第五章 煤粉燃烧理论及燃烧设备
煤粉炉燃烧原理及燃烧设备
煤粉炉燃烧原理及燃烧设备第一节燃烧化学反应动力学基础燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的剧烈化学反应。
燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃烧，称为单相（均相）燃烧；燃料与氧气剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空气中的燃烧，称为多相燃烧。
电厂锅炉的主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。
电厂锅炉的主要燃料是煤使用空气作燃料的氧化剂一、碳粒的燃烧过程和燃烧速度炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程：（1）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒的反应表面；（2）氧被炭粒表面吸附；（3）在炭粒表面进行燃烧化学反应；（4）燃烧产物由炭粒表面解吸附；（5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。
炭粒燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反应速度，它取决于上述过程中进行得最慢的过程。
碳的燃烧速度主要决定于氧向炭粒表面的扩散速度和在反应表面上进行的化学反应速度最终决定于两者中的较慢者速度，最终决定于两者中的较慢者。
(吸附和解吸附过程速度快)1、影响化学反应速度的因素（1）浓度对化学反应速度的影响化学反应是在一定条件下反应物分子之化学反应是在一定条件下，反应物分子之间彼此碰撞而产生的，分子在单位时间内的碰撞次数越多则化学反应速度越快的碰撞次数越多，则化学反应速度越快。
分子碰撞次数决定于单位容积中反应物的分子数，即物质浓度。
在定温度下反应容积不变增加反应在一定温度下，反应容积不变，增加反应物的浓度即可增加反应物的分子数，分子之间的碰撞次数就会增多，反应速度就会加快。
加快（2）压力对化学反应速度的影响分子运动论认为，气体压力是气体分子撞击容器壁面的结果。
在温度和容积不变的条件下，反应物压力高，意味着反应物浓度大，因此化学反应速度就快。
（3）温度对化学反应速度的影响阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律。
阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律化学反应是在一定条件下，反应分子间发生碰撞而发生的，应在条件应发生撞发生的但并不是所有碰撞的分子都可以发生反应，只有那些碰撞能量足以破坏现存化学键并建立新的化学键的碰撞才是有效的。
煤粉燃烧及设备
• 3.煤粉燃烧的过程 • 煤粉在炉内的燃烧过程分为三个阶段，即着火 前的准备阶段(干燥，挥发阶段)、燃烧阶段和 燃烬阶段，煤粉在炉膛内，必须在短短的两秒 钟左右的时间里，经过这三个阶段，将可燃质 基本烧完。着火是燃烧的准备阶段，而燃烧又 给着火提供必要的热量来源，这两个阶段是相 辅相成的。对应于煤粉燃烧的三个阶段，可以 在炉膛中划出三个区，即着火区、燃烧区与燃 烬区。大致可以认为：喷燃器出口附近是着火 区，炉膛中部与燃烧器同一水平以及稍高的区 域是燃烧区，高于燃烧区直至炉膛出口的区域 都是燃烬区。其中燃烬区却比较长。
• 2.煤的组成及各种成分： • 元素分析和工业分析 • 元素分析只能确定元素含量的质量百分比，它不 能表明煤中所含的是何种化合物，因而也不能充 分确定煤的性质。但是，元素组成与其他特性相 结合可以帮助我们判断煤的化学性质。 • 元素分析比较繁杂。 • 电厂一般只作工业分析，它能了解煤在燃烧时的 主要特性。
项 全水分 干燥基水分 收到基灰分 收到基碳 收到基氢 收到基氧 收到基氮 收到基硫 可磨性指数 干燥无灰基挥发 分 目 符号 Mt Mad Aar Car Har Oar Nar Sar HGI Vdaf % kJ/kg 单位 % % % % % % % % 设计煤种 平朔安太堡煤 7.3 2.4 21.3 57.37 4.19 7.57 1.4 <0.87 56 37.7 22000 校核煤种 1 晋北煤 9.61 2.85 19.77 58.56 3.36 7.28 0.79 0.63 57.64 32.31 22441 校核煤种 2 云峰混煤 2.6 1.25 29.16 53.94 3.44 9.52 0.87 0.47 58 36.23 20990
