燃料与燃烧4—煤粉燃烧技术

2. 2 旋流燃烧器
2.2.1 旋流燃烧器的结构特点 旋流煤粉燃烧器就是利用旋转射流形成有利于着火的回流区，以
实验表明，当煤粉的平均颗粒直径很小时，单位质量的表面积 很大，而煤粉和空气流之间的相对速度很小，这样煤粉颗粒将悬浮 在空气流中。
煤粉燃烧过程的特点： 煤粉随空气通过喷口送入燃烧室（炉膛），在燃烧室空间以悬浮 状态燃烧。为了使处于悬浮状态的煤粉颗粒在其飞越燃烧室的极短时 间（2-3s）内完全燃烧，煤粉颗粒的平均直径应小于80μm。 煤粉颗粒由运载它的空气喷入炉膛后，受到炉内火焰、高温烟气 的加热，温度升高，开始把水分蒸发掉。然后温度再上升，煤中的挥 发物则开始析出，并在煤粒周围燃烧，使煤粒进一步加热。在析出挥 发物后，煤粉颗粒就变成了高温的焦炭颗粒，会进一步燃烧，直到燃 尽为止。
一次风：为了使煤粉气流更快地加热到煤粉颗粒的着火温 度，煤燃尽所需空气不会都与煤粉混合、运载煤粉，只是 用其中一部分来运载煤粉，这部分空气称为一次空气，或 者一次风。 煤粉气流的燃烧与气体燃料的射流燃烧类似，火焰呈 火炬状，因此常称为煤粉的火炬燃烧。煤粉燃烧所需的其 余空气量称为二次风。二次风风量约占总风量的70%-80%， 二次风风速约为 5-40m/s 。当煤粉气流已经着火且燃烧过 程已经发展以后送入二次风，以保证煤粉燃尽。
煤粉燃烧技 术
1 煤粉燃烧的原理和特点 当煤磨成煤粉时，受热面和单位质量表面积大大增加。下表为当煤 的密度为1000kg/m3时，1kg煤的球形颗粒在不同尺寸时具有的表面积。
不同颗粒尺寸的1kg煤的单位质量表面积 燃料颗粒状况 块状煤 粗煤粉 细煤粉 颗粒直径/mm 30 300×10-3 30×10-3 单位质量表面积 /(m2/kg) 0.05 5 50 在冷空气中的相 对速度/(m/s) — 3.5×10-3 3.5×10-5
油页岩
泥煤
80-90
约70
0.5-0.6
——
0.5-0.6
——
一次风大体上只够燃烧初期之用，以后所需的空气由二次风供给。通常把着 火区域内空气与燃料的混合称为前期混合；把着火以后大量二次风的混入称为后 期混合。二次风与一次风应适时混合，过早地混合等于增加一次风量，对着火不 利，使着火推迟；但二次风也不应混合过迟，以致燃烧过程因为空气不足而受到 阻碍。
由于煤粉气流不容易着火，在采用中间储仓式制粉系统的锅炉 中，温度较低的煤粉从给粉机供给后与热风混合，形成一定温度的 风粉混合气流(一次风）。对于挥发分较高的烟煤和褐煤，为了保证 煤粉的输送安全，热风的温度不宜过高，而随挥发分的降低，采用 的热风温度有所提高，燃用无烟煤时，热风温度最高。
不同煤种热风温度的参考值
为使煤粉完全燃烧，必须保证火焰有足够的长度，即使煤粉在高温的炉膛内 停留足够长的时间。煤粉气流一般在喷入炉膛0.3～0.5m处开始着火，到1～2m处 大部分挥发物已析出燃尽。余下的焦炭颗粒却往往到 10～20m处才能燃烧完全或 接近完全。
燃尽率/%
温度/℃
（a）火焰长度/m
（b）火焰长度/m
煤粉炉沿火焰长度的温度与燃尽率的变化 （200 MWe，186 kg/s，旋流燃烧器，无烟煤） 1— a =1.27；2— a =1.1；3— a=1.21；4— a =1.32
煤粉气流喷进炉膛时，必然会卷吸炉膛内高温烟气而产生对流换热，另外还 有炉内高温烟气辐射换热。通过这两种热交换，使煤粉气流温度迅速提高，当温 度上升到某一数值时，煤粉开始燃烧，这个过程称为着火过程。
煤粉气流着火时，不仅加热煤粉，而且还要将输送煤粉的大量空气也加热到 着火温度。提高煤粉气流的温度有利于它的着火。在满足制粉要求的条件下，可 以提高气流的初始温度。此外，煤粉气流在炉膛中进行化学反应，反应时放出热 量，这个热量又加热煤粉气流本身使之温度提高。
降低煤粉细度R90，即增加煤粉表面与周围空气接触面积，化学反应将加快， 从而提高化学反应放热能力，加快气流升温，也有利于着火。适当提高煤粉浓度， 降低一次风量，有利于着火。煤粉气流速度太高，着火推迟，因此对于难以着火 的燃料，气流速度不应过高。
