固体燃料的燃烧.ppt
第七章 固体燃料的燃烧,7.1 固体燃料的燃烧过程及特点7.2 煤的层状燃烧技术及装置7.3 煤的悬浮燃烧技术及装置7.4 煤的旋风燃烧技术及装置7.5 煤的沸腾燃烧技术及装置7.6 煤燃烧新技术及发展趋势,7.1.1 煤的燃烧过程,主要包括以各种煤炭为代表的矿物质燃料以及木柴、植物秸秆等木质燃料。按照燃烧方式的不同，煤分别以块状、粒状或粉状进入炉膛，进行相应的层状（火床）燃烧、沸腾（流化床）燃烧和悬浮（火室）燃烧。煤粒的燃烧经历的主要阶段：1）煤的加热和干燥；2）析出挥发分和形成焦炭；3）挥发分和焦炭的着火燃烧；4）灰渣的生成。,7.1 固体燃料的燃烧过程及特点,7.1.1 煤的燃烧过程,7.1 固体燃料的燃烧过程及特点,1煤的加热和干燥；23挥发分（碳氢化合物）析出、着火燃烧；形成碳黑，强光；35焦炭（固定碳和灰分）形成和加热；68焦炭燃烧，是煤燃烧的主要阶段；610灰渣（不可燃成分）形成。,挥发分析出温度与煤着火温度直接相关，表7-1,7.1.1 煤的燃烧过程,煤的挥发分主要由矿物结晶水、挥发性成分和热分解 产物等组成，其中的主要可燃物质是碳氢化合物。煤粒析出挥发分后的剩余部分称为焦炭，其主要成分 为固定碳和矿物杂质（即灰分）。焦炭燃烧是煤粒燃烧的主要阶段，起着决定性的作用。,碳的燃烧速度,化学反应能力,扩散能力,主要取决于温度和焦炭的性质；,主要取决于煤粒的大小以及空气、煤粒之间的相对速度,7.1.1 煤的燃烧过程,当化学反应能力扩散能力时，燃烧类型？燃烧速度取决于扩散能力，而与化学反应能力无关。这种燃烧状态称为扩散燃烧。当扩散能力化学反应能力时，燃烧类型？燃烧速度则取决于化学反应能力本身，而与扩散能力无关。这种燃烧状态称为动力燃烧。当燃烧过程处于扩散燃烧和动力燃烧两种极限情况之间时，扩散能力和化学反应能力相差不大，碳的燃烧速度与扩散能力和化学反应能力都有关，这种燃烧状态称为过渡燃烧。,7.1.2 煤的燃烧方式,煤的燃烧过程主要取决于输送至煤粒表面处的氧浓度以及煤粒所处的温度水平高低。氧浓度取决于气体的流动状况，温度高低主要取决于燃烧设备的形式。,根据煤在燃烧设备气流中的运动状况不同，其燃烧分为,煤的燃烧方式,层状（火床）燃烧,沸腾（流化床）燃烧,悬浮（火室）燃烧,7.1.2 煤的燃烧方式,各种燃煤方式的技术特征,7.1.2 煤的燃烧方式,层状（火床）燃烧的特点，是将几十毫米大小的煤块置 于炉排上而形成具有一定厚度的煤层，大部分煤在该煤 层中进行燃烧。沸腾燃烧时，加热炉膛的煤粉（0.25mm）受到气流的作用迅速与灼热料层中的颗粒混合，并在上下翻滚运动中着火和燃烧。悬浮（火室）燃烧时，燃料呈悬浮状态在炉膛（燃烧室）空间中进行。煤破碎成细小的煤粉（粒径0.1mm），利 用煤粉燃烧器组织煤粉气流，连续不断的喷入炉膛中。,7.2 煤的层状燃烧技术及装置,7.2.1 层状燃烧过程及工作特性7.2.2 层燃炉的特性参数7.2.3 层燃炉的主要类型及设备,7.2.1 层状燃烧过程及工作特性,在燃烧过程中，煤层在炉排上静止不动，或者依靠机械外力（非气流作用）而随炉排移动，大部分煤在该煤层中进行燃烧。常用的有人工加煤层燃炉（手烧炉）、链条炉、往复炉排炉、振动炉排炉和抛煤机炉等形式。,7.2.1 层状燃烧过程及工作特性,固定炉排上的燃烧过程是沿煤层的高度，自下而上逐层进行的。,7.2.1 层状燃烧过程及工作特性,灰渣层受空气冷却，形成固态灰渣，有利排出；氧化区焦炭层a1的区域，高温焦炭和过量氧反应，主要生成CO2，少量CO，温度达到最高；厚度为煤块尺寸的34倍；还原区a1的区域,氧减少，CO2被还原成CO，温度降低；干馏层新鲜煤被加热、干燥、挥发分析出等过程，并燃烧；层状燃烧分为两种燃烧方法：薄煤层燃烧法和厚煤层燃烧法（完全燃烧需二次风）；煤层厚度与煤的种类有关。