耐火材料与燃烧概论15

煤粉在炉中随气流而快速运动，煤粉在炉内逗留时间很短，一般仅2-3s， 故需将煤粉磨得很细，使它来得及充分燃烧。对煤粉的要求为：颗粒平均直 径为40-100μm；水分含量为 (0.5-1.0)Wf%。在煤粉炉，煤粉是先与部分燃 烧空气(称一次风)组成一股煤粉−空气混合流，然后再经过燃烧器喷入炉内 燃烧，燃烧所需总空气量的其余部分称二次风，当把煤粉制粉系统的排气送 入炉内燃烧时，称为三次风。在燃烧器中合理地安排一、二、三次风口的射 流是达到所需燃烧空气动力场的关键。煤粉燃尽后的灰渣可以固态或液态排 出炉外，并分别称之为固态除渣煤粉炉及液态除渣煤粉炉。
① 化渣问题。旋风炉对燃料的适应性，主要受灰渣性质的限制，因此 需采用适当的熔剂以降低灰渣的熔点，对于扩大旋风炉的适用范围具有很 大意义。根据实践经验，增加成分中的金属氧化物可以降低灰渣的熔点。
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② 积灰问题。当采用旋风燃烧时，虽然烟气中的飞灰大大减少，但锅 炉受热面的积灰问题并未彻底解决，甚至由于这时烟气中只有细灰，受热面 积灰现象反而有所加剧，到目前为止，积灰问题尚未解明，这是影响旋风炉 广泛采用的一个重要原因。 ③ 灰渣物理热的利用问题。采用旋风炉后，空气系数可以减小，而燃 烧却更安全，这些因素可以使锅炉的热效率提高。但是，旋风炉的捕渣率很 高，而且是呈液态流出，带走大量物理热。特别是对于多灰燃料，必须考虑 液态渣的物理热的利用问题。
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由于挥发分是气态的，容易与空气混合，挥发分比焦炭易于着火，故 当温度足够高又有空气时，挥发分将首先着火。当挥发分着火燃烧后，它 一方面加热焦炭，但同时又与焦炭争夺燃烧所需的氧。焦炭在大部分挥发 分燃烧以后，才着火燃烧，但与挥发分差不多同时燃尽。焦炭的燃烧一般 先从其表面的某一局部开始，再逐渐扩展到整个表面。焦炭中所含矿物杂 质燃烧后形成的灰分，由于在燃烧过程中会形成妨害氧气由颗粒外部向内 部扩散的逐渐增厚的灰壳，对燃尽时间有一定的影响，故灰分对燃烧是不 利的。
空气 灰渣
空气
空气 ( a 灰渣 )
空气 ( b
空气
( c )
图15-1 几种典型的火床燃烧方式示意图 (a) 上饲式固定炉排；(b) 下饲式固定炉排；(c) 链条活动炉排 1—渣；2—一次风和煤固体燃料在自身重力的作用下彼此堆积成致密的料 层。为了保持燃料在炉篦上稳定，煤块的质量必须大于气流作用在煤块的动 压冲力，也就是要保证以下条件：
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15.1.2.2 火室式燃烧
火室式燃烧是将煤磨成煤粉，使煤粉在炉膛空间以悬浮状态进行燃烧 过程，故又称悬浮燃烧。煤粉与燃烧所需空气可通过燃烧器上不同功能的 喷口喷入炉膛，形成所需的燃烧空气动力场，以建立合适的燃烧条件。
2
4
3
2 3
1 a b
1 c
图15-2 火室炉炉膛内燃烧火焰的组织 (a) U型燃烧火焰；(b) L型燃烧火焰；(c) 四角燃烧火焰
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火床燃烧又可分为上饲式固定炉排燃烧、下饲式固定炉排燃烧及链条 活动炉排燃烧等。由图15-1可以看出，它们在燃煤及炉渣的运动方向、空 气及烟气流动方向的差异。
燃料 燃料 着火面 着火面 着火面 着火面 着火面 着火面
灰渣
炉排 炉排 燃料 炉排 炉排 燃料 链条活动炉排 链条活动炉排 空气 灰渣
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与层状燃烧相比、火室式燃烧有以下优点： ① 燃烧效率高； ② 可使用含灰质及水分高的劣质煤和无烟煤煤屑； ③ 可实现运行操作的全部机械化和自动化；
④ 单机容量可以大型化，适用于大型电站锅炉。
但火室式燃炉也存在以下不足之处： ① 金属受热面易磨损； ② 烟气中飞灰含量较高； ③ 受热面积灰和结渣问题较严重；
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15.2 煤的燃烧过程
虽然煤可采取上述的名种方式进行燃烧，但其燃烧过程是相同的。煤 的燃烧过程需经历干燥、挥发分析出及着火燃烧和焦炭着火燃烧等分过程， 并且其中的挥发分的燃烧与焦炭的燃烧在时间上有一定的重叠。 当煤受热时，煤表面和缝隙中的水分将首先蒸发出来，使煤被干燥。 当温度继续升高，将发生煤的热分解反应，使煤中所含易分解的碳氢化合 物和少量不能燃烧的化合物如 CO2 等以气态析出。这些析出物即常称的挥 发分。在开始阶段，挥发分的析出速度较高，在不太长的时间内便析出总 挥发分的80-90%，最后的10-20%则要经过较长的时间才能全部析出，挥发 分析出后余下者即焦炭，它主要由固定碳和一些矿物杂质所组成。
