第五章 煤粉燃烧理解读

第二节 煤粉气流的着火和燃烧 一、煤粉气流的着火条件及其强化措施 煤粉燃烧的三个阶段：着火阶段、燃烧阶段、燃尽阶段。 1、着火（和熄火）的热力条件： 煤粉燃烧时的放热量：
E RT n
Q1 k 0 e
CO2 VQr
周围介质的散热量：
Q2 S (T T0 )
结论：上图中散热曲线和放热曲线的切点2和4，分别对应于 反应系统的着火温度和熄火温度。然而点2和点4的位置是随 着反应系统的热力条件——散热和放热的变化而变化的。因 此，着火温度和熄火温度也是随着热力条件的变化而变化的， 并不是一个物理常数，只是一定条件下得出的相对特征值。 而且着火温度永远小于熄火温度。 着火热近似按下式计算：
烟煤：乏气送粉r1=25～30%; 热风送粉r1=30～35%; 褐煤：乏气送粉r1=25～30%；热风送粉r1=30～40% 。
（4）一次风速 一次风速对着火过程也有一定的影响。若一次风速过高， 则通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速 度，使着火距离加长。但一次风速过低时，会引起燃烧器喷 口被烧坏，以及煤粉管道堵塞等故障，故有一个最适宜的一 次风速，它与煤种及燃烧器形式有关，其推荐范围列于表 5—4 一、二、三次风速的推荐范围（m/s）
第五章 煤粉燃烧理论基础及燃烧设备 第一节 燃烧的基本理论 一、化学反应速度 1、化学反应速度：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，其常用的单 位是 mol／(m3•s)。 C2H4+3O2=2CO2+2H2O
aA bB
dC G G dt
gG hH
dC H H dt
三、旋流煤粉燃烧器的原理及结构 （一）旋转射流 旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动的。当旋转气流由燃烧 器出口喷出后，气流在炉膛内就形成了旋转射流，如图所示。
1、旋转射流的主要特点 （1）旋转射流中任一点的空间速度均可分解成轴向速度、径向速度和 切向速度，气流旋转的结果，在射流的中心部分产生一个低压区，造成 了径向和轴向压力梯度。特别是轴向的反向压力梯度，将吸引中心部分 的烟气沿轴向反向流动，如图5—6（d）。即在燃烧器出口附近形成和 主气流流动方向相反的回流运动，因而在旋流射流的内部产生了回流 区——内回流区。这是旋转射流主要特点。 （2）由于和周围介质进行强烈的湍流交换，沿射流的运动方向，切向 速度衰减 ，即 旋转效应衰减很快。旋转射流中，轴向速度的衰减比切向速度慢些，但 远比直流射流快。在同样的初始动量下，旋转射流的射程要比直流短。 （3）旋转射流的扩展角一般比直流射流大，而且随着旋转强度的增大而 M 增大。旋转强度可用下式表示：
二、煤粉气流燃烧完全的条件
1、供应充足而又合适的空气量：过量空气系数在1.2。 2、适当高的炉温：温度在1250以下为宜，超过1350会增加氮氧化物生 成量。 3、空气和煤粉的良好扰动和混合：要做到这一点，就要求燃烧器的结构 特性优良，一、二次风混合良好，并有良好的炉内空气动力场。增加二 次风和三次风速度，加强燃尽阶段氧混合。 4、在炉内要有足够的停留时间：采取旋转气流和加大炉膛高度的措施。
但一次风速过低时会引起燃烧器喷口被烧坏以及煤粉管道堵塞等故障故有一个最适宜的一次风速它与煤种及燃烧器形式有关其推荐范围列于表一二三次风速的推荐范围ms5炉内散热条件从煤粉气流着火的热力条件可知如果放热曲线不变减少炉内散热在实践中为了加快和稳定低挥发分煤的着火常在燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来构成所谓卫燃带
。
（二）旋流煤粉燃烧器的型式 旋流煤粉燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动。 旋流器的主要有：蜗壳型和叶片型两大类。 蜗壳型旋流燃烧器（蜗壳作旋流器）：现主要有直流（一次风）蜗壳（单蜗 壳）和旋流（一次风）蜗壳（双蜗壳）。 叶片型旋流燃烧器（叶片作旋流器）：现主要有轴向叶片及切向叶片等。
1、直流（一次风）蜗壳（单蜗壳）燃烧器
r kC0
当温度很高时（＞1400℃），化学反应速度常数随温度的升 高而急剧增大，炭粒表面的化学反应速度很快，以致耗氧速 度远远超过氧的供应速度，炭粒表面的氧浓度实际为零。这