收到基低位发热 Qnet，ar 量
史上牛煤粉燃烧理论及燃烧设备PPT学习教案
高于1200℃碳粒表面气体浓 度分布
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二、燃烧过程着火和熄火的热力条件
➢ 燃烧室内煤粉空气混合物 燃烧时的放热量Q1
Q1
k e
E RT
0
COn2VQr
➢ 燃烧过程中向周围介质的 散热量
Q2 S(T Tb )
改善着火的措施：
加强放热：增加可燃混合物的浓度、压力以 及可燃混合物的初温
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1.浓度对化学反应速度的影响
wA
dCA dt
k
AC
C a b
AB
wB
dCB dt
k
BC
C a b
AB
对炭粒的多相燃烧，化学反应在炭粒的表面进行
wB
dCB dt
kC
b B
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2.温度对化学反应速度的影响
E
反应速度常数 k k0e RT
频率因子 活化能 反应温度 通用气体常数
一次风量
一次风速
炉内散热条件
稳定着火过程的常用方法：
燃烧器结构特性 锅炉负荷
• 组织强烈的煤粉气流与高温烟气的混合
• 提高一次风温、采用合适的一次风量和 风速
• 采用较细的煤粉和敷设卫燃带
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四、燃烧完全的条件
ηr = 100 - q4 - q3
减小散热：减小气流速度，增加混第1合5页物/共初7温1页
2点：着火温度 4点：熄火温度
三、煤粉气流的着火
着火热来源：卷吸周围高温烟气并接受高温火焰的辐射
煤的着火温度
煤种
无烟煤 烟煤 褐煤
着火温度（ºC） 700~800 400~500 250~450
第5章 煤粉燃烧器
❖ 拢烟罩和火焰稳定器的应用。
四、多通道燃烧器的方位调节 ❖ 1. 喷煤管中心在窑口截面上的坐标位置
❖ 火焰过于逼近物料表面，一部分未燃烧的燃 料就会裹入物料层内，因缺氧而得不到充分 燃烧，增加热耗，同时也容易出现窑口煤粉 圈，不利于熟料煅烧；
第六章 煤粉燃烧器
一、燃烧器发展简介
❖ 20世纪70年代以前，回转窑广泛使用单通道 煤粉燃烧器。
❖ 70年代，出现了双通道燃烧器，性能得以改 善。
❖ 80年代相继出现三通道、四通道、五通道燃 烧器，以适应燃料和窑况变化的需要。
❖ 燃烧器的发展，强化了燃料的燃烧，充分发 挥了燃料燃烧的热效率。
二、单通道燃烧器
❖ 内风、煤风和外风采用同轴套管方式制作，喷出后 的混合过程是逐渐进行的。分级燃烧使三通道燃烧 器的内、外风和整个燃烧过程更加合理，也使燃烧 过程中的有害产物生成量减少。
❖ 煤风三者的总风量，只相当于单通道喷煤管燃烧空 气量的8~12%，故可大大减少煤粉气流着火所需的 热能，并可充分利用熟料冷却机排出的热气流。
风速，内风道为旋流向外扩展，煤风道为轴流向外 扩展，各通道出口截面可以调节。
❖ 特点是：外风道为轴流，并没有锥角缩口。内风道 为旋流向外扩散，煤风道为直通式轴流，中心管端 部结合圆锥台型端盖，以利煤风混合和稳定火馅。
5. 几种多通道煤粉燃烧器介绍
❖ A KHD公司PYRO-Jet燃烧器
超音速煤 粉燃烧器
❖ 将煤风置于旋流风和轴流风包围中，借以提高火焰 根部CO2浓度，从而抑制NOx的形成。
❖ 火焰稳定器
❖ 煤风管科前后收缩，可在维持轴流风和旋流风比例 不变的前提下，一次风量调节范围可达50%~100%。
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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。
• 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：
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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。
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。
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2
（二）质量作用定律
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（三）阿累尼乌斯定律
