煤粉炉燃烧原理及燃烧设备.doc

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1、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。 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：（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，

2、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。 (吸附和解吸附过程速度快)二、燃烧速度（一）化学反应速度1、含义：化学反应速度通常是指单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。多相燃烧用氧化剂浓度变化表示化学反应速度，如果以 表示按氧化剂B计算的化学反应速度，则： 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。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。在一定温度下，反

3、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。（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。化学反应是在一定条件下，反应分子间发生碰撞而发生的，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。为使某一化学反应能够进行，分子所需的最低能量称为活化能，用E表示。能量达到或超过活化能的分子称

4、为活化分子。活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分子之间进行。 温度一定，活化能越大，活化分子数就越少，化学反应速度越慢；活化能越小，化学反应速度就越快。不同燃料的活化能是不同，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分无烟煤的活化能较大。 例如：褐煤92105 MJ/kmol； 烟煤117134 MJ/kmol； 贫煤、无烟煤140147 MJ/kmol。实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认为基本不变，因此化学反应速度主要与温度有关。温度升高时，活化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。故在实际运行中，提高炉膛温度是加快燃烧反应、缩短燃烧时间的重要方法。（4）连锁反应在很多燃烧化学

5、反应中，实际反应速度远高于按照质量作用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经过分析，人们发现了连锁反应和催化作用的影响。连锁反应: 燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式那样一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应由一系列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递下去，这种反应就被称为连锁反应。（5）催化作用在化学反应中，如果将某些物质加到反应系统中，可以使化学反应速度发生变化，这种作用称为催化作用，产生催化作用的物质称为催化剂。催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不能改变催化剂本身。 在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，

6、但在另一个反应中又被还原，所以到反应终了时，它本身的化学性质并未发生变化。催化作用特点：即催化剂在一定条件下，仅能改变化学反应的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度。（二）氧的扩散速度 1、含义：炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的，化学反应消耗部分氧后，炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度，因为这种浓度差，周围环境的氧就不断向炭粒表面扩散。表示此过程的快慢程度就称为氧的扩散速度。2、扩散速度计算公式：氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比；还与炭粒直径及气流与炭粒的相对运动速度有关。 3、影响扩散速度的因素：气流与炭粒的相对速度越大，扰动就越剧烈，氧向炭粒表面的扩散速度就越大，同

7、时燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度也增大，使氧的扩散速度进一步加快。炭粒直径越小，单位质量炭粒的表面积越大，与氧的反应面积越愈大，化学反应消耗的氧越多，炭粒表面的氧浓度就会降低，炭粒表面与周围环境的氧浓度差就越大，使氧的扩散速度加快。三、燃烧区域 按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度影响的不同，燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种不同区域 1、动力燃烧区 当温度较低时（小于1000），氧的扩散速度远大于化学反应速度，即，折算速度系数；燃烧速度主要决定于化学反应速度，这种燃烧反应温度区称为动力燃烧区。在该燃烧区内，提高温度是强化动力燃烧工况的有效措施。2扩散燃烧区当温度很高时（大于

8、1400），化学反应速度常数随温度的升高而急剧增大，化学反应速度远大于氧的扩散速度，这种燃烧反应温度区称为扩散燃烧区。在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。3过渡燃烧区介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的与氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。这个燃烧反应温度区称为过渡燃烧区。在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度，又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。第二节 煤和煤粉的着火和燃烧一、热力着火（一）着火与着火温度 燃烧过程通常分两个阶段进行，即着火

9、阶段和燃烧过程本身。着火是燃烧的准备阶段，当燃料温度达到一定程度时，由缓慢的氧化反应转变到剧烈的氧化反应，这一瞬间现象称之为燃料着火。燃料开始发生剧烈氧化反应（即着火）时所需的最低温度称为燃料的着火温度或着火点。 熄火温度比着火温度高 1000无烟煤Vdaf=4%900贫煤Vdaf=14%840烟煤Vdaf=20%750烟煤Vdaf=30%650烟煤Vdaf=40%550褐煤Vdaf=50%煤粉气流着火温度测试设备着火温度燃料测试设备挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火；挥发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。 （二）着火热一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，为了使煤粉气流被更快加

