第5章 锅炉燃烧原理及燃烧系统

燃烧器中心回流区较小, 仅适 用于挥发份高的煤种。 3.切向叶片式旋流燃烧器 装有切向叶片、可调节叶片位置和角度、改变直流和旋 流二次风的比例, 达到调节二次风的旋流强度。
5.3.4 新型煤粉炉燃烧器 一。燃烧稳定性技术
1.制粉系统方面
1)加强燃煤的统筹调度和管理，尽量避免煤质的大幅度变化。
2)根据煤质特性、磨煤机型式、燃烧方式、炉膛结构和热负荷等因素，选择经 济的煤粉细度。 3)提高一次风粉混合物温度。 4)提高风粉混合物中煤粉浓度
2.炉膛设计方面
1)合理选择炉型。 2)炉膛的结构对炉内空气动力特性和传热条件有直接影响。 3)炉内烟气温度水平、一次风粉气流与高温烟气的热量和质量交换等，即直接 影响煤粉气流的着火和稳燃。
3.燃烧方面
（1）在燃烧器出口建立起有利的着火区。 （2）合理的喷口布置和配风。 （3）增加预燃室点火稳燃装置，提供稳定的着火和稳燃热源。
Q1 Q2
煤粉空气混合物燃烧放热
Q 2 A (T Tb )
向周围介质的散热 k 0 频率因子，常数 CbO2 b 煤粉反应表面氧浓度 氧的反映系数 活化能 kj/kmol 通用气体常数 8.314 kj/kmol。K V Qr 可燃混合物容积 可燃反应热

A Tb T
综合放热系数 炉膛壁面面积 炉膛壁面温度 反应系统温度 R E
不同煤种煤粉燃烧的一次风率 r 1
煤种 无烟煤 贫 烟 煤 煤
一次风率 r 1(%) Vdaf(％) 2~8 8~19 20~30 30~40 ≈ 30
直流燃烧器
旋流式燃烧器
15~20 15~20 25~30 30~40
褐
煤
40~50
35~40
一、二、三次风风速推荐值 m/s
燃烧器
一次风 二次风 一次风 直流燃烧器 煤 种
1.着火和着火温度 着火是燃烧的准备阶段、当燃料温度达到一定程度时, 缓慢的氧 化反应转变为剧烈的氧化反应。这一瞬间现象称为燃料着火。此时 的温度叫做着火温度或着火点。 锅炉燃烧设备中、着火的发生是由于温度不断升高引起的, 这种着火 称为热力着火。
2.煤粉空气混合物的着火与熄火
b Q1 k 0 C 0 2 e E / RT VQr
旋转射流的特点 旋转射流的特性与直流有很多不同之处，其主 要特点如下： （1）二次风是旋转气流 ，一出喷口就扩展开来。 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 。由此看来，旋转射流从两个 方面即内回流区和外回流区卷吸高温烟气，这对 煤粉气流的着火是十分有利的
2）双蜗壳旋流煤粉燃烧器 一次风在小蜗壳旋流 二次风在大蜗壳旋流
大小蜗壳旋流方向相同 一次风管中有点火油枪 二次风管中有舌形挡板 上世纪中叶曾广泛应用, 因对煤种适应性不好现已逐渐淘汰。 2.轴向叶片式旋流燃烧器
装有轴向叶片、可用拉杆调节 位置、从而改变直流和旋流二 次风的比例, 达到调节二次风 的旋流强度。
W d
W 为气流和炭粒的相对速度,炭粒直径是 d
三.燃烧速度与燃烧区域
1.碳粒的燃烧过程和燃烧速度 1)燃烧过程: 氧从周围环境扩散到碳粒表面→氧被碳粒表面吸附→ 碳粒表面燃烧→燃烧产物由碳粒表面解吸附→燃烧产物离开碳粒表 面, 扩散到周围环境。 2)燃烧速度:折算公式
Wr 1 1 1 k ks C0 k Z C0
4.催化剂作用
催化剂可大大加快反应速度。
二. 氧的扩散速度 气流扩散能力决定于氧气浓度，氧的扩散速度遵循如下关系式：
W ks ks C 0 C B
表征氧气扩散速度的量；
ks
C0 CB
扩散速度常数 主要取决于气流速度； 炭周围介质中的氧气浓度。 炭表面的氧气浓度
2 3 1 3
ks
3)的接触和充分混合的氛围；