时»，则 ks≈ ， k
r kC0
3、过渡燃烧区 介于上述两种燃烧区的中间温度区，化学反应 速度常数与氧的扩散速度系数处于同一数量级，因 而氧的扩散速度与炭粒表面的化学反应速度相差不 多，这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速 度有影响。这个燃烧反映温度区称为过渡燃烧区。 在过渡燃烧区内，提高反应系统温度，改善氧的扩 散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。 在煤粉锅炉中，只有那些粗煤粉在炉膛的高温 区才有可能接近扩散燃烧。在炉膛燃烧中心以外， 大部分煤粉是处于过渡区甚至动力区的。煤粉锅炉 着火区是动力区。 因此煤粉锅炉提高炉膛温度和氧的扩散速度都可 以强化煤粉的燃烧过程。
n
KL
式中 M——气流的切向旋转动量矩； K —— 气流的轴向旋转动量 ； L——燃烧器喷口的特征尺寸。
2、旋转射流流型 随着旋转强度的不同，旋转射流有三种不同的流动状态：封闭气流、
开放式旋转射流、形成全扩散式旋转射流 封闭气流没有 回流区，对着火不利；全扩散式旋转射流又叫做“飞边”。 飞边会使火焰贴墙，造成炉墙或水冷壁结渣。
100 M ar Qzh (V1C k C MCq )(t zh t1 ) 100 M ( ar M ) [4.19 (100 t1 ) 2510 C q (t zh 100)] 100
g r
2、影响煤粉气流着火的主要因素 （1）燃料性质： 影响最大的是挥发分含量，煤粉的着火温度随 的变化规律如图5—5所示。挥发分降低时，煤粉气 流的着火温度显著提高，着火热也随之增大，将煤 粉气流加热到更高的温度才能着火。 原煤水分增大时，着火热也随之增大，同时水 分的加热、蒸发、过热都要吸收炉内的热量，只是 炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温 度以及火焰对煤粉气流的辐射热也相应降低。 原煤灰分在燃烧过程中不但不能放热，还要吸 热，而且影响氧与炭的接触，影响着火和燃烧。 煤粉气流的着火温度也随煤粉的细度而变化，煤粉 愈细，着火愈容易。
3、强化着火的措施
（1）组织强烈的煤粉气流与高温烟气的混合，以保证供给足够的着火 热，这是稳定着火过程的首要条件；（燃烧器结构设计时要考虑） （2）提高一次风温，采用热风送粉；采用合适的一次风量和风速是减 小着火热的有效措施； （3）采用较细较均匀的煤粉；分级燃烧（或浓淡燃烧）可减少着火热； 高负荷运行；敷设卫燃带是难燃煤稳定着火的常用方法。
kJ/kg （2）强化着火的措施：理论上可以从加强放热和减少散热 两方面着手。在散热条件不变的情况下，可以增加可燃混合 物的浓度和压力，增加可燃混合物的初温，使放热加强；在 放热条件不变时，则可采用增加可燃混合物初温和减少气流 速度、燃烧室保温等减少放热措施来实现。 锅炉实际采取的措施：提高一次风温度（热风送粉）、 降低一次风量（率）和风速（无烟煤w1=20～25m/s）。
（2）一次风温 提高一次风温可减少着火热，从而加快着火。因此，在 实践中燃用低挥发分煤时，常采用高温的预热空气作为一次 风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。 （3）一次风量（率）
一次风量越大，着火热增加的越多，将使着火推迟； 但一次风量太小，着火阶段部分挥发分和细粉燃烧 得不到足够的氧，将限制燃烧过程的发展。另外， 一次风量还必须满足输粉的要求，否则会造成煤粉 堵塞。一次风量常用一次风率来表示，它是指一次 风量占入炉总风量的质量百分比。 对应煤种的推荐范围:无烟煤和贫煤：r1=20～25%;
dC A A dt
dCB B dt
2、影响化学反应因素（重要的条件）：①反应物的浓度； ②温度; ③ 活化能;④压力; ⑤是否有催化反应或连锁反应。
1、浓度对化学反应速度的影响
dt 根据质量作用定律，对于均相反应，在一定温度下化学反应 速度与参加化学反应的各反应物的浓度成正比，而各反应物 浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。 dCB b C+O2=CO2 B kCB dt 2、温度对化学反应速度的影响

