燃燒過程的基本理論

第三章燃燒過程的根本理論本章內(nèi)容提綱本章內(nèi)容燃燒反響的質(zhì)量作用定律與阿累尼烏斯定律影響燃燒反響速度的因素碳粒燃燒的一次反響與二次反響燃燒反響的動力區(qū)、擴散區(qū)、過渡區(qū)熱力著火、熄火條件煤和煤粉氣流的著火和燃燒特點燃燒完全的條件重點掌握阿累尼烏斯定律燃燒反響的動力區(qū)、擴散區(qū)、過渡區(qū)著火和熄火的熱力條件煤和煤粉氣流的著火和燃燒特點燃燒燃燒的定義：是通過燃料和氧化劑在一定條件下，所進行的具有發(fā)光和發(fā)熱特點的劇烈的氧化反響。燃燒學的定義：是研究燃燒過程根本規(guī)律及其應用技術的科學。它包括兩方面的內(nèi)容：燃燒理論和燃燒技術。燃燒理論著重研究燃燒過程所包含的各個根本現(xiàn)象，主要運用化學、傳熱傳質(zhì)學和流體力學的有關理論，對根本現(xiàn)象的物理化學本質(zhì)進行闡述。熱能領域主要研究燃料的燃燒速度、燃燒穩(wěn)定性、火焰的流場和結(jié)構、燃燒污染物生成機理和燃燒過程的數(shù)學模型的建立等等。燃燒技術主要是把燃燒理論中所闡述的物理概念和根本規(guī)律與工程技術中的燃燒問題聯(lián)系起來，對現(xiàn)有的燃燒方法進行分析和改進，探討新的研究方法，提高燃料利用率和燃燒設備的水平。燃燒涉及的學科伴隨著流動過程——流體力學伴隨著熱量傳輸——傳熱學伴隨著新物質(zhì)的生成和擴散——傳質(zhì)學燃料和燃燒產(chǎn)物的熱量轉(zhuǎn)化及化學反響能夠進行的程度——化學熱力學燃燒反響的速度——化學動力學由此可見，燃燒過程是極其復雜的物理化學過程，是多門學科的綜合和交叉燃燒理論的開展十八世紀中葉前對火的認識組成宇宙的四大元素，古希臘的四元論〔空氣、水、火、土〕；我國五行說〔金、水、木、火、土〕德國化學家貝歇爾/斯塔爾為代表，燃素學說〔燃燒是分解過程，釋放燃素，一種沒有重量的物質(zhì)在流動〕十八世紀中葉俄國化學家羅蒙諾索夫〔1756〕、法國化學家拉瓦錫〔1777〕根據(jù)試驗首先正確說明燃燒的本質(zhì)：可燃物質(zhì)的氧化學說十九世紀熱化學及熱力學的開展，燃燒過程被作為熱力平衡系來研究，得出了燃燒過程中一些重要的靜態(tài)特性參數(shù)：燃燒反響熱、絕熱燃燒溫度、燃燒產(chǎn)物平衡成份的規(guī)律性等。二十世紀初美國化學家劉易斯(B.Lewis)、蘇聯(lián)化學家謝苗諾夫研究了化學反響動力學機理，提出化學反響動力學是影響燃燒速率的重要因素，并發(fā)現(xiàn)燃燒反響具有鏈鎖反響的特點，從而奠定了燃燒理論的根底。上世紀二十年代到四十年代俄國化學家謝苗諾夫等人由反響動力學和傳熱傳質(zhì)相互作用的觀點，首次從定量關系上建立了著火及火焰?zhèn)鞑サ慕?jīng)典燃燒理論。人們已逐漸認識到，限制燃燒過程的往往不僅是反響動力學而是傳熱傳質(zhì)四十年代到五十年代基于擴散燃燒或擴散—動力燃燒的觀點開始研究了液滴和炭粒燃燒五十年代末到六十年代美國理學家馮卡門〔VolKarman〕和錢學森首先提出用連續(xù)介質(zhì)力學來研究燃燒，逐步建立了“化學流體力學〞或者“反響流體力學〞，許多學者根據(jù)這一方法來研究燃燒問題，如層流燃燒、湍流燃燒、火焰穩(wěn)定等，取得了廣泛的研究成果，初步形成燃燒流體力學。七十年代初斯帕爾丁〔DB．Spalding〕等一批學者系統(tǒng)地把計算流體力學方法用于研究層流及湍流氣體燃燒，液霧及煤粉燃燒，建立了燃燒的數(shù)學模擬方法及數(shù)值計算方法，形成了“計算燃燒學〞的新領域。能很好地定量預測燃燒過程和燃燒設備性能，使燃燒理論及其應用到達了新的高度。