二次反应,CO,2,+ C,2CO,CO + 1/2O,2,CO,2,（二次反应）,xC + y/2O,2,C,x,O,y,（,nCO + mCO,2,）,分解生成,CO,、,CO2,1.,最终产物,CO,2,，在氧气不足（还原性）部分,CO,，衡量燃烧好坏指标。,2.,煤中有水：,C + H,2,O, CO + H,2,C + 2H,2,O, CO,2,+ 2H,2,CO + H,2,O, CO,2,+ H,2,完全燃烧最终,CO,2,+ H,2,O,3.,燃烧与气化,气化就是生成,CO,，而不是,CO,2,（人为）,2.1,碳的燃烧化学反应,2.2,碳的多相燃烧特点,用物理模型来说明碳多相燃烧过程，一般认为,O,2,扩散燃烧,5,个阶段，详见,书本,61,。,(1),参与燃烧反应的气体分子,(,氧,),向碳粒表面的转移与,扩散,；,(2),气体分子,(,氧,),被吸附在碳粒表面上；,(3),被吸附的气体分子,(,氧,),在碳表面上发生,化学反应,生成燃烧产物；,(4),燃烧产物从碳表面上解吸附；,(5),燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。,吸附与解吸附最快。,扩散与化学反应最慢，但最主要。因此，碳的多相燃烧速度决定于氧向碳粒表面的扩散速度和氧与碳粒的化学反应速度中速度最慢的一个。,2.3,多相燃烧反应的燃烧区域,在碳的多相燃烧中，多相化学反应速度，用气相,O,2,消耗速度,w,1,表示化学反应速度：,燃烧化学反应速度也可用氧向碳粒表面扩散速度表示：,C,s,碳粒表面上氧的浓度，,kg/m,2,；,C,0,周围介质中氧的浓度，,kg/m,2,；,k,化学反应速度常数；,扩散速度常数。,燃烧稳定时,w,1,=,w,2,=,w,经推到：,C,0,C,s,k,碳粒,1.,动力燃烧区域,燃烧时,T,不高,(,900-1000),，反应不强烈，,k,，扩散能力,化学反应能力时，这是燃烧工况所处的区域称为动力燃烧区,(,阶段,),特征及措施,：,碳粒表面氧浓度基本上等于周围介质中氧浓度：,C,s,=,C,0,燃烧反应速度,w,=,kC,0,燃烧反应速度决定于化学反应速度，与扩散速度无关；,燃烧温度不高，提高温度是强化燃烧的有效措施。,2.,扩散燃烧区域,燃烧,T,很高,(,1500-1600 ),，化学反应非常激烈，,k,，化学反应能力,扩散能力，这是燃烧工况所处的区域称为扩散燃烧区,(,阶段,),特征及措施：,碳粒表面氧浓度基本上等于零：,C,s,= 0,燃烧反应速度,w,=,C,0,燃烧反应速度决定于扩散速度，反应速度常数与,T,无关，燃烧反应速度与,T,关系不大，强化措施,，加强风速，扰动，减少碳粒直径。,燃烧温度很高，,环境温度,多相燃烧各区氧浓度变化,多相燃烧的反应区域,3.,过渡燃烧区域,实际情况大部分是该区域，,T,适中，过渡燃烧区域,4.,判断,C,s,/,C,0,，谢苗诺夫准则：,/,k,=,SM,，,无烟煤的燃烧速度实验,燃烧区域名称,动力燃烧区域,过渡燃烧区域,扩散燃烧区域,比值,C,s,/C,0,0.9,0.1-0.9,0.1,SM,值,0.9,0.11-0.9,0.11,上述三种不同的燃烧区域并不是固定不变的，而是随着外界条件的变化而相互转移。例如，当温度提高时，化学反应速度急剧增加，原有的气流扩散速度显得过于缓慢，氧气的供应满足不了要求，于是燃烧过程由动力燃烧区移向过渡燃烧区甚至移向扩散燃烧区；,反之，当气流扩散速度增大,(,焦炭颗粒直径缩小,),，并超过化学反应速度时，氧气的供应有了剩余，温度成了强化燃烧的阻力，于是燃烧过程由扩散燃烧区移向过渡燃烧区甚至移向动力燃烧区。,为了强化燃烧，层燃炉燃烧,d,15,25mm,的煤块时，温度只需达到,1000,1100,左右，燃烧即处于扩散燃烧区，在保证火床稳定的情况下，,必须加强送风，提高空气与焦炭颗粒之间的相对速度即可。