锅炉燃烧设备概述

锅 炉,主讲：赵 斌 教授,河北理工大学本科优秀课程,第六章 燃烧设备,煤粉燃烧器及其流体动力学特性 煤粉气流的着火 煤粉炉的点火装置 煤粉炉 层燃炉 沸腾炉,1,2,3,4,5,6,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,燃烧器的作用,作用：将煤粉与空气混合气流按有利的方式送入炉膛，造成有利的空气动力场，保证煤粉气流及时着火、强烈燃烧、洁净燃烧、良好燃尽。 分类：直流燃烧器；旋流燃烧器。,直流式煤粉燃烧器, 不旋转，射流扩展角小，卷吸能力小，单只燃烧器的着火性能差，炉膛充满度差； 射流衰减慢，射程远，后期混合好，有利于煤粉燃尽； 采用四角布置，相互配合时，相互点燃，着火好，混合强烈； 多层布置（不少于三层）。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,特性,直流燃烧器的类型,1 均等配风 一、二次风喷口间隔布置，混合较快，适用于挥发分较高的煤种。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图1 均等配风直流燃烧器,2 分级配风 目的： 在燃烧过程不同时期的各个阶段， 按需要送入适量空气，保证煤粉既能稳 定着火、又能完全燃烧。 特点： 使着火区保持比较高的煤粉浓度， 以减少着火热；燃烧放热比较集中， 使着火区保持高温燃烧状态，适用于 难燃煤；煤粉气流刚性增强，不易偏 斜贴墙。同时卷吸高温烟气的能力加强。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图2 分级配风直流燃烧器,3 一次风集中布置的问题 着火区煤粉高度集中，可能造成着火区供氧不足，延缓燃烧进程； 一次风喷嘴附近为高温区，喷嘴易变形，使喷嘴出口附近气流速度分布不均，容易出现空气、煤粉分层现象。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,四角布置直流燃烧器的工作原理,煤粉气流卷吸高温烟气而被加热的过程 射流的相互撞击、射流两侧的补气及压力平衡过程 煤粉气流的着火过程 煤粉与二次风空气的混合过程 四股气流形成的切圆旋转过程 焦碳的燃尽过程,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图3 直流燃烧器四角切圆布置,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图4 四角切圆燃烧方式,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图6-5 旋转火焰的形状,图5 旋转火焰的形状,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图6 直流煤粉燃烧器受热着火示意图,四角切圆燃烧的气流偏斜及切圆直径,1 气流偏斜问题 引起燃烧器出口气流偏斜的主要原因是： （1）邻角气流的撞击是气流偏斜的主要原因； （2）射流偏斜还受射流两侧“补气”条件的影响； （3）燃烧器的高宽比(hr/b)对射流弯曲变形影响较大； （4）当燃烧器多层布置时，上层气流不断的被卷吸到下层气流中，加上气流受热膨胀的影响，使气流容积流量增大，旋涡直径相应增大，一般可使实际切圆直径膨胀到假想切圆直径的810倍。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图7 四角布风不均匀时对燃烧工况的影响,2 气流偏斜问题,优点： 上游邻角火焰向下游煤粉气流的根部靠近，煤粉的着火条件较好。这时炉内气流旋转强烈，气流扰动大，使期燃烧阶段可燃物与空气流的混合加强，有利于煤粉的燃尽。 问题： (1) 火焰容易贴墙，引起结渣；(2) 着火过于靠近喷口，容易烧坏喷口；(3) 火焰旋转强烈时，产生的旋转动量矩大，同时因为高温火焰的粘度很大，到达炉膛出处，残余旋转较大，这将使炉膛出口烟温分布不均匀程度加大，因而既容易引起较大的热偏差，也可能导致过热器结渣或超温。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,一次风与二次风,1 一次风量 一次风量应该既能满足煤粉中挥发分着火燃烧所需的氧量，又能满足输送煤粉的需要。如果同时满足这两个条件有矛盾，则应首先考虑输送煤粉的需要。 一次风量通常用一次风量占总风量的比值表示，称为一次风率。