火电厂煤粉燃烧系统详解

火电厂煤粉燃烧系统火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水生成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。

今天我的课题是煤粉燃烧系统。

一、煤粉的制备及预热用火车或汽车、轮船等将煤运至电厂的煤场后，经初步筛选处理，用输煤皮带送到锅炉的原煤仓。

煤从原煤仓落入煤斗，由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并经空气预热器来的一次风干燥并带至粗粉分离器。

在粗粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制，合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器，使煤粉与空气分离后进入煤粉仓。

二、煤粉气流的着火和燃烧(一)煤粉气流的着火煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后，经过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四周高温火焰的辐射，被迅速加热，热量到达一定温度后就开始着火。

有实验表明，煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。

因此，煤粉空气混合物较难着火，这是煤粉燃烧的特点之一。

在锅炉燃烧中，希望煤粉气流离开燃烧器喷口不远处就能稳定地着火，如果着火过早可能使燃烧器喷口因过热被烧坏，也易使喷口附近结渣；如果着火太迟，就会推迟整个燃烧过程，使煤粉来不及烧完就离开炉膛，增大机械不完全燃烧损失。

另外着火推迟还会使火焰中心上移，造成炉膛出口处的受热面结渣。

煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬，着火以前是吸热阶段，需要从周围介质中吸收一定的热量来提高煤粉气流的温度，着火以后才是放热过程。

将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。

它包括加热煤粉及空气（一次风），并使煤粉中水分加热、蒸发、过热所需热量。

(二)煤粉燃烧的三个阶段煤粉同空气以射流的方式经喷燃器喷入炉膛，在悬浮状态下燃烧，从燃烧器出口，煤粉的燃烧过程大致可分为以下三个阶段：1．着火前的准备阶段煤粉气流喷人炉内至着火这一阶段为着火前的准备阶段。

着火前的准备阶段是吸热阶段。

在此阶段内，煤粉气流被烟气不断加热，温度逐渐升高。

煤粉受热后，首先是水分蒸发，接着干燥的煤粉进行热分解并析出挥发分。

挥发分析出的数量和成分取决于煤的特性、加热温度和速度。

着火前煤粉只发生缓慢氧化，氧浓度和飞灰含碳量的变化不大。

一般认为，从煤粉中析出的挥发分先着火燃烧。

挥发分燃烧放出的热量又加热炭粒，炭粒温度迅速升高，当炭粒加热至一定温度并有氧补充到炭粒表面时，炭粒着火燃烧。

2．燃烧阶段煤粉着火以后进入燃烧阶段。

燃烧阶段是一个强烈的放热阶段。

煤粉颗粒的着火燃烧，首先从局部开始，然后迅速扩展到整个表面。

煤粉气流一旦着火燃烧，可燃质与氧发生高速的燃烧化学反应、放出大量的热量，放热量大于周围水冷壁的吸热量，烟气温度迅速升高达到最大值，氧浓度及飞灰含碳量则急剧下降。

3．燃尽阶段燃尽阶段是燃烧过程的继续。

煤粉经过燃烧后，炭粒变小，表面形成灰壳，大部分可燃物已经燃尽，只剩少量未燃尽炭继续燃烧。

在燃尽阶段中，氧浓度相应减少，气流的扰动减弱，燃烧速度明显下降，燃烧放热量小于水冷壁吸热量，烟温逐渐降低，因此燃尽阶段占整个燃烧阶段的时间最长。

对应于煤粉燃烧的三个阶段，煤粉气流喷人炉膛后，从燃烧器出口至炉膛出口，沿火炬行程可分为三个区域，即着火区、燃烧区与燃尽区。

其中着火区很短，燃烧区也不长，而燃尽区却比较长。

图1表示煤粉火炬的工况曲线。

图中曲线表明，随着煤粉燃烧过程的进行，沿着煤粉火炬行程，烟气中飞灰含碳量逐渐减少，氧浓度逐渐下降，而燃烧产物R02气体的浓度却逐渐上升。

这些参数在燃烧最剧烈的燃烧区变化最快，在着火区和燃尽区变化较慢。

烟气温度变化是在着火区和燃烧区上升，在燃尽区中烟气温度下降。

图1 煤粉火炬的工况曲线(三)炭粒的燃烧煤粉燃烧的关键是其中炭粒的燃烧。

这是因为：①焦炭中的碳是大多数固体燃料可燃质的主要成分；②焦炭的燃烧过程是整个燃烧过程中最长的阶段，在很大程度上它能决定整个粒子的燃烧时间；③焦炭中碳燃烧的放热量占煤发热量的40%（泥煤）～95%（无烟煤）它的发展对其他阶段的进行有着决定性的影响。