,煤粉炉，由于煤粉颗粒很小,(d,100m),，温度达到,1700,以上，燃烧才能进入扩散燃烧区。只有在燃烧中心区的粗颗粒煤粉才能处于扩散燃烧区，在燃烧中心以外，特别是在炉膛出口处，煤粉均处于过渡燃烧区甚至动力燃烧区中燃烧。所以，,强化燃烧必须同时提高炉膛温度和加强燃料与空气的混合。,三、煤与煤粉的燃烧特点,1.,煤的燃烧特点,主要强调煤燃烧与纯碳燃烧区别。化学反应角度看：,(1),煤中含有水,生成,CO,、,H,2,，使反应复杂。,(2),挥发分,对煤粉燃烧有影响：产生热量，形成孔隙结构，更容易燃烧；消耗碳周围氧，增加扩散阻力，不利于燃烧。,(3),产生灰渣,阻碍扩散，如,T,，结渣，扩散就更困难。,(4),水分和挥发分析出后，形成多孔结构，有利于燃烬。水煤浆比煤粉好烧就是这个道理。,灰层,碳层,外扩散,扩散燃烧灰层厚度,燃烧过程颗粒微观形态变化,(a) 400mm,(b) 700mm,(c) 1200mm,(d) 1900mm,(e) 2500mm,(f) 3100mm,密实团状样,多孔结构,团聚烧结,剧烈燃烧,/,破碎,/,球形灰粒,高温熔融,/,球形灰粒增加,燃烧结束,/,球形飞灰颗粒,(5),燃烧过程与燃烧区域,靠近碳表面的燃烧产物是,CO,，它扩散离开表面，与氧生成,CO,2, CO,2,向两个方向上扩散，并在碳表面发生反应还原成,CO,。,2.,煤粉燃烧特点,颗粒很小，,30,100m,，加热速度快,5000,10,4,/S,，几个阶段已没有明显区别。,在表面燃烧碳层中气体成分和温度的分布,3.3,燃烧过程着火和熄火的热力条件,由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程称为,着火,，转变的瞬间温度成为,着火温度,。,燃料与空气组成的混合物，其燃烧过程的发生与停止,(,着火与熄火,),、以及燃烧过程能否稳定地进行主要取决于燃烧过程所处的,热力条件,。,炉内煤粉空气混合物燃烧发热量,Q,1,(kJ/s),：,向周围介质散失的热量,Q,2,：,:,煤粉反应表面氧浓度，,kmol/m,3,；,V,:,可燃混合物容积，,m,3,；,Q,r,:,可燃物反应热，,kJ/kmol,；,:,混合物向炉膛壁面的综合放热系数，等于对流换热系数与辐射换热系数之和；,A,:,炉膛壁面面积，,m,2,；,T,:,反应系统温度，,K,。,T,b,:,炉膛壁面的温度，,K,。,谢苗诺夫自燃理论,放热量与散热量随温度变化曲线,1,点：稳定的低温缓慢氧化状态,2,点：热力着火点,(,不稳定状态,),3,点：高温燃烧状态,4,点：热力熄火点,5,点：低温缓慢氧化状态点,Q,1,和,Q,2,相切的数学条件：散热和放热相等，即,Q,1,=,Q,2,；,在二曲线相切点,2,处的斜率应相等，即,d,Q,1,/d,T,= d,Q,2,/d,T,稳定着火条件,：,放热及散热曲线,关于着火的几点说明,有关着火的几个概念,：,1.,化学自热,：不需要外界给入热量，在常温下依靠自身的化学反应发生的着火。,2.,热自燃,(,热力着火,),：将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当混合物被加热到某一温度时便着火,(,全容积,),3.,点燃,(,强迫着火,),：用电火花、电弧、热板等高温源使混合物局部地区受到强烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分已燃火焰传播到整个反应体系的空间。