10、热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉，这部分空气称为一次风。其余的空气称为二次风（助燃风）和三次风。1、着火热：煤粉混合物进入炉膛后，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）、使煤粉气流中水分蒸发和过热所需要的热量。2着火热的来源 煤粉气流着火热来源有两个方面：一方面是卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热，另一方面是炉内高温火焰的辐射换热。两者之中对流换热是主要的。3、着火距离和着火时间：（1）着火距离：煤粉气流最好在离开燃烧器约200-300mm处着火，最多不要超过500mm。 着火太迟，

11、会使火焰中心上移，从而造成炉膛上部结渣，过热蒸汽温度偏高，不完全燃烧损失增加，严重时，还会造成灭火“打炮”，产生严重事故。 着火太早也不好，可能烧坏燃烧器，或造成燃烧器附近结渣。（2）着火时间：煤粉在炉内停留时间（从燃烧器出口至炉膛出口）大约只有23秒。故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。一方面要尽量降低煤粉的着火热，另一方面就要尽快提供着火热。劣质煤着火燃烧较为困难，为使煤粉尽快着火，可提高进入炉膛的煤粉气流初温来降低着火热，同时通过合理组织炉内燃烧工况，尽快供给着火热。 （劣质煤：两方面含义。）二、煤粉的燃烧过程（一）燃烧阶段煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形态下燃烧形成煤粉火炬，煤粉的燃

12、烧过程可分为以下三个阶段：1着火前的准备阶段：吸热阶段2燃烧阶段：剧烈燃烧阶段，时间短，大量可燃质在此阶段烧尽。3燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，减少不完全燃烧程度。基本过程：水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火燃烧，焦碳着火燃烧，在短时间内大部分可燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。三、影响煤粉气流着火的因素煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定温度后就开始着火。1燃料的性质 挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。 水分：水分大，着火热

13、也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不利。灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影响了着火的稳定性。煤粉细度： 煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。）2炉内散热条件减少炉内散热，有利于着火。卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，在燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成卫燃带

14、。 目的是减少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散热，提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件。3煤粉气流的初温提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着火。燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。 4一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合（1）风量：一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。 增加煤粉气流中的一次风量，相应增加了着火热，会使着火推迟；减小一次风量，会使着火热显著降低，有利于着火。但一次风量不能过低，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧，而使燃烧反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还要满足输粉的要求，过小的一次风量会造成煤粉堵

15、塞。故一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。一次风率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量的百分数。 对应于一种煤，有一个一次风率的最佳值。（2）风速：一次风速过高，通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加长。一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃烧器喷口，还可能出现煤粉管道堵塞等故障。故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。二次风速： 二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。（3）一、二次风配合风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约是2倍。混合时间：通过燃烧器结构控制混合时间，挥发分高时混合的早些，挥发分低时混合的迟些

16、。5燃烧器结构特性影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，应使一、二次风的混合点适当推迟。而燃用高挥发分煤时，因为煤粉着火快，一、二次风的混合点要早些。燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着火拉长了。从这一点来看，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。6锅炉负荷锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减少，但减少的幅度较小，相对于单位质量燃料来说，水

17、冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷降到一定程度时，就会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。因此，着火稳定性条件常常限制了煤粉锅炉负荷的调节范围，低负荷稳燃常常成为衡量一个锅炉燃烧器性能的重要指标。四、燃烧完全的条件（1）合适的空气量；（2）适当高的炉温；（3）空气与燃料的良好扰动和混合；（4）足够的炉内停留时间。五、强化煤粉气流燃烧的措施（一）提高热风和一次风温度提高热风温度有助于提高炉膛温度水平，对加速煤粉的着火与燃烧十分有利。提高一次风温可降低着火热，加快煤粉着火时间。例如，烧无烟煤时，热风温度可达400左右，这是由于

18、无烟煤着火温度高，提高一次风温，可使煤粉着火热降低，同时高的热风温度可保证燃烧温度水平，加强着火燃烧。 （二）限制一次风量限制一次风量有助于减少煤粉气流所需的着火热，加速煤粉的着火。一次风量主要以能满足挥发分的燃烧为原则。一次风量过小，会使析出的挥发分由于得到不足够的空气，反应速度减慢，也不利于焦炭的着火燃烧；一次风量过大，则煤粉气流所需要的着火热增加，着火推迟。所以一次风率应根据煤种适当控制，具体数值见表5-2所示。4045253020252545254020251520热风送粉204525253525302025乏气送粉Vdaf30%Vdaf30%Vdaf30%20%Vdaf30%褐煤劣质

