華北電力動(dòng)力工程課件04鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)-2燃料及燃燒

2023年5月18日1第二節(jié)燃料及燃燒鍋爐燃料、有固體燃料、液體燃料和氣體燃料三大類。鍋爐燃料以煤為主，電站鍋爐更是如此。本課將主要介紹煤及其燃燒2023年5月18日2一.煤的成分煤是遠(yuǎn)古植物遺體隨著地殼變動(dòng)被埋入地下，長(zhǎng)期處在地下溫度、壓力較高的環(huán)境中，經(jīng)過復(fù)雜的生物、化學(xué)變化逐漸形成的。

煤的成分化學(xué)元素硫氮氧氫碳水分灰分2023年5月18日31.煤的元素分析成分概念：煤中的碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素的重量占燃料重量的百分?jǐn)?shù)。碳(C）：主要的可燃物質(zhì)，含量越多煤燃燒能產(chǎn)生的熱量越大，含量隨煤的變質(zhì)程度的加深而增加。2023年5月18日4氫（H）重要的可燃物質(zhì)，發(fā)熱量高120522kJ/kg，隨煤的變質(zhì)程度加深而減少氧（O）和氮（N）

氧為煤中的不可燃元素，含量較少，含量隨變質(zhì)程度加而減少氮為煤中的有害元素，含量較少，氮的氧化產(chǎn)物為NO或者NO2，排放到大氣中都對(duì)環(huán)境有害。2023年5月18日5硫（S）可燃元素；分成有機(jī)硫和無機(jī)硫；每千克可燃硫發(fā)熱量9050千焦，燃燒產(chǎn)物為SO2或者SO3，污染大氣，使設(shè)備發(fā)生腐蝕。水分（M）

不可燃成分，其來源有三種，即外部水分、內(nèi)部水分和化合水分。水分較多的煤發(fā)熱量較低，不容易著火和燃燒。灰分（A）不可燃成分；灰分較多的煤發(fā)熱量低，著火和燃盡都困難。2023年5月18日6表4.2燃料各種分析基準(zhǔn)及其元素成分角碼碳C氫H氧O氮N可燃硫Sdaf雜質(zhì)水分M有機(jī)硫So硫化鐵硫Sp硫酸鹽硫Ss灰分A內(nèi)在水分Minh外在水分Mfdaf干燥無灰基d干燥基ad空氣干燥基ar收到基2023年5月18日72.煤的工業(yè)分析為了更有利于統(tǒng)一煤質(zhì)計(jì)量、煤種劃分、煤質(zhì)評(píng)估、用途選擇、商品計(jì)價(jià)等，實(shí)用中常用工業(yè)分析方法確定煤的成分。工業(yè)分析成分包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳四種成分，這四種成分總量為100%。2023年5月18日82.煤的工業(yè)分析主要概念揮發(fā)分（Vdaf）主要成分：可燃?xì)怏wH2、CH4、H2S、CmHn等不可燃?xì)怏wO2、N2、CO2等固定碳（FC）

