電廠鍋爐原理及設備2/7/2023第五章煤粉燃燒理論基礎及燃燒設備第一節 燃燒的基本理論第二節 煤粉氣流的著火和燃燒第三節 煤粉燃燒器及點火設備第四節 煤粉爐的爐膛及其特性第五節 燃燒調整實驗方法 2/7/2023第一節 燃燒的基本理論燃燒概念

——燃料與氧化劑進行的發熱與發光的高速化學反應

單相（均相）反應多相（異相）燃燒2/7/2023不同狀態物質的燃燒自然界里的一切物質，在一定溫度和壓力下，都以一定狀態（固態、液態、氣態）存在。這三種狀態的物質燃燒過程是不同的。固體和液體發生燃燒，需要經過分解和蒸發，生成氣體，然后由這些氣體成分與氧化劑作用發生燃燒。氣體物質不需要經過蒸發，可以直接燃燒。2/7/2023一、化學反應速度化學計量方程式化學反應速度的表示1）反應物消耗的速度或生成物濃度增加的速度2）單位：mol/m3·s3）影響反應速度的因素（1）原始反應物的性質（2）反應系統的條件：反應物濃度、溫度、壓力、是否有催化反應或連鎖反應2/7/20231．C對ω的影響1）化學反應本質 ——一定條件下，不同反應物分子彼此碰撞 →單位t內碰撞次數↑→ω↑ ┠單位V內反應物分子數（物質C）

2）ω與C的關系——質量作用定律（1）均相反應 一定T下，ω與參加化學反應的各反應物 的C成正比，各反應物濃度項方次取相應 的反應系數（2）多相燃燒 單位t內炭粒表面上O濃度的變化——ωB

3）結論：若T、V一定，反應物C↑→ω↑2/7/2023甲烷燃燒2/7/20232．T對ω的影響1）反應速度常數k（若反應物C不隨t變化）

Arrhenius定律2）（1）若C不變，ω與T成指數關系：T↑→ω↑（2）現象解釋：活化分子的碰撞才是反應的有效碰撞（3）T一定，E↑→ω↓

3）實際爐內燃燒：C、p基本不變，T↑→加速燃燒反應，縮短燃燒時間2/7/20233．p對ω的影響1）V不變，p↑→C↑→ω↑2）ω與p的n次方成正比： 2/7/20234．催化反應1）催化作用：催化劑加入反應系統，引起ω變化2）特點（1）催化劑可影響ω，但自身不受影響（2）一定條件下不能改變平衡狀態，只能改變達到平衡的t（實質是改變E）2/7/20235．連鎖反應1）作用：使化學反應自動連續加速進行2）機理3）反應過程（1）鏈的激發形成過程（2）鏈的傳遞過程（3）鏈的斷裂過程

4）不分支連鎖反應 分支連鎖反應2/7/2023二、氧的擴散速度1．炭粒的燃燒：炭粒在表面與O進行2．O的擴散速度：ωks=αks（C0－CB）1）（C0－CB）——供應燃燒足夠空氣量2）d↓→表面積↑→與O的反應面積↑→O消耗↑→CB↓→（C0－CB）↑→ωks↑——減小d3）氣流與炭粒的相對速度↑→擾動↑→O向炭粒表面的供應速度↑，燃燒產物離開表面的速度↑→ωks↑2/7/2023三、燃燒速度與燃燒區域1．炭粒的多相燃燒反應2．炭粒燃燒速度ωks：單位表面上的實際反應速度3．穩定燃燒：ωB=ωks=ωr4．燃燒過程反應區域2/7/20231．炭粒的多相燃燒反應1）參加燃燒的O從周圍環境擴散到炭粒的反應表面2）氧氣被炭粒表面吸附（最快）3）在炭粒表面進行燃燒化學反應4）燃燒產物由炭粒解吸附（最快）5）燃燒產物離開炭粒表面，擴散到周圍環境中（較快）2/7/20234．燃燒過程反應區域1）動力燃燒區（T<1000℃）取決于T和燃料反應特性 →提高T以強化動力燃燒工況2）擴散燃燒區（T>1400℃） →改善擴散混合條件，相對速度↑或d↓3）過渡燃燒區（1000℃<T<1400℃） →提高T，改善擴散混合，強化擴散煤粉鍋爐（1）粗煤粉：爐膛高溫區，接近擴散燃燒（2）其余煤粉：爐膛燃燒中心外，都為過渡、動力區

層燃爐：擴散區→強化燃燒→強制通風2/7/2023第二節 煤粉氣流的著火和燃燒一、煤粉的燃燒過程二、燃燒過程著火和熄火的熱力條件三、煤粉氣流的著火四、燃燒完全的條件2/7/2023一、煤粉的燃燒過程 1．煤粉燃燒的三個階段1）著火前的準備階段（吸熱）