,一般熄火温度,T,xh,是大于着火温度,T,zh,；,熄火点和着火点随反应系统的热力条件,(,散热和放热,),而变；,熄火温度和着火温度随热力条件而变，不是物理常数，是相对特征值；,各种实验方法所测得的着火温度值的出入较大，,相同测试条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同；对同一燃料，不同的测试条件也有不同，,过分强调着火温度意义不大；,对煤：,反应能力越强,（挥发,分,V,daf,越高，焦炭活化能越小）,的煤,，着火点低，容易着火，也易燃烬。反应能力弱的无烟煤着火温度高，也难燃烬。,加快着火的措施：,加强放热、减少散热,。散热不变时，提高可燃物初温，增加可燃物浓度和压力，使放热强化，如浓淡燃烧器稳燃；放热不变时，可降低气流速度、燃烧室保温等措施，如增加卫燃带等。,煤粉气流点火实验,Wheeler,水平管试验装置,Godbert Greenwald,垂直炉管简图,Hartmann,试验装置,点火器的改进,要点,：产生煤粉气流方法、点燃方法和着火响应鉴别,不同点火试验比较,沉降炉单颗粒试验台,各种燃料着火温度,测试设备,燃料,着火温度,(),气体燃料着火温度标准测试仪,高炉煤气,530,炼焦煤气,300-500,发生炉煤气,530,天然气,530,液体燃料着火温度标准测试仪,石油,360-400,固体燃料着火温度测试炉,泥煤,225,褐煤,250-450,烟煤,400-500,无烟煤,700-800,煤粉气流着火温度测试设备,褐煤,(V,daf,50%,),550,烟煤,(V,daf,40%,),650,烟煤,(V,daf,30%,),750,烟煤,(V,daf,20%,),840,贫煤,(V,daf,14%,),900,无烟煤,(V,daf,4%,),1000,煤的着火温度,：,无烟煤：,700-800 ,烟煤：,400-500 ,褐煤：,250-450 ,煤的着火：热天平,煤粉气流：一维火焰炉,实际煤粉炉的点火过程,作用：,启动时点燃煤粉气流,低负荷稳燃,辅助燃烧器,种类：,过度燃料型,（,1,）气,油,煤粉三级点火系统：,点火器,-,气体燃料,-,雾化油,-,煤,（,2,）油,煤粉二级点火系统：,点火器,-,油,-,煤,直接点火型,等离子点火,感应点火,少油点火型,马弗炉点火器,煤粉预燃室,少油、微油点火燃烧器,微油气化小油枪着火,投粉后猛烈着火,3.4,煤粉气流着火及影响因素,把煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为,着火热,；,需要加热：煤粉、空气,(,一次风,),、煤粉中水分的蒸发和过热。,一次风,煤粉,水分过热,水分蒸发,制粉干燥去掉的水分,B,r,燃料消耗量，,kg/h,；,V,0,理论空气量，,Nm,3,/kg,；,1,过量空气系数；,r,1,一次风比例；,c,1k,一次风比热，,J/(Kg.K),q,4,机械不完全燃烧热损失，,c,d,煤干燥基比热，,J/(Kg.K),；,M,ar,煤收到基水分，；,T,zh,着火温度，,K,；,T,0,煤粉一次风初温，,K,；,c,q,蒸汽比热容，,J/(Kg.K),M,mf,煤粉的水分，,着火热的来源：,对流换热,煤粉气流卷吸回来的高温,回流,烟气,(,包括内回流及外回流,),，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料,，约占总着火热的,70-90%,；,辐射换热,火焰、烟气、,炉墙对煤粉气流形成辐射,传热，占,10-30%,。,对流及辐射散热与介质的关系,(a),在相同加热时间下，对流加热所得煤粉温度比辐射加热时高得多。因此，高温回流烟气是煤粉气流着火的主要热源。,(b),在相同加热方式下，细颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒大得多，即细煤粉先达到着火温度，因此，煤粉愈细愈容易着火。