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1、哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理第五章第五章 燃烧理论基础及燃烧设备燃烧理论基础及燃烧设备5-1 燃料燃烧的基本概念 5-2 手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点 5-3 室燃炉 5-4 流化床及循环流化床燃烧技术哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理5-1 燃料燃烧的基本概念锅炉燃烧是个复杂的化学锅炉燃烧是个复杂的化学物理过程，其影响因素很多。物理过程，其影响因素很多。 一、燃烧设备的分类一、燃烧设备的分类 1.1.层燃炉层燃炉固体燃料被层铺在炉排上进行层状燃烧的锅炉，如：手烧炉、链条炉、抛煤机炉固体燃料被层铺在炉排上进行层状燃烧的锅炉，如：手烧炉、链条炉、抛煤机炉 等；等
2、；2.2.室燃炉室燃炉燃料呈雾状细颗粒随空气喷入炉内呈悬浮状燃烧的锅炉，如：煤粉炉、油炉、气燃料呈雾状细颗粒随空气喷入炉内呈悬浮状燃烧的锅炉，如：煤粉炉、油炉、气 炉等；炉等； 3.3.沸腾炉沸腾炉燃料被气流托起携带呈上下翻滚沸腾状燃烧的锅炉，如：流化床、鼓泡床、循环燃料被气流托起携带呈上下翻滚沸腾状燃烧的锅炉，如：流化床、鼓泡床、循环 流化床、增压流化床等；流化床、增压流化床等； 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理二、固体燃料的燃烧过程二、固体燃料的燃烧过程1. 1. 燃料燃烧的几个阶段：燃料燃烧的几个阶段：着火前的热力准备阶段；着火前的热力准备阶段；挥发份着火与焦炭的燃烧阶段；挥发
3、份着火与焦炭的燃烧阶段；灰渣形成及燃尽阶段。灰渣形成及燃尽阶段。 2. 2. 燃料完全燃烧的必备条件燃料完全燃烧的必备条件保持一定的高温环境；保持一定的高温环境；供给足够而适度的空气量，并确保燃料与空气有良好供给足够而适度的空气量，并确保燃料与空气有良好 的接触和充分混合的氛围；的接触和充分混合的氛围；燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间；燃料要有一定的燃烧时间及燃烧空间；及时排出低温燃烧产物（如：低温烟气和灰渣）。及时排出低温燃烧产物（如：低温烟气和灰渣）。 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理三、燃料的燃烧反应速度三、燃料的燃烧反应速度锅炉燃烧过程是个复杂的化学锅炉燃烧过程是个复杂的化学
4、物理过程，燃烧速度取决于化学条件和物理条件。物理过程，燃烧速度取决于化学条件和物理条件。反应速度反应速度单位时间内、单位体积中反应物消耗或产物生成的摩尔数，单位时间内、单位体积中反应物消耗或产物生成的摩尔数，mol/(mmol/(m3 3s)s)。燃烧技术燃烧技术中常采用炉膛容积热强度中常采用炉膛容积热强度q qv v和面积热强度和面积热强度q qf f 来表征燃烧反应速度。来表征燃烧反应速度。 1.1.化学条件：燃料氧化反应的化学反应速度，其影响因素有：温度、反应物质的浓度及反应空化学条件：燃料氧化反应的化学反应速度，其影响因素有：温度、反应物质的浓度及反应空 间的压力等；在锅炉燃烧技术中，
5、其影响因素主要是温度。间的压力等；在锅炉燃烧技术中，其影响因素主要是温度。2.2.物理条件：燃烧空气与燃料的相对速度，气流扩散速度及热量传递速度等；在锅炉燃烧技术物理条件：燃烧空气与燃料的相对速度，气流扩散速度及热量传递速度等；在锅炉燃烧技术 中，起主要作用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和燃烧产物的反向扩散。中，起主要作用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和燃烧产物的反向扩散。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理影响反应速度的因素：影响反应速度的因素：反应物质（燃料）的特性，反应物质（燃料）的特性，E E降低，反应速度提高；降低，反应速度提高；温度，温度提高，分子平均
6、动能增加，碰撞机会增加；温度，温度提高，分子平均动能增加，碰撞机会增加；浓度：提高，碰撞机会增加；浓度：提高，碰撞机会增加；压力：提高，单位体积分子数增加，碰撞机会增加。压力：提高，单位体积分子数增加，碰撞机会增加。其中温度是最重要的燃烧反应影响因素。其中温度是最重要的燃烧反应影响因素。 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理1 1. . 温度对燃烧速度的影响温度对燃烧速度的影响遵循阿累尼乌斯定律：遵循阿累尼乌斯定律： 式中：式中：kk表征化学反应速度的常数；表征化学反应速度的常数； k k0 0频率因子；频率因子；RR通用气体常数，通用气体常数， R R8.314kJ/(mol.K)8.