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,2 一次风速,一次风速不但决定着火燃烧的稳定性，而且还影响着一次风气流的刚度。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,3 一次风温,提高一次风温，可降低着火热，使着火位置提前。提高热风温度是提高煤粉着火速度和着火稳定性的必要措施之一。根据煤质挥发分含量的大小，一次风温既应满足使煤粉尽快着火，稳定燃烧的要求，又应保证煤粉输送系统工作的安全性。,二次风是在煤粉气流着火后混入的。由于高温火焰的粘度很大，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦碳粒子表面的接触和混合，故通常二次风速比一次风速提高一倍以上。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,4 二次风量和风速,从燃烧角度看，二次风温愈高，愈能强化燃烧，并能在低负荷运行时增强着火的稳定性。 二次风温的提高受到空气预热器传热面积的限制，传热面积愈大，金属耗量就愈多，不但增加投资，而且将使预热器结构庞大，不便布置。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,5 二次风温,1 三次风 概念： 在中储式制粉系统中，细粉分离器将煤粉和输送煤粉的空气分离后，形成乏气。乏气中带有10%的细煤粉。这部分乏气一般送入炉膛燃烧，形成三次风。三次风的特点是温度低，水分大，煤粉细。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,三次风、周界风、夹心风,三次风对燃烧及汽温调节的不利影响： (1) 使火焰温度降低，燃烧不稳定； (2) 火焰拖长，炉膛出口烟温升高，使过热汽温与再热汽温偏高，汽温调节幅度增大同时增大过热器热偏差； (3) 三次风高速射入，使火焰残余旋转增大，同时飞灰可燃物增加； (4) 三次风量较大时，风速也增大，易扰乱炉正常的空气流动，引起火焰贴墙结渣。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,2 周界风,周界风的作用是： (1) 冷却一次风喷口，防止喷口烧坏或变形 (2) 少量热空气与煤粉火焰及时混合 (3) 周界风的速度比煤粉气流的速度要高，能增加一 次风气流的刚度，防止气流偏斜；并能托住煤粉，防止煤粉从主气流中分离出来而引起不完全燃烧 ； (4) 高速周界风有利于卷吸高温烟气，促进着火，并 加速一、二次风的混合过程。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,3 夹心风,夹心风的作用： (1) 补充火焰中心的氧气，同时也降低了着火区的温度，而对一次风射流外缘的烟气卷吸作用没有明显的影响； (2) 高速的夹心风提高了一次风射流的刚度，能防止气流偏斜，而且增强了煤粉气流内部的扰动，这对加速外缘火焰向中心的传播是有利的； (3) 风速度较大时，一次风射流扩展角减小，煤粉气流扩散减弱，这对于减轻和避免煤粉气流贴壁，防止结渣有一定作用； (4) 可作为变煤种、变负荷时燃烧调整的手段之一。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图8 一次风口中周界风、夹心风、十字风的作用,摆动式燃烧器,摆动式燃烧器的各喷口一般可同步上、下摆动2030度，用来改变火焰中心位置的高度，调节再热蒸汽温度。并便于在启动和运行中进行燃烧调节，控制炉膛出口烟温，避免炉膛内受热面结渣。 摆动式燃烧器运行中容易出现的问题是：因喷口受热变形，使摆动机构卡死，或摆动不灵活。摆动机构上的传动销磨损或受热太大时，容易被剪断。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图9 摆动式燃烧器的摆动结构,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图10 典型燃烧器结构,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图11 直流燃烧器的布置形式,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图12 偏转二次风,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,旋流式燃烧器的工作原理 煤粉气流或热空气通过旋流器时，发生旋转，从喷口射出后即形成旋转射流。