对于挥发分低而难以着火的煤，可以采取措施强化着火过程，①采用热风送 粉提高煤粉气流的温度；②适当减少一次风量，提高煤粉气流中的煤粉浓度，并 避免二次风过早地和一次风混合；③使煤粉更细些；④提高二次风温，敷设卫燃 带等提高燃烧器区域的烟气温度；⑤增加煤粉气流卷吸高温烟气的能力。
一次风温度对着火热影响很大，T0=300℃时的着火热仅为T0=20℃时的40.5%。 因此，烧无烟煤、贫煤煤粉时，常采用380-420℃的热风送粉，以利于着火。因此 在烧难以燃烧的煤种时，将燃烧器区的一部分水冷壁用耐火材料遮盖（称为卫燃 带）以提高该区的温度，以利于着火稳定。
煤粉气流着火后，火焰会以一定速度向逆着气流方向扩展，若此速度等于 从燃烧器喷出的煤粉气流某处的流速时，则火焰稳定于该处。反之，则火焰被 气流吹向下游，在气流速度衰减到一定程度的地方稳定下来，可能导致火焰被 吹灭，着火不稳定。因此，在烧难以燃烧的煤时，取用较低的一次风煤粉气流 流速。 此外，若能在燃烧器设计中设法使煤粉局部浓度加大，则析出的挥发物的 浓度也大，有利于着火稳定。煤粉磨得较细时，接触面加大，温升快，也有利 于着火稳定。 煤粉气流的及时、稳定着火是煤粉炉安全经济运行的重要条件。一般煤粉 气流在距燃烧器200-300mm处着火，最多不超过500mm。
通常一次风率近似地等于干燥无灰基挥发物含量Vdaf，即：
对无烟煤及贫煤来说，若采用此式决定r1，则空气过少，难以输送煤粉。因此 对无烟煤及贫煤取r1=0.15-0.20。
一次风率推荐范围
煤种 无烟煤 贫煤 烟煤 褐煤 干燥无灰基挥发物含量Vdaf/% 2-8 8-19 20-30 30-40 40-50 直流燃烧器 0.15-0.2 0.15-0.2 0.25-0.3 约0.3 —— 旋流燃烧器 0.15-0.2 0.15-0.2 0.25-0.3 0.3-0.4 0.35-0.4
2.1.2 燃烧不同煤种的燃烧器
燃烧烟煤的直流煤粉燃烧器 燃烧烟煤时要求一次风中的煤粉在距喷口不 远处（约300-400mm）着火以后，应立即和二次风混合，以保证进一步燃烧
所需的氧气。
燃烧器的一、二次风喷口分 4 层， 喷口之间距离较近(此燃烧器一、二次风 喷口边缘之间距离为150mm），以利于 一、二次风早期混合。二次风采用均等 配风方式。一次风速为 25m/s ，二次风 速为 45m/s 。燃烧器可上下摆动 20°。 很多燃烧器烟煤的直流燃烧器设计成摆 动式，通过改变炉膛内的火焰中心位臵 的高度，以调节过热蒸汽和再热蒸汽的 温度。
2.1 直流燃烧器
2.1.1 直流燃烧器的布置和设计方法
直流煤粉燃烧器在燃烧室中的不同安装位臵，可形成不同形状的火炬。 在锅炉的高度，即燃烧器的垂直方向，燃烧器常有几个一次风和二次风（以 及三次风）的矩形喷口组成。
(a) 无烟煤
(b) 贫煤、劣质烟煤 (d) 烟煤 (e) 烟煤 (c) 贫煤、劣质烟煤
在离燃烧器喷口4m处，煤粉气流所形成火焰温度已升到最高值。在20m处 燃尽率已达97%，到炉膛出口28m处只增加不到1%。进入对流受热面后烟气温 度迅速下降，氧的浓度已很低，未燃尽的焦炭颗粒不再继续燃烧，成为固体不
完全燃烧损失。
不同煤的煤粉沿炉膛长度燃尽率的变化情况
沿炉膛的相对长度 燃料种类 无烟煤、贫煤 烟煤 褐煤 煤和重油混烧 （ a =1.02） 15% 0.72-0.86 0.90-0.94 0.91-0.95 — 20% 0.86-0.90 0.92-0.96 0.93-0.97 30% 0.92-0.95 0.95-0.97 0.96-0.98 0.94-0.96 40% 0.93-0.96 0.96-0.98 0.97-0.98 0.96-0.98 50% 0.94-0.97 0.98-0.99 0.98-0.99 0.97-0.99 100% 0.96-0.97 0.98-0.995 0.99-0.995 0.995