同時燃燒測試技術的開展改進了試驗方法和測試精度，使人們有可能更深入、更全面和更精確地研究和掌握燃燒機理。3.1化學反響速度及其影響因素局部內(nèi)容自學(化學反響速度、影響化學反響速度因素)燃燒反響二種類型：均相(氣、液、固)反響和多(異)相反響主要解決化學反響速度。燃燒反響速度的大小取決于反響物質(zhì)與進行反響的條件?；瘜W條件：燃料氧化反響的化學反響速度的影響因素有：溫度、反響物質(zhì)的濃度及反響空間的壓力等；在鍋爐燃燒技術中，其影響因素主要是溫度。物理條件：燃燒空氣與燃料的相對速度，氣流擴散速度及熱量傳遞速度等；在鍋爐燃燒技術中，起主要作用的是氣流擴散速度，包括氧氣向碳粒外表的擴散和燃燒產(chǎn)物的反向擴散。質(zhì)量作用定律：濃度對化學反響速度影響見書本公式3-4阿累尼烏斯(Arrhenius)定律(瑞典物理化學家1889年提出)阿累尼烏斯定律溫度對反響(燃燒)速度的影響溫度愈高，化學反響速度愈快，試驗說明，溫度每增加10℃,化學反響速度可增加1～2倍。1889年阿累尼烏斯在實驗的根底上，總結(jié)出了速率常數(shù)與熱力學溫度關系的經(jīng)驗公式——阿累尼烏斯定律：k0──頻率因子或指前因子E──活化能，受溫度影響，但影響不大,kJ/kmolT──熱力學溫度,KR──氣體常數(shù),8.31kJ/(Kmol.K)溫度對反響速度的影響集中反映在反響速度常數(shù)k上。W=kCn化學反響的先決條件是反響物分子必須先發(fā)生碰撞，能引起化學反響的碰撞稱為有效碰撞，發(fā)生有效碰撞時形成的中間活化物分子稱為活化分子，活化分子的平均能量(E*)與反響物分子的平均能量(E)之差稱為化學反響的活化能Ea。Ea＝E*－E活化狀態(tài)反應物產(chǎn)物能量abc△E(放熱)E1E2‘反應進程基元反響的能量變化示意圖△E=E1–E2’溫度一定時，活化能越大，活化分子數(shù)就越少，反響速度越慢；活化能越小，反響速度越快。在相同條件下，燃料的焦炭燃燒反響的活化能是不同的，高揮發(fā)分煤的活化能較小活化分子與活化能舉例：某種煤燃燒反響活化能E=130kJ/mol，不同溫度時發(fā)生有效碰撞的概率在阿定律中，反響物碰撞總數(shù)—K0，有效碰撞在總碰撞中的比例—exp(-E/RT)，那么反響物有效碰撞數(shù)(代表反響速度)—K0exp(-E/RT)①當溫度T=300K時，有效碰撞數(shù)/碰撞總數(shù)=②當溫度T=400K時，有效碰撞數(shù)/碰撞總數(shù)=③當溫度T=1500K時，有效碰撞數(shù)/碰撞總數(shù)=就是說每4.43×1022次碰撞中只有一次碰撞是有效的。計算結(jié)果說明，溫度升高100K，有效碰撞幾乎增加45萬倍。溫度升高到實際燃煤鍋爐燃燒溫度1500K，有效碰撞增加108萬倍以上。一般化學反響的活化能約在：41.9-419kJ/mol，活化能小于41.9kJ/mol的反響，其速度快到難以測定褐煤：92-105kJ/mol；煙煤：117-134kJ/mol；貧煤、無煙煤：140-147kJ/mol熱天平試驗熱重法(Thermogravimetry，TG)是在程序控制溫度下測量物質(zhì)的質(zhì)量和溫度關系的一種技術，用于熱重法的儀器是熱天平，它能連續(xù)記錄質(zhì)量與溫度的函數(shù)關系〔TG曲線〕。燃燒反響動力學方程：為轉(zhuǎn)化百分率，β為升溫速率。f()為反響機理函數(shù)，表示反響速率d/dT與轉(zhuǎn)化率之間所遵循的函數(shù)關系。k(T)為速率常數(shù)，與溫度的關系通常認為符合Arrhenius公式升溫速率為20℃/min