19、烟煤烟煤贫煤无烟煤煤种（三）合理送入二次风二次风混入一次风的时间要合适。要根据煤种特点选择合适的混合时间，二次风最好能按燃烧的需要分批送入。（四）着火区保持高温挥发分的多少对煤的着火和燃烧影响很大。挥发分低的煤着火温度高，因而着火所需的热量比较多，着火时间也长。燃用无烟煤、贫煤时，为了能迅速着火，可加强高温烟气的卷吸，使更多高温烟气与煤粉气流强烈混合，来提高着火区温度；此外，在燃烧器附近的水冷壁上敷设卫燃带，减少水冷壁吸热，以保持较高的炉温。挥发分高的煤，一般着火比较容易，这时应注意着火不要太早，以免造成结渣和烧坏燃烧器。（五）选择适当的煤分细度煤粉越细，同样煤粉浓度下的煤粉总面积就越大，这不

20、仅对着火有利，而且燃烧越完全；但煤粉越细，磨煤所消耗的电能也越大。所以应根据煤的挥发分含量，选择适当的煤粉细度，使燃烧比较完全而制粉能耗又不致过大，煤粉保持在经济细度下工作。一般燃烧无烟煤和贫煤时应采用较细的煤粉，烟煤和褐煤因着火并不困难，煤粉可粗些。（六）强化燃烧阶段和燃尽阶段煤粉燃烧过程基础是焦炭的燃烧，焦炭燃烧速度决定于两个基本因素：温度因素和氧气向碳粒表面的扩散因素。在炉膛内，大部分的细煤粉在燃烧中心区燃尽，剩下的少量粗煤粉在燃尽区继续燃烧。在燃烧中心高温区，可能在扩散燃烧区进行，而在烧尽区，由于温度低，燃烧可能在动力燃烧区进行。因此对燃烧中心区，应设法加强扰动混合；对燃尽区火炬尾部地

21、带，则应维持足够高的温度。（七）合理组织炉内空气动力工况在实际运行的锅炉中，火焰并未充满整个炉膛，火焰所占容积与炉膛几何容积之比称为炉膛火焰充满度。改善火焰在炉内的充满度，可以改善煤粉着火燃烧条件，增加煤粉在炉内的停留时间，减少不完全燃烧热损失。第三节 燃烧器和点火装置煤粉炉燃烧设备包括煤粉燃烧器、点火装置和炉膛。煤粉燃烧器作用是：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；同时使煤粉和空气合理混?希锏矫悍墼诼谘杆偻耆忌盏哪康摹?锅炉点火装置主要用于锅炉启动时点燃主燃烧器的煤粉气流；此外，当锅炉低负荷运行或燃用劣质煤时，可以用点火装置来稳定燃烧或作为辅

22、助燃烧设备。炉膛也称为燃烧室，它是供煤粉燃烧的空间。 一、燃烧器燃烧器性能对燃烧的稳定性和经济性有很大影响。一个性能良好的燃烧器应能满足下列要求：（1）能够组织良好的空气动力场，着火及时，空气能 适时混合，能够保证燃烧的稳定性和经济性；（2）具有良好的调节性能和较大的调节范围，流动阻 力小，能够适应煤种和负荷变化的需要；（3）能够控制NOX的生成量在允许范围内。（4）运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修和更换部 件；（5）容易实现远程或自动控制。煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。出口气流为直流射流或直流射流组的燃烧器称直流燃烧器；出口气流为旋转射流的燃烧器称旋流燃烧器。射流状态如图所

23、示。 二、直流燃烧器（一）直流燃烧器的工作原理从燃烧器喷口出来的气流称为射流。由直流燃烧器喷出的高速不旋转直流射流射入炉膛空间，炉膛可以近似看作是一个充满静止气体的无限空间，该射流可看作是直流紊流自由射流。卷吸：射流横向运动，带动周围静止的气体一起前进，这种现象称为卷吸。射程：假定射流某一截面上的最大轴线速度降低到某一数值时（仍保持一定的余速）为射流终了，该射流终了截面距喷口的距离即称为射程 影响射程的因素：（1）射流初速度喷嘴出口气流速度（射流初速）越大，射程越远；在喷嘴出口气流速度相同的情况下，喷口尺寸越大，射程越远。（2）喷口形状矩形喷口射流与圆形喷口射流相比较，当截面大小相当、射流初速