,不同加热方式时煤粉颗粒的温升与加热时间的关系曲线,1,一对流加热曲线；,2,一辐射加热曲线；,3,一考虑向周围介质散热时的曲线,煤粉气流着火影响因素,煤粒着火温度与,V,daf,的关系,燃料性质：,着火温度、燃料水分、灰分、煤粉细度等,运行工况：,煤粉气流初温、一次风率,(,煤粉浓度,),、传热条件、加热速率等,锅炉及燃烧器结构特性和运行情况,一、燃料性质,1.,挥发分,影响最大，,V,daf,增加，着火温度点下降,挥发分析出温度与含量关系,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。,煤粉气流的着火位置：,200,300 mm,，不大于,500mm,着火太迟：火焰中心上移，造成炉膛上部结渣，汽温偏高，,q,3,，,q,4,增加,着火太早：烧坏燃烧器，燃烧器附近结渣,2.,煤粉细度,煤粉越细，燃烧反应表面积越大，煤粉升温速度加快着火更快更容易；,煤粉气流相对速度加快，扩散反应加快；,3.,水分,水分增加，着火热增加，炉内温度水平下降，理论燃烧温度下降,煤粉细度与升温过程,水分,(%),水分蒸发热占总着火热的比例,着火热增加比例,0,0,1.0,20,0.34,1.44,30,0.47,1.66,40,0.58,1.87,1)SJ1,煤含灰量,2.65%(,质量分数,) 2)SJ5,煤含灰量,47.5%(,质量分数,),着火温度与含灰量的影响,4.,灰分,灰分要吸热，还会使热值降低，炉内温度水平下降，着火推迟，影响稳定性。,二、运行工况,1.,一次风煤粉气流参数,温度、风率、风速,增加，相应增大着火热，着火延迟,一次,风量,着火热显著降低,(,风速,),减少 燃烧初期供氧不足，影响燃烧反应速度，阻碍着火燃烧,要满足送粉要求，不能堵管,最佳值,一次风,：,输送煤粉进入炉膛的风（首先与燃料接触的风）。,作用,：,输送煤粉；保证挥发分燃烧所需的氧气。,二次风,：,直接进入炉膛助燃的风。,作用,：,满足焦炭燃烧所需的氧气； 组织风粉进行扩散混合。,三次风,：,除一次风、二次分外的送入炉膛的风。,类型和作用,：,中储式热风送粉中的乏气；抑制氮氧化物的生成，分级送风：燃尽风,(OFA,、,SOFA,等,),；沿炉壁送入，保护水冷壁防止结渣和高温腐蚀；控制火焰中心温度，协助调节汽温。,一次,风速,：过高，降低煤粉气流加热速度，影响着火，着火延长；过低，燃烧器喷口烧坏，煤粉堵塞。有一个合理的选择。,一次,风温,:,低挥发分煤,越高越好,;,高挥发分煤,不能太高，防止烧喷口。,一次风参数的选择,机组容量等级,煤种,300MW,一次风温,(),低,Vdaf,煤,200-260,烟煤,70-100,劣质烟煤,100-200,一次风率,(%),低,Vdaf,煤,12-22,烟煤,25-33,劣质烟煤,16-27,一次风速,(m/s),低,Vdaf,煤,20-28,烟煤,25-30,劣质烟煤,22-27,二次风温,(),低,Vdaf,煤,320-380,烟煤,300-360,劣质烟煤,310-360,二次风率,(%),低,Vdaf,煤,53-72,烟煤,67-75,劣质烟煤,53-85,二次风速,(m/s),低,Vdaf,煤,40-50,烟煤,45-52,劣质烟煤,40-50,配中间储仓四角燃烧方式,一次风参数对着火所需烟气回流量影响,风温,(),一次风率,(%),煤浆,煤粉,回流烟气与一次风比,(%),回流烟气与总风量比,(%),回流烟气与一次风比,(%),回流烟气与总风量比,(%),20,20,70.52,22,32.74,9.1,20,30,115.9,47.74,57.85,21.89,20,40,194.2,99.42,94.76,45.33,150,20,52.58,16.4,25.85,7.2,150,30,80.95,33.34,43.97,16.64,150,40,122.27,62.59,68.19,32.63,300,20,36.07,11.25,18.76