失水階段揮發(fā)分析出與焦炭燃燒階段剩余灰渣煤樣轉(zhuǎn)化率αE/(KJ/mol)RrSD云石煤0.2198.640.999870.010620.5168.070.998130.034060.8137.950.999660.01309江山煤0.2190.250.999990.004980.5121.570.991510.092410.8210.150.999990.00429風川煤0.2210.090.998910.041290.5180.540.997540.064150.8113.080.988150.10371華亭煤0.2114.570.996430.068590.541.590.988930.065650.816.910.972340.06368煤樣工業(yè)分析w/%Qnet,adkJ/kgMadAadVadVdafFCad云石煤1.1384.383.7726.0210.723574江山煤1.0281.686.4435.3511.783611風川煤0.9184.863.3123.3910.844063華亭煤3.4320.7326.7235.2349.1222185鴻基煤0.8927.026.729.3265.3724421鳳川煤華亭煤云石煤催化劑對化學反響速率的影響催化劑:凡能改變反響速率而它本身的組成和質(zhì)量在反響前后保持不變的物質(zhì)。催化作用:催化劑能改變反響速率的作用。2SO2+O2======2SO3V2O5A+KAK+BAB+KE1E2EaA+B=ABⅠⅡ催化機理:主要是改變了反響的途徑，從而使反響的活化能發(fā)生了改變。反響A+B=AB，沒有催化劑的活化能為Ea，有催化劑時活化能為E1和E2A+K=AKE1AK+B=AB+KE2催化反響3.2煤、焦炭和煤粉的燃燒煤燃燒、碳燃燒、煤粉燃燒〔煤粉氣流燃燒〕概念不同一、煤燃燒過程的四個階段①預熱枯燥階段：水分蒸，吸熱過程，溫度<200℃；②揮發(fā)分析出并著火階段：碳氫吸熱，熱分解、著火，開始放熱，溫度>200℃～300℃；③燃燒階段：揮發(fā)分和焦碳④燃燼階段：焦炭燃盡成灰渣說明：(1)實際上，四個階段沒有明顯區(qū)別，特別是揮發(fā)分析出、著火及燃燒和炭燃燒沒有明顯區(qū)別。曾經(jīng)有人在實驗室做試驗與加熱速率有很大關系。103℃/S有明顯的熱分解→揮發(fā)分析出→燃燒；104℃/S著火—產(chǎn)生火焰—顯著熱分解。煤粉爐5000～104℃/S沒有明顯區(qū)別。工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳元素分析：碳、氫、氧、氮、硫(2)時間揮發(fā)分占比例小，枯燥無灰基煙煤20～30%，燃燒時間極短。揮發(fā)分析出+揮發(fā)分與空氣混和+著火燃燒<10%≈0.1s=100ms焦炭燃燒>90%≈1秒左右煤粉在爐內(nèi)停留時間2～3S左右。(3)位置揮發(fā)分析出、著火燃燒—燃燒器區(qū)域前期〔未到中心〕；焦炭燃燒—燃燒器區(qū)域后期至爐膛中心位置；燃燼階段—爐膛中部到出口前；(4)揮發(fā)分組成CO2、CO、CH4、H2、C2H2、CmHm、少量H2S、N2；(5)最重要的是著火和燃燼兩個階段。二、碳的燃燒反響煤中含有大量碳，50-95%，發(fā)熱量，60-95%。關于碳燃燒，3種理論： ①C+O2?CO2 C+1/2O2?CO〔一次反響〕 ②CO2+C?2CO CO+1/2O2?CO2〔二次反響〕 ③xC+y/2O2?CxOy 分解生成CO、CO21.最終產(chǎn)物CO2，在氧氣缺乏〔復原性〕局部CO，衡量燃燒好壞指標。2.煤中有水： C+H2O?CO+H2 C+2H2O?CO2+2H2 CO+H2O?CO2+H2 完全燃燒最終CO2+H2O3.燃燒與氣化氣化就是生成CO，而不是CO2〔人為〕三、碳的多相燃燒特點用物理模型來說明碳多相燃燒過程，一般認為O2→擴散→燃燒5個階段，詳見書本61。(1)參與燃燒反響的氣體分子(氧)向碳粒外表的轉(zhuǎn)移與擴散；(2)氣體分子(氧)被吸附在碳粒外表上；(3)被吸附的氣體分子(氧)在碳外表上發(fā)生化學反響生成燃燒產(chǎn)物；(4)燃燒產(chǎn)物從碳外表上解吸附；(5)燃燒產(chǎn)物離開碳外表，擴散到周圍環(huán)境中。吸附與解吸附最快。擴散與化學反響最慢，但最主要。因此，碳的多相燃燒速度決定于氧向碳粒外表的擴散速度和氧與碳粒的化學反響速度中速度最慢的一個。四、多相燃燒反響的燃燒區(qū)域在碳的多相燃燒中，多相化學反響速度，用氣相O2消耗速度w1表示化學反響速度：