,灰渣层,氧化区,还原区,干馏层,下,上,炉膛,7.2.2 层燃炉的特性参数,层燃炉的特性参数主要有燃烧热强度参数（包括炉排面积可见热负荷和炉膛容积可见热负荷）和炉排通风、冷却特性参数（炉排通风面积比、炉排片冷却度）等。（1）炉排面积可见热负荷炉排面积可见热负荷是指在单位时间内单位面积炉排上燃料燃烧所放出的全部热量，即,炉排面积可见热负荷是有一定限度的；炉排面积可见热负荷越大，炉排面积越小，燃烧设备越紧凑，成本越低；过小，导致空气流速过高，更多煤粒吹起进入炉膛，燃烧不完全；炉排面积可见热负荷的高低取决于燃烧设备的结构形式和燃用煤种，是一个经验指标。参见表7-4.,B单位时间进入炉内的燃料量；,7.2.2 层燃炉的特性参数,（2）炉膛容积可见热负荷炉膛容积可见热负荷是指在单位时间内单位炉膛容积中燃料燃烧所放出的全部热量，即,炉膛容积可见热负荷也是一个经验指标，其高低与燃烧设备类型、煤种和操作方法有关。炉膛的高度：,7.2.2 层燃炉的特性参数,（3）炉排通风面积比炉排通风面积比是指炉排面上通风孔总面积与整个炉排面积的比值，即,选用炉排通风面积比较小的炉排有利于改善其工作条件。（4）炉排片冷却度通常采用空气冲刷炉排侧面积（炉排片冷却面积）与同煤层接触的炉排片表面积（炉排片受热面积）的比值来表征其冷却特性，即,炉排片高度越高，侧面积越大，冷却性能越好。,h炉排片高度；b宽度；,7.2.3 层燃炉的主要类型及设备,常用的有人工加煤层燃炉（手烧炉）、链条炉、往复炉排炉、振动炉排炉和抛煤机炉等形式。一、人工加煤层燃炉（手烧炉）其基本特点是煤由人工定期从炉门加入炉内，并使其铺洒在燃烧着的煤层上进行加热、干燥和燃烧。,7.2.3 层燃炉的主要类型及设备,对炉排的要求主要是在整个燃烧层的截面上能将空气分布均匀，通风阻力和漏煤损失小，同时具有足够高的机械强度和良好的耐热和散热性能。此外，炉排应钢耗小、造价低。手烧炉中煤的着火最为可靠，称为无限制着火。进入手烧炉内的空气量主要决定于炉排上煤层的厚度。手烧炉燃烧过程的周期性（煤加入的周期性）是一个严重的缺点，在燃用挥发分含量较大的煤时，这种现象更加突出。在运行中采用增多加煤次数、减少每次加煤量和提高加煤速度的方法，可以有效地减轻周期性燃烧的危害。手烧炉的加煤、拨火和清渣三项主要运行操作均由人工完成，劳动强度大。,7.2.3 层燃炉的主要类型及设备,二、链条炉链条炉采用移动的链条炉排作为燃煤装置，加煤、清渣、除灰等主要操作均实现了机械化。是工业锅炉中使用最广泛的炉排。链条炉排的工作过程,链条炉燃烧的区域分层,O2,着火依靠炉膛热辐射（烟气和炉墙），煤层表面先受热，再往下层传递热量。,7.3 煤的悬浮燃烧技术及装置,悬浮（火室）燃烧时，煤以煤粉形式被预热空气连续不断地送入炉膛，并呈悬浮状态在炉膛空间中进行燃烧。与层状燃烧相比，煤粉与空气的接触面积大大增加，混合改善，燃烧速率快，燃烧效率高，机械不完全燃烧损失低。悬浮燃烧煤种适应性广，但需要首先采用磨煤机进行煤粉制备。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,一、煤粉性质用于悬浮燃烧的煤粉，形状很不规则且粒度大小不同，粒径一般在1500m之间，其中2050m大小的颗粒占大多数。吸附大量空气后，煤粉颗粒被空气隔开，形成煤粉和空气的混合物，并具有良好的流动性。燃煤被磨制成煤粉后，表面积剧增。