焦炭：灰份+固定碳固定碳：以單質(zhì)形式存在的碳2023年5月18日9二.煤的性質(zhì)1．發(fā)熱量發(fā)熱量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的煤完全燃燒時(shí)釋放的熱量，符號(hào)為Q，單位為：千焦/公斤（kJ/kg）。煤的高位發(fā)熱量Qgr：1公斤煤完全燃燒后產(chǎn)生的熱量，包括燃燒產(chǎn)物（煙氣）中水分的汽化潛熱。煤的低位發(fā)熱量Qnet：從高位發(fā)熱量中扣除了水蒸氣的汽化潛熱后的熱量。規(guī)定以Qnet,ar＝29308千焦/公斤的煤作為標(biāo)準(zhǔn)煤。2023年5月18日10折算標(biāo)準(zhǔn)煤2023年5月18日11折算成分指對(duì)應(yīng)于4190kJ/kg收到基低位發(fā)熱量的收到基成分含量，即：折算灰分AZS＞4.0％的煤稱為高灰分煤、折算水分MZS＞8.0％的煤稱為高水分煤、折算硫分SZS＞0.2％的煤稱為高硫分煤。2023年5月18日122.煤灰熔融性灰的熔融性是指煤中灰分在高溫下由固態(tài)向液態(tài)變化的特性。當(dāng)煤灰在爐膛內(nèi)的高溫火焰中受熱時(shí)，逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)化而呈塑性狀態(tài)，其粘塑性隨溫度而異。2023年5月18日132.煤灰熔融性(a)未加熱的試樣；(b)開始變形溫度DT；(c)開始軟化溫度ST；(d)開始流動(dòng)溫度FT；2023年5月18日14灰的熔點(diǎn)當(dāng)灰分所處溫度達(dá)到軟化溫度ST值時(shí)，就開始具有結(jié)渣的可能性，習(xí)慣上將ST用以代表灰的熔點(diǎn)。通常:ST＞1400℃稱為難熔灰；ST＝1200～1400℃稱為中熔灰；ST＜1200℃稱為易熔灰。ST值越高，越不易造成結(jié)渣。2023年5月18日15三.煤的分類煤的成分隨著地質(zhì)年代的長(zhǎng)短有所變化。埋藏年代越久，碳化程度越深，揮發(fā)物含量越少，碳的含量越多。主要根據(jù)揮發(fā)分并參考水分、灰分的含量來分類：無煙煤(anthracite)：Vdaf＜10％貧煤：Vdaf=l0～20％煙煤(bituminous)：Vdaf＝20～45％褐煤(browncoal)：Vdaf＝40～50％，甚至達(dá)60％。2023年5月18日16無煙煤(anthracite)1．無煙煤無煙煤的揮發(fā)分含量最低；含碳量很高，一般C＞40％，最高可達(dá)90％；灰分不高，一般A＝6～25％；水分很低，M＝1～5％。發(fā)熱量較高，不易點(diǎn)燃，燃盡也不容易，焦炭無粘結(jié)性2023年5月18日172．貧煤其燃燒性質(zhì)接近于無煙煤，難以著火和燃盡。碳化程度比無煙煤低，發(fā)熱量較高，一般不結(jié)焦。3．煙煤(bituminous)

揮發(fā)分含量較高，變化范圍寬。碳化程度較無煙煤淺，含碳量C＝40～60％，少數(shù)能達(dá)到75％；一般灰分不大，水分適中；發(fā)熱量也相當(dāng)高，大多數(shù)煙煤都容易點(diǎn)燃，燃燒快，燃燒時(shí)火焰較長(zhǎng)。多數(shù)具有或強(qiáng)或弱的焦結(jié)性。2023年5月18日184．褐煤(browncoal)碳化程度較低，呈褐黑色，尚有清楚木紋，易風(fēng)化成粉末揮發(fā)物含量高，易于著火和燃燒5．其它低質(zhì)煤洗中煤、煤泥和泥煤。泥煤比褐煤地質(zhì)年代更短，這種煤易碎，但不結(jié)焦，泥煤在我國(guó)發(fā)現(xiàn)的極少。油頁巖是一種淡灰色或暗褐色的石油礦石，其灰分極高，達(dá)60～80％，因此發(fā)熱量很低，煤矸石則是采煤時(shí)的下腳料，它的熱值更低，灰分更高。這些低質(zhì)燃料除了采用流化床燃燒外，其他燃燒方法無法燃用。2023年5月18日19四.鍋爐的熱平衡計(jì)算鍋爐熱平衡：送入鍋爐的熱量等于鍋爐輸出的熱量。熱平衡方程

Qr——1公斤燃料的輸入熱量;