燃燒反響速度也可用氧向碳粒外表擴散速度表示：

Cs——碳粒外表上氧的濃度，kg/m2； C0——周圍介質(zhì)中氧的濃度，kg/m2； k——化學反響速度常數(shù)； β——擴散速度常數(shù)。燃燒穩(wěn)定時w1=w2=w經(jīng)推到：βC0Csk碳粒1.動力燃燒區(qū)域燃燒時T不高(＜900-1000℃)，反響不強烈，β>>k，擴散能力>>化學反響能力時，這是燃燒工況所處的區(qū)域稱為動力燃燒區(qū)(階段)特征及措施： ①碳粒外表氧濃度根本上等于周圍介質(zhì)中氧濃度：Cs=C0 ②燃燒反響速度w=kC0 ③燃燒反響速度決定于化學反響速度，與擴散速度無關； ④燃燒溫度不高，提高溫度是強化燃燒的有效措施。2.擴散燃燒區(qū)域燃燒T很高(＞1500-1600℃)，化學反響非常劇烈，k>>β，化學反響能力>>擴散能力，這是燃燒工況所處的區(qū)域稱為擴散燃燒區(qū)(階段)特征及措施： ①碳粒外表氧濃度根本上等于零：Cs=0 ②燃燒反響速度w=βC0 ③燃燒反響速度決定于擴散速度，反響速度常數(shù)與T無關，燃燒反響速度與T關系不大，強化措施↑β，加強風速，擾動，減少碳粒直徑。 ④燃燒溫度很高，>>環(huán)境溫度多相燃燒各區(qū)氧濃度變化多相燃燒的反響區(qū)域3.過渡燃燒區(qū)域?qū)嶋H情況大局部是該區(qū)域，T適中，過渡燃燒區(qū)域4.判斷Cs/C0，謝苗諾夫準那么：β/k=SM，無煙煤的燃燒速度實驗燃燒區(qū)域名稱動力燃燒區(qū)域過渡燃燒區(qū)域擴散燃燒區(qū)域比值Cs/C00.90.1-0.90.1SM值0.90.11-0.90.11上述三種不同的燃燒區(qū)域并不是固定不變的，而是隨著外界條件的變化而相互轉(zhuǎn)移。例如，當溫度提高時，化學反響速度急劇增加，原有的氣流擴散速度顯得過于緩慢，氧氣的供給滿足不了要求，于是燃燒過程由動力燃燒區(qū)移向過渡燃燒區(qū)甚至移向擴散燃燒區(qū)；反之，當氣流擴散速度增大(焦炭顆粒直徑縮小)，并超過化學反響速度時，氧氣的供給有了剩余，溫度成了強化燃燒的阻力，于是燃燒過程由擴散燃燒區(qū)移向過渡燃燒區(qū)甚至移向動力燃燒區(qū)。為了強化燃燒，層燃爐燃燒d＝15～25mm的煤塊時，溫度只需到達1000～1100℃左右，燃燒即處于擴散燃燒區(qū)，在保證火床穩(wěn)定的情況下，必須加強送風，提高空氣與焦炭顆粒之間的相對速度即可。煤粉爐，由于煤粉顆粒很小(d＝100μm)，溫度到達1700℃以上，燃燒才能進入擴散燃燒區(qū)。只有在燃燒中心區(qū)的粗顆粒煤粉才能處于擴散燃燒區(qū)，在燃燒中心以外，特別是在爐膛出口處，煤粉均處于過渡燃燒區(qū)甚至動力燃燒區(qū)中燃燒。所以，強化燃燒必須同時提高爐膛溫度和加強燃料與空氣的混合。五、煤與煤粉的燃燒特點1.煤的燃燒特點主要強調(diào)煤燃燒與純碳燃燒區(qū)別?；瘜W反響角度看：(1)煤中含有水生成CO、H2，使反響復雜。(2)揮發(fā)分對煤粉燃燒有影響：產(chǎn)生熱量，形成孔隙結(jié)構，更容易燃燒；消耗碳周圍氧，增加擴散阻力，不利于燃燒。(3)產(chǎn)生灰渣阻礙擴散，如T↑，結(jié)渣，擴散就更困難。(4)水分和揮發(fā)分析出后，形成多孔結(jié)構，有利于燃燼。水煤漿比煤粉好燒就是這個道理。灰層碳層外擴散擴散燃燒灰層厚度燃燒過程顆粒微觀形態(tài)變化