利用旋转射流，能形成有利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合。,旋流式燃烧器,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,6-13,图13 旋转式燃烧器的工作原理,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,6-14,图14 旋流燃烧器的着火过程,旋转射流特点-速度分布,不但有轴向速度，径向速度，也有较大的切向速度； 初期扰动强烈，切向速度和轴向速度衰减快，射程短。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,图15 燃烧器示意图,旋转射流特点-回流, 旋转气流造成径向和轴向压力梯度； 轴向产生反向压力梯度，即出口一段距离内轴向速度为负值，存在中心回流区，回流周围烟气； 内外卷吸高温烟气，不但外界卷吸周围烟气，而且中心回流区也卷吸； 射流与周围介质的分界面上由于分子微团的湍流脉动产生物质交换和动量交换，并热量交换，同时射流流动时带动周围介质流动，使射流质量增加，称卷吸。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,旋转射流特点-扩展角,扩展角（扩散角）大，衰减快； 扩散角：气流外边界所形成的锥角。,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,6-15,图16 可动叶片双调峰直流燃烧器,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,6-16,图17 FW600MW锅炉的双调峰结构,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,旋流式燃烧器的布置与供风方式 旋流式燃烧器通常 布置在炉膛的前、后墙 上，有的采用大风箱供 风，有的采用分隔风箱 供风。,6-17,图18 分隔风箱结构,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,旋转火焰的特性 根据气流的旋流强 度的大小，旋流式燃烧 器形成的火焰形状可能 有三种：封闭式火焰、 开放式火焰、飞边火焰。,6-18,图19 封闭式火焰、开放式火焰,第一节 煤粉燃烧器及其流体动力学特性,6-19,蜗壳式燃烧器,图20 蜗壳式煤粉燃烧器,第二节 煤粉气流的着火,着火热主要有两个来源： 一是被煤粉气流卷吸回来的高温回流烟气(包括内回流及外回流)，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料；二是高温火焰及炉壁对煤粉气流的辐射加热。,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)并使煤粉中水分蒸发、过热所需要的热量。,煤粉气流着火的影响因素,燃料性质： 挥发分Vdaf：低，着火温度提高 水分：水分高，着火热提高 灰分：高，着火热增加 煤粉细度：细，比表面积大，本身热阻小，易着火 炉内散热条件（燃烧带，结渣）,第二节 煤粉气流的着火,煤粉气流初温：初温高，易着火（热风送粉） 一次风量和风速：大，不易着火；小，氧量不够，且喷 口烧坏，堵塞 燃烧器结构特性：一二次风混合，混合早，不利于着火 锅炉负荷：不利于着火，降负荷受限制,第二节 煤粉气流的着火,第三节 煤粉炉的点火装置,型：等离启动时点燃煤粉气流 低负荷稳燃 辅助燃烧器 过度燃料型 （1）气油煤粉三级点火系统：点火器气体燃料雾化油煤 （2）油煤粉二级点火系统：点火器油煤 直接点火子点火、感应点火,点火装置的作用,第四节 煤粉炉,燃烧和热交换场所 绝热面：卫燃带、稳燃室 蒸发受热面：水冷壁 过热和再热面：墙式过热器和 墙式在热器,炉膛,炉膛作用：,保证燃料完全燃烧 合理组织炉内热交换，布置合适的受热面 保证炉膛出口烟气的温度达到安全温度,第四节 煤粉炉,炉膛中心的温度可达15001800，烟气被冷却至灰熔点以下离开炉膛。 炉膛下部为冷灰斗，炉膛四周有水冷壁。,第四节 煤粉炉,炉膛冷灰斗,设计要求,合理布置燃烧器，燃料迅速着火，合理空气动力 场，热负荷均匀； 足够的容积和高度，保证燃料完全燃烧； 足够的受热面（蒸发量和出口烟温）； 水动力特性安全； 结构紧凑，成本低。,第四节 煤粉炉,燃烧器,燃烧器是锅炉最关键技术设备之一，前面提到的燃烧机理、热力着火条件、煤粉气流着火条件等等，都是与燃烧器有关，与它的气流特性，结构布置等有关。,