煤粉炉燃烧原理及燃烧设备

煤粉炉燃烧原理及燃烧设备
第一节燃烧化学反应动力学基础
燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的剧烈化学反应。

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（均相）燃烧；
燃料与氧气剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空
气中的燃烧，称为多相燃烧。

电厂锅炉的主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。

电厂锅炉的主要燃料是煤使用空气作燃料的氧化剂
一、碳粒的燃烧过程和燃烧速度
炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程：
（1）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒的反应表面；
（2）氧被炭粒表面吸附；
（3）在炭粒表面进行燃烧化学反应；
（4）燃烧产物由炭粒表面解吸附；
（5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。

炭粒燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际
反应速度，它取决于上述过程中进行得最
慢的过程。

碳的燃烧速度主要决定于氧向炭粒表面的
扩散速度和在反应表面上进行的化学反应
速度最终决定于两者中的较慢者速度，最终决定于两者中的较慢者。

(吸附
和解吸附过程速度快)
1、影响化学反应速度的因素
（1）浓度对化学反应速度的影响
化学反应是在一定条件下反应物分子之化学反应是在一定条件下，反应物分子之
间彼此碰撞而产生的，分子在单位时间内
的碰撞次数越多则化学反应速度越快的碰撞次数越多，则化学反应速度越快。

分子碰撞次数决定于单位容积中反应物的
分子数，即物质浓度。

在定温度下反应容积不变增加反应在一定温度下，反应容积不变，增加反应
物的浓度即可增加反应物的分子数，分子
之间的碰撞次数就会增多，反应速度就会加快。

加快
（2）压力对化学反应速度的影响
分子运动论认为，气体压力是气体分子撞
击容器壁面的结果。

在温度和容积不变的条件下，反应物压力
高，意味着反应物浓度大，因此化学反应
速度就快。

（3）温度对化学反应速度的影响
阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律。

阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律
化学反应是在一定条件下，反应分子间发生碰撞而发生的，应在条件应发生撞发生的
但并不是所有碰撞的分子都可以发生反应，只有那些碰撞
能量足以破坏现存化学键并建立新的化学键的碰撞才是有
效的。

为使某一化学反应能够进行，分子所需的最低能量称为活
化能用表示能量达到或超过活化能的分子称为活化化能，用E表示。

能量达到或超过活化能的分子称为活化
分子。

活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分子
之间进行。

温度一定，活化能越大，活化分子数就越少，化学反
应速度越慢；活化能越小，化学反应速度就越快。

不同燃料的活化能是不同高挥发分煤的活化能较小不同燃料的活化能是不同，高挥发分煤的活化能较小，
低挥发分无烟煤的活化能较大。

例如褐煤105MJ/kmol 例如：褐煤92～105 MJ/kmol ；
烟煤117～134 MJ/kmol ；
贫煤无烟煤147MJ/k l 贫煤、无烟煤140～147 MJ/kmol 。

实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认
为基本不变，因此化学反应速度主要与温度有关。

温度升高时活化分子数目急剧增多反应速度也随之度升高时，活化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。

故在实际运行中，提高炉膛温度是加快燃烧反应缩短燃烧时间的重要方法应、缩短燃烧时间的重要方法。

（4）连锁反应
在很多燃烧化学反应中，实际反应速度远高于按照
质作用定律和阿累尼乌斯定律计算出的度
质量作用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经
过分析，人们发现了连锁反应和催化作用的影响。

连锁反应:
燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式
那样一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可
以自动产生一系列活化中心，这些活化中心不断繁以自动产生系列活化中心这些活化中心不断繁
殖，使反应由一系列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递下去，这种反应就被称为就像链样节节传递下去这种反应就被称为
连锁反应。

（5）催化作用
在化学反应中，如果将某些物质加到反应系统中，
可以使化学反应速度发生变化，这种作用称为催
化作用产生催化作用的物质称为催化剂化作用，产生催化作用的物质称为催化剂。

催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不
能改变催化剂本身。

在应过中催化剂也参加化学应在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，但
在另一个反应中又被还原，所以到反应终了时，
它本身的化学性质并未发生变化它本身的化学性质并未发生变化。

催化作用特点：即催化剂在一定条件下，仅能改
变化学反应的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度可能进行的限度。

（二）氧的扩散速度
1、含义：炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的，化学反应消耗部分氧后，炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度，因为这种浓度差，周围环境的氧就不断向炭粒表面扩散。

表示此过程的快慢程度就称为氧的扩散速度。

2、扩散速度计算公式：
氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比还与炭()
B 0ks ks
C C w -=α•氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比；还与炭粒直径及气流与炭粒的相对运动速度有关。