(a)400mm

(b)700mm

(c)1200mm

(d)1900mm

(e)2500mm

(f)3100mm

密實團狀樣多孔結(jié)構團聚燒結(jié)劇烈燃燒/破碎/球形灰粒高溫熔融/球形灰粒增加燃燒結(jié)束/球形飛灰顆粒(5)燃燒過程與燃燒區(qū)域靠近碳外表的燃燒產(chǎn)物是CO，它擴散離開外表，與氧生成CO2,CO2向兩個方向上擴散，并在碳外表發(fā)生反響復原成CO。2.煤粉燃燒特點顆粒很小，30—100μm，加熱速度快5000—104℃/S，幾個階段已沒有明顯區(qū)別。在外表燃燒碳層中氣體成分和溫度的分布3.3燃燒過程著火和熄火的熱力條件由緩慢氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程稱為著火，轉(zhuǎn)變的瞬間溫度成為著火溫度。燃料與空氣組成的混合物，其燃燒過程的發(fā)生與停止(著火與熄火)、以及燃燒過程能否穩(wěn)定地進行主要取決于燃燒過程所處的熱力條件。爐內(nèi)煤粉空氣混合物燃燒發(fā)熱量Q1(kJ/s)：向周圍介質(zhì)散失的熱量Q2：:煤粉反響外表氧濃度，kmol/m3；V:可燃混合物容積，m3；Qr:可燃物反響熱，kJ/kmol；:混合物向爐膛壁面的綜合放熱系數(shù)，等于對流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之和；A:爐膛壁面面積，m2；Tb:爐膛壁面的溫度，K。放熱量與散熱量隨溫度變化曲線1點：穩(wěn)定的低溫緩慢氧化狀態(tài)2點：熱力著火點(不穩(wěn)定狀態(tài))3點：高溫燃燒狀態(tài)4點：熱力熄火點5點：低溫緩慢氧化狀態(tài)點Q1和Q2相切的數(shù)學條件：散熱和放熱相等，即Q1=Q2；在二曲線相切點2處的斜率應相等，即dQ1/dT=dQ2/dT穩(wěn)定著火條件：放熱及散熱曲線關于著火的幾點說明有關著火的幾個概念：1.化學自熱：不需要外界給入熱量，在常溫下依靠自身的化學反響發(fā)生的著火。2.熱自燃(熱力著火)：將燃料和氧化劑混合物迅速而均勻地加熱，當混合物被加熱到某一溫度時便著火(全容積)3.點燃(強迫著火)：用電火花、電弧、熱板等高溫源使混合物局部地區(qū)受到強烈地加熱而首先著火、燃燒，隨后這局部已燃火焰?zhèn)鞑サ秸麄€反響體系的空間。一般熄火溫度Txh是大于著火溫度Tzh；熄火點和著火點隨反響系統(tǒng)的熱力條件(散熱和發(fā)熱)而變；熄火溫度和著火溫度隨熱力條件而變，不是物理常數(shù)，是相對特征值；各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入很大，相同測試條件下，不同燃料的著火、熄火溫度不同；對同一燃料，不同的測試條件也有不同，過分強調(diào)著火溫度意義不大；對煤：反響能力越強〔揮發(fā)份Vdaf越高，焦炭活化能越小〕的煤，著火點低，容易著火，也易燃燼。反響能力弱的無煙煤著火溫度高，也難燃燼。加快著火的措施：加強放熱、減少散熱。散熱不變時，提高可燃物初溫，增加可燃物濃度和壓力，使放熱強化，如濃淡燃燒器穩(wěn)燃；放熱不變時，可降低氣流速度、燃燒室保溫等措施，如增加衛(wèi)燃帶等。煤粉氣流點火實驗Wheeler水平管試驗裝置GodbertGreenwald垂直爐管簡圖Hartmann試驗裝置點火器的改進要點：產(chǎn)生煤粉氣流方法、點燃方法和著火響應鑒別不同點火試驗比較沉降爐單顆粒試驗臺各種燃料著火溫度測試設備燃料著火溫度(℃)氣體燃料著火溫度標準測試儀高爐煤氣530煉焦煤氣300-500發(fā)生爐煤氣530天然氣530液體燃料著火溫度標準測試儀石油360-400固體燃料著火溫度測試爐泥煤225褐煤250-450煙煤400-500無煙煤700-800煤粉氣流著火溫度測試設備褐煤(Vdaf

