热能转换装置原理第五燃烧理论基础及燃烧设备.ppt

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1、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；,二、固体燃料的燃烧过程 1. 燃料燃烧的几个阶段： 着火

2、前的热力准备阶段； 挥发份着火与焦炭的燃烧阶段； 灰渣形成及燃尽阶段。 2. 燃料完全燃烧的必备条件 保持一定的高温环境； 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； 燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间； 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/(m3s)。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。 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

3、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。 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。,1. 温度对燃烧速度的影响 遵循阿累尼乌斯定律：,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， R8.3143

4、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：,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烧区 。 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

5、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。 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 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 。,

6、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 。,2. 室燃炉 1）炉膛截面可见热强度 2）炉膛容积可见热强度,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,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

7、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1020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。,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

8、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，后期混合减弱的特点。旋转射流的湍流换热强度很高。,旋转射流的流动状态,a）蜗壳；（b）切向叶片；（c）轴向可动叶片 旋流燃烧器常用型式示意图,旋流燃

9、烧器的布置 旋流燃烧器一般作前墙或前后墙对冲（交错）布置。前墙布置的特点是磨煤机可以布置在炉前，煤粉管路较短而且形状尺寸比较一致，分配较均匀，因而沿炉膛宽度方向烟气温度的偏差较小。前后墙布置方式的火炬相互穿插，炉内火焰的混合和充满情况比较好。,a) 前墙布置 b) 前后墙对冲（交错）布置 旋流式燃烧器布置示意图,当炉墙上布置两个以上的旋流式燃烧器时，为使相邻燃烧器的射流不相互干扰，燃烧器相互之间、燃烧器与邻近的炉墙之间以及燃烧器与冷灰斗上缘之间都应保持适当的距离。为了防止炉内火焰的偏斜，相邻燃烧器气流的旋转方向宜彼此对称，反向旋转。,切向燃烧直流燃烧器的一、二次风喷嘴是上下依次排列的 按照煤种

10、着火特性的不同：间隔布置和集中布置。 间隔布置方式：挥发分含量高易于着火的烟煤和褐煤 一次风中携带的煤粉较易着火，希望在着火后迅速与相近的二次风喷嘴射出的空气流混合，使火炬根部不致缺氧而导致燃烧不完全，这种情况下一 二次风喷嘴常交替间隔排列，各喷嘴边缘的上下间距较小，沿高度间隔排列的各二次风喷嘴的风量可分别调节。 集中布置方式：较难着火的贫煤，劣质烟煤和无烟煤 除了常在燃烧器区的炉膛水冷壁上敷设耐火材料做成卫燃带，以提高煤粉着火区的温度外，希望推迟一、二次风的混合，以保证在混合前一次风中的煤粉的较好的着火条件。为此，几个一次风喷嘴相对集中在一起并靠近燃烧器下部，一、二次风喷嘴上下边缘的间距较大

11、。,（a）间隔布置 （b）集中布置 直流燃烧器高度方向布置方式图,WR（宽调节比）型直流燃烧器： 在WR型燃烧器中，煤粉空气混合物流经入口弯头时，由于离心力的作用大部分煤粉紧贴着弯头的外沿进入煤粉喷管，设置在WR型燃烧器煤粉喷管中间的水平肋板将浓淡两股煤粉流分开，并保持到喷嘴处，再流经摆动式煤粉喷嘴出口处的三角形扩锥，可使其出口端的火焰稳定在回流区中，改善了低负荷下的稳燃性能，再加上喷嘴出口的周界风受到扩锥的导向作用，可推迟周界风和煤粉空气混合物的混和，更有利于煤粉着火。,PM燃烧器：,水平浓淡煤粉直流燃烧器： 水平浓淡煤粉燃烧器的原理。百叶窗煤粉浓缩器将一次风在水平方向上分成浓度差异适当的浓

12、淡两股，使浓煤粉气流位于向火侧，形成风包粉，在炉膛水冷壁附件形成氧化性气氛，提高灰熔融温度，并阻止煤粉颗粒直接冲刷水冷壁，从而可提高防结渣的能力，同时，改善了火焰稳定性，提高了着火性能。,1一次风管道；2煤粉燃烧器； 3浓煤粉气流出口；4淡煤粉气流出口； 5内侧假象切圆；6外侧假想切圆； 7水冷壁；8氧化性气氛区 水平浓淡煤粉燃烧原理图,切向燃烧的炉内空气动力场 四个角喷出的煤粉火焰相互点燃，着火稳定性较好。 燃烧器的燃烧工况和整个炉膛的空气动力特性关系十分密切。 气流在适当的程度上偏离设计方向恰恰是组织切向燃烧所需要。 炉内气流旋转直径增大，使上邻角过来的火焰更靠近射流根部，对着火有利，对混