3、影响扩散速度的因素：
气流与炭粒的相对速度越大，扰动就越剧
烈氧向炭粒表面的扩散速度就越大同烈，氧向炭粒表面的扩散速度就越大，同
时燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度
也增大使氧的扩散速度进一步加快也增大，使氧的扩散速度进一步加快。

炭粒直径越小，单位质量炭粒的表面积越
大，与氧的反应面积越愈大，化学反应消大与氧的反应面积越愈大化学反应消
耗的氧越多，炭粒表面的氧浓度就会降低，炭粒表面与周围环境的氧浓度差就越大，
使氧的扩散速度加快。

三、燃烧区域
按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度
影响的不同燃烧过程分为动力燃烧过渡燃影响的不同，燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种不同区域
1、动力燃烧区
当温度较低时（小于1000℃），氧的扩散速
）氧的扩散速
度远大于化学反应速度，即，折算速度系数；
燃烧速度主要决定于化学反应速度，这种燃烧反应温度区称为动力燃烧区。

反应度区称为动力燃烧区
在该燃烧区内，提高温度是强化动力燃烧工况
的有效措施。

的有效措施
2．扩散燃烧区
当温度很高时（大于1400℃），化学反应速度常数随温度
的升高而急剧增大，化学反应速度远大于氧的扩散速度，
这种燃烧反应温度区称为扩散燃烧区。

在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的
相对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。

3．过渡燃烧区
介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的
与氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度
和氧的扩散速度都对燃烧速度的影响相当这个燃烧反应和氧的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。

这个燃烧反应
温度区称为过渡燃烧区。

在渡燃烧内既要改善化学反应条件提高反应系统在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统
温度，又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。

第二节煤和煤粉的着火和燃烧
一、热力着火
（一）着火与着火温度（）着火与着火温度
燃烧过程通常分两个阶段进行，即着火阶段和燃
烧过程本身烧过程本身。

着火是燃烧的准备阶段，当燃料温度达到一定程
度时，由缓慢的氧化反应转变到剧烈的氧化反应，
这瞬间象称之为燃料着火这一瞬间现象称之为燃料着火。

燃料开始发生剧烈氧化反应（即着火）时所需的
最低温度称为燃料的着火温度或着火点。

★熄火温度比着火温度高
•挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火；•挥发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。

测试设备燃料着火温度℃
褐煤V
daf
=50%550
烟煤V
daf
=40%650
d f =30%
煤粉气流着火温度测试
设备
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
（二）着火热
一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，
为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部
空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉这部分空气称为其中部分来输送煤粉，这部分空气称为
一次风。

其余的空气称为二次风（助燃风）和三次
风。

1、着火热：煤粉混合物进入炉膛后，将煤粉着火度称着火气流加热到着火温度所需的热量称为着火
热。

它包括加热煤粉及空气（一次风）、使煤
粉气流中水分蒸发和过热所需要的热量。

着火热的来源2．着火热的来源
煤粉气流着火热来源有两个方面：一方面
是卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热，另一方面是炉内高温火焰的辐射换热。

两者之中对流换热是主要的。

3、着火距离和着火时间：
着着
200--300mm处着火，最多（1）着火距离：煤粉气流最好在离开燃烧器约200
不要超过500mm。

着火太迟，会使火焰中心上移，从而造成炉膛上部结渣，过热蒸汽温
度偏高，不完全燃烧损失增加，严重时，还会造成灭火“打炮”，产生严重事故。

着火太早也不好可能烧坏燃烧器或造成燃烧器附近结渣
着火太早也不好，可能烧坏燃烧器，或造成燃烧器附近结渣。

（2）着火时间：煤粉在炉内停留时间（从燃烧器出口至炉膛出口）大约
只有2～3秒。

故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。

一方面要尽量降低煤粉的着火
热另方面就要尽快提供着火热
热，另一方面就要尽快提供着火热。

劣质煤着火燃烧较为困难，为使煤粉尽快着火，可提高进入炉膛的煤粉
气流初温来降低着火热，同时通过合理组织炉内燃烧工况，尽快供给着
火热。

（劣质煤：两方面含义。

）
二、煤粉的燃烧过程、煤粉的燃烧过程
（一）燃烧阶段
煤粉气流经燃烧器喷入炉膛在悬浮形态下燃烧形成煤粉火煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形态下燃烧形成煤粉火
炬，煤粉的燃烧过程可分为以下三个阶段：
1．着火前的准备阶段：吸热阶段
2．燃烧阶段：剧烈燃烧阶段，时间短，大量可燃质在此阶段
烧尽。