50%)550煙煤(Vdaf

40%)650煙煤(Vdaf

30%)750煙煤(Vdaf

20%)840貧煤(Vdaf

14%)900無煙煤(Vdaf

4%)1000煤的著火溫度：無煙煤：700-800℃煙煤：400-500℃褐煤：250-450℃煤的著火：熱天平煤粉氣流：一維火焰爐實際煤粉爐的點火過程作用：啟動時點燃煤粉氣流低負荷穩(wěn)燃輔助燃燒器種類：過度燃料型〔1〕氣—油—煤粉三級點火系統(tǒng)：點火器-氣體燃料-霧化油-煤〔2〕油—煤粉二級點火系統(tǒng)：點火器-油-煤直接點火型等離子點火感應點火少油點火型馬弗爐點火器煤粉預燃室少油、微油點火燃燒器微油氣化小油槍著火投粉后猛烈著火3.4煤粉氣流著火及影響因素把煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量稱為著熾熱；需要加熱：煤粉、空氣(一次風)、煤粉中水分的蒸發(fā)和過熱。一次風媒粉水分過熱水分蒸發(fā)制粉枯燥去掉的水分Br——燃料消耗量，kg/h；V0——理論空氣量，Nm3/kg；α1——過量空氣系數(shù)；r1——一次風比例；c1k——一次風比熱，J/(Kg.K)q4——機械不完全燃燒熱損失，％cd——煤枯燥基比熱，J/(Kg.K)；Mar——煤收到基水分，％；Tzh——著火溫度，K；T0——煤粉一次風初溫，K；cq——蒸汽比熱容，J/(Kg.K)Mmf——煤粉的水分，％著熾熱的來源：對流換熱—煤粉氣流卷吸回來的高溫回流煙氣(包括內(nèi)回流及外回流)，這局部熱煙氣和新噴入的煤粉空氣強烈混合，將熱量以對流方式迅速傳遞給新燃料，約占總著熾熱的70-90%；輻射換熱—火焰、煙氣、爐墻對煤粉氣流形成輻射傳熱，占10-30%。對流及輻射散熱與介質(zhì)的關系(a)在相同加熱時間下，對流加熱所得煤粉溫度比輻射加熱時高得多。因此，高溫回流煙氣是煤粉氣流著火的主要熱源。(b)在相同加熱方式下，細顆粒煤粉的溫升速度比粗顆粒大得多，即細煤粉先到達著火溫度，因此，煤粉愈細愈容易著火。不同加熱方式時煤粉顆粒的溫升與加熱時間的關系曲線1一對流加熱曲線；2一輻射加熱曲線；3一考慮向周圍介質(zhì)散熱時的曲線煤粉氣流著火影響因素煤粒著火溫度與Vdaf的關系燃料性質(zhì)：著火溫度、燃料水分、灰分、煤粉細度等運行工況：煤粉氣流初溫、一次風率(煤粉濃度)、傳熱條件、加熱速率等鍋爐結(jié)構特性和運行情況一、燃料性質(zhì)1.揮發(fā)分影響最大，Vdaf增加，著火溫度點下降揮發(fā)分析出溫度與含量關系著火過程主要取決于煤中可燃基揮發(fā)分的大小，而燃盡過程主要取決于焦碳的燃燒速度。煤粉氣流的著火位置：200～300mm，不大于500mm著火太遲：火焰中心上移，造成爐膛上部結(jié)渣，汽溫偏高，q3，q4增加著火太早：燒壞燃燒器，燃燒器附近結(jié)渣2.煤粉細度煤粉越細，燃燒反響外表積越大，煤粉升溫速度加快著火更快更容易；煤粉氣流相對速度加快，擴散反響加快；3.水分水分增加，著熾熱增加，爐內(nèi)溫度水平下降，理論燃燒溫度下降煤粉細度與升溫過程水分(%)水分蒸發(fā)熱占總著火熱的比例著火熱增加比例001.0200.341.44300.471.66400.581.871)SJ1煤含灰量2.65%(質(zhì)量分數(shù))2)SJ5煤含灰量47.5%(質(zhì)量分數(shù))著火溫度與含灰量的影響4.灰分灰分要吸熱，還會使熱值降低，爐內(nèi)溫度水平下降，著火推遲，影響穩(wěn)定性。二、爐內(nèi)散熱條件在燃燒器區(qū)域增加衛(wèi)燃帶〔燃燒帶〕改善保溫條件流化床主要用于防磨損液態(tài)排渣爐為了熔渣排出減少爐膛漏風三、一次風煤粉氣流參數(shù)溫度、風率、風速增加，相應增大著熾熱，著火延遲一次風量著熾熱顯著降低減少燃燒初期供氧缺乏，影響燃燒反響速度，阻礙著火燃燒要滿足送粉要求，不能堵管最正確值一次風：輸送煤粉進入爐膛的風〔首先與燃料接觸的風〕。作用：①輸送煤粉；②保證揮發(fā)分燃燒所需的氧氣。二次風：直接進入爐膛助燃的風。作用：①滿足焦炭燃燒所需的氧氣；②組織風粉進行擴散混合。三次風：除一次風、二次分外的送入爐膛的風。類型和作用：①中儲式熱風送粉中的乏氣；②抑制氮氧化物的生成，分級送風：燃盡風(OFA、SOFA等)；③沿爐壁送入，保護水冷壁防止結(jié)渣和高溫腐蝕；④控制火焰中心溫度，協(xié)助調(diào)節(jié)汽溫。一次風速：過高，降低煤粉氣流加熱速度，影響著火，著火延長；過低，燃燒器噴口燒壞，煤粉堵塞。有一個合理的選擇。不同條件下著火所需煙氣回流量風溫(℃)一次風率(%)煤漿煤粉回流煙氣與一次風比(%)回流煙氣與總風量比(%)回流煙氣與一次風比(%)回流煙氣與總風量比(%)202070.522232.749.12030115.947.7457.8521.892040194.299.4294.7645.331502052.5816.425.857.21503080.9533.3443.9716.6415040122.2762.5968.1932.633002036.0711.2518.765.223003052.4721.6130.7111.623004073.3537.5545.3221.6830050100.8761.7362.6236.80提高一次風初溫，可減少著熾熱煤粉濃度與著火特性關系一次風參數(shù)的選擇機組容量等級煤種300MW600MW一次風溫(℃)低Vdaf煤90-13090-130煙煤70-10070-100褐煤80-18080-180一次風率(%)低Vdaf煤14-2514-25煙煤18-2518-25褐煤15-2520-35一次風速(m/s)低Vdaf煤20-2422-26煙煤22-3024-32褐煤16-2218-25二次風溫(℃)低Vdaf煤350-380350-380煙煤300-360300-360褐煤300-320290-380二次風速(m/s)低Vdaf煤40-4842-50煙煤45-5246-56褐煤45-5546-56四、燃燒器結(jié)構三種不同煤粉懸浮燃燒方式二次風與一次風的配合二次風混入一次風的位置要適宜混合過早，增加冷風，增加著熾熱，會推遲著火；混合過遲，焦炭著火后不能及時燃燒，使整個燃燒過程延長。對高揮發(fā)分煤，早混入，否那么影響燃燒效率對低揮發(fā)分煤，遲混入，否那么會影響著火燃燒穩(wěn)定性二次風速要較高增強對煤粉的擾動和擴散，加快后期混合過程和強度一般控制動量比J2/J1=2-4燃燒器配風組織五、鍋爐負荷鍋爐負荷與爐內(nèi)火焰溫度直接相關，負荷降低，爐內(nèi)燃燒火焰溫度下降。200MW鍋爐負荷與溫度水平高度MM15800184002060030200測孔編號691519233334工況3200MW1440150015951535155513651350工況4150MW1370146515051480147512001190工況5200MW1450149015651470156012851285工況6120MW1350140014651445140010801100工況7200MW1390151515451535159012651265工況8200MW1405145514951455155512251280工況9200MW1390148515101520154012251280工況13200MW1390149015101545149012101220工況14200MW1450142014901495147511951195工況16120MW1345136013501275135510101020工況17150MW1390141014501455143511651165工況18200MW1515154015801560156512451235工況20120MW1395147514451415143511601130工況21150MW1390141014301440141011601130低負荷穩(wěn)燃Vdaf(%)＜88-1212-2020-2525-3030-40褐煤切向、對沖燃燒

