热能转换装置基本原理第五燃烧理论基础与燃烧设备

第五章 燃烧理论基础及燃烧设备
5-1 燃料燃烧的基本概念 5-2 手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点 5-3 室燃炉 5-4 流化床及循环流化床燃烧技术
5-1 燃料燃烧的基本概念
锅炉燃烧是个复杂的化学—物理过程，其影响因素很多。 一、燃烧设备的分类
1.层燃炉——固体燃料被层铺在炉排上进行层状燃烧的 锅炉，如：手烧炉、链条炉、抛煤机炉等； 2.室燃炉——燃料呈雾状或细颗粒随空气喷入炉内呈悬 浮状燃烧的锅炉，如：煤粉炉、油炉、气炉等； 3.沸腾炉——燃料被气流托起、携带，呈上下翻滚沸腾 状燃烧的锅炉，如：流化床、鼓泡床、循环流化床、 增压流化床等；
5-3 室燃炉
炉膛: 炉膛是组织煤粉与空气连续混合、着火燃烧直到燃尽 的空间。固态排渣煤粉炉的结构比较简单，外形呈高大立方 体，烟气是上升或旋流上升的流动形式。炉膛四周铺设水冷 壁，上部布置有过热器受热面，下部由前后墙水冷壁倾斜形 成冷灰斗。大约占全部燃料灰分的10％～20％的灰渣掉入冷 灰斗以固体形态排出炉外，其余以飞灰形式被烟气带出炉膛。 在燃用难着火的煤种时，常在燃烧器区域的水冷壁上敷设卫 燃带，保持燃烧区的高温。此外，通常在炉膛出口区把后墙 伸向炉内形成折焰角，以延长煤粉在炉内的行程，并改善炉 内火焰的充满情况，使出口烟温趋于均匀。
M D kC q lC jt
M——表征气流扩散速度的量； Dk——扩散速度常数，主要取决于气流速度； Cql、Cjt——气流和焦炭表面的氧气浓度。
温度和气流扩散速度在燃料燃烧不同区段有着不同的影响。 由此燃料的燃烧过程可以分成三种不同的燃烧区域：
1）动力燃烧区：
燃烧速度取决于温度亦即取决于化学反应速度的工况，动 力燃烧工况所在的燃烧区域为动力燃阿累尼乌斯定律：
E
k koe RT
式中：k——表征化学反应速度的常数； k0——频率因子； R——通用气体常数， R＝8.3143 kJ/(mol ． K)； E——化学反应活化能， T─绝对温度，K。
2. 气流扩散能力对燃烧速度的影响 气流扩散能力决定于氧气浓度，遵循如下关系式：
在实际燃烧过程中，不可能有单纯的链式着火或热力着火， 往往是两种同时存在，并相互促进。一般说来，在高温下， 热力着火是引起着火的主要因素；而在低温时，链式着火 则起主导作用。
五、混合 扩散 ；自由射流 ；平行射流 ； 相交射流 ；旋转射流 ；一次风和二次风。
六、燃烧设备特性的主要参数
1. 层燃炉
二、固体燃料的燃烧过程 1. 燃料燃烧的几个阶段： ① 着火前的热力准备阶段； ② 挥发份着火与焦炭的燃烧阶段； ③ 灰渣形成及燃尽阶段。 2. 燃料完全燃烧的必备条件 ① 保持一定的高温环境； ② 供给足够而适度的空气量，并确保燃料与空气有良好
的接触和充分混合的氛围； ③ 燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间； ④ 及时排出低温燃烧产物（如：低温烟气和灰渣）。
三、燃料的燃烧反应速度
锅炉燃烧过程是个复杂的化学—物理过程，燃烧速度取决 于化学条件和物理条件。
反应速度——单位时间内、单位体积中反应物消耗或产物 生成的摩尔数，mol/(m3．s)。燃烧技术中常采用炉膛
容积热强度qv和面积热强度qf 来表征燃烧反应速度。
1. 化学条件：燃料氧化反应的化学反应速度，其影响因 素有：温度、反应物质的浓度及反应空间的压力等； 在锅炉燃烧技术中，其影响因素主要是温度。
2）扩散燃烧区：
燃烧速度取决于气流的扩散速度的工况，扩散燃烧工况所 在的燃烧区域为扩散燃烧区 。
3）过渡燃烧区：
动力燃烧区及扩散燃烧区之间的区域为过渡燃烧区 。
四、着火 1. 链式着火： 是由于燃烧链锁反应的分支，使活化中心浓度迅速增加， 导致反应速度急剧加速。 2. 热力着火： 是指由于系统内热量积聚，引起化学反应速度按阿累尼乌 斯指数函数关系迅速猛增。
1） 炉排面积可见热强度：单位面积的炉排，在单位时间 内所燃烧 煤的放热量 。
qR
.p R
2）炉膛容积可见热强度：单位容积的炉膛，在单位时间 内所燃烧煤的放热量 。
qV
.p V
2. 室燃炉
1）炉膛截面可见热强度
qF
B Qar.n et .p F
2）炉膛容积可见热强度
2. 物理条件：燃烧空气与燃料的相对速度，气流扩散速 度及热量传递速度等；在锅炉燃烧技术中，起主要作 用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和 燃烧产物的反向扩散。
影响反应速度的因素： 反应物质（燃料）的特性。E降低，反应速度提高； 温度。温度提高，分子平均动能增加，碰撞机会增加； 浓度。浓度提高，碰撞机会增加； 压力。压力提高，单位体积分子数增加，碰撞机会增加。 其中温度是最重要的燃烧反应影响因素。
燃烧器: 燃烧器的作用是保证煤粉和空气在进入炉膛时能 充分混合、煤粉能连续稳定的着火、强烈的燃烧和充分的 燃尽，并在燃烧过程中保证炉膛水冷壁不结渣。通过燃烧 器进入炉膛的空气一般分为两种：携带煤粉的空气称为一 次风，单纯的热空气称为二次风。此外，采用中间储仓式 热风送粉的制粉系统的煤粉炉也常将制粉乏气作为三次风 送入炉膛。
煤粉燃烧器按空气动力特性可分为旋流燃烧器和直流燃烧 器两种。
旋流燃烧器的气流结构特性： 二次风（有时还有一次风）强烈旋转，喷出喷口
后形成中心回流区，卷吸炉内的高温烟气至燃烧器出口附 近，加热并点燃煤粉。二次风不断和一次风混合，使燃烧 过程不断发展，直至燃尽。除了中心回流区的高温烟气卷 吸外，在燃烧器喷出的气流的外圈也有高温烟气被卷吸。 旋转射流有扩散角大，射程短，早期混合强烈，后期混合
qV
.p V
3. 炉膛设计步骤 （1）根据给定参数（D、T、P和燃料种类），估计燃料 消耗量； （2）查表选取qV，qR； （3）利用公式计算炉排面R和炉膛体积V； （4）根据炉排面积，设具体情况选定炉子宽度和深度； （5） 确定炉膛高度； （6）对室燃炉相应计算 。
5-2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉 及其燃烧特点
减弱的特点。旋转射流的湍流换热强度很高。