B ks r
r
1 1 1 k ks
C0 k z C0
三、燃烧反应区域（阶段） 炭粒的多相燃烧反应过程： （1）参加燃烧的氧气从周围环境扩散到炭粒的反应表面； （2）氧气被炭粒表面吸附； （3）在炭粒表面进行燃烧化学反应； （4）燃烧产物由炭粒解吸附； （5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。 炭粒的多相燃烧反应区域： 1、动力燃烧区 当温度较低时（＜1000℃），炭粒表面化学反应速度较慢，供应炭粒表 面的氧量远大于化学反应所需的耗氧量。此时 k z≈ k ，燃烧速度 2、扩散燃烧区
图5－9单蜗壳旋流燃烧器 1－扩流锥；2－一次风扩散管口；3－一次风管；4－二次风蜗壳； 5－一次风连接管；6－二次风舌形挡板；7－连接法兰；8－点火喷嘴安装孔
2、双蜗壳旋流煤粉燃烧器
（5）炉内散热条件
从煤粉气流着火的热力条件可知，如果放热曲线不变，减少炉内散热， 在实践中为了加快和稳定低挥发分煤的着火，常在燃烧器区域用铬矿砂 等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成所谓卫燃带。但容易产生结焦， 一般不采用。
（6）燃烧器结构特性 影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风 混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前 就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推 迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，应使一、二次风 的混合点适当地推迟。直流燃烧器材用分级培锋，可以实现 一、二次风混合推迟。 燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积 愈大，煤粉气流着火时离开喷口距离就愈远，着火拉长了。 从这一点来看，采用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃 烧器是合理的。 （7）锅炉负荷：调峰40～100%,基本负荷机组70～100% 。
P n kn x ( ) RT
n A
4、催化反应：催化剂可影响化学反应速度，但化学反应却 不能影响催化剂本身。 5、连锁反应：连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行。 二、煤的燃烧 燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化 学反应。燃烧是指燃料与氧的剧烈化学反应。燃料与氧化剂 可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃烧，称为单相 （或均相）反应，燃料与氧化剂也可以是不同形态的，如固 体燃料在空气中的燃烧，称为多相（或异相）燃烧。 炭粒的燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反应速度。 炭粒表面按完全燃烧反应的化学反应速度，氧向炭粒表面的 扩散速度。当燃烧过程稳定时，氧的扩散速度与化学反应速 度应该相等，并都等于燃烧速度，即
第三节 煤粉燃烧器及点火设备
一、对燃烧器结构设计的要求 1、组织良好的空气动力场，使燃料及时着火，与空气适时混合，保证燃 烧的稳定性和经济性； 2、有较好的燃料适应性，具有良好的调节性能和较大的调节范围，以适 应煤种和负荷变化的需要； 3、应能控制的生成在允许的范围内，以达到保护环境的要求； 4、运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修和更换部件； 5、易于实现远程或自动控制。 二、煤粉燃烧器的型式 燃烧器出口气流特征分类，煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧 器两大类。 1、直流燃烧器：出口气流为直流射流或直流射流组的燃烧器；按照配风 方式又可分为：均等配风和分级配风两种；根据煤种不同其结构有所 不同。 2、旋流燃烧器：出口气流包含有旋转射流的燃烧器称旋流燃烧器。根据 具体结构分类。
阿累尼乌斯定律表示：

dC
a b k AC A CB
k k0e

E RT
b wB k 0 C B e

E RT
3、活化能的影响：在一定温度下，活化能越大，活化分子 数越少，则化学速度越慢；反之，若活化能越小，化学反应 速度就越快。在相同条件下，不同燃料的焦碳的燃烧反应， 其活化能是不同的，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分煤 的活化能较大。各类煤的焦炭按方程反应的活化能的值 (MJ/kmol) 分别为： 褐煤：92~105；烟煤：117~134；无烟煤：140~147 4、压力对化学反应速度的影响 在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就意 味着反应物浓度增加，从而使反应速度加快。化学反应速度 与反应系统压力的次方成正比：