煤粉细度是表示其颗粒大小的指标。通常采用一组具有标准筛孔尺寸的筛子来测定。具体测定方法是：取一定量的煤粉试样，并用筛孔内边长为 x m的筛子进行筛分，通过筛孔的煤粉质量为b，筛面上剩余煤粉质量为a，则煤粉细度：,Rx值越大，煤粉越粗；反之，煤粉越细。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,从燃烧看，煤粉磨制越细，越容易着火，机械不完全燃烧损失 q4 越小；但同时，制粉系统消耗的电能及金属磨损也越大，即磨煤损耗 qm 越大；煤粉经济细度；合理的煤粉细度需考虑煤种、燃烧设备和磨煤机形式等因素；,7.3.1 煤粉特性及燃烧,二、煤粉燃烧的特点（一）煤粉气流的着火煤粉气流及时、稳定的着火是煤粉炉安全经济运行的重要条件。着火热主要有两个来源：一是煤粉气流经燃烧器喷入炉膛后，将卷吸炉膛内的高温烟气，进行对流换热；二是高温火焰和炉壁对煤粉气流的辐射加热。该图表明：高温回流烟气是导致煤粉气流着火的主要热源，煤粉越细则越容易着火。着火温度与煤的种类有关，表7-12。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,影响煤粉气流着火的主要因素：（1）燃煤特性煤的挥发分含量和水分、灰分含量对煤的着火性能影响很大。（2）煤粉气流的初始温度（3）煤粉细度（4）一次风风率（气粉比）一次风风率是指一次风量占炉膛总风量（包括炉膛漏风在内）的百分比；每种煤粉对应一个最佳气粉比；（5）着火区的烟气温度（6）炉内高温烟气的组织组织好炉内高温烟气的合理流动是改善着火性能的重要措施。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,（二）煤粉的燃烧煤中的主要可燃物是焦炭。（1）碳粒的燃烧温度T1200时，碳粒的燃烧反应：,温度T1200时，碳粒的燃烧反应：,7.3.1 煤粉特性及燃烧,7.3.1 煤粉特性及燃烧,（2）碳的燃烧速度碳的燃烧速度与氧的消耗速度相等：,化学反应速度常数：,O2的扩散速度：,碳粒表面O2的浓度；,ak扩散速度系数，C0碳粒周围介质中的O2浓度；,折算化学反应速度常数kzs,碳的燃烧速度与化学反应速度相关，也与O2扩散至碳粒表面的速度有关。,akT0.5,7.3.1 煤粉特性及燃烧,碳的燃烧具体可分为三种情况：1）动力控制区燃烧T1400，化学反应速度 扩散反应速度，影响燃烧速度的决定因素是物理条件，即O2的扩散速度；3）过渡燃烧1000 T 1400，燃烧速度即取决于物理条件，又取决于化学条件；,O2的扩散速度系数和化学反应速度常数的比值称为谢苗诺夫准则数Sm：,表7-13判断碳粒燃烧工况的Sm准则数和Cb/C0比值,碳粒表面O2的浓度；,7.3.1 煤粉特性及燃烧,D氧扩散系数；d煤粉颗粒直径。,氧的扩散速度系数,O2的扩散速度与煤粉颗粒直径成反比，即煤粉越细，O2的扩散就越快。,通常煤粉炉的燃烧处于动力燃烧或过渡燃烧状态。因此，在煤粉炉中，提高炉内燃烧温度可以达到加速燃烧过程。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,可以采取三个方面的技术措施使煤粉气流在着火之后能够进行剧烈燃烧：保持足够高的炉膛温度，但不能引起结焦；二次风的喷入应保证使其适时地与煤粉气流混合；在燃烧区域中组织良好的空气动力场，促使煤粉与空气强烈、均匀地混合。（三）煤粉的燃尽煤粉的燃尽区域在炉膛的上部，要使煤粉在该区域中燃尽，应满足下列条件：（1）保持适当大小的过量空气系数，使炉膛出口仍有一定量的O2。