煤粉炉燃烧原理及燃烧设备

平炉顶 水冷壁 燃烧器
锅炉炉膛
屏式过热器
折焰角
炉膛、
冷灰斗
炉膛应满足以下要求
(1)要有良好的炉内空气动力特性 (2)应能布置足够的受热面，保证炉膛出口及其后的
等离子发生器原理
等离子点火装置
等离子点火装置
系统组成
二次风
电源控制柜
进回压
触
火焰监视电视
水水缩 空
摸 屏
气
主燃烧器更换为等离子燃烧器的过程
墙式燃烧锅炉 等离子燃烧器兼主燃烧器
点火
第四节 固态排渣煤粉炉
一、煤粉炉炉膛及燃烧器布置 1、炉膛结构及其要求 • 四周布满水冷壁 • 冷灰斗 • 平炉顶结构 • 顶棚管过热器 • 屏式过热器 • 折焰角
四角切圆燃烧
2.分级配风直流煤粉燃烧器
分级配风方式是指把燃烧所需要的二次风分 级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中，
此种燃烧器适用于无烟煤、贫煤和劣质煤，
所以又叫做无烟煤型直流煤粉燃烧器。
分级配风直流燃烧器的特点
• 一次风喷口狭长； • 一次风喷口集中布置； • 一、二次风喷口各自集中在一起，且一、二次风喷
第三节 燃烧器和点火装置
煤粉炉的燃烧设备包括： 煤粉燃烧器（也称为喷燃器） 点火装置 炉膛
1、作用：组织燃烧 2、要求： 稳定着火
着火后，良好的混合 充满度 与 刷墙(配风、角度) 燃料适应性 负荷调节(稳燃技术) 低NOx燃烧器 流动阻力小 3、分类： 旋流燃烧器前后墙布置： 直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式：
口的间距较大；
• 二次风分层布置
• 一次风喷口的周围或中间还布置有一股二次风，
分别称为周界风和夹心风
• 三次风喷口布置在燃烧器的最上方，距相邻二次 风喷口有较大间距，并应有一定的倾角，此外， 三次风速不宜过低，一般为5060m/s。
–ｔ3＜100℃ –ｒ3≈10％～18％
二、旋流煤粉燃烧器
1、旋流燃烧器的射流特性 旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动的。旋 流燃烧器中所采用的旋流器主要有以下几种：蜗壳、切向 叶片及轴向叶片等。
2、旋转射流的特点
（1）二次风是旋转气流。一次风可以是旋转气流，也 可用扩锥扩展。因此整个气流形成空心圆锥形旋转气 流。
（2）旋转射流有强烈的卷吸作用，能将中心及外缘的 气体带走，造成负压区，在中心部分和外缘就会因高温烟 气回流而形成回流区。 –中心部分形成的回流区称为内回流区； –外缘部分形成的回流区称为外回流区。
• 各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大， 过分强调着火温度意义不大，
• 如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态， 孕育时间长，着火温度可低于大气温度。
• 着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大 简化。
• 严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系 统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。
• 实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火 条件。
• 3、着火热
着火热的来源
• 卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热 • 炉内高温火焰的辐射换热
二、煤粉的燃烧过程
1、燃烧阶段 • 着火前的准备阶段 • 燃烧阶段 • 燃尽阶段
• 2、碳粒的燃烧机理 • 煤粉燃烧好坏的关键：碳的燃烧 原因： • 焦炭中的碳是可燃质的主要部份； • 焦炭着火最晚，燃烧最迟； • 焦炭中的碳的放热量比例较大
前后墙布置：旋流燃烧器 (B&W)
炉
膛
四角布置切圆燃烧方式：直流燃烧器
形 状
(ABB-CE)
W形火焰锅炉：无烟煤 (FW)
旋流燃烧器：
燃 烧
适用于高挥发分煤种：烟煤、褐煤
器
直流燃烧器：
种
类
煤种适应性较广
一、直流煤粉燃烧器的类型及特点
（一）直流煤粉燃烧器的射流特性
直流自由射流 湍流（紊流）自由射流 卷吸 衰减 射程 高宽比
碳的反应可分为一次反应和二次反应
三、影响煤粉气流着火的因素
四、燃烧完全的条件 燃烧的完全程度可用燃烧效率来表示：
五、强化煤粉气流燃烧的措施
• 提高热风和一次风温度 • 限制一次风量 • 合理送入二次风 • 着火区保持高温 • 选择适当的煤粉细度 • 强化燃烧阶段和燃尽阶段 • 合理组织炉内空气动力工况
称为气流的飞边现象。
当飞边现象产生后，会导致喷口和炉墙结渣， 也容易烧坏燃烧器。
3、旋流强度及其影响
4、常用的旋流燃烧器