3．燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，减少不完全燃烧程度。

基本过程：水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火燃烧，
焦碳着火燃烧在短时间内大部分可燃质燃烧；很少的剩焦碳着火燃烧，在短时间内大部分可燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。

三、影响煤粉气流着火的因素
煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后通过湍流煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流
扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到
炉膛四壁及高温火焰的辐射被迅速加热热量炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量
达到一定温度后就开始着火。

1．燃料的性质
挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着
火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。

水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从水分水分大着火热也随之增大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汽流的辐射热也相应降低对着火不利
也相应降低，对着火不利。

灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和
燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火
推迟，并进一步影响了着火的稳定性。

煤粉细度
煤粉细度：
煤粉愈细，着火愈容易。

（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。

）
2．炉内散热条件
减少炉内散热，有利于着火。

卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火在卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，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，构成卫燃带。

目的是减少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散
热，提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件气流的着火条件。

煤粉气流的初温3．煤粉气流的初温
提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着
火。

火。

燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气
作为次风来输送煤粉即采用热风送粉作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉
系统。

4．一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合
）风量（1）风量：
一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。

增加煤粉气流中的一次风量，相应增加了着火热，会使着火推迟；减小一次风量，会使着火热显著降低，会使着火推迟；减小次风量，会使着火热显著降低，
有利于着火。

但一次风量不能过低，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧，而使燃烧反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。

另外，一次风量还要满足
输粉的要求，过小的一次风量会造成煤粉堵塞。

故一输粉的要求，过小的次风量会造成煤粉堵塞故次风量一般以够挥发分燃烧为标准。

一次风率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量次风率：次风率是指次风量占炉膛出口总风量
的百分数。

对应于一种煤有一个一次风率的最佳值对应于种煤，有个次风率的最佳值。

（2）风速：
一次风速过高，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。

次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃长。

一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃
烧器喷口，还可能出现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故有个最适宜的次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。

二次风速：
二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。

一二次风配合
（3）、二次风配合
风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。

速度的配合二次风速度高于次风速度大约速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约
是2倍。

混合时间通过燃烧器结构控制混合时间挥发混合时间：通过燃烧器结构控制混合时间，挥发
分高时混合的早些，挥发分低时混合的迟些。

燃烧器结构特性5．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二次风混合过早二次风混合的情况。

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推迟而燃用高挥发分煤时因为煤粉着火适当推迟。

而燃用高挥发分煤时，因为煤粉着火
快，一、二次风的混合点要早些。

燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性燃烧器出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的距离就愈远着火拉长了从这点来看采用尺寸较愈远，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。

6．锅炉负荷
锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量
相应减少而水冷壁总的吸热量虽然也减相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减
少，但减少的幅度较小，相对于单位质量
燃料来说水冷壁的吸热量反而增加了燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加了。

致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低因而对煤粉气流的着火是不利温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利
的。

当锅炉负荷降到一定程度时，就会危
及着火的稳定性甚至可能熄火因此及着火的稳定性，甚至可能熄火。

因此，
着火稳定性条件常常限制了煤粉锅炉负荷的调节范围低负荷稳燃常常成为衡量的调节范围，低负荷稳燃常常成为衡量一
个锅炉燃烧器性能的重要指标。

四、燃烧完全的条件
（1）合适的空气量；
）适当高的炉温（2）适当高的炉温；
（3）空气与燃料的良好扰动和混合；气与燃料好扰动；
（4）足够的炉内停留时间。

五强化煤粉气流燃烧的措施五、强化煤粉气流燃烧的措施
（一）提高热风和一次风温度
提高热风温度有助于提高炉膛温度水平，对加速
煤粉的着火与燃烧十分有利。

提高一次风温可降低着火热，加快煤粉着火时间提高次风温可降低着火热，加快煤粉着火时间。

例如，烧无烟煤时，热风温度可达400℃左右，
这是由于无烟煤着火温度高，提高一次风温，可这是由于无烟煤着火温度高，提高次风温，可
使煤粉着火热降低，同时高的热风温度可保证燃
烧温度水平加强着火燃烧烧温度水平，加强着火燃烧。

（二）限制一次风量
•限制一次风量有助于减少煤粉气流所需的着火热，加速煤粉的着火。

一次风量主要以能满足挥发分的燃烧为原则。

次风量过小会使析出的挥发分由于得到不足够的空气一次风量过小，会使析出的挥发分由于得到不足够的空气，反应速度减慢，也不利于焦炭的着火燃烧；一次风量过大，则煤粉气流所需要的着火热增加，着火推迟。