24、相同时，矩形喷口射流的射程较远。采用高初速、大尺寸的矩形喷口可以强化气流。故矩形喷口常被用作二次风或三次风喷口，以便射流能射到火焰深处，增加火焰内部扰动。而圆形喷口射程短，容易被其他气流所卷吸，故有的燃烧器把它用作一次风喷口，但是现代锅炉一次风喷口多数仍采用矩形喷口。（3）喷口尺寸在喷口通流截面不变的情况下，如果将一个大喷口分为几个小喷口时，可增加射流的卷吸能力，但射程将缩短；反之，将几个小喷口合并起来集中布置的大喷口，射流的卷吸能力减小，射程增加，射流能射到离喷口更远的地方。矩形喷口的高宽比对射流特性也有一定的影响。当射流初速和喷口通流截面积不变时，高宽比越大，喷口周界越大，射流外边界越大，

25、射流卷吸周围介质的能力增强，但射流轴线速度衰减加快，射程将缩短（二）直流煤粉燃烧器结构和型式直流煤粉燃烧器的出口由一组圆形、矩形或多边形的喷口组成。煤粉气流（一次风）、燃烧所需空气（二次风）以及由制粉系统来的乏气（三次风）分别由互相隔绝的不同喷口以直流射流形式喷进炉膛。 根据燃烧器中一、二次风喷口的布置情况，直流煤粉燃烧器可分为均等配风和分级配风两种。 1均等配风直流煤粉燃烧器均等配风方式的一、二次风喷口相间布置，即在两个一次风喷口之间均等布置一个或两个二次风喷口，或者在每个一次风喷口的背火侧均等布置二次风喷口。均等配风方式的一、二次风喷口间距相对较近，一、二次风从喷口流出后能很快混合，煤粉气

26、流着火后不致于因空气跟不上而影响燃烧，故适用于挥发分较高的烟煤和褐煤，所以又叫做烟煤-褐煤型直流煤粉燃烧器。图5-6 均等配风直流煤粉燃烧器（a）锅炉容量400t/h，适用烟煤；（b）锅炉容量220t/h，适用贫煤和烟煤；（c）锅炉容量220t/h，适用褐煤；（d）锅炉容量927t/h，适用褐煤。2分级配风直流煤粉燃烧器分级配风方式将一次风喷口集中布置在一起，二次风喷口分层布置，二次风分级分阶段送入燃烧的煤粉气流中，且一、二次风喷口保持较大的距离，以便控制一、二次风的混合时间，这对于无烟煤的着火与燃烧是有利的。故此种燃烧器适用于无烟煤、贫煤和劣质烟煤，所以又叫做无烟煤型直流煤粉燃烧器。 图5-

27、7 分级配风直流煤粉燃烧器（a）锅炉容量130t/h，适用无烟煤（周界风）t/h；（b）锅炉容量220t/h，适用无烟煤（夹心风）；（c）锅炉容量670t/h，适用无烟煤（夹心风）；（d）670t/h锅炉燃烧器四角布置分级配风直流燃烧器的特点：（1）一次风喷口狭长，高宽比比较大。（2）一次风喷口集中布置，煤粉燃烧放热集中，可提高火焰中心温度，有利于煤粉的着火与燃烧。（3）一、二次风喷口的间距较大，使一、二次风混合时间比较迟，有利于无烟煤和劣质烟煤的着火。（4）二次风分层布置，可按着火和燃烧的需要分级分阶段将二次风送入燃烧的煤粉气流中，既有利于煤粉气流的前期着火，又有利于煤粉气流后期的燃烧。 （