Q1——鍋爐的有效利用熱；Q2——

排煙帶走的熱損失；Q3——?dú)怏w未完全燃燒損失；Q4——

固體未完全燃燒損失

Q5——鍋爐散熱損失；Q6——

灰渣物理熱損失。熱平衡方程也用送入熱量的百分比表示2023年5月18日20正平衡效率：從熱量的有效利用角度出發(fā)計(jì)算得出，即鍋爐的熱效率反平衡效率：從熱損失角度看，鍋爐效率還可以按下式計(jì)算：2023年5月18日211．鍋爐輸入熱量燃料的收到基低位發(fā)熱量燃料的物理熱用外部熱源加熱空氣時(shí)帶入鍋爐的熱量2023年5月18日222．鍋爐的有效利用熱量鍋爐有效利用熱量包括過熱蒸汽的吸熱再熱蒸汽的吸熱飽和蒸汽的吸熱和排污水的吸熱。也即是鍋爐的熱效率，也稱為鍋爐的正平衡效率。2023年5月18日233.排煙損失q2排煙熱損失是現(xiàn)代電廠鍋爐熱損失中最大的一項(xiàng)熱損失，煤粉爐的排煙熱損失通常可達(dá)5～8％一般排煙溫度每增高約10℃，q2約增大1％。降低排煙溫度，不得不大大增加尾部受熱面面積，因而相應(yīng)增加鍋爐的金屬消耗量。低溫受熱面的壁面可能達(dá)到露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致低溫腐蝕。大、中型電廠鍋爐的排煙溫度通?？刂圃?10～160℃的范圍內(nèi)。2023年5月18日244.氣體未完全燃燒熱損失q3氣體未完全燃燒熱損失是由于煙氣中含有可燃?xì)怏w造成的熱損失，這些氣體主要是一氧化碳（有時(shí)也含少量的氫和甲烷等可燃?xì)怏w），最終未能發(fā)生燃燒而造成的。煤粉爐的q3一般不超過0.5％2023年5月18日255.固體未完全燃燒損失q4q4是由于灰中含有未燃盡的殘?zhí)吭斐傻臒釗p失，是鍋爐熱損失中的主要部分，通常僅次于排煙熱損失。影響q4的主要因素有：燃料品質(zhì)、煤粉細(xì)度、爐內(nèi)燃燒條件、噴燃器的工作性能以及運(yùn)行情況等。多數(shù)煤粉爐的q4一般1～5％2023年5月18日266．鍋爐散熱損失q5q5是鍋爐在運(yùn)行中，汽包、聯(lián)箱、汽水管道、爐墻等的溫度均高于外界空氣的溫度，因而一部分熱量會(huì)散失到空氣中去，形成鍋爐的散熱損失。鍋爐的散熱損失與爐型、爐墻質(zhì)量、水冷壁敷設(shè)情況和管道的絕熱情況等因素有關(guān)。按照經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，大容量電廠鍋爐的q5約占0.2～0.6％2023年5月18日277．灰渣的物理熱損失q6鍋爐爐渣排出爐外時(shí)帶出的熱量，形成灰渣物理熱損失。q6的大小主要決定于排渣量和排渣溫度。多數(shù)固態(tài)排渣煤粉爐，q6大致為0.5～1％；液態(tài)排渣爐的此項(xiàng)熱損失自然要顯著增大。2023年5月18日28燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理過程的綜合過程。燃料的燃燒過程加熱干燥，把水分蒸發(fā)掉。進(jìn)一步被加熱到一定溫度時(shí)，發(fā)生煤的熱分解反應(yīng)而釋放出揮發(fā)分。揮發(fā)分析出后，達(dá)到相應(yīng)的著火溫度時(shí)即著火燃燒。燃盡五.燃料的燃燒2023年5月18日29燃燒方式層狀燃燒懸浮燃燒（室燃）流化床燃燒2023年5月18日30六.煤粉燃燒方式和設(shè)備1、煤粉氣流的著火煤粉的著火溫度不同不同煤種的煤粉氣流中顆粒的著火溫度煤種揮發(fā)分，Vdaf×100煤粉氣流著火溫度℃，Ti/℃褐煤50550煙煤403020650750840貧煤14900無煙煤410002023年5月18日311、煤粉氣流的著火將煤粉氣流加熱到著火溫度所需要的熱量稱為著火熱。作用:加熱煤粉和空氣，使煤中水分蒸發(fā)并過熱。著火熱來源：一是高溫回流煙氣；二是高溫火焰及爐壁對(duì)煤粉射流的輻射加熱。2023年5月18日322.煤粉燃燒要組織良好的燃燒過程，其標(biāo)志就是盡量接近完全燃燒，也就是在爐內(nèi)不結(jié)渣的前提下，燃燒速度快而且燃燒完全。結(jié)渣：火焰中心的溫度高達(dá)1600℃，灰分大都呈熔融狀態(tài)。正常情況下，這種液態(tài)或半液態(tài)的渣滴在碰到水冷壁或爐墻之前，已因溫度降低而凝固下來。如果它在接觸管壁或爐墻時(shí)仍然處于液態(tài)或半液態(tài)狀態(tài)，那么這種渣滴就會(huì)粘附在管壁或爐墻上，形成緊密的灰渣層，這種現(xiàn)象稱為結(jié)渣或結(jié)焦。2023年5月18日33空氣氣流空氣并不是一次集中送進(jìn)的，而是按對(duì)著火、燃燒有利而合理組織、分批送入的。按送入空氣的作用不同，可將送入燃燒器的空氣分為一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)。一次風(fēng)：即攜帶煤粉送入燃燒器的空氣。二次風(fēng)：補(bǔ)充煤粉繼續(xù)燃燒所需要的空氣并著重起擾動(dòng)、混合作用。三次風(fēng)：中間儲(chǔ)倉式熱風(fēng)送粉時(shí)，在磨煤機(jī)內(nèi)干燥原煤后排出的乏氣，由單獨(dú)的噴口送入爐膛燃燒，這股乏氣稱為三次風(fēng)。2023年5月18日34過量空氣系數(shù)（）實(shí)際供給的空氣量Vk與理論空氣量V0之比，稱為過量空氣系數(shù)。2023年5月18日35燃燒器燃燒器是煤粉鍋爐的主要燃燒設(shè)備，其作用是保證燃料和燃燒用的空氣在進(jìn)入爐膛時(shí)能充分混合、及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒。

