煤炭燃烧

第四节 煤炭燃烧设备
• 煤的燃烧设备种类较多，可分为锅炉、工业窑 炉、饮食灶具及其他燃烧设备等，其中锅炉是 煤燃烧设备中应用最广、煤炭消耗最多的设备 形式。
• 锅炉亦可称蒸汽发生器，它是一种主要以生产 蒸汽或热水为目的的换热设备。燃料在炉内燃 烧，将自身化学能转化为燃烧产物的热能，高 温燃烧产物与锅内水进行热交换，将水加热成 热水或汽化为蒸汽。这些热水或蒸汽或作为热 载体或作为动力用于各种工业过程。
第一节 煤炭燃烧过程
一、煤的燃烧过程： 1、挥发分析出阶段（燃前或燃烧的准备阶段）
煤受热失水干燥、析出挥发分。 2、燃烧阶段，包括挥发分及焦炭的燃烧。
挥发分析出后，如果炉内温度足够，且有氧存在，挥发 分即开始着火燃烧，形成明亮的火焰。
挥发分的燃烧使焦炭被逐步加热，挥发分燃尽后，焦炭 剧烈燃烧，所以挥发分的燃烧又会促进焦炭的燃烧。 3、煤的燃尽阶段。
煤炭洁净燃烧技术
• 目前煤炭洁净燃烧技 术主要包括循环流化 床、增压流化床和煤 气化联合循环等先进 的洁净煤高效、低污 染燃烧技术。
循环流化床燃烧示意图
增压流化床工艺流程示意图
图 9-15 IGCC 流程示意图
燃烧中污染物排放控制技术
• 煤燃烧中硫氧化物的排放控制技术 利用燃烧过程中生成的SO2如遇到碱金属氧
• 水煤浆的燃烧过程，首先是通过喷嘴将其 雾化成细滴，液滴在高温炉膛中迅速蒸发 掉水分，然后就象煤粉燃烧那样，析出挥 发分、着火和焦炭燃烧燃尽。
• 保证水煤浆稳定着火、燃烧及高燃烧效率 的首要因素是水煤浆必须具有良好的雾化 特性。
• 雾化不好不仅会造成燃烧不稳定和燃烧损 失增加，而且还会造成炉膛结渣。因此， 水煤浆雾化喷嘴是关键的燃烧设备。
二、悬浮燃烧
与层状燃烧相比，悬浮燃烧的主要特点是不设炉 排，燃料煤粉碎后（一般要求平均颗粒直径小于 80μm），细煤粉随空气送入炉中，呈悬浮状态着火燃 烧，如图9-6所示。由于燃烧反应面积大，与空气混合 良好，燃烧迅速，燃烧效率远比层燃炉高。因为燃料 在炉中停留时间较短（1~2s），为保证燃尽，常需配 置较大的炉膛容积。
一、层状燃烧
层状燃烧是一种最古老的燃烧方式，特点是 煤置于炉排上形成一定厚度的燃料层，燃烧过程 中煤不离开燃料层。燃烧所需空气由炉排下面送 入，经过炉排间隙进入燃料层和煤发生反应，所 产生热烟气穿过燃料层进入炉膛。由于煤的颗粒 分布不均匀，一定的气流速度下，总有一小部分 细颗粒被吹到炉膛中，形成悬浮燃烧。由于燃料 层中总是储备有大量热的正在燃烧的煤颗粒，燃 烧的稳定性较好，改变通风强度可实现负荷的变 化调节。但通风强度会影响燃烧的稳定性。
层状燃烧的主要特点： • 燃烧时可通过提高空气速度来提高燃烧速度。
但流速不宜过大，否则会因部分燃料被吹起而 破坏料层稳定性，影响正常燃烧。在防止煤粉 吹飞和不破坏床层稳定性的条件下，可尽可能 增加通风量。 • 燃料煤颗粒大小对层状燃烧有很大的影响。煤 粒越小，表面积越大，燃烧速度就越快，但煤 粒过小，阻塞通风，易被烟气带走或从炉篦的 缝隙中漏落，造成机械不完全燃烧损失。因此， 适宜的粒度是层状燃烧的保证与前提。 • 燃烧室燃料容量大，可获得最大的体积热强度。 • 热惰性较大，对燃料供给和鼓风之间的协调性 不敏感，燃烧过程较稳定。
层状燃烧分类