28、5）一次风喷口的周围或中间还可布置有一股二次风，分别称为周界风和夹心风，可以增强气流刚性，防止气流偏斜，也能防止燃烧器烧坏。（6）该型燃烧器燃用于无烟煤、贫煤、劣质烟煤时，制粉系统的乏气作为三次风送入炉膛，三次风温只有100左右，如三次风喷口布置不当，会影响主气流着火与燃烧，使机械不完全燃烧热损失增加，此外还会使火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而引起炉膛出口附近结渣、过热器超温等问题，故应合理布置三次风喷口。三次风喷口一般布置在燃烧器的最上方，距相邻二次风喷口有较大间距，以减小其对主煤粉气流燃烧的影响；同时三次风喷口应有一定的下倾角，以便起到压火的作用，还可以增加三次风在炉内的停留时间，有利

29、于三次风中细煤粉的燃尽，减少机械不完全燃烧热损失；此外三次风速不宜过低，一般为5060ms，这样可加强对主煤粉气流的扰动作用，从而改善燃烧，降低不完全燃烧损失。三、旋流燃烧器（一）旋流燃烧器的工作原理旋流燃烧器由一组套装在一起的圆形喷口组成，燃烧器中装有各种型式的旋流发生器（简称旋流器）。燃烧器中的一次风喷口在内部，一次风喷口射出的可以是旋转射流，也可以是直流射流；二次风喷口在外部，二次风喷口出来的是旋转射流，整个燃烧器射出的射流为旋转射流。 下图是蜗壳型旋流式燃烧器工作原理示意图。射出喷口后的旋转气流在气流中心形成回流区，这个回流区叫内回流区。内回流区卷吸炉内的高温烟气来加热煤粉气流，当煤粉

30、气流达到着火温度后就开始着火，火焰从内回流区的内边缘向外传播。在旋转气流的外围也形成回流区，这个回流区叫外回流区，外回流区也卷吸高温烟气来加热空气和煤粉气流。着火后的煤粉气流外围送入的二次风也形成旋转气流，二次风与一次风产生强烈的混合，使燃烧过程连续进行，直至燃尽。图5-8 旋流式燃烧器工作原理旋转气流的流动工况与旋流强度有关，旋流强度是指气流切向旋转动量矩与其轴向动量和特征尺寸乘积比。旋流强度的大小由旋流器的结构决定。M-气流的切向旋转动量矩，（Kgm2）/s2；K-轴向动量，（Kgm）/s2；L-燃烧器喷口的特征尺寸，m。旋流射流的特点：（1）二次风是旋转气流，一次风可以是旋转气流，也可为

31、直流射流，整个气流形成空心圆锥形的旋转气流。（2）旋转射流有强烈的卷吸作用，可从内、外回流区两个方面卷吸高温烟气，对煤粉气流的着火十分有利。（3）由于旋转射流从内、外卷吸高温烟气，而气流的动量一定，因而轴向速度和切向速度衰减很快。故在同样的初始动量下，旋转射流的射程要比直流射流射程短。（4）气流旋流强度的不同会使旋转射流形成不同形式，如图5-9所示，旋流燃烧器形成的火焰形式可能有三种：封闭式火焰、开放式火焰和飞边火焰。 旋流强度对火焰形状的影响：封闭式火焰：旋流强度较小时，形成封闭式火焰，在火焰根部卷吸高温烟气，形成回流区，此种火焰只能卷吸自身燃烧放出的热量，有一定的稳定着火能力，但是回流量小

32、，不适合燃烧难燃的煤；开放式火焰：气流旋转强度较大时，回流区加大，形成开放式火焰，高温烟气的回流量也增多，可以将高温烟气从炉膛中卷吸进来，对着火和燃烧有利；飞边火焰：气流的旋流强度过大时，使气流成为全扩散气流，导致气流压向炉墙，形成气流飞边现象，形成飞边火焰，此时气流扩散角（旋转气流外边界之间的夹角称为扩散角）为180，火焰贴壁，会引起严重的结渣，甚至烧坏燃烧器，故在实际运行中要避免飞边火焰的出现。图5-9 旋流燃烧器火焰示意图（a）单个回流区的封闭火焰；（b）环形回流区的封闭火焰；（c）开放火焰；（d）飞边火焰；（二）旋流燃烧器的型式旋流燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动，按照旋流器的结构