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（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
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沿炉膛高度燃料分级燃烧81
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
燃尽风
40%NOX 炉膛内燃料分级燃烧过程
电厂锅炉原理-151625-1
上式表明： 一个氢分子与质点碰撞被激活而吸收活化能
后可以产生三个活化氢原子，而这三个氢原子又 在下一次反应过程产生九个活化氢原子，其反应 进行得很快，以至反应瞬间即可完成。
二、氧的扩散速度
碳粒燃烧时，距离碳粒较远处氧气浓度较高，设 为Co，由于碳粒表面燃烧消耗氧量使表面处的氧气浓 度降低为CB，而气流中的氧气不断向碳粒表面扩散。 用氧气扩散速度表示的燃烧速度为
活化分子：把能够发生化学反应的碰撞称为有 效碰撞，并把能够发生有效碰撞的分子称为活化分 子。
活化能：是参与化学反应的物质达到开始进 行化学反应状态所需的最低能量，也可表述为 为使化学反应进行，分子活化所需最低能量。 用Ｅ表示。
一定温度下，活化能越大，活化分子越少，化 学反应越慢。
挥发分高的煤活化能小，而挥发分低的煤活化 能大。
碳粒燃烧扩散区强化燃烧的措施：加强气流扰 动，减小煤粉颗粒径。
3、碳粒燃烧的过渡区
介于动力区和扩散区之间，称为燃烧处于过 渡区。
在过渡区，提高温度和提高扩散速度都可以 提高燃烧速度。即氧气向碳表面扩散速度与碳粒 表面化学反应速度同时影响和控制碳粒燃烧速度。
若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向 扩散区转化；
2、活化能
活化能小的燃料，反应能力就越强，反应速度 随温度变化也较小，在低温下也能燃烧。
活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速 度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达 到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且 需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。
3、反应温度
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增 加，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次 数增多，因而反应速度加快。
第5章煤粉燃烧及燃烧设备——锅炉原理
❖ 四、影响煤粉着火的因素
❖ 在煤粉炉中，燃烧所需的空气被分成一次风和二次风。
❖ 一次风的作用是将煤粉通过燃烧器输送到炉膛，并供给 煤粉在着火阶段所需的空气；
❖ 二次风则在着火以后混入保证煤粉的燃尽。煤粉的点燃 过程是将一次风气流和高温炽热的烟气混合，使煤粉空 气混合物的温度升高到煤粉能够着火。
❖ 影响煤粉气流着火的主要因素是：
❖ 通过试验证明，锅炉的炉温在中温区域（1000～2000℃）内 比较适宜。当然，在中温区域，在保证炉内不结渣的前提下，
可以尽量提高些。
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❖ 3.足够的燃烧时间
❖ 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。
❖ 燃烧器的尺寸也影响到着火。燃烧器出口截面积愈大，煤粉 气流的卷吸能力越小，着火点离喷口距离就愈远。因此，采 用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的，因 为小尺寸燃烧器既增加了煤粉气流受热的周界面，也缩短了 着火区扩展到整个气流截面所需要的时间。
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❖ 6.锅炉负荷
❖ 锅炉经常在变负荷下工作。锅炉负荷降低时，燃料量减少， 放热量减少，而炉膛内的水冷壁和过热器等受热面的结构 和面积保持不变，致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的 温度降低，煤粉气流的加热条件恶化，因而对煤粉气流的 着火和燃烧是不利的。
❖ 我国电厂在燃用无烟煤时，所设计的预热空气温度 一般为350~420C，以尽量使煤粉空气混合物的初 温接近300C。