煤粉氣流被煙氣加熱→T↑→M蒸發→干燥煤粉熱分解，析出V（煤的特性、加熱T和速度）→V著火燃燒→放出的熱量加熱炭粒→炭粒溫度↑→達到一定T并有O接觸→炭粒著火燃燒2）燃燒階段（放熱）

煤粉顆粒局部著火燃燒 →燃燒擴散到整個表面3）燃盡階段

炭粒變小，表面形成灰殼， 少量未燃盡炭繼續燃燒2/7/20232/7/2023一、煤粉的燃燒過程 2．炭粒的燃燒1）煤粉燃燒的關鍵（1）可燃質的主要部分（2）燃燒過程最長（3）放熱量份額大

2）燃燒機理

一次反應 二次反應

3）不同T下炭粒燃燒過程（1）T<1200℃（2）T>1200℃

4）影響炭粒燃燒的因素

T、是否等溫、炭粒的幾何形狀和結構、炭粒周圍氣流性質2/7/2023二、燃燒過程著火和熄火的熱力條件1．著火和Tzh

1）緩慢氧化狀態→高速燃燒狀態的瞬間——著火2）轉變瞬間的T——Tzh2．燃燒過程中的放熱和吸熱1）燃燒室內煤粉空氣混合物燃燒的放熱量Q12）燃燒過程中向周圍介質的散熱量Q23．Q1-T、Q2-T變化曲線及分析4．加快著火的方法1）加強放熱：散熱條件不變，C↑、p↑、T0↑2）減少散熱：放熱條件不變，T0↑，氣流速度↑、燃燒室保溫2/7/20232/7/2023三、煤粉氣流的著火1．著火過程2．煤粉燃燒特點之一：較難著火3．理想的煤粉氣流著火——燃燒器噴口不遠處4．著火熱Qzh：包括加熱煤粉及空氣（一次風），并使煤粉中M加熱、蒸發、過熱所需熱量5．影響煤粉氣流著火的主要因素6．結論2/7/20231．著火過程煤粉空氣混合物→燃燒器→噴入爐膛→卷吸高溫煙氣（湍流擴散、回流）+高溫火焰輻射→被迅速加熱→熱量達到一定T→著火2/7/20233．理想的煤粉氣流著火1）著火過早→燃燒器噴口燒壞、附近結渣2）著火太遲→推遲整個燃燒過程→q4↑ →火焰中心上移→爐膛出口受熱面結渣2/7/20235．影響煤粉氣流著火的主要因素1）燃料性質：Vdaf、M、A、R90

2）一次風溫3）一次風量（r1zj）（1）大→Qzh↑→著火推遲（2）過小→缺O→限制燃燒過程的發展（3）需滿足輸粉要求（煤粉堵塞）

4）一次風速（適宜風速選取）（1）過高→流量↑→煤粉氣流加熱速度↓（2）過低→燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞

5）爐內散熱條件——敷設衛燃帶（注意結渣）6）燃燒器結構特性（1）一、二次風混合（2）尺寸7）鍋爐負荷——著火穩定性條件限制了調節范圍2/7/20236．結論1）穩定著火過程的首要條件：組織強烈的煤粉氣流與高溫煙氣的混合→供給足夠Qzh