33、，旋流燃烧器可分为蜗壳式、轴向叶片式、切向叶片式三大类。1蜗壳式燃烧器蜗壳式燃烧器是以蜗壳作为旋流器的旋流式燃烧器，常用的蜗壳式燃烧器分为单蜗壳式、双蜗壳式。（1）单蜗壳型旋流煤粉燃烧器单蜗壳型旋流煤粉燃烧器的结构如图5-10所示，一次风为直流，经中心一次风管喷入炉膛，一次风管出口装有扩流锥，使气流扩散，扩流锥的位置可前后调节，能改变一次风的出口速度和气流扩散角的大小，并能调整一、二次风气流混合位置。二次风气流通过蜗壳旋流器产生旋转运动，以旋转射流方式喷入炉膛，二次风蜗壳进口处装有舌形挡板，改变舌形挡板位置，能够改变二次风射流的旋转强度，从而改变整个气流的旋转强度。这种燃烧器的优点是一次风阻力

34、较小；缺点是扩流锥处于高温中心回流区，且直接受到炉内火焰的辐射，因而容易烧坏或结渣。该型燃烧器目前在我国使用较少。图5-10 单蜗壳型旋流煤粉燃烧器1-扩流锥；2-一次风扩散管口；3-一次风管；4-二次风蜗壳；5-一次风连接管；6-二次风舌形挡板；7-连接法兰；8-点火喷嘴装设孔 （2）双蜗型旋流煤粉燃烧器双蜗壳型旋流煤粉燃烧器的结构如图5-11所示。一次风在小蜗壳中产生旋转运动，二次风在大蜗壳中产生旋转运动，两股气流的旋转方向相同。在一次风管中间有一中心管，其中装有点火油枪。二次风蜗壳进口处装有一舌形挡板，用以调节二次风旋流强度；当舌形挡板关小时，二次风被挤向外侧，二次风的旋流强度增加；反之

35、，当舌形挡板开大时，二次风偏向内侧，二次风的旋流强度减小。通过调节旋流强度来改变回流特性，以便适应不同煤种着火燃烧的需要。但运行实践表明，只有当舌形挡板的开度关小至一半以上时，实际旋转强度才略有增大，但此时燃烧器阻力已变得很大，由于燃烧工况不易调整，因而对煤种变化的适应能力较差。图5-11 双蜗壳型旋流煤粉燃烧器结构1-中心风管；2-一次风管；3-二次风蜗壳；4-一次风通道；5-重油喷嘴装设管；6-一次风内套管；7-连接法兰；8-舌形挡板；9-火焰检测装置安装管2轴向叶片式旋流燃烧器利用轴向叶片使气流产生旋转的燃烧器称为轴向叶片式旋流燃烧器。此种燃烧器的二次风是通过轴向叶片的导向，形成旋转气流

36、的，轴向叶片可以是固定的，也可以是移动可调的，一次风有不旋转和旋转两种。图5-12所示的是一种一次风不旋转，二次风旋转的旋流燃烧器。该燃烧器在出口处装有一次风扩流锥，二次风通过可调的轴向叶轮控制。移动轴向移动拉杆，可以调节叶轮在二次风道中的位置，当叶轮退出时，叶轮和二次风的圆锥形通道便出现间隙，部分二次风通过此间隙绕过叶轮以直流风的形式直接经旁路流出，这股直流二次风与经叶轮流出来的旋转二次风混合后，进入炉膛。调节叶轮位置，间隙大小就会改变，直流二次风和旋转二次风的比例就会发生变化，混合后的二次风旋流强度随之发生改变，故可用此方法调节二次风的旋流强度。但这种燃烧器的中心回流区较小，因此只适合于挥

37、发分较高的煤种。图5-12 一次风不旋转的轴向可动叶轮旋流燃烧器1-拉杆；2-一次风进口；3-一次风舌形挡板；4-一次风管；5-二次风管；6-二次风壳；7-油喷嘴；8-扩流锥；9-二次风进口3切向叶片式旋流燃烧器切向叶片式旋流燃烧器的一次风射流可旋转也可不旋转，二次风射流则是由可动的切向叶片控制的旋转气流，混合后的射流旋转进入炉膛。四、新型煤粉燃烧器 为了改善锅炉着火稳定性，增大锅炉负荷调节范围，降低燃料燃烧时NOX的生成量，满足经济性和环保的要求。近年来，很多新型煤粉燃烧器开始在大型电站锅炉中广泛采用了一些典型的新型燃烧器和燃烧技术。（一）煤粉稳燃及低NOx燃烧技术1煤粉稳燃技术（1）提高一