,5.22,300,30,52.47,21.61,30.71,11.62,300,40,73.35,37.55,45.32,21.68,300,50,100.87,61.73,62.62,36.80,提高一次风初温，可减少着火热,2.,煤粉浓度与着火特性关系,3.,炉内散热条件,在燃烧器区域增加卫燃带（燃烧带）,改善保温条件,流化床主要用于防磨损,液态排渣炉为了熔渣排出,减少炉膛漏风,1.,燃烧器结构与运行,三、锅炉及燃烧器结构特性和运行情况,三种不同煤粉悬浮燃烧方式,二次风与一次风的配合,二次风混入一次风的位置要合适,混合过早，增加冷风，增加着火热，会推迟着火；混合过迟，焦炭着火后不能及时燃烧，使整个燃烧过程延长。,对高挥发分煤，早混入，否则影响燃烧效率,对低挥发分煤，迟混入，否则会影响着火燃烧稳定性,二次风速要较高,增强对煤粉的扰动和扩散，加快后期混合过程和强度,一般控制动量比,J,2,/J,1,= 2-4,燃烧器配风组织,2.,锅炉负荷,锅炉负荷与炉内火焰温度直接相关，负荷降低，炉内燃烧火焰温度下降。,200MW,锅炉负荷与温度,水平高度,MM,15800,18400,20600,30200,测孔编号,6,9,15,19,23,33,34,工况,3,200MW,1440,1500,1595,1535,1555,1365,1350,工况,4,150MW,1370,1465,1505,1480,1475,1200,1190,工况,5,200MW,1450,1490,1565,1470,1560,1285,1285,工况,6,120MW,1350,1400,1465,1445,1400,1080,1100,工况,7,200MW,1390,1515,1545,1535,1590,1265,1265,工况,8,200MW,1405,1455,1495,1455,1555,1225,1280,工况,9,200MW,1390,1485,1510,1520,1540,1225,1280,工况,13,200MW,1390,1490,1510,1545,1490,1210,1220,工况,14,200MW,1450,1420,1490,1495,1475,1195,1195,工况,16,120MW,1345,1360,1350,1275,1355,1010,1020,工况,17,150MW,1390,1410,1450,1455,1435,1165,1165,工况,18,200MW,1515,1540,1580,1560,1565,1245,1235,工况,20,120MW,1395,1475,1445,1415,1435,1160,1130,工况,21,150MW,1390,1410,1430,1440,1410,1160,1130,3.,低负荷稳燃,V,daf,(%),8,8-12,12-20,20-25,25-30,30-40,褐煤,切向、对冲燃烧,65-55,56-45,46-40,42-35,35-30,50*-35,W,火焰燃烧,55-45,50-42,注：褐煤高值用于高水分抽炉烟干燥制粉系统,锅炉最低不投油负荷率,boiler minimum stable load ratio without auxiliary support (BMLR),：在设计煤种和合同规定条件下，锅炉不投油助燃的最低稳定燃烧负荷与锅炉最大连续负荷,(BMCR),之比。,每台煤粉锅炉都可能有,3,个不同低负荷率数值定义：,设计保证值：,锅炉制造厂保证的数值；,试验值：,在设计煤种及正常工况条件下持续,4-6,小时稳定运行试验；,可供调度值：,考虑煤种波动及设备状态、控制水平等，业主规定。,3.5,燃烧完全的条件,良好燃烧的标志就是接近完全燃烧的程度 ，也就是在炉内不结渣的前提下，燃烧速度快而且燃烧完全，得到最高的燃烧效率。