1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、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。,
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