38、次风气流中的煤粉浓度提高一次风气流中的煤粉浓度，减少了一次风量，可减少着火热；提高了煤粉气流中挥发分的浓度，使火焰传播速度提高；同时燃烧放热相对集中，使着火区保持高温状态。三个条件集中在一起，强化了着火条件，使着火稳定性提高。图5-13 煤粉浓度与火焰传播速度的关系图5-14 着火距离与煤粉浓度的关系 1-西山贫煤；2-大同烟煤但煤粉浓度也并不是越高越好。 煤粉浓度过高时，着火区严重缺氧，会影响挥发分的充分燃烧，造成大量煤烟的产生，此时因挥发分中的热量没有充分释放出来，会影响颗粒温升速度，延缓着火；挥发分此时燃烧缺氧，火焰不能正常传播，会引起着火不稳定。煤粉浓度与火焰传播速度的关系见图5-13

39、所示，煤粉浓度与着火距离的关系如图5-14所示，由图可见，有一个使火焰传播速度最大、着火距离最短的最佳煤粉浓度，此最佳煤粉浓度与煤种有关，挥发分高烟煤的最佳煤粉浓度低于挥发分小的贫煤。(2)提高煤粉气流初温提高煤粉气流初温，可减少煤粉气流的着火热，并提高炉内温度水平，使着火提前。提高煤粉气流初温的直接办法是提高热风温度。热风温度升高，烟温升高很快，可使煤粉着火提前。据有关资料提供的数据表明：一次风温从20升至300时，着火热可减少60；一次风温从20升至400时，着火热可减少80。(3)提高煤粉细度。煤粉的燃烧反应主要是在颗粒表面上进行的，煤粉越细，单位质量的煤粉表面积越大，火焰传播速度越快，

40、燃烧放热速度越快，煤粉颗粒就越容易被加热，因而也越容易稳定燃烧。煤粉颗粒度与火焰传播速度的关系如图5-15所示。试验研究发现，煤粉燃尽时间与颗粒直径的平方成正比，当锅炉燃用煤质一定时，提高煤粉细度能显著提高煤粉气流着火的稳定性。不过煤粉颗粒细度受磨煤出力与磨煤电耗的限制，不能任意提高。图5-15 煤粉颗粒度对火焰传播速度的影响1-平均粒径为10m；2-平均粒径为27m(4)在不易燃烧的煤中加入易燃燃料。锅炉负荷很低或煤质很差时，可投入雾化的助燃燃油或气体燃料，在燃烧器出口混入煤粉气流中，改善煤粉的燃烧特性，维持着火的稳定性。有时为了节省燃油，也可混入挥发分较大的煤，以提高着火的稳定性。2低NO

41、x燃烧技术在煤粉燃烧过程中，燃烧生成的氮氧化物气体（简称NOx），其中主要是NO（占总量的95%）和NO2，NOx随烟气排放到大气会对环境带来严重的污染。降低NOx排放量可从两方面进行：是控制燃烧过程中的生成量，可采用低NOx燃烧技术实现；是对烟气进行脱氮处理。由于后者价格昂贵，现在我国重点发展的是低NOx燃烧技术。（1）NOx的生成机理NOx的生成机理有三种：热力型NOx、燃料型NOx和快速 型NOx。1）热力型NOx： 又称为温度型NOx，主要是空气中的氮反应形成的。燃烧区域的温度水平对热力型NOx的生成量起决定作用，在燃烧温度低于1500时，NOx生成量很少，高于1500时，温度每升高1

42、00，NOx的生成量就增大67倍。煤粉燃烧中，在燃烧温度为1600时，热力型NOx生成量占NOx总生成量的15%35%。2）燃料型NOx：是指燃料中的氮受热分解和氧化生成NOx。进一步说，主要指挥发分中的氮化合物生成的NOx，这部分NOx在燃烧器出口处的火焰中心处生成。由于大部分煤粒中的挥发分在3050ms内析出。要控制该区域中NOx的生成量，就应控制燃料着火初期的过量空气系数。使燃料形成富燃料区，让煤粉在开始着火阶段处于缺氧状态，使挥发分生成的一部分NOx被还原，实际生成的NOx数量就可明显减少。燃料型NOx生成量占NOx总生成量的60-80，3）快速型NOx：是指由高温热解生成的CH自由基