（2）应按不同煤种选取经济的煤粉细度，煤粉粒度应尽可能均匀。（3）合理选取炉膛容积热负荷，保证足够大的炉膛容积。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,（4）合理选取炉膛断面热负荷，在不致引起结渣的前提下保持炉膛出口处具有较高的温度。,（5）尽可能创造条件，加强火焰后期的混合，合理地组织二次风。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,（四）结渣在悬浮燃烧过程中，形成大量呈熔融状态的灼热灰渣，液态或半液态的灰渣黏附在辐射受热面或炉墙上，结成紧密的黏结灰渣层，称为结渣。结渣的危害：影响受热面传热和冷却；过多的结渣影响炉内空气动力场；大渣块掉落影响可靠性。任何原因的结渣均符合两个基本条件：一是火焰贴近受热面时，高温烟气中的灰粒仍呈熔融状态；二是火焰直接冲刷受热面。,7.3.1 煤粉特性及燃烧,从设计和运行两方面防止受热面结渣：一是炉内布置足够的受热面来冷却高温烟气，使其贴近受热面时温度降低至灰的熔融温度以下，即保证熔融状灰粒在贴近受热面时被凝固；二是组织一、二次风形成良好的气流结构，保证火焰不直接冲刷受热面。（1）燃烧设备设计方面的技术措施：首先应选择一个良好的炉膛形式、高度及截面尺寸；其次，燃烧器应具有合理的结构并得到合理的布置。（2）燃烧设备运行方面的技术措施：应保证各燃烧器的风量分配均匀、煤粉分配均匀，还应保持炉膛出口过量空气系数为最佳值；锅炉应尽量不要超负荷运行。,7.3.2 煤粉制备,一、磨煤机磨煤机是将煤块破碎并磨制成煤粉的机械。煤在磨煤机中主要是通过压碎、击碎和研碎三种方式被磨制成粉的。按照磨煤机工作部件的转速，可分为以下三种类型：低速磨煤机 15-25 r/min中速磨煤机 50-300 r/min高速磨煤机 750-1500 r/min,磨煤及制粉系统（煤块破碎、磨煤、粗粉、细粉分离及储存）煤粉燃烧器（煤粉气流制备）炉膛燃烧,7.3.2 煤粉制备,二、制粉系统制粉系统可分为直吹式系统和中间仓储式系统两类。,直吹式系统：煤在磨煤机中磨制成煤粉后全部送入炉膛燃烧，即制粉系统制粉量等于锅炉的燃料消耗量；分为正压系统和负压系统。中间仓储式系统：将磨制好的煤粉先储存在煤粉仓中，再根据锅炉燃烧的需要通过给粉机将煤粉送入炉膛燃烧。,7.3.2 煤粉制备,二、制粉系统（直吹式系统）,磨粉机,煤仓,7.3.2 煤粉制备,二、制粉系统（中间仓储式系统）,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,煤粉燃烧器的主要作用是：向炉膛内输送燃料和空气；组织煤粉气流（一次风）和二次风及时、充分地混合；保证燃料进入炉膛后及时着火和稳定燃烧以及迅速、完全燃尽。,一次风作用：将煤粉送入炉膛，并供给煤粉着火阶段挥发分燃烧所需的O2量；只占总风量的1530%；,二次风作用：供给焦炭和不完全燃烧产物继续燃烧的O2量，保证煤粉完全燃烧。,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,煤粉燃烧器的主要作用一：向炉膛内输送燃料和空气；,燃烧器喷嘴,利用激光束得到的炉膛中心燃烧器的流动显形,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,煤粉燃烧器的主要作用二：组织煤粉气流和二次风及时、充分地混合；,旋流式燃烧器,双旋流式燃烧器（无烟煤）,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,煤粉燃烧器的主要作用三：保证燃料进入炉膛后及时着火和稳定燃烧以及迅速、完全燃尽。