5煤粉炉燃烧原理及燃烧设备

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,热能与动力工程,*,第五章煤粉炉燃烧原理及燃烧设备,1,热能与动力工程,第一节燃烧化学反应动力学基础,一、燃烧化学反应速度,（一）化学反应速度,燃烧反应是一种发光发热的高速化学反应；,1,、均相反应和多相反应：,2,、反应速度可以用某一反应物浓度减少的速度表示，也可以用生成物浓度增加的速度表示。,aA+bB,一,gG+hH,w,A,=,dC,A,/dt,影响因素：,（,1,）反应物性质；（,2,）反应物的浓度；（,3,）温度；,（,4,）压力；（,5,）是否有催化剂或连锁反应。,2,热能与动力工程,（二）质量作用定律,3,热能与动力工程,（三）阿累尼乌斯定律,4,热能与动力工程,（四）催化作用,催化剂本身不变,改变化学反应速度，不改变反应限度,（五）链锁反应,多米诺效应活化分子,5,热能与动力工程,二、燃烧速度与燃烧区域,1,、碳的多相燃烧特点,6,热能与动力工程,2,、多相燃烧反应的燃烧区域,7,热能与动力工程,第二节煤和煤粉的着火和燃烧,一、热力着火,1,、定义,着火：由缓慢的氧化反应状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程,可分为：,连锁着火：这种由连锁反应引起的着火叫连锁着火。,热力着火：由于温度不断升高而引起的着火叫热力着火。在锅炉中发生的着火就是热力着火。,8,热能与动力工程,着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳定着火？,实现稳定着火满足两个条件,A,、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。,B,、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。,9,热能与动力工程,2,、着火和熄火的热力条件,10,热能与动力工程,11,热能与动力工程,关于着火温度的说明,着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，,各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，,如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。,12,热能与动力工程,着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。,严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。,实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。,13,热能与动力工程,3,、着火热,14,热能与动力工程,着火热的来源,卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热,炉内高温火焰的辐射换热,15,热能与动力工程,二、煤粉的燃烧过程,1,、燃烧阶段,着火前的准备阶段,燃烧阶段,燃尽阶段,16,热能与动力工程,2,、碳粒的燃烧机理,煤粉燃烧好坏的关键：碳的燃烧,原因：,焦炭中的碳是可燃质的主要部份；,焦炭着火最晚，燃烧最迟；,焦炭中的碳的放热量比例较大,17,热能与动力工程,碳的反应可分为一次反应和二次反应,18,热能与动力工程,19,热能与动力工程,20,热能与动力工程,三、影响煤粉气流着火的因素,21,热能与动力工程,四、,燃烧完全的条件,燃烧的完全程度可用燃烧效率来表示：,22,热能与动力工程,五、,强化煤粉气流燃烧的措施,提高热风和一次风温度,限制一次风量,合理送入二次风,着火区保持高温,选择适当的煤粉细度,强化燃烧阶段和燃尽阶段,合理组织炉内空气动力工况,23,热能与动力工程,第三节 燃烧器和点火装置,煤粉炉的燃烧设备包括： 煤粉燃烧器（也称为喷燃器） 点火装置 炉膛,24,热能与动力工程,稳定着火,着火后，良好的混合,充满度 与 