• 单蜗壳扩锥型旋流燃烧器： • 双蜗壳旋流燃烧器： • 轴向叶片旋流燃烧器： • 切向叶片式旋流燃烧器：
三、新型煤粉燃烧器
（一）煤粉稳燃 1、常用稳燃措施 （1）敷设燃烧带； （2）热风送粉； （3）较低的一次风速和一次风率； （4）减小颗粒细度； （5）控制最低运行负荷以及采用性能良好的燃烧器。 2、三高区理论 高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。
直流燃烧器
直流燃烧器
点火
射流的结构及术语 – 等速核心区 – 射流外边界 – 射流内边界 – 射流的转折截面 – 射流初始段 – 射流主体段 – 射流扩散（展）角
（二）直流煤粉燃烧器的类型及特点
直流煤粉燃烧器的出口是由一组圆 形、矩形或多边形的喷口所组成。
直流煤粉燃烧器大都采用四角布置 切圆燃烧的方式。
燃尽风
燃尽风 再燃燃料
主燃烧器
燃尽区 还原区 主燃烧区
NOX浓度
再燃与还原NOX技术的示意
N2，NO NON2 NO，CO2，H2O， O2，SO2，灰
低NOX燃烧器 调节风口 上部燃尽风 再燃喷口
前墙
后墙
采用炉内再燃技术的喷口布置示意图
浓淡分离技术
V型扩流锥喷口
锯齿形V型括流锥喷口
上下浓淡隔板 一次风煤粉气流
第一节 燃烧化学反应动力学基础
一、燃烧化学反应速度
（一）化学反应速度
燃烧反应是一种发光发热的高速化学反应；
1、均相反应和多相反应： 2、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。
aA+bB一＞gG+hH wA=－dCA/dt 影响因素：
（1）反应物性质；（2）反应物的浓度；（3）温度； （4）压力；（5）是否有催化剂或连锁反应。
沿炉膛高度空气分级燃烧
煤粉气流
炉膛
空气 旋流燃烧器空气分级示意图
上部二次风SOFA 与主燃烧器一体的OFA
主燃烧器
NOX
第二次生成的NOX
NOX NOX
NOX被还原
燃烧器分级配风的喷口布置示意和NOX的还原过程
燃料分级燃烧技术 (fuel staging): 根据NOx的分 解机理，已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃 烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原 反应从而降低NOx排放水平。 第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行富氧 燃烧，生成大量的NOx； 第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧燃烧， 将第一区生成的NOx进行还原，从而降低NOx的 排放。
3、宽调节比燃烧器
• 宽调节比燃烧器实际上也是一种浓、淡型煤粉燃烧器。这种燃烧器的 主要性能是在低负荷下，不投油仍然能稳定燃烧。故其对锅炉负荷变
化时的燃烧调节范围比较宽。
4、双调风低NOx燃烧器 • B＆W低NOx燃烧器
FW低NOx燃烧器
四、煤粉炉的点火装置
• 作用： 1、锅炉启动点火 2、锅炉负荷过低或煤质变差时稳定燃烧
NOx (mg/Nm3 )
1500 1000
500
热力型 燃料型 快速型
1000
1400
1800
炉膛温度(°C)
三种类型NOx生成量与温度关系图
•三 种 类 型 NOx 生 成 量 与 温 度 关 系
抑制NOX生成的理论依据
• 降低火焰峰值温度、 • 降低最高温度区域的局部氧浓度， • 降低燃料在最高温度区域的停留时间
根据煤种的不同，直流煤粉燃烧器的一次风 喷口和二次风喷口有各种不同的布置方式，使燃 料稳定地着火、煤粉与空气有效地混合、完全燃 烧和避免结渣。
直流燃烧器可分为均等配风燃烧器和分级配风 燃烧器两种形式。
1.均等配风直流煤粉燃烧器
均等配风方式是指一、二次风喷口相间布置。 在均等配风方式中，由于一、二次风喷口间 距相对较近，一、二次风处自喷口流出后能很 快得到混合，使煤粉气流着火后不致由于空气 跟不上而影响燃烧，故一般适用于烟煤和褐煤。
（3）在同样的初始动量下，旋转射流的射程要 比直流射流短。
（4）旋转射流外边界所形成的夹角称为扩散角， 用符号表示。旋转射流的扩散角一般比直流射流 大，而且随着气流旋转气流旋转强度的增加，扩散 角也增大，同时回流区也加大，因而高温烟气的回 流量也增多。
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（5）当气流旋流强度增加到一定程度时射流会 突然贴在墙壁上，即扩散角等于180℃，这种现象
燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料 相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相 对较短，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类 气体或液体燃料，如天然气。