煤粉气流的着火条件，不仅在于用来点燃煤粉气流的热烟气
（热源）的温度，而且需要足够的热量。实验表明，煤粉着火所 需热量主要决定于对流传热。将煤粉气流加热到着火温度所需的
热量称为着火热。它主要用于加热煤粉和空气，并使煤粉中的水
分蒸发和过热。
除着火温度高需着火热量高以外，煤的灰分多、水分 多、一次风率大，都会使着火热加大。限制随煤粉进入炉 膛的一次风率对着火是有利的。但是，一次风量除保证输 送煤粉、磨煤干燥及通风的作用外，还必须满足化学反应 过程的发展以及煤粉局部燃烧的需要。
有过量的空气15%-25%，而且要及时与煤粉很好地混合；④采用合理的煤粉细度，
并且希望煤粉粒度尽可能均匀。⑤炉膛应有足够的容积，保证煤粉燃烧在炉内停 留时间。
2 煤粉燃烧设备的设计与运行
燃烧设备主要由燃烧器和燃烧室组成，而燃烧器是燃烧系统 中的最主要设备。燃烧器的首要任务是组织好煤粉气流的着火 和稳燃。除了必须在给定的设计煤种和设计工况下将煤粉气流 点燃和稳定燃烧外，燃烧器还必须具有良好的煤种适应性、变 负荷能力、高燃烧效率和低污染物排放等特性。 煤粉燃烧器的型式很多，但就基本原理来看，可以分为直 流燃烧器和旋流燃烧器两大类。这两大类燃烧器在结构上差别 很大，因而其空气动力状况、火炬形状、保持火焰稳定的方法 都不相同。
(f) 褐煤
燃烧不同煤种的切向燃烧直流煤粉燃烧器布臵方式
直流燃烧器以四角布臵为最典型。随着容量的差异，燃烧器的喷 口数量有所不同。随着容量的增加，单个一次风喷口的热功率提高， 一次风喷口的总数数量增加。
固态排渣直流燃烧器个数与热功率 锅炉容量/(t/h) 65 130 220 410 670 1025 2008 燃烧器只数 4 4 4 4 4 4 4 一次风喷口层数 2 2 2-3 3-4 4-6 5-6 5-6 单个一次风喷口热 功率/MW 7.0-9.3 9.3-14.0 14.0-23.2 18.6-29.4 23.2-40.7 38.1-49.7 77.5-96.3
某125MWe机组上的燃烧烟煤的直流燃烧器
燃烧褐煤的直流燃烧器
燃烧褐煤煤粉锅炉炉膛的燃烧温度应该设计较低，火焰中心的 温度约在1100-1200℃的范围内，避免产生局部高温而引起结渣。因 而设计褐煤煤粉锅炉时，所采用的炉膛容积热负荷qv和截面热负荷qF 应较低。 为了能降低炉膛内的燃烧温度，除了应增加炉膛的体积和增大 水冷壁的面积外，由于炉膛内的温度水平取决于理论燃烧温度和炉 膛的出口烟气温度，因此采用温度较低的预热空气温度、抽取炉烟 作为直吹式制粉系统的干燥介质，都能有效地控制炉膛的温度水平。 此外，在燃烧器的设计上应将一次风喷口距离适当拉开，大容量燃 烧器应采用分组布臵，以分散火焰中心。
燃料
无烟煤
贫煤或低 质烟煤 330—380
褐煤 热风干燥 350—380Biblioteka Baidu烟气干燥 300—350
烟煤
℃
380—430
280—350
(a) 正四角
(b) 切角四角切圆
（c）两侧墙
(d) 两角对冲，两角相切
(e) 大小切圆
(f) 六角切圆
（g）八角切圆
（h）双室炉膛 （i）切角双室炉膛
直流燃烧器四角布臵
根据煤粉气流燃烧过程的发展，沿着火炬长度大致可分为三个区域：着火区、 燃烧中心区和燃尽区。在着火区内煤粉气流被干燥预热，着火并燃烧；在燃烧中
心区内大量可燃质（挥发物及煤焦）猛烈地燃烧；而在燃尽区内只有少量的未燃 尽的可燃质继续在燃尽。
大致上可以这样认为：靠近喷燃器出口为着火区；与喷燃器同一水平或稍微高 的炉膛中心部分为燃烧中心；而后直到炉膛出口的大部分区域均为燃尽区。 在整个燃烧过程中，烟气温度开始很快上升，因为这时燃烧非常迅速，燃烧 析出的热量远远超过水冷壁的吸热量。在炉膛上部，烟气温度较低，而且烟气中 氧气浓度也比较低，燃烧过程进行得比较缓慢，这是煤粉燃尽区域。为此，在不 致引起结渣的条件下，①保证炉膛出口有较高的温度；②创造条件加强火焰后期 混合，保持适当的过量空气系数，使炉膛出口有一定浓度的氧；③对一般煤粉需