7、314kJ/(mol.K)； E E化学反应活化能，化学反应活化能， TT绝对温度，绝对温度，K K。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理2. 2. 气流扩散能力对燃烧速度的影响气流扩散能力对燃烧速度的影响气流扩散能力决定于氧气浓度，遵循如下关系式：气流扩散能力决定于氧气浓度，遵循如下关系式：MM表征气流扩散速度的量；表征气流扩散速度的量； DDk k扩散速度常数，主要取决于气流速度；扩散速度常数，主要取决于气流速度；C Cqlql，C Cjt jt、气流和焦炭表面的氧气浓度。气流和焦炭表面的氧气浓度。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理温度和气流扩散速度在燃料燃烧不同区段有着不同
8、的影响。由此燃料的燃烧过程可以分成三种不温度和气流扩散速度在燃料燃烧不同区段有着不同的影响。由此燃料的燃烧过程可以分成三种不 同的燃烧区域：同的燃烧区域： 1 1）. . 动力燃烧区：动力燃烧区：燃烧速度取决于温度亦即取决于化学反应速度的工况，动力燃烧工况所在的燃烧区域为动力燃烧燃烧速度取决于温度亦即取决于化学反应速度的工况，动力燃烧工况所在的燃烧区域为动力燃烧 区区 2 2）. . 扩散燃烧区：扩散燃烧区：燃烧速度取决于气流的扩散速度的工况，扩散燃烧工况所在的燃烧区域为扩散燃烧区燃烧速度取决于气流的扩散速度的工况，扩散燃烧工况所在的燃烧区域为扩散燃烧区 3 3）. . 过渡燃烧区：过渡燃烧区
9、：动力燃烧区及扩散燃烧区之间的区域为过度燃烧区动力燃烧区及扩散燃烧区之间的区域为过度燃烧区 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理四、着火四、着火1. 1. 链式着火：链式着火：是由于燃烧链锁反应的分支，使活化中心浓度迅速增加，导致反应速度急剧加速是由于燃烧链锁反应的分支，使活化中心浓度迅速增加，导致反应速度急剧加速2. 2. 热力着火：热力着火：是指由于系统内热量积聚，引起化学反应速度按阿累尼乌斯指数函数关系迅速猛增。是指由于系统内热量积聚，引起化学反应速度按阿累尼乌斯指数函数关系迅速猛增。在实际燃烧过程中，不可能有单纯的支链着火或热力着火，往往是两种同时存在，并相互促进。在实际燃烧过程
10、中，不可能有单纯的支链着火或热力着火，往往是两种同时存在，并相互促进。 一般说来，在高温下，热力着火是引起着火的主要因素；而在低温时，支链着火则起主导作用。一般说来，在高温下，热力着火是引起着火的主要因素；而在低温时，支链着火则起主导作用。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理五、混合五、混合 扩散扩散 ；自由射流；自由射流 ；平行射流；平行射流 ；相交射流相交射流 ；旋转射流；旋转射流 ；一次风和二次风；一次风和二次风 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理六、燃烧设备特性的主要参数六、燃烧设备特性的主要参数 1. 1. 层燃炉层燃炉1 1） 炉排面积可见热强度：单位面积的炉排，在单
11、位时间内所燃烧炉排面积可见热强度：单位面积的炉排，在单位时间内所燃烧 的煤的放热量的煤的放热量 2 2）炉膛容积可见热强度：单位面积的炉膛，在单位时间内所燃烧的煤的放热量）炉膛容积可见热强度：单位面积的炉膛，在单位时间内所燃烧的煤的放热量 哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理2. 2. 室燃炉室燃炉1 1）炉膛截面可见热强度）炉膛截面可见热强度2 2）炉膛容积可见热强度）炉膛容积可见热强度哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理3. 3. 炉膛设计步骤炉膛设计步骤 （1 1）根据给定参数（）根据给定参数（DD、T T、P P和燃料种类），估计燃料消耗量；和燃料种类），估计燃料消耗量；（