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❖ 4.炉内散热条件
❖ 炉内散热条件好，则炉内温度低，从而不利于燃料 的着火和燃烧。因此实践中，为使低挥发分煤的及 时着火和稳定燃烧，常在燃烧器区域用耐火保温材 料将部分水冷壁遮盖起来，构成所谓的卫燃带，以 减少水冷壁吸热量、维持燃烧器区域的温度水平， 进而改善煤粉气流的着火和燃烧条件。
锅炉教案第五章燃烧理论
第五章 煤粉燃烧的理论基础和燃烧设备（一）教学要求1.掌握炭粒的三个燃烧区域，理解影响燃烧反应的化学因素和物理因素2.掌握煤粉气流着火的影响因素和完全燃烧的条件3.了解直流射流的特性，理解直流燃烧器的结构型式及其布置情况4.了解旋流射流的特性，理解旋流燃烧器的结构型式及其布置情况5.了解W 型火焰燃烧技术（二）重点和难点重点：1.炭粒燃烧的动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧器三个区域2.煤粉气流着火的影响因素3.煤粉完全燃烧的条件难点：1.直流燃烧器的结构型式及其布置情况2. 旋流燃烧器的结构型式及其布置情况（三）教学方式课堂讲授、多媒体教学结合课堂讨论及现场模型讲授(四)教学内容第一节 燃烧的基本理论复习几种热损失。
为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。
为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。
从而，需要学习基础燃烧理论。
燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；同时伴随各种物理过程燃烧反应根据参加反应的物质不同分为：一、化学反应速度某一反应物浓度的减少速度或生成物浓度的增加速度表示。
1.浓度浓度越大，反应速度越快。
质量作用定律：对于均相反应，在一定温度下化学反应速度与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。
对于异相反应：化学反应在炭粒表面进行，认为碳粒浓度不变，化学反应速度指单位时间内碳粒表面上氧浓度的变化。
质量作用定律说明：在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞hH gG bB aA +→+b Ba A C kC w =b BB kC w =机会越多，化学反应速度就越快。
2.温度阿累尼乌斯定律：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。
反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系3.压力在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加。
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着火和熄火的热力条件
煤粉气流燃烧时的放热量Q1为
Q1 k0e
E RT
C VQr
n o2
向周围介质的散热量Q2为
Q2 S T Tb
?
着火和熄火的热力条件
着火热
定义 将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量 计算
一次风 煤粉 水分
g 100 M ar Qzh V1ck cr Mcq t zh t1 100 M ar M 4.19 100 t1 2510 cq t zh 100 100
瞬时化学反应速度可表示为 dc A ＝－ dc B ＝ dc G dCH A＝－ B G H dt dt dt dt
影响化学反应速度的因素
浓度 温度
压力
催化反应
氧的扩散速度
炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行 的。由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧 浓度CB小于周围介质中的氧浓度CO，周围环 境的氧不断向炭粒表面扩散。氧扩散过程的 快慢用氧的扩散速度表示。
第五章
煤粉燃烧理论基础及 燃烧设备
本章内容
燃烧的基本理论
煤粉气流的着火和燃烧
煤粉燃烧器及其炉内布置型式 煤粉炉点火设备 燃烧调整试验方法
本章重点与难点
炭粒的燃烧过程与影响因素 燃烧的三个区域 着火和熄火的热力条件 煤粉气流着火的影响因素 燃烧完全的条件
直流射流的特性、直流燃烧器的种类、特点、布 置方式 旋流射流的特性、旋流燃烧器的种类与特点、布 置方式