,燃烧效率很高：煤粉：,99.63%,，燃油、燃气：按,100%,计算,燃烧效率可用下式表示：,r,= 100-(,q,3,+,q,4,),，,%,g,= 100-(,q,2,+,q,3,+,q,4,+,q,5,+,q,6,),，,%,q,2,排烟热损失，,%,；,q,3,化学不完全燃烧热损失，,%,；,q,4,机械不完全燃烧热损失，,%,；,q,5,锅炉散热损失，,%,；,q,6,其他热损失，,%,能否实现迅速而又完全燃烧，除了燃烧的化学反应特性和颗粒大小外，在,锅炉组织燃烧,时，还需要：,（,1,）供应充足而又适量的空气,这是燃料完全燃烧的必要条件。空气量常用过量,空气系数,来表示，过量空气系数有个最佳值。,（,2,）适当高的炉内温度,炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧易于趋向完全。但过分地提高炉温也是不可取的，过高容易引起结渣等。,（,3,）空气和煤粉的良好扰动和混合,化学反应速度和氧气扩散速度是决定燃烧反应速度的两大因素。良好的扰动和混合，氧气更快扩散到煤粒表面，一、二次风配合好，不仅着火阶段充分混合，燃尽阶段也有利。,（,4,）在炉内要有足够的停留时间,煤粉自燃烧器出口一直到炉膛出口行程所经历的时间。取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度。在锅炉设计时确定。,(1),过量空气系数,燃烧室形式,燃料,炉膛出口过量空气系数,煤粉炉,固态排渣,无烟煤、贫煤,烟煤、褐煤,1.2-1.25,1.2,液态排渣,无烟煤、贫煤,烟煤、褐煤,1.2-1.25,1.2,重油、煤气锅炉,重油、焦炉煤气,天然气、高炉煤气,1.05-1.1,层燃炉,链条炉,无烟煤,1.5-1.6,烟煤、褐煤,1.3,抛煤机炉,烟煤、褐煤,1.3,手烧炉排,无烟煤,1.5,烟煤、褐煤,1.4,实际空气量与理论空气量之比，以炉膛出口为标志：炉膛出口过量空气系数主要由燃料和燃烧方式决定。,太小，燃烧不完全，影响,q,3,、,q,4,;,太大，影响炉内燃烧温度。有合理值，通过燃烧调整试验获得。,新技术：富氧燃烧或纯氧燃烧。,(2),适当高的炉温,温度提高，燃烧反应速度大大加快，有利于燃烧；,温度太高，容易结渣，根据燃料的灰熔点和结渣性能设计锅炉，合理选择炉膛,(,出口,),温度；,温度高，,NOx,上升，,1500,1600,，热力型,NOx,急剧增加。,新概念：低温低氧燃烧。煤粉炉,1400,，循环流化床锅炉,900,。,(3),空气和煤粉的良好扰动和混合,动力燃烧区,温度,T,；,扩散燃烧区,扰动（风速），氧气向表面扩散速度加快；,通过燃烧器形式达到，四角、射流刚性、衰减特性等。,湍流,Turbulent,温度,Temperature,时间,Time,(4),炉内停留时间,燃烧时间不足，燃烧不完全，影响燃烧效率，因此，在炉内要有足够的停留时间。,决定炉内停留时间的是燃料特性。,主要影响因素：,(1),炉膛容积和高度,影响烟速和火焰长度,(2),火焰在炉膛内的充满程度,影响炉膛利用率及烟速,(3),煤粉的流动方式,直流、旋流、,W,火焰,影响火焰长度及煤粉停留时间,(4),煤粉着火的迟早,着火推迟，燃烧时间缩短，强化着火，有利于保证燃烧时间,煤粉炉：燃烧器出口炉膛出口所经历时间,2,3,秒；,链条炉：煤斗出口链条老鹰铁落渣口,45,分,1,小时。,例如：油炉炉膛容积热负荷 煤粉炉 油炉停留时间煤粉炉,锅炉高度要求,锅炉蒸发量,D t/h,65(75),130,220,400/410,670,无烟煤,L,hy,11,14,17,21,24,h,hy,8,11,13,17,18,烟 煤,L,hy,10,12,16,19,21,h,hy,7,9,12,14,17,燃 油,L,hy,7,11,13,16,18,h,hy,5,8,10,12,14,锅炉设计中，为保证燃料在炉内有足够的停留时间，保证燃烧效率，炉膛高度和燃烧器布置的设计必须满足火焰长度的要求。