4)燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间； 5)及时排出低温燃烧产物（如：低温烟气和灰渣）。
五。强化煤粉气流燃烧的措施
1.提高热风和一次风温度 3.合理送入二次风 5.选择适当煤粉细度 7.合理组织炉内空气动力工况 2.限制一次风量 4.保持着火区高温 6.强化燃烧阶段和燃尽阶段
包括加热煤粉和空气 (一次风), 使煤粉气流中的 水分蒸发和过热所需要的热量。
1)着火热的组成
2)着火热的来源
炉膛内高温烟气的对流换热;炉膛内高温火焰 的辐射换热。以对流换热为主。
3)着火位置:离开燃烧器 200~300 毫米处,最多不超过 500 毫米。 二．煤粉的燃烧过程 1.燃烧阶段 １)着火前的准备阶段－－吸热阶段
R--通用气体常数， R＝8.314 kJ/(Kmol.K)；
E --化学反应活化能 , kJ/Kmol；， T─绝对温度， K。
实际的锅炉燃烧过程、压力和浓度可认为基本不变, 所 以温度是影响反映速度的主要因素。
3.连锁反应
在化学反应中会自动生成一系列新的活化中心、使反应由 许多中间过程组成, 即连锁反应。如 500 °C 时氢的燃烧, 连锁反应使反应速度加快。
图５－６ d 是带有十字风喷口和油喷口的燃烧器, 适用于大功率褐煤。
2)分级配风直流煤粉燃烧器图５-7
一次风口集中布置、二次风口分层布置；一、二次风口保持较大距 离, 二次风分阶段送入煤粉气流, 适用于无烟煤贫煤劣质煤。
三次风口布置在最上层、距二次风口有教大间距、且有一定的下倾角 , 起到压火的作用、增加三次风在炉内停留时间, 有利于细粉的燃烧。
3)温度高于 1200 °C 时
a)温度低于 1200 °C 时
b)温度高于 1200 °C 时
三．影响煤粉气流着火的因素 1.燃料的性质 2.炉内的散热条件 3. 煤粉气流的初温 4.一次风量和一次风速 输送煤粉的风叫一次风, 一次风量占炉膛出口总风量的百分比 叫做一次风率。一次风率的最佳值, 一次风速的最佳值。 5.燃烧器的结构特性
温度升高→水分蒸发→挥发分析出→开始着火。
2)燃烧阶段－－放热阶段, 高速燃烧化学反应。烟气温度达到最大值 3)燃尽阶段
氧气浓度减少、燃烧速度减缓, 放热量小于水冷壁吸热 量、烟气温度逐渐降低, 此过程最长。
2.碳粒的燃烧机理 １)煤的燃烧过程主要是碳的燃烧。 2)温度低于 1200 °C 时
4C 3O2 2CO 2CO2 3C 2O2 2CO CO2
煤粉预燃室燃烧器
二次风
中心回流
一次风
钝体燃烧器中钝体的作用: 在尾部区形成回流旋涡,把高温烟气带回钝体附近,此处 煤粉浓度较大,可以稳定燃烧.
3.火焰稳燃船燃烧器
其结构为在常规直流煤粉燃烧器一次风口内加装一个船型火焰稳定器， 并在其中心设有点火小油枪。
采用这种结构后，上煤粉气流绕过它以后射入炉膛，在离一次风喷口不 远处形成一个束腰射流。在束腰部的两侧外缘形成高温、高煤粉浓度和 有适当氧气浓度的区域，成为点燃煤粉气流的良好着火热源，从而稳定 炉内燃烧。
束腰气流 煤粉气流
4.浓淡燃烧器
1）所谓浓淡燃烧器，就是采用将煤粉——空气混合物气流，即一次风气流分离成 富粉流和贫粉流两股气流，这样可在一次风总量不变的前提下提高富粉流中的煤粉 浓度。 2）富粉流中燃料在过量空气系数远小于 1 的条件下燃烧，贫粉流中燃料则在过 量空气系数大于或接近 1 的条件下燃烧，两股气流合起来使燃烧器出口的总过量 空气系数仍保持在合理的范围内。 3）浓淡分离原理 (1)离心式煤粉浓缩器用在 W 型火焰锅炉上；利用管道转弯所产生的离心力使煤粉 浓缩，在四角切圆燃烧的炉膛上得到应用；日本 PM 型浓淡燃烧器图 5-19.