刷墙,(,配风、角度,),燃料适应性,负荷调节,(,稳燃技术,),低,NO,x,燃烧器,流动阻力小,1,、作用：组织燃烧,2,、要求：,3,、分类：,旋流燃烧器,前后墙布置：,直流燃烧器,四角布置切圆燃烧方式：,25,热能与动力工程,炉膛形状,前后墙布置：旋流燃烧器,(B&W),四角布置切圆燃烧方式：直流燃烧器,(ABB-CE),W,形火焰锅炉：无烟煤,(FW),燃烧器种类,旋流燃烧器：,适用于高,挥,发分煤种：烟煤、褐煤,直流燃烧器：,煤种适应性较广,26,热能与动力工程,直流自由射流,湍流（紊流）,自由射流,卷吸,衰减,射程,高宽比,（一）直流煤粉燃烧器的射流特性,一、直流煤粉燃烧器的类型及特点,27,热能与动力工程,直流燃烧器,28,热能与动力工程,直流燃烧器,29,热能与动力工程,30,热能与动力工程,点火,31,热能与动力工程,射流的结构及术语,等速核心区,射流外边界,射流内边界,射流的转折截面,射流初始段,射流主体段,射流扩散（展）角,32,热能与动力工程,33,热能与动力工程,（二）直流煤粉燃烧器的类型及特点,直流煤粉燃烧器的出口是由一组圆形、矩形或多边形的喷口所组成。,直流煤粉燃烧器大都采用四角布置切圆燃烧的方式。,34,热能与动力工程,35,热能与动力工程,36,热能与动力工程,37,热能与动力工程,根据煤种的不同，直流煤粉燃烧器的一次风喷口和二次风喷口有各种不同的布置方式，使燃料稳定地着火、煤粉与空气有效地混合、完全燃烧和避免结渣。,直流燃烧器可分为均等配风燃烧器和分级配风燃烧器两种形式。,38,热能与动力工程,1.,均等配风直流煤粉燃烧器,均等配风方式是指一、二次风喷口相间布置。,在均等配风方式中，由于一、二次风喷口间距相对较近，一、二次风处自喷口流出后能很快得到混合，使煤粉气流着火后不致由于空气跟不上而影响燃烧，故一般适用于烟煤和褐煤。,39,热能与动力工程,40,热能与动力工程,分清图(b)中的“向火侧”、“背火侧”,41,热能与动力工程,四角切圆燃烧,42,热能与动力工程,向火侧,背火侧,43,热能与动力工程,2.,分级配风直流煤粉燃烧器,分级配风方式是指把燃烧所需要的,二次风分级分阶段,地送入燃烧的煤粉气流中，,此种燃烧器,适用于无烟煤,、,贫煤和劣质煤,，所以又叫做无烟煤型直流煤粉燃烧器。,44,热能与动力工程,45,热能与动力工程,46,热能与动力工程,分级配风直流燃烧器的特点,一次风喷口狭长；,一次风喷口集中布置；,一、二次风喷口各自集中在一起,，且一、二次风喷口的间距较大；,47,热能与动力工程,二次风分层布置,一次风喷口的周围或中间还布置有一股二次风，分别称为,周界风和夹心风,48,热能与动力工程,三次风喷口布置在燃烧器的最上方，距相邻二次风喷口有较大间距，并应有一定的倾角，此外，三次风速不宜过低，一般为,50,60m/s,。,3,100,3,10,18,49,热能与动力工程,二、旋流煤粉燃烧器,1,、旋流燃烧器的射流特性,旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动的。旋流燃烧器中所采用的旋流器主要有以下几种：蜗壳、切向叶片及轴向叶片等。,50,热能与动力工程,51,热能与动力工程,52,热能与动力工程,53,热能与动力工程,54,热能与动力工程,55,热能与动力工程,56,热能与动力工程,2,、旋转射流的特点,（,1,）,二次风是旋转气流,。,一次风可以是旋转气流，也可用扩锥扩展,。因此整个气流形成,空心圆锥形旋转气流,。,（,2,）旋转射流有强烈的,卷吸,作用，能将中心及外缘的气体带走，造成负压区，在中心部分和外缘就会因高温烟气回流而形成,回流区,。,中心部分形成的回流区称为,内回流区,；,外缘部分形成的回流区称为,外回流区,。,57,热能与动力工程,58,热能与动力工程,59,热能与动力工程,（,3,）在同样的初始动量下，,旋转射流的射程要比直流射流短,。,（,4,）旋转射流外边界所形成的夹角称为,扩散角,，用符号,表示。旋转射流的扩散角一般比直流射流大，而且随着气流旋转气流旋转强度的增加，扩散角也增大，同时回流区也加大，因而高温烟气的回流量也增多。,60,热能与动力工程,（,5,）当气流旋流强度增加到一定程度时射流会突然贴在墙壁上，即扩散角等于,180,，这种现象称为气流的,飞边现象,。,当飞边现象产生后，会导致喷口和炉墙结渣，也容易烧坏燃烧器。