13、合也有好处，炉膛充满度也较好。 但是切圆直径过大，一次风煤粉气流可能偏转贴壁，以致火焰冲刷水冷壁，而引起结渣，这是必须避免的。,煤粉的燃烧过程（以D=670t/h煤粉炉为例） 1. 煤粉由运载它的空气（一次风）喷入炉膛后，受到炉内火焰和高温烟气的辐射热的加热，一般在喷入炉膛300500mm处完成着火前的热力准备阶段及挥发份逸出着火，到12m处大部分挥发份逸出燃尽，而无烟煤要在离燃烧器喷口4m处； 2. 在挥发份逸出燃尽的同时，高温的焦炭颗粒在二次风的及时混合下，一般到1020m处才燃烧完全或接近完全燃烧； 3. 无烟煤在20m处已达到97%，到炉膛出口28m处燃尽率增加不到1%；褐煤和烟煤在一

14、半火焰长度上燃尽率可达98%， 4. 煤粉气流中一次风量只要能把煤粉受热析出的挥发份燃烧完即可。因此, 一次风量应近似地等于干燥无灰基中的挥发份含量Vdaf：,不同煤种煤粉燃烧的一次风率r1,5-4 流化床及循环流化床燃烧技术,主要型式：鼓泡床、湍动床、快速床、循环流化床等 应用领域：石油、化工、冶金、能源、环保等 主要优点： 燃料适应性广； 低温燃烧，NOx排放低； 可实现炉内脱硫； 燃烧效率高； 强化燃烧和传热 。,一、流态化基本原理 流态化过程：固体粒子与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程 沸腾燃烧（流化燃烧）：将流态化过程用于燃料燃烧 沸腾炉（流化床炉）：燃烧设备,二、床层的三种

15、状态 固定床 流化床 气力输送,空截面气流速度w：以布风板界面积作为计算截面的气流速度 临界流化速度wlj：颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度。 极限流化速度wjx：颗粒床层从流态化状态转变为气力输送时的最低速度。,宽筛分颗粒流化时的流体动力特性 在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量； 无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状； 床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出； 密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上； 床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。,几种异常的沸腾床 a）气泡

16、 b）节涌 c）沟流 d）分层,沸腾床内的燃烧 1) 保持很厚的灼热料层，相当于一个很大的蓄热池，新煤（约5%）加入后很快与灼热的炉料混合，迅速达到着火温度具有极好的着火条件 2) 颗粒与气流相对速度较大，扰动强烈，混合较完善，燃烧温度低燃烧好 3) 上部始终有过剩氧存在，无明显还原区 4) 料层高度对上层烟气成分无明显影响 5) NOx生成减少，可以加入石灰石脱硫,沸腾床内的传热 1) 具有良好的扰动和混合，床温很均匀，传热系数高； 2) 埋管表面不积灰，吸热比一般辐射受热面强45倍，达230350 W/（m2。K）； 3) 热负荷均匀，对水循环等有利。,沸腾床的型式与结构 鼓泡流化床 1)

17、 给煤 2) 布风板 3) 风室 4) 炉膛 5) 埋管,风帽的结构,等压风室,鼓泡流化床的问题 1）锅炉热效率低 2）埋管磨损快 3）电耗大,2. 循环流化床的原理 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态是不同的：随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体颗粒被速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解体。在这种流体状态下，气流还可携带一定数量的大颗粒，尽管其终

18、端速度远大于截面平均气流速度。,循环流化床的特点 不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动； 颗粒与气体之间相对速度大，而且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； 运行流化速度为鼓泡流化床的23倍； 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； 颗粒横向混合良好； 强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使整个上升段内温度分部均匀； 改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到数小时范围调节； 流化气体的整体性状呈塞状流； 流化气体（二次风）根据需要可在反应器的不同高度加入。,循环流化床锅炉的特点 循

19、环流化床锅炉可分为两个部分组成：第一部分由炉膛(快速流化床)、气固物料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道、布置有过热器、再热器、省煤器和空气予热器等，与常规室燃炉相近。循环流化床锅炉的特点如下： 1）低温的动力控制燃烧； 炉内温度水平因受脱硫最佳温度的限制，一般850左右，低于一般煤的灰熔点，免去了灰熔化带来的种种烦恼。可以组织炉内廉价而高效的脱硫工艺，使氮氧化物生成量低。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧速率主要取决于化学反应速率温度水平。循环流化床锅炉内燃料燃尽度很高，性能良好

20、的循环流化床锅炉燃烧效率可达9899%以上。,2) 高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程； 循环流化床锅炉内固体物料（燃料、残炭、脱硫剂和惰性床料等）参与了外循环和内循环两种循环运动，整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种循环运动的动态过程中逐步完成的。 3) 高强度的热量、质量和动量传递过程。 在循环流化床锅炉中，大量固体物料在强烈的湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料的循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以炉膛适应不同的燃烧工况。由于炉内热量、质量和动量传递过程是十分强烈，使得整个高度的温度分布均匀。,循环流化床锅炉的优点 1）燃料适应性广。 2）燃烧效率高：燃烧效率通常在97.5%99.5%范围内。 3）高效脱硫：循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。 4）氮氧化物低：循环流化床锅炉的NOx排放范围为 50150 ppm或40120 mg/MJ。 5）其它污染物排放低。 6）燃烧强度，炉膛截面积小：截面热负荷为3.54.5 MW/m2，接近或高于煤粉炉。 7）给煤点少。 8）燃料预处理系统简单。 9）易于实现灰渣综合利用。 10）负荷调节范围大，负荷调节快。 11） 床内不布置埋管受热面 。 12） 投资和运行费用适中。,