,火焰长度（条件火炬长度）,L,hy,指锅炉最上排燃烧器出口到炉膛出口窗中点的折线距离，即,abcd,之长；,火焰高度,h,hy,为两者间的垂直距离。,劣质煤强化着火措施,一、无烟煤着火和稳燃问题,增强高温烟气的回流，提高着火区温度,提高一次风中的煤粉浓度和热风温度,采用分级配风,(,一次风集中,),，推迟一、二次风混合,敷设卫燃带，增强着火区辐射热量,提高煤粉细度,采用较低的一次风速,和风率,二、无烟煤燃尽问题,延长风粉气流的流动路程,(,如采用,W,火焰燃烧,),增加煤粉燃烧时间,组织合理的炉内空气动力场,强化扰动和混和,合理的炉膛容积,(,瘦高型,),延长时间，降低烟气流速,着火后及时送入大量的二次风,敷设卫燃带，提高燃烧区域的温度,适当高的炉温,适当增大过量空气系数,充足合适的空气量,提高煤粉细度,燃烧质量的评价,评价燃烧质量的要素是燃烧,稳定性,、,防结渣性,和,经济性,。,稳定性和防结渣性合称为,燃烧可靠性,，锅炉燃烧首先要保证可靠性。,锅炉运行时炉膛不应发生压力波动、熄火、爆燃等现象，并要保证满负荷、低负荷及快速变负荷时的燃烧稳定性。,煤粉锅炉无油助燃的低负荷极限在一定程度上可作为判断燃烧稳定性的指标。,目前燃用优质烟煤的老型煤粉锅炉其无油助燃负荷可达额定负荷的,50,60,；而新型大容量锅炉可达额定负荷的,25,30,。,锅炉运行时要防止在炉膛及屏式过热器区受热面上产生严重的结渣、沾污等现象。,燃料特性以及燃烧设备结构性能和运行方式等对防止结渣都有影响。,安全可靠的吹灰手段和除渣能力是减轻结渣危害的有力措施。,经济性用锅炉运行时的,燃烧效率,以及,锅炉效率,来表征。,在考虑上述经济性的同时要考虑,发电成本,和,厂用电率,，以便综合经济分析。,对整个电厂的经济性来说，则用,发电煤耗率,和,供电煤耗率,来衡量。,项目,100%,负荷,75%,负荷,50%,负荷,30%,负荷,锅炉效率,(%),93.35,93.34,93.01,92.55,汽轮机热耗率,(kJ/KW.h),7549,8842,9358,9661,厂用电率,(%),3.56,3.89,4.12,4.73,供电标准煤耗率,(g/KWh),289.49,340.14,362.13,378.12,3.6,油质燃料及气体燃料的燃烧,1.,油的燃烧,油的燃烧方式可分为两类：预蒸发型；喷雾型。,预蒸发型,：,使燃料在进入燃烧室间之前先蒸发为油蒸气，然后以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如，汽油机装有汽化器，燃气轮机的燃烧室装有蒸发管等。这种燃烧方式与均相气体燃料的燃烧原理相同。,喷雾型,：,将液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴,(,约,50,200m),组成的雾化锥气流。在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发、边混合、边燃烧。由于油的,沸点比着火温度低,，故不会直接在液滴表面形成燃烧的火焰，而是蒸发的油蒸气离开油滴表面扩散并与空气混合燃烧，因此，火焰面离开油滴表面有一定的距离。,锅炉中的燃烧一般都采用喷雾型燃烧方式。,保证良好的雾化，雾化粒度越细越有利于着火和燃尽。,为了使油蒸气尽快着火和燃烧，必须使油蒸气与空气迅速混合。因此一般有根部一次风，尽快与油气混合，保证早期供氧充足。,为了使喷嘴出口的雾化气流易于着火，还常应用旋转气流以便在中心形成回流区，使高温热烟气回流至火焰根部加热雾化气流，使之着火、燃烧。,2.,气体燃料的燃烧,（,1,）燃烧方法,灰分极少，燃烧属气相反应，其着火和燃烧容易得多。