,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,等离子点火煤粉燃烧器：,利用直流空气等离子体在煤粉燃烧器中形成T5000K的局部高温区。,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,微油点火煤粉燃烧器：,用微量的燃油对煤粉进行点火稳燃，实现锅炉在冷态点火启炉及低负荷运行,7.3.3 煤粉燃烧器的主要类型及设备,按出口气流特性，煤粉燃烧器分为旋流式和直流式两种；旋流式煤粉燃烧器利用能使气流产生旋转的导向结构，使气流形成有利于着火的回流区，并有助于煤粉火焰的稳定；直流式通常由一组矩形、圆形或多边形喷口组成，喷口之间保持一定的距离，煤粉气流（一次风）和燃烧所需空气（二次风）从垂直布置的一组喷口喷入炉膛，形成多股不旋转的直流射流。,旋风燃烧是基于旋风分离器原理的一种燃烧方式。原理：利用强烈旋转气流的离心作用，使较细的煤粉在旋风筒中悬浮燃烧，较大的煤粒在筒壁附近燃烧。旋风燃烧的突出优点：1）可采用很高的燃烧热强度，使燃烧室体积缩小；2）可使灰渣熔化成液态排出，大大减少了烟气中的飞灰量，显著减轻了换热面和风机的磨损以及除尘设备的负荷。,旋风燃烧原理,7.4 煤的旋风燃烧技术及装置,7.5 煤的沸腾燃烧技术及装置,沸腾燃烧原理：利用空气动力使煤粒在沸腾状态下进行传热、传质和燃烧，即新鲜煤粒与灼热的灰渣粒子强烈混合，上下翻滚运动，从而迅速升温并着火燃烧。沸腾燃烧优点：1）燃料适应性广，可以燃用高灰分、高水分、低挥发分的劣质燃料；2）低温燃烧，（8501050范围），NOx生成量少；3）脱硫效率高（8090%），SO2排放少。沸腾燃烧是一种最经济有效的低污染燃烧技术，近年来在世界范围内受到重视、并得到很快发展。,7.5.1 固体燃料的流态化,沸腾（流化床）燃烧与层状（火床）燃烧、悬浮（火室）燃烧的主要区别在于所燃烧的煤粒粒径和在燃料层内的流动形态不同。沸腾燃烧的运动形态基础即固体物料的流态化。固体流态化是指固体颗粒在与气流混合后，能像流体那样自由流动的现象。固体流态化技术广泛用于冶金、石油化工、燃煤发电、煤气化、垃圾焚烧等工程领域。,7.5.1 固体燃料的流态化,临界流速：,临界流速与煤粒当量直径de有关。,当一煤粒处于自下而上的气流中，该煤粒同时受重力、浮力和气流阻力的作用；,当气流速度变化时，煤粒和燃料层的运动状态发生变化；,7.5.1 固体燃料的流态化,流态化,沸腾燃烧,7.5.2 沸腾燃烧的主要形式及其燃烧原理,按流体动力特性不同可分为鼓泡流化床和循环流化床燃烧两种形式；,鼓泡流化床的实际运行风速高于临界流速wcr,鼓泡床燃烧的主要优点在于燃料适应性强。,7.5.2 沸腾燃烧的主要形式及其燃烧原理,循环流化床燃烧固体颗粒被全部吹走时的输运速度（极限速度）：,空气的黏性系数；Ar阿基米德数（表示颗粒的浮力、重力与流体惯性力及黏性力之比）,输运速度通常为临界流速的67倍。,7.5.3 沸腾燃烧装置,循环床优点：采用飞灰分离器，将炉膛出口高温烟气所携带固体颗粒（灰粒、未燃尽焦炭颗粒以及未完全反应的脱硫吸收剂颗粒等）的95%以上与烟气分离，再通过返料器送回炉膛进行多次、反复燃烧和脱硫反应。,飞灰分离器常用高温旋风分离器。,7.5.1 固体燃料的流态化,煤仓,石灰仓,分离器,石灰脱硫,7.6 煤燃烧新技术及发展趋势,煤燃烧新技术的研究与开发：改善燃烧过程、提高燃烧效率、降低污染物生成与排放。