,61,热能与动力工程,62,热能与动力工程,3,、旋流强度及其影响,63,热能与动力工程,64,热能与动力工程,65,热能与动力工程,4,、常用的旋流燃烧器,单蜗壳扩锥型旋流燃烧器：,双蜗壳旋流燃烧器：,轴向叶片旋流燃烧器：,切向叶片式旋流燃烧器：,66,热能与动力工程,67,热能与动力工程,68,热能与动力工程,69,热能与动力工程,70,热能与动力工程,三、新型煤粉燃烧器,（一）煤粉稳燃,1,、常用稳燃措施,（,1,）敷设燃烧带；,（,2,）热风送粉；,（,3,）较低的一次风速和一次风率；,（,4,）减小颗粒细度；,（,5,）控制最低运行负荷以及采用性能良好的燃烧器。,2,、三高区理论,高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。,71,热能与动力工程,（二）低,NOx,燃烧技术,随着燃烧运行中烟气中含氧量的增加，,NOX,的生成量和增加的幅度与燃料的种类、燃烧方式以及排渣方式有关,图,31,不同燃烧方式和煤种的,NO,X,排放浓度比较,72,热能与动力工程,燃煤排放的众多污染物中，,NOX,是唯一可通过改进燃烧方式来降低排放量的气体污染物，,选择合理燃烧参数和合理地组织燃烧过程减少在燃料燃烧阶段,NOX,的形成量，,是比较经济且合理的降低,NOX,排放的技术措施,。,73,热能与动力工程,氮氧化物的生成：,生成,NOx,的途径主要有三个：热力型、燃料型和快速型。,热力型,NOx,是空气中的氮气在高温下直接氧化而生成的，它的生成和温度密切相关，仅当火焰温度大于,1500,时，才会大量生成；,燃料型,是燃料中氮在燃烧过程中氧化而生成的,NOx,，与温度的关系不大，是最主要的,NOx,生成途径；,快速型,是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如,CH,等反应生成的,NOx,，在煤燃烧过程中的生成量较小。,74,热能与动力工程,三种类型,NOx,生成量与温度关系,三种类型,NOx,生成量与温度关系图,75,热能与动力工程,抑制,NOX,生成的理论依据,降低火焰峰值温度、,降低最高温度区域的局部氧浓度，,降低燃料在最高温度区域的停留时间,76,热能与动力工程,燃煤粉电站锅炉降低,NOX,的燃烧技术措施,燃烧空气分级技术,组织炉内燃料分级再燃还原,NO,X,浓淡分离技术,低氧燃烧技术,77,热能与动力工程,空气分级燃烧技术,(air staging):,燃料的燃烧过程分段进行,，燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高燃烧区域的煤粉浓度。,推迟一、二次风混合时间,，煤粉进入炉膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型,NOx,的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。,“燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一起，共同决定了主燃烧区内,NOx,降低的程度，也直接关系到其在燃尽区的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。,沿炉膛高度空气分级燃烧,78,热能与动力工程,旋流燃烧器空气分级示意图,空气,煤粉气流,炉膛,79,热能与动力工程,与主燃烧器一体的,OFA,第二次生成的,NO,X,NO,X,NO,X,被还原,NO,X,NO,X,燃烧器分级配风的喷口布置示意和,NO,X,的还原过程,上部二次风,SOFA,主燃烧器,80,热能与动力工程,燃料分级燃烧技术,(fuel staging):,根据,NOx,的分解机理，已生成的,NOx,在遇到烃根,CH,i,和未完全燃烧产物,CO,、,H,2,、,C,和,C,n,H,m,时，会发生,NO,的还原反应从而降低,NOx,排放水平。,第一级燃烧区：将,85%,左右的燃料送入进行富氧燃烧，生成大量的,NOx,；,第二级燃烧区：送入,15%,的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的,NOx,进行还原，从而降低,NOx,的排放。,燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气。