,燃气的燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于燃气与空气的混合。,按照燃气和空气是否在着火前进行预混合，可将燃气的燃烧方法分为：,扩散式燃烧、大气式燃烧和无焰式燃烧。,（,a,）扩散式燃烧,指燃气和空气事先不混合而进行的燃烧。,燃烧所需的氧气依靠扩散作用从周围大气获得。,层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进入燃烧区；紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需的氧气。,其优点燃烧稳定，燃具结构简单，但火焰较长，易产生不完全燃烧，使受热面积碳化。 。,（,b,）大气式燃烧,燃气与燃烧所需的部分空气预混合后所进行的燃烧。,其一次空气率一般为,0.5,0.6,。这种预混的燃烧方法由本生在,1855,年发明，称为本生燃烧器,(,或本生灯,),。,它能从周围大气中吸入一些空气与燃气预混，在燃烧时出现一种不发光的蓝色火焰。这种燃烧器的出现使燃烧，技术起了一个很大的变化。扩散火焰易产煤烟，燃烧温度也相当低。但当预先混入一部分燃烧所需空气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也有所提高。因此本生式燃烧得到了广泛应用。,（,c,）无焰式燃烧,指在燃烧前燃气与空气实现,全部预混,。,混合所需的时间为零，燃烧在,动力区,进行。,无焰燃烧需要有燃烧火道作为燃烧的场所，用以稳定和强化燃烧过程。,无焰燃烧时，燃烧速度高，燃烧强度大，其容积热负荷可为扩散式燃烧的数百倍，而且燃烧完全，没有火焰产生。,（,2,）稳定燃烧的范围,气体燃料燃烧时，着火处形成了火焰面。,火焰面之后是高温的燃烧产物，之前是未燃的可燃混合物。,火焰面前后有很大的温度梯度，热量向前传播，使邻近的未燃气层温度升高，达到着火温度以后就形成新的燃烧面。,火焰面不断向未燃气体方向传播的过程称,火焰传播,。,垂直于火焰面的传播速度称为法向,火焰传播速度,。,气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量高于火焰传播速度时，火焰不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就完全熄灭，这种现象称为,脱火,。,脱火后不仅锅炉不能正常工作，而且炉膛内会积聚有毒和爆炸性气体，从而可能引起爆炸或其他事故，这是燃烧过程所不允许的。,脱火极限,(,引起脱火的最低气速,),是燃烧器的一个重要指标。,气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量低于火焰传播速度时，火焰会沿着燃烧器混合管道逆向往回燃烧，火焰缩到燃烧器内部，这种现象称为,回火,。,回火可能烧坏燃烧器和发生其他事故。引起回火的最高气流速度称谓回火极限。,脱火极限和回火极限之间为,稳定燃烧范围,，凡处于脱火极限和回火极限之间的气流速度值都能保证稳定燃烧。,脱火极限、回火极限的数值与燃气性质、一次空气率，燃烧器出口孔径、炉内压力和温度等因素有关。,一次空气量减小时，稳定燃烧的范围扩大。但一次空气率过小时，发生黄色火焰的可能性增大。,当一次空气率增大到某一定值时，回火的可能性最大。减小火孔尺寸，有助于扩大稳定燃烧的范围。,从燃烧的稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能。随着预混程度的增加，稳定燃烧的范围缩小。,为了提高燃烧的稳定性，在大容量锅炉中燃用高热值的天然气时，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式,此时，燃烧工况可以人为地进行调节。,