2023年5月18日36（1）旋流燃燒器出口氣流包含有旋流射流的燃燒器；其出口氣流可為幾個(gè)同軸旋流射流組合，也可是旋流射流與直流射流的組合。

旋流燃燒器的原理圖2023年5月18日37旋流燃燒器的布置方式

(a)前墻布置；（b）兩面墻對(duì)沖或交錯(cuò)布置；（b-1）兩面墻交錯(cuò)布置；（b-2）兩面墻對(duì)沖布置；（c）半開式爐膛對(duì)沖布置；（d）爐底布置；（e）爐頂布置2023年5月18日38（2）直流燃燒器

出口氣流為直流射流；布置在爐膛四角，使燃料氣流在爐內(nèi)進(jìn)行切圓燃燒

爐膛內(nèi)部的直流燃燒器2023年5月18日39直流燃燒器采用四角切圓燃燒方式形成的火焰俯視的爐膛火焰2023年5月18日40煤粉燃燒火焰方式2023年5月18日41

直流煤粉燃燒器的布置方式2023年5月18日42七.流化床燃燒方式和設(shè)備流化床：固體顆粒、流體以及完成流態(tài)化的設(shè)備流態(tài)化：固體顆粒在流體作用下表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的一種現(xiàn)象氣固流態(tài)化：流體作為流化介質(zhì)，在鍋爐燃燒中，流化介質(zhì)為空氣，固體煤顆粒以及煤燃燒后的灰渣被流化流化床鍋爐與其他類型燃燒鍋爐的根本區(qū)別在于燃料處于流態(tài)化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在流態(tài)化過程中進(jìn)行燃燒。2023年5月18日43典型的循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐可分為兩個(gè)部分。第一部分由爐膛（流化床燃燒室