无烟煤
12~16 15~22 20~25
贫
煤
烟
煤
褐煤
20~26 25~35 18~30
16~20 20~25 20~25
20~25 30~40 25~35
旋转燃烧器
二次风
45~55
50~60
45~55
50~60
40~55
40~60
三次风
2)影响射程的因素
W0
射流初速度，初速度越大射流射程越远．
喷口形状：矩形喷口比圆形喷口射程远．
喷口尺寸：小喷口卷吸能力强，射程短；大喷口卷吸能力弱， 射程长． ２。 直流煤粉燃烧器结构和形式 1)均等配风直流煤粉燃烧器
图５－６ a,c 一、二次风喷口间隔布置，适用于挥发分高的褐煤, 烟煤． 图５－６ b 二次风喷口布置在一次风侧面背火侧, 适用于挥发分低的贫煤烟煤．
三。 旋流煤粉燃烧器 1.工作原理
旋流煤粉燃烧器
（一）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。
旋转气流由燃烧器出口喷入较大炉 膛空间后，由于离心力的作用，便扩散 开来形成旋转空心圆锥形自由射流，如 下图所示。
在上述各项技术措施中，最关键的是燃烧器的作用。
二。新型煤粉燃烧器的主要类型
1. 煤粉预燃室燃烧器 这是我国研究最早、目前应用最广泛的新型煤粉燃烧器装置。预燃室 燃烧器是由耐火材料或耐热钢板制造的前置燃烧室。 2.钝体燃烧器 该型燃烧器是华中理工大学于 80 年代初研制的，其应用范围仅次于预燃室燃烧器。 多用在燃用劣质烟煤、贫煤和无烟煤的锅炉上，用作稳定火焰和改善燃烧。 它是在角置式煤粉燃烧器每个角一次风喷口出口处，设置一个非流线形物体—— 钝体，使煤粉气流在钝体的尾迹区产生回流，卷吸高温烟气，以利于燃料的着火 和火焰的稳定。着火后的煤粉火炬在炉膛内组成四角切圆燃烧。
碳粒表面燃烧速度 2.燃烧区域
折算系数 kZ
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：
ks k , k Z k
温度较低，低于１０００°Ｃ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 烧区
一。热力着火
4-2 煤和煤粉的着火和燃烧
直接影响一次风和二次风的混合情况, 燃烧器出口截面越大着火点离喷 口越远尽量采用尺寸小的小功率燃烧器
6.锅炉负荷
低负荷不利与锅炉稳定运行。
四。完全燃烧条件
1.燃烧效率
r
Qr Q3 Q4 Qr
100 % 100 q3 q 4
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
(1)离心式煤粉浓缩器
浓煤粉
淡煤粉
(2) 百叶窗锥形轴向分离器；
(3)带有扩流锥的直流煤粉浓缩器，用于直吹式燃烧系统中。美国 GE 公司的 V 型扩流锥结构 波型扩流锥结构 WR 型直流煤粉浓缩器。图 5-18
图 5-20 为宽调节比燃烧器, 有弯头隔板扩流锥组成。
煤粉气流着火温度
测试设备 燃 料 褐煤Vdaf =50％ 烟煤Vdaf = 40％
煤粉气流着火 温度测试设备
着火温度°C
550 650 750 840 900 1000
烟煤Vdaf =30% 烟煤Vdaf =20% 贫煤 Vdaf =14% 无烟煤Vdaf =4%
２.着火热
把煤粉气流加热到着火温度所需要的热量称着火热。
§ 5§ 5.1 燃烧化学反应动力学基础 煤粉炉燃烧原理和燃烧设备
第 5 章
一、燃烧化学反应速度 1.化学反应速度 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。燃料的燃烧化 学反应可表示为
aAHale Waihona Puke Baidu bB gG hH
燃料 氧化剂 燃烧产物 反应速度--单位时间内,单位体积中反应物消耗或生成物 的摩尔数，摩尔/(m 3/s)。
W
B h
dC B dt
W hB CB
以氧化剂 B 计算的化学反应速度 氧化剂 B 的浓度
2.影响反应速度的因素
反应物质（燃料）的特性， E(活化能) 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：提高，碰撞机会增加 压力：提高，单位体积分子数增加，碰撞机会增加
l??其中温度是最重要的燃烧反应影响因素，
1)浓度的影响：Wh
Wh k CB
dC B dt
kCB
碳粒燃烧的化学反应速度
碳粒燃烧的化学反应速度常数 碳粒表面的氧浓度
2. 温度对燃烧速度的影响
遵循阿累尼乌斯定律：
K Koe

E RT
式中： K--表征化学反应速度的常数； K0--频率因子；