因此，煤粉的整个燃烧过程中，关键在于组织好焦炭中碳的燃烧。

在炭粒的实际燃烧过程中，燃烧温度的高低、温度是否稳定、炭粒的几何形状和结构以及炭粒周围的气流性质等，都会对炭粒燃烧的过程造成影响。

(四)影响完全燃烧的因素要组织良好的燃烧过程，其标志就是尽量接近完全燃烧，也就是在炉内不结渣的前提下，燃烧速度快而且燃烧完全，得到最高的燃烧效率。

要做到完全燃烧，其原则性条件如下。

1.供应充足而又合运的空气量这是燃料完全燃烧的必要条件。

空气量常用炉膛出口处过量空气系数表示。

若系数过小，即空气量供应不足，会增大不完全燃烧热损失，使燃烧效率降低；系数过大，会降低炉温，也会增加不完全燃烧热损失。

因此，合适的空气量应根据炉膛出口最佳过量空气系数来供应。

2.适当高的炉温燃烧反应速度与温度成指数关系，因此炉温对燃烧过程有着极其显著的影响。

炉温高、着火快、燃烧速度快，燃烧过程便进行的猛烈，燃烧也易于趋向完全。

但是炉温也不能过分的提高，因为过高的炉温不但会引起炉内结渣，也会引起膜态沸腾。

同时因为燃烧反应是一种可逆反应，过高的炉温当然会使正反应速度加快，但同时也会使逆反应（还原反应）速度加快。

逆反应（还原反应）速度加快，将有较多燃烧产物又还原为燃烧反应物，这同样等于燃烧不完全。

通过试验证明，锅炉的炉温在中间区域(1000-200O℃)内比较适宜。

当然，在中温区域中，在保证锅炉不结渣的前提下，可以尽量高一些。

3.空气和煤粉的良好扰动和混合煤粉燃烧是多相燃烧，燃烧反应主要在煤粉表面进行。

燃烧反应速度主要取决于煤粉的化学反应速度和氧气扩散到煤粉表面的扩散速度。

因而，要做到完全燃烧，除保证足够高的炉温和供应充分而又合适的空气外，还必须使煤粉和空气充分扰动混合，及时将空气输送到煤粉的燃烧表面去，煤粉和空气接触才能发生燃烧反应。

要做到这一点，就要求燃烧器的结构特性优良，一、二次风混合良好，并有良好的炉内空气动力场。

煤粉和空气不但要在着火燃烧阶段充足混合，而且在燃尽阶段也要加强扰动混合。

因为在燃尽阶段中，可燃质和氧的数量已经很少，而且煤粉表面可能被一层灰分包裹着，妨碍空气与煤粉可燃质的接触，所以此时加强扰动混合，可破坏煤粉表面的灰层，增加煤粉和空气的接触机会，有利于燃烧完全。

4.在炉内要有足够的停留时间在一定的炉温下，一定细度的煤粉要有一定的时间才能燃尽。

煤粉在炉内的停留时间，是从煤粉自燃烧器出口一直到炉膛出口这段行程所经历的时间。

在这段行程中，煤粉要从着火一直到燃尽，才能燃烧完全，否则将增大燃烧热损失。

如果在炉膛出口处煤粉还在燃烧，会导致炉膛出处烟气温度过高，使过热器结渣和过热；汽温升高，影响锅炉运行的安全性。

煤粉在炉内的停留时间主要取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度，这都与炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷有关，即要在锅炉设计中选择合适的数据，而在锅炉运行时切忌超负荷运行。

三、锅炉点火设备锅炉点火装置主要是在锅炉机组启动时，用它来点燃主燃烧器的煤粉气流。

此外，当锅炉机组在低负荷运行，或者当燃煤质量变差，炉膛温度降低，危及煤粉气流的稳定，炉内火焰发生脉动以致有熄火危险时，也用点火装置来稳定着火和燃烧；同时也可作为辅助燃烧的一种手段。