2）減小Qzh的有效措施：提高一次風溫、合適的一次風量和風速3）難燃煤穩定著火常用方法：較細較均勻煤粉，敷設衛燃帶2/7/2023四、燃燒完全的條件1．燃燒效率：ηr=100－（q3+q4）%2．完全燃燒的原則性條件1）供應充足而又合適的空氣量αl”——必要條件2）適當高的爐溫3）空氣和煤粉的良好擾動和混合4）足夠的爐內停留時間2/7/2023第三節 煤粉燃燒器及點火設備煤粉爐燃燒設備煤粉燃燒器（噴燃器）點火裝置爐膛燃燒器作用將一、二次風送入爐膛，組織氣流結構，迅速穩定著火及時供應空氣，風粉充分混合，迅速完全燃燒2/7/2023第三節 煤粉燃燒器及點火設備燃燒器要求（1）空氣動力場，著火，風粉混合→燃燒穩定性、經濟性（2）燃料適應性，調節性，調節范圍→適應煤種和負荷變化的需要（3）控制NOx生成→保護環境（4）運行可靠，便于維修（5）易于實現遠程或自動控制型式（按出口氣流特征）直流燃燒器：直流射流（組）旋流燃燒器：旋轉（+直流）射流（組）2/7/2023一、旋流煤粉燃燒器1.旋轉射流的特性（1）內回流區：反向氣流 卷吸周圍介質 +射流外邊界（2）旋轉效應衰減快：相同初始動量下，射程比直流短（3）擴展角大：隨旋轉強度增大而增大2/7/2023旋轉射流流動狀態封閉氣流：弱旋轉開放氣流：內回流區全擴散氣流：飛邊→火焰貼墻→爐墻、水冷壁結渣2/7/20232.旋流煤粉燃燒器的型式2/7/2023（1）單蝸殼型旋流煤粉燃燒器優點：一次風阻力小，射程遠，后期擾動好 煤種適應性好，可燃用低V貧煤缺點：易燒壞、結渣2/7/2023燒毀的燃燒器2/7/2023燒毀的燃燒器2/7/2023（2）雙蝸殼旋流煤粉燃燒器優點：出口氣流前期混合強烈，可燃用煙煤、褐煤和貧煤缺點：燃料適用范圍不廣 一次風阻力大，不宜直吹式制粉系統 氣流速度、煤粉濃度分布不均2/7/2023（3）軸向葉片型旋流煤粉燃燒器特點 1）調節性能較好 2）中心回流區較小、較長 3）適宜燃用高V煙煤、褐煤2/7/2023（4）切向葉片式旋流煤粉燃燒器2/7/2023（5）雙調風低NOx煤粉燃燒器優點：空氣分級送入、燃燒調節靈活、有利穩定燃燒、煤質適應范圍寬、可防止結渣或腐蝕2/7/2023導流葉片鼓風式旋流擴散燃燒器2/7/2023二、直流煤粉燃燒器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：長（與噴口尺寸、射流初速有關）→衰減慢，貫穿能力強→后期混合好（3）卷吸煙氣能力：高/寬↑→卷吸力↑→速度衰減↑→射程↓（4）射流剛性：高/寬↓→剛性↑→不易偏轉，吸引剛性小的射流2/7/20232.直流煤粉燃燒器的型式結構：狹長形，由一組噴口（圓形、矩形或多邊形）組成流動介質：一次風煤粉氣流、二次風、乏氣（中間儲倉式，熱風送粉）直流射流方向：水平、傾斜一定角度（向上、向下）2/7/2023（1）均等配風直流煤粉燃燒器一、二次風噴口相間布置適宜燃用煙煤、褐煤2/7/2023（2）分級配風直流煤粉燃燒器把二次風分級分階段送入燃燒的煤粉氣流中適宜燃用無煙煤、貧煤、劣質煙煤2/7/2023（2）分級配風直流煤粉燃燒器設計和布置上的特點

1）噴口呈狹長形：高/寬↑→著火周界↑→卷吸能力↑→利于煤粉氣流著火 2）噴口集中布置：著火區煤粉濃度↑，放熱集中→火焰中心T↑→利于煤粉 迅速穩定著火 →一次風射流剛性、貫穿能力↑→火焰偏斜↓，風粉后期混合↑ 3）一、二次風噴口間距加大：一、二次風混合推遲，利于著火 4）二次風分級布置：利于前期著火和后期燃燒 5）周界風、夾心風：風速↑→氣流剛性↑→防止氣流偏斜和燃燒器燒壞 影響著火穩定 6）三次風：布置在燃燒器上方，有下傾角，風速高2/7/2023鍋爐內部#1/#2燃燒器及水冷壁布置2/7/2023（3）幾種改進的直流煤粉燃燒器寬調節比燃燒器PM燃燒器2/7/2023三、點火裝置1.作用（1）點燃主燃燒器煤粉氣流（2）穩定著火、燃燒（3）輔助燃燒2.點火方式（1）三級點火：氣體燃料—霧化燃料油—煤粉氣流（2）二級點火：燃料油—煤粉氣流3.點火器2/7/2023電火花點火器2/7/2023電弧點火器2/7/2023高能點火器2/7/2023等離子煤粉燃燒器2/7/2023等離子點火系統組成2/7/2023等離子燃燒器2/7/2023第四節 煤粉爐的爐膛及其特性一、煤粉鍋爐的爐膛1.爐膛結構需滿足的要求（1）空間足夠，形狀合理（2）爐內溫度場和空氣動力特性良好（3）布置足夠輻射受熱面，爐膛出口煙溫合理2.影響爐膛形狀、尺寸的因素

燃料種類、燃燒方式、燃燒器布置、火焰形狀和行程3.爐膛水平橫截面選取（1）直流燃燒器：正方形或接近正方形的矩形（2）旋流燃燒器：長方形4.爐膛寬度的選取（1）適應過熱器和尾部受熱面布置的需要（2）與汽包長度相匹配2/7/2023二、燃燒器的布置及爐內空氣動力特性1.旋流燃燒器（1）布置要求

a.各燃燒器火焰自由發展，相鄰射流不互相干擾 b.保持適當距離：燃燒器間、與鄰近爐墻間、與冷灰斗上緣間 c.相鄰氣流旋轉方向相反2/7/2023二、燃燒器的布置及爐內空氣動力特性1.旋流燃燒器（2）前墻布置 a.優點：煤粉管道短，煤粉分配均勻，爐膛寬度方向煙溫偏差小 b.缺點：火焰擾動弱，后期混合差，死滯漩渦區大，火焰充滿程度差，易結渣2/7/2023二、燃燒器的布置及爐內空氣動力特性1.旋流燃燒器（3）兩面墻布置

a.優點：死滯漩渦區減少，火焰充滿混合程度好 b.缺點：風、粉管道布