层状燃烧可根据燃料与空气的供应方式 或炉排与燃料层的相对运动方式等进行分类。 如根据燃料和空气供给方式的不同，可分为 逆流、顺流和交叉式层状燃烧；按炉排与燃 料层相对运动形式可分为固定炉排炉（固定 火床燃烧）、往复炉排炉、振动炉排炉、链 条炉（移动床燃烧）；按新燃料加入位置可 分为上饲炉、下饲炉、前饲炉等。
随着燃烧的进行，可燃质越来越少，煤中矿物质受热转 化的灰分掩盖了剩余可燃质，使其与空气接触困难，燃烧速 度变慢，燃尽时间可持续很长。
褐煤燃烧时其温度及质量随时间的变化情况
挥发分燃烧时间所需时间约占燃料燃烧所需时间 的1/10左右；焦炭燃烧时间约占9/10左右。
二、影响煤炭燃烧的基本因素
（一）燃料
第三节 煤炭洁净燃烧与污染物控制技术
• 我国因燃煤产生的大气污染物占污染物排放总 量的比例很大。据统计燃煤排放的SO2占其总 量的90%，氮氧化物约占67%，CO占71%，烟 尘占60%。可以说，燃煤是我国大气污染的主 要来源。
• 大气污染物主要有4大类：颗粒物质、硫氧化 物（主要是二氧化硫）、氮氧化物（一氧化氮 与二氧化氮）及碳氧化物（一氧化碳与二氧化 碳）。这些污染物煤炭燃烧均可产生。
三）氧化剂（空气量）
一定量的煤燃烧需要一定量的空气。空气量不够， 会使有些可燃物得不到氧气而燃烧不完全。反之，过量 则造成排烟热损失增加。理论所需空气量可由化学计量 法得到。理论上，所供空气中的氧应与煤中可燃质按化 学方程式恰好完全反应。计算中取气体标准状态，认为 所有的气体都与理想气体一样。煤中可燃质分别按C、H、 S进行考虑，同时考虑N不参与燃烧，煤中O的存在使得 空气用量减少。由此计算理论所需空气量。
煤炭燃烧是煤中可燃质的完全氧化过程，是发光 发热的剧烈化学反应。燃烧放出大量热，形成高温 烟气和灰渣作为燃烧产物。燃烧常在一定温度下方 可进行。常温下，煤也能被空气中的氧所氧化，但 氧化速度很慢，不形成燃烧。只有当温度达到煤的 燃点后，才能形成稳定燃烧。
煤炭完全燃烧的充要条件有：(1) 燃料（煤）； (2) 充分的氧化剂（空气）；(3) 高温环境；(4) 足够 的燃烧时间；(5) 燃料与氧化剂的良好接触和混合。
（四）煤和空气的混合
具备煤和空气只是燃烧的必要条件，但还不充分。二者 必须充分接触和混合，才能保证煤完全燃烧。层燃炉的缺点 是煤和空气不能充分混合。块煤在燃烧过程中，外表面会形 成一定厚度的灰层，阻碍了空气和内层煤可燃质的接触，使 煤很难燃烧完全。另一方面，其燃烧产物（RO2、CO等）一 般因结构关系亦不能及时离开煤表面，这也阻挡周围空气与 煤继续接触，影响完全燃烧。这是层燃炉固体不完全燃烧热 损失较高的原因。解决这类问题的办法是对层燃炉加强拨火、 提高风速，促进燃烧产物的分离和煤块表面灰层的脱落。
煤炭燃烧造成的污染主要为还原型。
污染防治
针对污染的危害种类，减少大气污染又分 两个层面：
一方面是污染物排放量的绝对减少，如脱 硫、脱氮技术、烟气除尘、高效低污染燃烧 器等，均是通过各种方法减少硫氧化物、氮 氧化物及粉尘的排放；
另一方面则是通过提高能源利用率，减少 燃料使用量，从而达到减缓或减少污染物排 放的目的，如煤的各种先进燃烧技术等。
燃煤污染
根据污染物的化学性质及它们存在的大气环境状 况，大气污染可分为还原型和氧化型两种类型。 • 还CO原2等型。大因气其污在染低的温主、要高污湿染度物的是阴SO天2、，C且O风、速烟很尘小、，