现代大、中型煤粉炉常采用过渡燃料的点火装置，可分为气--油--煤粉的三级点火和油--煤粉的二级点火系统两种。

三级点火系统是用点火器点燃着火能量最小的气体燃料，再点燃雾化的燃料油，最后点燃主燃烧器的煤粉气流。

二级点火系统则直接用点火器点燃燃料油，再点燃主燃烧器中的煤粉气流。

如果煤粉锅炉装有煤粉预燃室，就可以用点火器点燃装在煤粉预燃室燃烧器中的小油枪喷射出来的雾状油，再点燃煤粉燃烧器中的煤粉气流，待着火燃烧形成炽热火炬后再去点燃主燃烧器的煤粉气流。

点火装置中的点火器都采用电器点火器，常用的电器点火器有电火花点火器，电弧点火器和高能点火器三种。

电火花点火器常用于大、中型锅炉的三级点火系统中。

电火花点火器的结构及其点火程序如图2所示。

电火花点火器的结构是由点火杆、火焰检测器和气体燃烧器三部分组成。

点火杆与点火器外壳组成打火电极，在两极间加上5～lOkV 的高电压，两极间便会产生电火花，借助电火花的高温和电离作用，可点燃气体燃烧器中的可燃气体，再点燃油枪喷出来的雾状油，最后点燃主燃烧器的煤粉气流。

这种点火器击穿能力较强，点火可靠，使用较广。

用电火花点火器的三级点火系统的点火程序为：按下点火按钮，通过点火变电器将5～lOkV的高电压通往电火花点火器；电火花点火器中的点火杆与点火器外壳两极间便产生电火花；通往点火器中气体燃烧器的可燃气体（丙烷）通道上的电磁阀开启；气体燃烧器出来的可燃气体便着火燃烧；火焰检测器检测到丙烷着火，便发出信号；接受信号后，继电器将电磁空气阀切换到进气位置，将压缩空气送至汽缸；汽缸活塞便下移；随后将控制进油的四通阀下移至进油位置；燃料油便经四通阀送到油枪，接着雾化喷人炉内；油枪喷出的雾状油滴被点火器中丙烷的火炬点燃着火燃烧，主火焰检测器发出信号；点火用油枪为可调节回油的机械式油喷嘴，此时回油至四通阀，使阀杆下移；时间继电器工作；经数秒后切断丙烷，停止点火。

至此，完成了点火程序。

图2 电火花点火器的结构及其点火程序电弧点火器则多用于二级点火系统。

电弧点火的起弧原理和电焊机相同，碳块和碳棒组成的点火电极通电后，两极先接触再拉开起弧，利用两极间形成的高温电弧去点燃油枪喷出的燃料油。

高能点火器是一种新型的点火器，用于两级点火系统。

常用的是半导体高能点火器，其工作原理是，将半导体电阻两极置于一个能量峰值很高的脉冲电压作用下，在半导体电阻表面就产生强烈的电火花，产生强大的能量，足够直接点燃雾化了的重油。

高能点火器连同重油枪都放在主燃烧器中，待主燃烧器的煤粉气流着火后，高能点火器和点火用重油枪（包括火焰稳焰器）由两台电动推杆分别带动，使点火器和重油枪自行退出，避免停用时在高温下被烧坏。

四、煤粉燃烧器煤粉炉的燃烧设备包括煤粉燃烧器、点火装置和炉膛。

煤粉燃烧器也称为喷燃器，它是煤粉炉燃烧设备的主要组成部分。

其作用是：将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定地着火；及时供应空气，使燃料和空气充分混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。

燃烧器的性能对燃烧的稳定性和经济性有很大的影响。

一个性能良好的燃烧器应能满足下列要求：(1)组织良好的空气动力场，使燃料及时着火，与空气适时混合，保证燃烧的稳定性和经济性。

(2)有较好的燃料适应性，具有良好的调节性能和较大的调节范围，以适应煤种和负荷变化的需要。

(3)应能控制氮氧化物的生成在允许的范围内，以达到保护环境的要求。