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根据燃料的燃烧特性和对炉内燃烧组织的不同要求，燃烧器有直流式和 旋流式之分。前者的燃料流和空气流均不旋转，为直流射流，后者则为旋转 射流。直流式燃烧器常用在锅炉内形成U型或W型燃烧火焰，或用于组织四角 燃烧火焰。旋流式燃烧器常用于在锅炉中组织 L型火焰。图15-2为这几种火 室炉炉膛内燃烧火焰的组织。
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15.1 固体燃料燃烧分类
固体燃料的燃烧通常可根据其燃烧时的特征和燃烧方式进行分类。
15.1.1 按燃烧特征分类
(1) 表面燃烧。指在燃料表面进行的燃烧。这种燃烧现象常发生在几 乎不含挥发分的燃料中，例如在焦炭和木炭表面的燃烧，这时氧和CO2通过 扩散到达燃料表面进行反应。如在燃料表面尚不能完全燃烧，则不完全燃 烧产物(如CO等)在离开表面后，可再与O2进行气相燃烧反应。 (2) 分解燃烧。这种情况常发生在热分解温度较低的固体燃料。这时 由热分解产生的挥发分在离开燃料表面后，再与O2进行气相燃烧反应。木 材、纸张和煤挥发分的燃烧就属此类燃烧。
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15.1.2.4 沸腾式燃烧
沸腾燃烧是利用空气动力使煤在沸腾状态下完成传热、传质和燃烧反 应。它相当于在火床中当火床通风速度达到煤粒沉降速度时的临界状态下 的燃烧，这时煤粒失去稳定性而在煤层中作强烈地上下翻腾运动，因其颇 类似沸腾状态，故称为沸腾燃烧。由于煤粒和空气进行剧烈的搅拌和混合， 燃烧过程十分强烈，燃料燃尽率可以很高 (对一般煤已可达到 96-98%以上 )。 但由此而由烟气带出的飞灰量也较大，一般需经二级除尘后才能达到排放 标准。 图 15-4 示出了沸腾燃烧的原理。煤粒由气力系统送入沸腾床中，燃烧 所需空气经布风板孔以高速喷向煤层，使煤粒失稳而呈沸腾状并进行燃烧。 由于燃烧过程十分强烈，所以沸腾燃烧能有效地燃用多种燃料，如无烟煤、 烟煤、褐煤及油页岩等多种固体燃料。
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挥发物燃烧
焦炭燃烧
图15-5 煤粒的燃烧过程
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图 15-5 为煤粒燃烧过程的示意图，它大致说明了固体燃料燃烧的基本 过程。由图可见，当挥发分燃烧时将形成一离开煤粒一定距离的明亮火焰， 这时氧全部消耗于挥发分，燃烧不能达到焦炭表面，使焦炭不能燃烧，故 焦炭呈暗黑色，其中心温度不超过 700-800°C 。由于挥发分的燃烧加热了 焦炭，将能促进以后的焦炭燃烧。挥发分着火后经过不长时间火焰逐渐缩 短以至最后消失，这表明挥发分已基本燃尽。实验表明，这个时间约占煤 粒总燃尽时间的10%左右。当挥发分基本燃烧完毕，这时焦炭的燃烧则由煤 粒局部表面逐渐扩展到整个表面，焦炭的温度将达到其最大值(1200°C)， 并几乎保持不变，同时在焦炭周围出现很薄的蓝色火焰，它主要是 CO燃烧 所形成的火焰。在焦炭燃烧时间内，由于温度高，虽又有少量挥发分继续 析出和燃烧，但它对燃烧过程不再起主要的作用。
第15章 固体燃料的燃烧
固体燃料除了天然燃料如煤、油页岩、木柴等以外，实际上还包括许 多特殊用途的燃料，如硼、镁、铝以及各种火箭固体推进剂等等。本章主 要讨论煤的燃烧。 为了充分利用煤资源，就必须研究和掌握煤的燃烧规律和特性，以改 进原有的燃烧技术并探索新的燃烧技术。本章将比较系统地介绍有关煤的 燃烧理论基础知识。
④ 需设臵专用的制粉系统，且制粉尚需耗能；
⑤ 对炉子的运行操作要求很高。
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15.1.2.3 旋风式燃烧 采用火室式燃烧方式以后，可以使燃料品种的范围扩大，使炉子的操 作实现机械化和自动化，并且可以适应炉子容量不断扩大的需要。虽然如 此，但火室式燃烧方式也有它的严重缺点。例如，因为烟气中含有大量的 飞灰，占燃料全部灰分的85-90%，造成换热器和引风机的磨损，而且有碍 环境卫生，不得不装臵复杂的除尘设备。此外，燃烧粉煤还需要复杂的制 粉设备，增加设备投资。 旋风式燃烧是一种利用旋风分离器的工作原理，使燃料悬浮于旋转空 气中的燃烧方式。在图15-3表示出旋风燃烧的原理。燃料颗粒与一次风经 燃烧器送入旋风炉，大量的二次风则沿切线方向高速 ( 可达 l00-200m/s 以 上)进入旋风炉，形成强烈的旋转运动。由于气流的旋转，使燃料颗粒紧贴 圆筒壁，边旋转，边进行热分解、着火燃烧直到燃尽。燃烧生成的烟气由 中心孔流出。由于气流的旋转，燃料在炉中逗留时间较长，故可燃用煤粉 乃至小煤块(其尺寸可达5-6 mm甚至更大)。