并伴有逆温存在的情况下，上述污染物扩散受阻， 易在低空聚积，生成还原性烟雾，故有此名。 • 氧化型大气污染的主要污染物是CO、NOx和碳氢化 合物，形成的二次污染物是臭氧、醛类等，具有强 烈的氧化性质，故名。这些物质对人眼睛等部位的 粘膜能产生强烈刺激。
图9-4 逆流式层状燃烧示意图
这种燃烧方式为 人工操作，劳动强 度大，一般锅炉容 量在2 t/h以下，属 小型燃煤炉。此外， 由于固定床本身燃 烧特性所限，燃烧 效率低，现逐渐被 机械化操作的层燃 方式所代替。
1-炉门；2-炉排；3-燃烧层；4-炉膛；5-汽锅管束；6-灰门
图9-5 链条炉结构 简图 1-煤斗；2-煤闸门； 3-炉排；4-分区送 风仓；5-防渣箱； 6-看火孔及检查 门；7-除渣板； 8-渣斗；9-灰斗
（五）燃烧时间 足够的燃烧时间是保证煤燃尽的必要条件
之一。任何燃烧均需要有一定的时间，否则 就不能燃烧完全。实际操作中，足够的时间 往往是用足够的燃烧空间来实现的。例如煤 粉悬
第二节 煤炭燃烧方式
• 根据煤在燃烧过程中的运动状态，将其燃 烧方式分为三种：层状燃烧、悬浮燃烧和 流态化燃烧
• 当空气自下而上通过燃料层时，如果风速 不同，会出现三种不同的床层状态：（1） 固定床；（2）流态化；（3）气力输送状 态。
交叉燃烧的特点是，燃烧后的高温烟气不直接通过新燃料 层，新燃料层也不直接与燃烧着的炽热焦炭层相接触，所以新 燃料预热着火的热准备阶段所需热量主要依靠炉膛中火焰和高 温砖砌物的辐射热，燃料的加热和着火是上部先着火（燃料表 层），然后逐渐向下传播。由于燃料层随着炉排向后移动，燃 料层中燃烧过程的各个阶段的分界面都是向后倾斜的。
➢燃料组成（包括灰分、水分、可燃质元素 组成等）、
➢燃料性质（发热量、燃料比、粘结性、灰 熔点和粒度等）。
• 锅炉设计主要依据低位发热量； • 燃料比是指煤中固定碳和挥发分的比值，以FR表示。
（二）炉内温度
煤温只有达到着火点才能燃烧。燃烧过程中提 高炉温可加速燃烧反应，增加煤着火的稳定性，减 少气体和固体不完全燃烧损失，强化燃烧过程。但 炉温太高，对于固态排渣炉，炉内容易结渣，影响 燃烧。故受煤灰熔点限制，不同燃烧方式的炉温应 控制在不同的数值内，一般室燃炉的炉温在1300℃ 以上，层燃炉在1100~1300℃范围内，沸腾炉的床温 则以900℃为宜。
因悬浮燃烧的燃料是煤粉，亦称煤粉燃烧。根据 煤粉吹入炉中的方式不同，可分为火炬燃烧和旋风燃 烧；根据排渣方式的不同，可分为固态排渣炉和液态 排渣炉两种。
三、流态化燃烧
流态化燃烧亦称沸腾燃烧，是五十年代以来发展起来的介 于层燃和悬浮燃烧之间的一种燃烧方式。
流态化燃烧过程中，料层中大多数颗粒处于流态化状态。 但由于料层内颗粒的大小、形状和密度均不能完全相同，总会 有一部分细颗粒处于气力输送状态被吹出流化床。而一些特别 大的颗粒尚未达到流态化而沉在布风板上。另外，实际料层中 的颗粒也非球形，其受气流的浮升力不一定通过颗粒的重心， 造成颗粒在气流中翻滚。如一粒扁平煤粒，会有大、小面积不 同的截面，当迎流面较大时，会被吹得向上升起，迎流面较小 时，则会下落。因此在一定风速下，非球煤粒在床层中就产生 剧烈的跳动和翻腾，这种情况有利于煤粒与空气的接触，使燃 烧条件改善。流态化状态下，整个颗粒层上下翻滚，如同沸腾 的液体，故流态化燃烧又称沸腾燃烧。