一次风 携带煤粉送入燃烧器的空气。主要 作用是输送煤粉和满足燃烧初期对氧气的需 要，用于挥发分的燃烧 二次风 着火后单独送入的空气，补充后期 燃烧所需空气，用于焦炭燃烧，并起到气流 的扰动和混合的作用 三次风 对中间储仓式热风送粉系统，为充 分利用细粉分离器排出的含有10%～15%细粉 的乏气，由单独的喷口送入炉膛燃烧
动力燃烧区 扩散燃烧区 过渡燃烧区
加强燃烧的措施
动力区： k ks 提高 k 提高反应系统的温度 减小粒径 扩散区： ks k 提高 ks 加强扰动等 过渡区： k 同时提高 k和 ks ks
不同炉型所处的燃烧区域
中心区以外—过渡区＋动力区
炉膛的作用
燃烧空间 换热部件
对炉膛的要求
足够的空间和合理的结构，以组织燃 烧，减小不完全燃烧损失 有合理的温度场和良好的炉内空气动 力特性，保证稳定完全燃烧；避免火 焰冲墙，防止水冷壁结渣 布置足够的辐射受热面，保证炉膛出 口烟温，防止炉膛出口及其后的受热 面结渣
燃烧器中的“风”
煤粉炉
粗粉高温区—扩散区
温度↑、燃料性质 扰动↑、炭粒直径↓
层燃炉
扩散区
扰动↑ 炭粒直径↓
强制通风
第பைடு நூலகம்节
煤粉气流的 着火和燃烧
煤粉的燃烧过程
着火前的准备阶段 燃烧阶段 燃尽阶段
用时25％ 用时最长75％
三个过程既串联又并联
着火和熄火
煤粉气流的着火 由缓慢的氧化状态转化到 快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转 变时的瞬间温度称为着火温度 着火、熄火的热力条件 煤粉气流燃烧时要 放出热量，同时又向周围介质散热。这两 个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程 发生（着火）或者停止（熄火）
第一节
燃烧的基本理论
燃烧的分类
单相燃烧（均相燃烧）
燃料与氧化剂同相
2CO＋O 2＝2CO 2
多相燃烧（异相燃烧）
燃料与氧化剂 不同相
C＋O 2＝CO 2
化学反应速度
定义： 单位时间内反应物浓度的减少或生成物 3 mol m 浓度的增加，单位 s 对于反应 aA＋bB＝gG＋hH
燃烧器的分类
直流燃烧器 旋流燃烧器
直流射流
直流射流的特性
射程
射流轴向速度wm与射流初始速度w0的比值降低到 某一不为零的数值（如0.05）时的截面与喷口间的 距离
卷吸能力
刚性
射流抗偏转的能力
扩展角θ
直流煤粉燃烧器的型式
均等配风 适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟 煤、褐煤型配风方式。 分级配风 适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤， 常称为无烟煤和贫煤配风方式。
直流燃烧器均等配风
一、二次风喷口相间布置，即在二个一 次风喷口之间均等布置一个或二个二次风喷 口，各二次风喷口的风量分配较均匀。 一、 二次风口间距较小，有利于一、二次风的较 早混合，使一次风煤粉气流着火后能迅速获 得足够的空气，利于挥发份高的烟煤、褐煤 燃烧
炭粒的燃烧速度
定义： 炭粒单位表面上的实际反应速度。
当燃烧过程稳定时
B＝ks＝r
r＝
1 1 ks k 1
B＝kC ＝kC B
b B
ks＝ ks C 0－C B
C 0＝k z C 0
燃烧区域
0.5 T 随温度变化缓慢 ks r E RT k e 受温度影响大
燃烧效率
100 q 3＋q 4
第三节
煤粉燃烧器 及其炉内布置型式
燃烧器的作用
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， 使煤粉迅速稳定的着火；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。
燃烧器的要求
组织良好的空气动力场，及时着火，保 证燃烧的稳定性和经济性。 有较好的燃料适应性和负荷调节范围。 能减少NOx生成，减少对环境的污染。 运行可靠，不易烧坏和磨损 易于自动控制
炉后水分
影响煤粉气流着火的因素
燃料性质 一次风性质 炉内散热条件 燃烧器结构特性 锅炉负荷
燃烧完全的条件
供应充足而又合适的空气量（Air） 适当高的炉温(Temperature) 空气和煤粉的良好扰动和混合(Turbulence) 在炉内要有足够的停留时间(Time)
ks＝ ks C 0－C B
ks Co CB
扩散速度系数
D o2 ks Nu ks d
d Nu Re 相对速度
炭粒多相燃烧反应阶段
ks 慢 氧气扩散到炭粒反应表面 氧气被炭粒表面吸附 在炭粒表面进行燃烧化学反应 B 慢 燃烧产物由炭粒解吸附 燃烧产物离开炭粒表面扩散到周围环境中