12、2 2）查表选取）查表选取q qv v，q qR R；（3 3）利用公式计算炉排面利用公式计算炉排面R R和炉膛体积和炉膛体积V V；（4 4）根据炉排面积，设具体情况选定炉子宽度和深度；根据炉排面积，设具体情况选定炉子宽度和深度；（5 5） 确定炉膛高度；确定炉膛高度；（6 6）对室燃炉相应计算）对室燃炉相应计算 。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理5-2手烧炉、链条炉、抛煤机链条炉及其燃烧特点哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理5-3 室燃炉炉膛炉膛: : 炉膛是组织煤粉与空气连续混合、着火燃烧直到燃尽的空间。固态排渣煤粉炉的结构比较简单，炉膛是组织煤粉与空气连续混合、着火燃
13、烧直到燃尽的空间。固态排渣煤粉炉的结构比较简单，外形呈高大立方体，烟气是上升或旋流上升的流动形式。炉膛四周铺设水冷壁，上部布置有过热器受热外形呈高大立方体，烟气是上升或旋流上升的流动形式。炉膛四周铺设水冷壁，上部布置有过热器受热面，下部由前后墙水冷壁倾斜形成冷灰斗。大约占全部燃料灰分的面，下部由前后墙水冷壁倾斜形成冷灰斗。大约占全部燃料灰分的10102020的灰渣掉入冷灰斗以固的灰渣掉入冷灰斗以固体形态排出炉外，其余以飞灰形式被烟气带出炉膛。在燃用难着火的煤种时，常在燃烧器区域的水冷壁体形态排出炉外，其余以飞灰形式被烟气带出炉膛。在燃用难着火的煤种时，常在燃烧器区域的水冷壁上敷设卫燃带，保持燃
14、烧区的高温。此外，通常在炉膛出口区把后墙伸向炉内形成折焰角，以延长煤粉上敷设卫燃带，保持燃烧区的高温。此外，通常在炉膛出口区把后墙伸向炉内形成折焰角，以延长煤粉在炉内的行程，并改善炉内火焰的充满情况，使出口烟温趋于均匀。在炉内的行程，并改善炉内火焰的充满情况，使出口烟温趋于均匀。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理燃烧器燃烧器: : 燃烧器的作用是保证煤粉和空气在进入炉膛时能充分混合、煤粉能连续稳定的着火、强烈燃烧器的作用是保证煤粉和空气在进入炉膛时能充分混合、煤粉能连续稳定的着火、强烈 的燃烧和充分的燃尽，并在燃烧过程中保证炉膛水冷壁不结渣。通过燃烧器进入炉膛的空气一般的燃烧和充分的燃
15、尽，并在燃烧过程中保证炉膛水冷壁不结渣。通过燃烧器进入炉膛的空气一般 分为两种：携带煤粉的空气称为一次风，单纯的热空气称为二次风。此外，采用中间储仓式热风分为两种：携带煤粉的空气称为一次风，单纯的热空气称为二次风。此外，采用中间储仓式热风 送粉的制粉系统的煤粉炉也常将制粉乏气作为三次风送入炉膛。送粉的制粉系统的煤粉炉也常将制粉乏气作为三次风送入炉膛。煤粉燃烧器按空气动力特性可分为旋流燃烧器和直流燃烧器两种。煤粉燃烧器按空气动力特性可分为旋流燃烧器和直流燃烧器两种。哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理哈尔滨工业大学（威海 ）热能转换装置原 理旋流燃烧器的气流结构特性：旋流燃烧器的气流结构特性：二次风（有时还有一次风）强烈旋转，喷出喷口后形成中心回流区，卷吸炉内的高二次风（有时还有一次风）强烈旋转，喷出喷口后形成中心回流区，卷吸炉内的高 温烟气至燃烧器出口附近，加热并点燃煤粉。二次风不断和一次风混合，使燃烧过程不断发展，温烟气至燃烧器出口附近，加热并点燃煤粉。二次风不断和一次风混合，使燃烧过程不断发展， 直至燃尽。除了中心回流区的高温烟气卷吸外，在燃烧器喷出的气流的外圈也有高温烟气被卷吸直至燃尽。除了中心回流区的高温烟气卷吸外，在燃烧器喷出的气流的外圈也有高温烟气被卷吸 。旋转射流有