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(3) 蒸发燃烧。这种情况发生在熔点较低的固体燃料。燃料在燃烧前 先熔融成液态，然后再进行蒸发和燃烧 (类似液体燃料)。石蜡等链烷烃系 高级碳氢化合物的燃烧就属此类燃烧。在很多情况下，在进行蒸发燃烧的 同时也可能进行分解燃烧。 (4) 冒烟燃烧。对一些易热分解的固体燃料，当因温度较低而挥发分 未能着火时，将会冒出大量浓烟，使大量可燃物散失在烟雾中。木材和纸 张在温度较低的条件下燃烧时，就易于产生冒烟燃烧。 通过固体燃料的这几种燃烧现象可以看出：在分析固体燃料燃烧时， 有时还需应用气体燃料和液体燃料的燃烧理论知识。
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15.1.2 按燃烧方式分类
15.1.2.1 火床式燃烧
火床式燃烧又称层状燃烧，它的特征是把燃料放臵于炉篦上，空气通过 炉篦下方炉篦孔穿过燃料层并和燃料进行燃烧反应，生成的高温燃烧产物离 开燃料层而进入炉膛。图15-1为几种典型的火床燃烧方式简图。在已燃烧火 床添加的新燃料(小煤块)由于受到已燃高温煤层和高温炉膛的加热而被点燃 燃烧。燃烧所需空气由火床下炉篦孔供入。煤层燃烧所生成的烟气进入炉膛， 其中尚未燃尽的可燃成分(如CO、H2等)及由烟气从煤层带出的煤屑可再在炉 膛空间内与空气混合燃烧。故火床燃烧实际上是由两部分组成，但以火床上 的煤层燃烧为主，因此有人称火床燃烧为层状燃烧。经过炉篦，进入煤层供 燃烧的空气称一次风；在煤层上部，向炉膛送入的空气称二次风，它除了用 于空间燃烧外，并用于形成炉内所要求的空气动力场。在总空气量中，一次 风是主要的燃烧空气，其量约占总空气量的80-100%，二次风则占总空气量 的0-20%。
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悬 浮 灰 燃料 1 沸 腾 灰 2
溢流灰 5 4
空气
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图15-4 沸腾燃烧原理图
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为防止沸腾层内灰渣结块破坏燃烧过程，通常在沸腾床内设臵埋管受 热面，使床内温度维持在800-900°C之间。这些受热面由于受到强烈翻腾 煤粒的冲刷，使热阻的层流边界层常遭破坏，故受热面可达到很高的传热 系数 ( 可达 250-350W/(m2 · °C)) 。因此，以较少的受热面积即可传递大量 的燃烧放热量。沸腾燃烧属低温燃烧，在800-900°C的床层温度下，对脱 硫化学反应很有利，因此，常随燃料加入一定数量的CaCO3及MgCO3作为脱 硫剂。据研究在Ca/S≥2的条件下，可使燃料中大部分的硫(80-90%）被化 合成CaSO3炉渣残留下来，从而防止有害气体SOx对大气的污染。由于低温 燃烧，废气中的有害成分NOx也大为降低。
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一次风 与煤粉
二次风
旋风炉 二次风
图15-3 旋风式燃烧原理
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燃料颗粒越大，燃尽时间越长，在炉中旋转的次数也越多，满足了充 分燃烧的要求。由于燃料在炉中逗留时间较长，旋风炉内存留的燃料量较 大，故燃料工况比较稳定，对燃料和空气量供应的波动不太敏感。 由于旋风燃烧中燃料与空气混合很强烈，使燃烧过程大为强化，炉内 温度可达到很高水平 ( 可达 1600-1700˚C) ，燃料中的灰分亦大部熔化为液 态从炉中排走，因而可大大减少烟气带出的飞灰。但是，旋风燃烧也存在 一些问题：
2 d3 d 2 wa ( c a ) C a 6 4 2
式中，
d―煤块直径；
ρc和ρa―煤块和空气的密度； Wa―空气的流速； C―阻力系数。
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对于一定直径的煤块，如果气流速度太高，当煤块的质量和气流对煤 块的动压冲力相等的煤块。但另一方面，煤块越小，反应面积越大，燃烧 反应越强烈。显然，应当同时考虑上述两个方面，确定一个合适的块度。 火床燃烧的优点是燃料的点火热源比较稳定，因此燃烧过程也比较稳 定。缺点是鼓风速度不能太大，而且，机械化程度低，因此燃烧强度不能 太高，只适用于中小型的炉子。