65-5556-4546-4042-3535-3050*-35W火焰燃燒55-4550-42

注：褐煤高值用于高水分抽爐煙枯燥制粉系統(tǒng)鍋爐最低不投油負荷率boilerminimumstableloadratiowithoutauxiliarysupport(BMLR)：在設計煤種和合同規(guī)定條件下，鍋爐不投油助燃的最低穩(wěn)定燃燒負荷與鍋爐最大連續(xù)負荷(BMCR)之比。每臺煤粉鍋爐都可能有3個不同低負荷率數(shù)值定義：設計保證值：鍋爐制造廠保證的數(shù)值；試驗值：在設計煤種及正常工況條件下持續(xù)4-6小時穩(wěn)定運行試驗；可供調(diào)度值：考慮煤種波動及設備狀態(tài)、控制水平等，業(yè)主規(guī)定。3.5燃燒完全的條件良好燃燒的標志就是接近完全燃燒的程度，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，得到最高的燃燒效率。燃燒效率很高：煤粉：99.63%，燃油、燃氣：按100%計算燃燒效率可用下式表示：

r=100-(q3+q4)，%

g=100-(q2+q3+q4+q5+q6)，%q2—排煙熱損失，%；q3—化學不完全燃燒熱損失，%；q4—機械不完全燃燒熱損失，%；q5—鍋爐散熱損失，%；q6—其他熱損失，%能否實現(xiàn)迅速而又完全燃燒，除了燃燒的化學反響特性和顆粒大小外，在鍋爐組織燃燒時，還需要：〔1〕供給充足而又適量的空氣這是燃料完全燃燒的必要條件。空氣量常用過量空氣系數(shù)來表示。〔2〕適當高的爐內(nèi)溫度爐溫高，著火快，燃燒速度快，燃燒易于趨向完全。但過分地提高爐溫也是不可取的?！?〕空氣和煤粉的良好擾動和混合〔4〕在爐內(nèi)要有足夠的停留時間過量空氣系數(shù)燃燒室形式燃料爐膛出口過量空氣系數(shù)煤粉爐固態(tài)排渣無煙煤、貧煤煙煤、褐煤1.2-1.251.2液態(tài)排渣無煙煤、貧煤煙煤、褐煤1.2-1.251.2重油、煤氣鍋爐重油、焦爐煤氣天然氣、高爐煤氣1.05-1.1層燃爐鏈條爐無煙煤1.5-1.6煙煤、褐煤1.3拋煤機爐煙煤、褐煤1.3手燒爐排無煙煤1.5煙煤、褐煤1.4實際空氣量與理論空氣量之比，以爐膛出口為標志：爐膛出口過量空氣系數(shù)主要由燃料和燃燒方式?jīng)Q定。

太小，燃燒不完全，影響q3、q4;