43、和空气中的氮反应，生成HCN化合物和N，进一步快速与氧反应，生成NOx。这部分NOx的转换速度极快，但其生成量少。占NOx总生成量的5%。从以上论述可以看出，控制NOx的生成量主要应控制燃料型NOx和热力型NOx的生成量（2）低NOx燃烧技术根据NOx生成机理可知，影响NOx生成量的因素主要有火焰温度、燃烧区段氧浓度、燃烧产物在高温区停留时间和煤的特性（固定碳和挥发分的比值）。降低燃烧过程中NOx生成量的途径主要有两方面： 是降低火焰温度，防止局部高温； 是降低过量空气系数和氧浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧。 典型低NOx燃烧技术：烟气再循环和两级燃烧法。烟气再循环：烟气再循环是从空气预热器前抽

44、取部分烟气送入燃烧器，以降低氧浓度和火焰温度，从而控制NOx的生成。两级燃烧法：两级燃烧是用80%左右的理论空气量从燃烧器喷口送入，形成浓燃料燃烧区，降低了燃烧区的氧浓度，也降低了燃烧区的温度，使NOx生成量减少；燃烧所需要的其他空气量由主燃烧器上部的火上风喷口（简称OFA）送入炉膛，形成富氧燃烧。由于燃烧所需空气量是分两级送入炉内的，燃烧过程也分两级进行，故称两级燃烧法或分级燃烧法。（二）新型煤粉燃烧器1钝体燃烧器钝体燃烧器是燃烧低挥发分煤种的直流燃烧器的一种改进，特点是在常规一次风喷口外安装了一个三角形的钝体，其喷口布置和结构如图5-16所示。钝体的作用：是在钝体的尾迹区形成回流旋涡，回流

45、旋涡可以将炽热的高温烟气带回钝体附近，可使尾迹区温度达900以上。直流的煤粉气流流过钝体后，由于煤粉颗粒的轴向运动惯性大于空气的，煤粉颗粒在尾迹区边缘比较集中，在尾迹区边界的煤粉浓度可比原一次风中的煤粉浓度大1.21.5倍，因此钝体后的尾迹区就成为一次风气流中一个稳定的点燃源；此外，在钝体的导流作用下，一次风射流的扩散角也显著增大，外卷吸作用也有所增加。这些都可以显著改善煤粉的着火条件。钝体燃烧器能较好地适用于劣质烟煤的燃烧，甚至还成功地燃烧了干燥无灰基挥发分为78的无烟煤。一些原来燃烧不稳定，需要消耗燃料油助燃的锅炉，改装钝体燃烧器后，均能达到燃烧稳定、提高效率和节约燃用油的目的，还可在55

46、60额定负荷的低负荷下稳定运行，扩大了负荷调节范围。图5-16 钝体燃烧器示意图2火焰稳燃船燃烧器火焰稳燃船燃烧器是在一次风喷口内加装了船形火焰稳定器，如图5-17所示。在燃烧器的一次风喷口附近能形成高煤粉浓度、高温和较高氧气浓度的所谓“三高区”，利于煤粉的稳定着火。一次风气流先是绕过稳燃船沿着小回流区向中心靠近，然后才向外扩展，由于气流在绕过火焰稳燃船从一次风口喷出后，气流流线弯曲而出现了局部的收拢，这对煤粉火焰的稳定能起到很大的作用。故火焰稳燃船后的回流区虽不大，但火焰十分稳定。经现场试验发现，在锅炉点火阶段只要喷入很少量的燃料油，这小小的回流区就能使煤粉空气流保持火焰稳定，因而能节约7080的煤粉锅炉的点火用油。图5-17 火焰稳燃船燃烧器示意图1-火焰稳燃船；2-支架；3-人孔门；4-油枪套管；5-均流板3浓淡燃烧器所谓浓淡燃烧器，就是在一次风煤粉通道中设置