7.6.1 煤粉燃烧中稳燃技术的研究和发展钝体燃烧器、火焰稳定船式燃烧器、预燃室、大速差稳燃技术、不对称射流稳燃技术、反吹风稳燃技术、煤粉浓缩燃烧器等。7.6.2 低NOx煤粉燃烧技术的研究和发展,适当改变燃煤设备的运行条件，即有可能降低其NOx的排放量。,NOx的产生机理及控制技术,NOx的危害性及排放情况(一),氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化二氮(N2O)。还有NxOy氮氧化物的危害性表现在：对人体健康的直接危害。参与形成光化学烟雾，形成酸雨，造成环境污染。氧化二氮是一种温室气体，会破坏臭氧层。,NOx的危害性及排放情况(二),光化学反应使NO2分解为NO和O3，大气中臭氧对人体健康十分有害。光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化合物：臭氧浓度超过0.1ppm时便对植物产生危害。NO2浓度达1ppm时，某些植物便会受害。氮氧化物在大气的催化反应中可形成硝酸。,NOx的危害性及排放情况(三),美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及27个州。1952年美国洛杉矶发生光化学烟雾，附近农作物一夜之间严重受害；6.5万公顷的森林，29严重受害，33中等受害，其余38也受轻度损害。,氮氧化物的产生机理,在氮氧化物中，NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%，产生机理一般分为如下三种：(a)热力型(b)瞬时反应型(快速型)(c)燃料型NOx,(a)热力型,燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支链锁反应。其生成机理可用泽尔多维奇(Zeldovich)反应式表示。随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T1500oC时,T每增加100oC,反应速率增大6-7倍。,热力型氮氧化物生成机理(Zeldovich反应式),在高温下总生成式为,热力型NOx的生成浓度与温度的关系,(b)瞬时反应型(快速型),快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的。在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成的与炉膛压力0.5次方成正比,与温度的关系不大。上述两种氮氧化物都不占煤燃烧中NOx的主要部分，不是主要来源。,(c)燃料型NOx,由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600800oC时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占6080。在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。,燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图,1.改变燃烧条件：包括低过量空气燃烧法，空气分级燃烧法，燃料分级燃烧法，烟气再循环法。2.炉膛喷射脱硝：包括喷氨及尿素，喷入水蒸汽，喷入二次燃料。3 烟气脱硝：(1)干法脱硝。(烟气催化脱硝，电子束照射烟气脱硝)(2).湿法脱硝。,低NOx排放主要技术措施,空气分级燃烧,燃料分级燃烧,燃料分级燃烧,低温SCR技术,SCR技术,