太大，影響爐內(nèi)燃燒溫度。有合理值，通過燃燒調(diào)整試驗獲得。新技術：富氧燃燒或純氧燃燒。適當高的爐溫溫度提高，燃燒反響速度大大加快，有利于燃燒；溫度太高，容易結(jié)渣，根據(jù)燃料的灰熔點和結(jié)渣性能設計鍋爐，合理選擇爐膛(出口)溫度；溫度高，NOx上升，<1500℃〔1350℃〕燃燒型90%以上；當T>1500～1600℃，熱力型NOx急劇增加?？諝夂兔悍鄣牧己脭_動和混合動力燃燒區(qū)—溫度T；擴散燃燒區(qū)—擾動〔風速〕，氧氣向外表擴散速度加快；通過燃燒器形式到達，四角、射流剛性、衰減特性等。爐內(nèi)停留時間燃燒時間缺乏，燃燒不完全，影響燃燒效率，因此，在爐內(nèi)要有足夠的停留時間。主要影響因素：(1)爐膛容積和高度——影響煙速和火焰長度(2)火焰在爐膛內(nèi)的充滿程度——影響爐膛利用率及煙速(3)煤粉的流動方式——直流、旋流、W火焰——影響火焰長度及煤粉停留時間(4)煤粉著火的遲早——著火推遲，燃燒時間縮短，強化著火，有利于保證燃燒時間煤粉爐：燃燒器出口→爐膛出口所經(jīng)歷溫度2～3秒；鏈條爐：煤斗出口→鏈條老鷹鐵落渣口45分～1小時。例如：油爐爐膛容積熱負荷＞煤粉爐油爐停留時間＜煤粉爐鍋爐高度要求鍋爐蒸發(fā)量Dt/h65(75)130220400/410670無煙煤Lhy1114172124hhy811131718煙煤Lhy1012161921hhy79121417燃油Lhy711131618hhy58101214鍋爐設計中，為保證燃料在爐內(nèi)有足夠的停留時間，保證燃燒效率，爐膛高度和燃燒器布置的設計必須滿足火焰長度的要求?；鹧骈L度〔條件火炬長度〕Lhy指鍋爐最上排燃燒器出口到爐膛出口窗中點的折線距離，即abcd之長；火焰高度hhy為兩者間的垂直距離。劣質(zhì)煤強化著火措施一、無煙煤著火和穩(wěn)燃問題增強高溫煙氣的回流，提高著火區(qū)溫度提高一次風中的煤粉濃度和熱風溫度采用分級配風(一次風集中)，推遲一、二次風混合敷設衛(wèi)燃帶，增強著火區(qū)輻射熱量提高煤粉細度采用較低的一次風速和風率二、無煙煤燃盡問題延長風粉氣流的流動路程(如采用W火焰燃燒)——增加煤粉燃燒時間組織合理的爐內(nèi)空氣動力場合理的爐膛容積(瘦高型)——延長時間，降低煙氣流速著火后及時送入大量的二次風敷設衛(wèi)燃帶，提高燃燒區(qū)域的溫度適當增大過量空氣系數(shù)提高煤粉細度燃燒質(zhì)量的評價評價燃燒質(zhì)量的要素是燃燒穩(wěn)定性、防結(jié)渣性和經(jīng)濟性。穩(wěn)定性和防結(jié)渣性合稱為燃燒可靠性，鍋爐燃燒首先要保證可靠性。鍋爐運行時爐膛不應發(fā)生壓力波動、熄火、爆燃等現(xiàn)象，并要保證滿負荷、低負荷及快速變負荷時的燃燒穩(wěn)定性。煤粉鍋爐無油助燃的低負荷極限在一定程度上可作為判斷燃燒穩(wěn)定性的指標。目前燃用優(yōu)質(zhì)煙煤的老型煤粉鍋爐其無油助燃負荷可達額定負荷的50％～60％；而新型大容量鍋爐可達額定負荷的25％～30％。鍋爐運行時要防止在爐膛及屏式過熱器區(qū)受熱面上產(chǎn)生嚴重的結(jié)渣、沾污等現(xiàn)象。燃料特性以及燃燒設備結(jié)構性能和運行方式等對防止結(jié)渣都有影響。平安可靠的吹灰手段和除渣能力是減輕結(jié)渣危害的有力措施。經(jīng)濟性用鍋爐運行時的燃燒效率以及鍋爐效率來表征。在考慮上述經(jīng)濟性的同時要考慮發(fā)電本錢和廠用電率，以便綜合經(jīng)濟分析。對整個電廠的經(jīng)濟性來說，那么用發(fā)電煤耗率和供電煤耗率來衡量。項目100%負荷75%負荷50%負荷30%負荷鍋爐效率(%)93.3593.3493.0192.55汽輪機熱耗率(kJ/KW.h)7549884293589661廠用電率(%)3.563.894.124.73供電標準煤耗率(g/KWh)289.49340.14362.13378.12油質(zhì)燃料及氣體燃料的燃燒1.油的燃燒油的燃燒方式可分為兩類：預蒸發(fā)型；噴霧型。預蒸發(fā)型：使燃料在進入燃燒室間之前先蒸發(fā)為油蒸氣，然后以不同比例與空氣混合后進入燃燒室中燃燒。例如，汽油機裝有汽化器，燃氣輪機的燃燒室裝有蒸發(fā)管等。這種燃燒方式與均相氣體燃料的燃燒原理相同。噴霧型：將液體燃料通過噴霧器霧化成一股由微