沿炉膛高度燃料分级燃烧
一次燃料 80%入炉燃料
二次燃料 20%入炉燃料
主燃烧区 100%NOX
再燃还原区
一次风
燃尽区
40%NOX 炉膛内燃料分级燃烧过程
（二）低NOx燃烧技术
• 随着燃烧运行中烟气中含氧量的增加，NOX的生成量和增加的幅 度与燃料的种类、燃烧方式以及排渣方式有关
NOX，mg/m3
3000
2000
低挥发份煤
液态排渣炉
1000
高挥发份煤
固态排渣炉
0
0
1
2
3
4
5
燃烧器出口氧量，%
图3—1 不同燃烧方式和煤种的NOX排放浓度比较
• 燃煤排放的众多污染物中，NOX是唯一可通过改进燃烧 方式来降低排放量的气体污染物，
燃煤粉电站锅炉降低NOX的燃烧技术措施
燃烧空气分级技术 组织炉内燃料分级再燃还原NOX 浓淡分离技术 低氧燃烧技术
空气分级燃烧技术 (air staging):
燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为一、 二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高 燃烧区域的煤粉浓度。 推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉膛时形 成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧， 以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟 气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。 “燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主 燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一 起，共同决定了主燃烧区内NOx降低的程度， 也直接关系到其在燃尽区的燃尽效果和炉膛 出口烟气温度水平。
• 分类： 1、采用过渡燃料的点火装置 2、带煤粉预燃室的点火装置 3、等离子点火装置
高能点火器
蒸汽雾化喷嘴
带煤粉预燃室的点火装置
直流燃烧器
等离子体煤粉点火技术
• 等离子体定义
•等离子体是指被电离的 气体。
•由原子、电子、离子或 分子等粒子组成。
•正、负电核数相等，对 内为良导体，对外为中 性。
（二）质量作用定律
（三）阿累尼乌斯定律
（四）催化作用 催化剂本身不变 改变化学反应速度，不改变反应限度 （五）链锁反应 多米诺效应－活化分子
二、燃烧速度与燃烧区域 1、碳的多相燃烧特点
2、多相燃烧反应的燃烧区域
第二节 煤和煤粉的着火和燃烧
一、热力着火
1、定义 着火：由缓慢的氧化反应状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程 可分为： 连锁着火：这种由连锁反应引起的着火叫连锁着火。 热力着火：由于温度不断升高而引起的着火叫热力着火。在锅炉中发生
的着火就是热力着火。
着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳 定着火？
实现稳定着火满足两个条件 A、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。 B、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变
化率。
2、着火和熄火的热力条件
关于着火温度的说明
• 着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化 而不同，
图3—7垂直浓淡煤粉燃烧器（WR燃烧器）
浓相一次风
稀相一次风 图3—6 一次风水平浓淡燃烧示意图
（三）新型煤粉燃烧器 • 钝体燃烧器（华中理工）
火焰稳定船式直流燃烧器（清华）
1、WR型燃烧器
浓淡燃烧器
2、PM型燃烧器
• PM型燃烧器是在燃烧器 内将煤粉气流分为浓度 气流和煤粉气流。浓煤 粉气流在上，淡煤粉气 流在下。
• 选择合理燃烧参数和合理地组织燃烧过程减少在燃料燃 烧阶段NOX的形成量，
• 是比较经济且合理的降低NOX排放的技术措施。
氮氧化物的生成：生成NOx的途径主要有三个：热力型、燃料 型和快速型。 热力型NOx是空气中的氮气在高温下直接氧化而生成的，它 的生成和温度密切相关，仅当火焰温度大于1500℃时，才会 大量生成； 燃料型是燃料中氮在燃烧过程中氧化而生成的NOx，与温度 的关系不大，是最主要的NOx生成途径； 快速型是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反 应生成的NOx，在煤燃烧过程中的生成量较小。