,沿炉膛高度燃料分级燃烧,81,热能与动力工程,20%,入炉燃料,80%,入炉燃料,一次燃料,二次燃料,燃尽风,一次风,主燃烧区,燃尽区,40%NO,X,再燃还原区,100%NO,X,炉膛内燃料分级燃烧过程,82,热能与动力工程,主燃烧区,燃尽区,还原区,主燃烧器,再燃燃料,燃尽风,NO,，,CO,2,，,H,2,O,，,O,2,，,SO,2,，,灰,N,2,，NO,NON,2,NO,X,浓度,再燃与还原,NO,X,技术的示意,83,热能与动力工程,低,NO,X,燃烧器,调节风口,上部燃尽风,再燃喷口,前墙,后墙,采用炉内再燃技术的喷口布置示意图,84,热能与动力工程,一次风煤粉气流,上下浓淡隔板,V,型扩流锥喷口,锯齿形,V,型括流锥喷口,图,37,垂直浓淡煤粉燃烧器（,WR,燃烧器）,浓淡分离技术,85,热能与动力工程,稀相一次风,浓相一次风,图,36,一次风水平浓淡燃烧示意图,86,热能与动力工程,（三）新型煤粉燃烧器,钝体燃烧器（华中理工）,87,热能与动力工程,88,热能与动力工程,火焰稳定船式直流燃烧器（清华）,89,热能与动力工程,浓淡燃烧器,1,、,WR,型燃烧器,2,、,PM,型燃烧器,PM,型燃烧器是在燃烧器内将煤粉气流分为浓度气流和煤粉气流。浓煤粉气流在上，淡煤粉气流在下。,90,热能与动力工程,91,热能与动力工程,3,、宽调节比燃烧器,宽调节比燃烧器实际上也是一种浓、淡型煤粉燃烧器。这种燃烧器的主要性能是在低负荷下，不投油仍然能稳定燃烧。故其对锅炉负荷变化时的燃烧调节范围比较宽。,92,热能与动力工程,4,、双调风低,NOx,燃烧器,B,W,低,NOx,燃烧器,93,热能与动力工程,94,热能与动力工程,95,热能与动力工程,FW,低,NOx,燃烧器,96,热能与动力工程,分类：,1,、采用过渡燃料的点火装置,2,、带煤粉预燃室的点火装置,3,、等离子点火装置,作用：,1,、锅炉启动点火,2,、锅炉负荷过低或煤质变差时稳定燃烧,四、煤粉炉的点火装置,97,热能与动力工程,高能点火器,98,热能与动力工程,蒸汽雾化喷嘴,99,热能与动力工程,带煤粉预燃室的点火装置,100,热能与动力工程,101,热能与动力工程,102,热能与动力工程,直流燃烧器,103,热能与动力工程,等离子体煤粉点火技术,等离子体定义,等离子体是指被电离的气体。,由原子、电子、离子或分子等粒子组成。,正、负电核数相等，对内为良导体，对外为中性。,104,热能与动力工程,等离子发生器原理,105,热能与动力工程,等离子点火装置,106,热能与动力工程,等离子点火装置,107,热能与动力工程,系统组成,二次风,火焰监视电视,触摸屏,一次风,火焰探头,进水,回水,压缩空气,电源控制柜,108,热能与动力工程,主燃烧器更换为等离子燃烧器的过程,109,热能与动力工程,墙式燃烧锅炉,等离子燃烧器兼主燃烧器,110,热能与动力工程,点火,111,热能与动力工程,第四节 固态排渣煤粉炉,一、煤粉炉炉膛及燃烧器布置,1,、炉膛结构及其要求,四周布满水冷壁,冷灰斗,平炉顶结构,顶棚管过热器,屏式过热器,折焰角,112,热能与动力工程,113,热能与动力工程,114,热能与动力工程,锅炉炉膛,炉膛、,冷灰斗,水冷壁,平炉顶,屏式过热器,折焰角,燃烧器,115,热能与动力工程,炉膛应满足以下要求,(1),要有良好的炉内空气动力特性,(2),应能布置足够的受热面，保证炉膛出口及其后的受热面不结渣,(3),要有合适的热强度,116,热能与动力工程,2,、炉膛热负荷,炉膛热负荷包括,炉膛容积热,负荷、,炉膛断面热,负荷和,燃烧器区域壁面热,负荷。下面分别加以介绍：,1,炉膛容积热负荷和断面热负荷,式中,q,v,炉膛容积热负荷，,kW,m,3,；,V,l,炉膛容积，,m,3,。,117,热能与动力工程,对于一定参数、一定容量的锅炉来说，燃料单位时间在炉内的放热量是一定的。,因此,q,v,取得大，炉膛容积就小；取得小，炉膛容积就大。,q,v,过大，炉膛容积就过小，煤粉在炉内停留时间短，燃烧不完全，同时水冷壁面积小，炉温过高，容易造成结渣。,118,热能与动力工程,炉膛的大体形状常由炉膛断面热负荷和炉膛容积热负荷一起来确定。炉膛断面热负荷是指单位时间、单位炉膛横断面积放出的热量，即,显然，当,q,v,一定时，,q,A,取得大，炉膛横断面,A,l,就小，炉膛就瘦长些,;,q,A,取得小，炉膛横断面,A,l,就,大，炉膛就矮胖些。,119,热能与动力工程,2,燃烧器区域壁面热负荷,燃烧器区域壁面热负荷是指单位时间、单位燃烧器区域壁面面积放出的热量，即,120,热能与动力工程,q,r,越大，说明火焰越集中，燃烧器区域的温度水平就越高。这对燃料的着火和维持燃烧的稳定是有利的。