所以一次风率应根据煤种适当控制，具体数值见表5-2所示。

烟煤劣质烟煤
煤种无烟
煤
贫煤褐煤
20%≤V
daf
V
daf
＞V
daf
≤3
0%
V
daf
＞
≤30%30%30%
乏气送
——20～
25～30
25～
——
20～
粉252530
35
25
45
热风送15～20～
254025～
2025
25～40～
粉202525～40
45
20～25
3045
（三）合理送入二次风
二次风混入一次风的时间要合适。

要根据煤种特
点选择合适的混合时间，二次风最好能按燃烧的
需要分批送入需要分批送入。

（四）着火区保持高温
挥发分的多少对煤的着火和燃烧影响很大。

挥发
分低的煤着火温度高，因而着火所需的热量比较多着火时间也长燃用无烟煤贫煤时为了多，着火时间也长。

燃用无烟煤、贫煤时，为了
能迅速着火，可加强高温烟气的卷吸，使更多高
温烟气与煤粉气流强烈混合来提高着火区温度温烟气与煤粉气流强烈混合，来提高着火区温度；此外，在燃烧器附近的水冷壁上敷设卫燃带，减少水冷壁吸热，以保持较高的炉温。

挥发分高的
煤，一般着火比较容易，这时应注意着火不要太早，以免造成结渣和烧坏燃烧器。

（五）选择适当的煤分细度
煤粉越细同样煤粉浓度下的煤粉总面积就越大煤粉越细，同样煤粉浓度下的煤粉总面积就越大，
这不仅对着火有利，而且燃烧越完全；但煤粉越
细磨煤所消耗的电能也越大所以应根据煤的细，磨煤所消耗的电能也越大。

所以应根据煤的
挥发分含量，选择适当的煤粉细度，使燃烧比较完全而制粉能耗又不致过大煤粉保持在经济细完全而制粉能耗又不致过大，煤粉保持在经济细
度下工作。

一般燃烧无烟煤和贫煤时应采用较细
的煤粉烟煤和褐煤因着火并不困难煤粉可粗的煤粉，烟煤和褐煤因着火并不困难，煤粉可粗
些。

（六）强化燃烧阶段和燃尽阶段
煤粉燃烧过程基础是焦炭的燃烧，焦炭燃烧速度
决定于两个基本因素温度因素和氧气向碳粒表决定于两个基本因素：温度因素和氧气向碳粒表
面的扩散因素。

在炉膛内，大部分的细煤粉在燃烧中心区燃尽，
剩下的少量粗煤粉在燃尽区继续燃烧。

在燃烧中心高温区，可能在扩散燃烧区进行，而在烧尽区，
由于温度低，燃烧可能在动力燃烧区进行。

因此对燃烧中心区，应设法加强扰动混合；对燃
尽区火炬尾部地带，则应维持足够高的温度。

（七）合理组织炉内空气动力工况
在实际运行的锅炉中，火焰并未充满整个炉膛，
火焰所占容积与炉膛几何容积之比称为炉膛火焰
充满度。

改善火焰在炉内的充满度，可以改善煤粉着火燃
烧条件，增加煤粉在炉内的停留时间，减少不完全燃烧热损失。

第三节燃烧器和点火装置
煤粉炉燃烧设备包括煤粉燃烧器、点火装置和炉膛。

煤粉燃烧器作用是：将携带煤粉的一次风和助燃煤粉燃烧器作用是：将携带煤粉的次风和助燃
的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使
煤粉迅速稳定地着火；同时使煤粉和空气合理混
合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧的目的。

锅炉点火装置主要用于锅炉启动时点燃主燃烧器
的煤粉气流此外当炉低负荷行或燃劣的煤粉气流；此外，当锅炉低负荷运行或燃用劣
质煤时，可以用点火装置来稳定燃烧或作为辅助燃烧设备燃烧设备。

炉膛也称为燃烧室，它是供煤粉燃烧的空间。

燃烧器
一、燃烧器
燃烧器性能对燃烧的稳定性和经济性有很大影响。

一个性能良好的燃烧器应能满足下列要求：个性能好燃烧应能满列要求
（1）能够组织良好的空气动力场，着火及时，空气能）能够组织良好的空气动力场着火及时空气能
适时混合，能够保证燃烧的稳定性和经济性；（2）具有良好的调节性能和较大的调节范围，流动阻）具有良好的调节性能和较大的调节范围流动阻
力小，能够适应煤种和负荷变化的需要；
的生成量在允许范围内。

（3）能够控制NO
X
（4）运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修和更换部件；
（5）容易实现远程或自动控制。

）容易实现远程或自动控制
•煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。

出口气流为直流射流或直流射流组的燃烧器类出口气流为直流射流或直流射流组的燃烧器称直流燃烧器；出口气流为旋转射流的燃烧器称旋流燃烧器。

射流状态如图所示。