,但过高,q,r,，,意味着火焰过分集中，使燃烧器区域局部温度过高，容易造成燃烧器区域水冷壁结渣。,121,热能与动力工程,二、切圆燃烧方式,四角布置的切圆燃烧方式,122,热能与动力工程,着火 互相引燃,燃烧 气流在炉膛中心强烈旋转燃烧,燃尽 旋转上升延长了煤粉在炉内停留的时间,四角布置的直流燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬。在炉膛中心形成一股螺旋上升的气流。,切圆燃烧方式的特点：,123,热能与动力工程,124,热能与动力工程,125,热能与动力工程,空气动力特性,126,热能与动力工程,四角切圆燃烧的气流偏斜及切圆直径,f960,f820,假想切圆直径实际切圆直径,127,热能与动力工程,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,810,倍。,128,热能与动力工程,运行证实，,炉内实际切圆直径远比设计的假想切圆直径大得多,，如下图所示。,热态时为6-9倍,冷态时为8-12倍,129,热能与动力工程,2,切圆直径过大问题,优点：上游邻角火焰向下游煤粉气流的根部靠近，煤粉的着火条件较好。这时炉内气流旋转强烈，气流扰动大，使后期燃烧阶段可燃物与空气流的混合加强，有利于煤粉的燃尽。,问题：,(1),火焰容易贴墙，引起结渣；,(2),着火过于靠近喷口，容易烧坏喷口；,(3),火焰旋转强烈时，产生的旋转动量矩大，同时因为高温火焰的粘度很大，到达炉膛出处，残余旋转较大，这将使炉膛出口烟温分布不均匀程度加大，因而既容易引起较大的热偏差，也可能导致过热器结渣或超温。,130,热能与动力工程,燃烧器射流贴附或冲击炉墙，是水冷壁结渣的主要原因,131,热能与动力工程,132,热能与动力工程,三、,L,型火焰燃烧方式,133,热能与动力工程,前后墙,3,排布置，每层,4,只,6,只，总共,24,只,36,只。,组织前后墙对冲燃烧。,主燃烧器之上设燃尽风口，燃尽风风口含两股独立的气流，中央部分为非旋转气流，外圈为旋转气流,。,都匀电厂燃烧器布置,134,热能与动力工程,四、,W,型火焰燃烧方式,（一）,W,形火焰燃烧方式的特点,W,形火焰燃烧方式的固态排渣煤粉炉是美国的,FW,公司首创，为法国和日本吸收并发展起来，它脱胎于早期的,U,形火焰燃烧方式，故又称双,U,形火焰燃烧方式，由于,W,形火焰燃烧方式有许多特点，适合于低挥发份煤的燃烧，许多国家都采用这种燃烧方式来燃用劣质烟煤、贫煤和无烟煤。,135,热能与动力工程,W,形火焰的炉内燃烧过程,第一阶段为着火的起始阶段，煤粉在低扰动状态下着火和初步燃烧，空气以低速、少量送入，以免影响着火；,第二阶段为燃烧阶段，已着火的煤粉气流先后与以二次风、三次风形式送入的空气强烈混合，形成猛烈的燃烧；,第三阶段为辐射换热和燃尽阶段，燃烧生成的烟气向上流动进入上部辐射炉膛后，除继续以低扰动状态使燃烧趋于完善外，烟气一边流动，一边对受热面进行辐射热交换。,136,热能与动力工程,137,热能与动力工程,W,形火焰燃烧方式的主要特点,（,1,）燃烧中心在喷口附近，前后拱的辐射和燃烧带，都有利于低挥发分煤的着火和燃烧；,（,2,）空气逐步加入，实现分级配风、分级燃烧，不但利于着火、燃烧，而且可控制低的过量空气系数和低,NOx,生成量；,（,3,）火焰行程长，增加煤粉停留时间，利于燃尽；,（,4,）火焰在炉膛底部转弯,180,向上流动时，使部分飞灰分离出来，减少烟气中飞灰含量；,（,5,）可采用直流燃烧器或轴向可动叶轮旋流燃烧器，也可用高浓度煤粉燃烧器，有利于组织良好的着火、燃烧；,（,6,）负荷变化时，下部着火炉膛中火焰中心温度变化不大，有良好的负荷调节性能，低负荷可不投油或少投油。,138,热能与动力工程,（二）,W,型火焰锅炉常用燃烧器,带旋风子分离器的高浓度煤粉燃烧器：,支流缝隙式燃烧器：,改良一次风煤粉浓淡分离的高浓度煤粉燃烧,139,热能与动力工程,安顺电厂使用此燃烧器,140,热能与动力工程,配风方式,1,）,A,挡板,乏气风挡板,2,）,B,挡板,主喷口周围环形风挡板,3,）,C,挡板,主喷口内消旋叶片位置,4,）,D,挡板,垂直墙上二次风挡板,5,）,E,挡板,垂直墙中二次风挡板,6,）,F,挡板,垂直墙下二次风挡板,7,）,G,挡板,周界风挡板，,4,个,141,热能与动力工程,直流缝隙式燃烧器,142,热能与动力工程,143,热能与动力工程,