1、循环流化床锅炉燃烧系统,第一章 煤粒的燃烧,煤的介绍 煤的成分 煤的燃烧反应,第一节 煤的介绍,煤是埋藏于地层内已炭化的可燃物。根据埋藏年代及煤化程度的差异，煤可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤四类。A 泥煤泥煤的煤化程度最低，有的可隐见木质纤维。泥煤多是由沼泽地带的植物沉积构在空气量不足和存在大量水分的条件下生成的。其含水量高达80一90左右，因而泥煤干燥以后方可用于燃烧。泥煤质软、强度低，运输损失大，并且容易氧化，不宜长期储存，多就近用作民用燃料或用于气化和制作肥料。,B 褐煤褐煤是植物炭化的第二期产物，但煤化程度仍较低。其颜色一般为褐色或深褐色，无光泽，含木质构造。褐煤的水分与挥发分含量较泥
2、煤的低，碳分则增高。新开采的褐煤含水在3550左右。可燃基中含碳约6575，氢4.5一6.5，氧1525%，其余为氮和硫，挥发分在40%以上。灰分在干燥基中的含量约为1133%。应用基发热量通常只有12545一16726kJkg。褐煤易燃，在空气中自燃着火温度为250450。褐煤可用作工业或生活燃料，也可用作气化与低温干馏用原料。因褐煤易裂散和氧化，故它仍多被就近利用。,C 烟煤烟煤是煤化程度较高的煤，其中已完全看不见木质构造。其外观为黑色或灰黑色，有沥青似的光泽。烟煤质硬，有较高的强度，燃烧时出现红黄色火焰和棕黄色浓烟，含有沥青气味。同褐煤相比，烟煤含水显进一步减少(内在水分在10以下)，氧
3、和挥发分亦减少，碳分与发热量则增高。其可燃基碳含量约80一90，氢46.5，含氧量一般在315之间，氮与硫含量同褐煤的相近，挥发分为1040，发热量达3178036380kJkg。应用基烟煤低发热量在2090833453k Jkg之间。供应状态的烟煤原煤一般含内在水分25，灰分在20一30左右。烟煤较易着火，自燃着火温度约400一500。最重要的用途是炼制冶金焦炭，它也可作燃科和低温干馏与气化用原料，在工业上具有重耍的地位。,D 无烟煤无烟煤也称“白煤”，色黑质坚，有半金属似的光泽。其煤化程度最深，它是由烟煤在炭化过程中进一步逸出挥发分与水分，相应增高碳分而形成的。可燃基中碳分一般高达90以上
4、(90一97)，氢与氧均约14，挥发分在10以下。无烟煤的内在水分多在3以下，灰分和烟煤的相近，低发热设在33453kJkg左右(可燃基)。无烟煤燃烧时几乎不产生煤烟，火焰很弱成无火焰，不粘结，自燃着火温度在700左右，无烟煤通常用作动力和生活用燃料，也用于制取化工用气。,煤的化学成分为有机质、矿物质灰分及水分。有机质主要包括碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)元素的化合物。上述元素在与氧气发生燃烧反应时放出热量，故C，H，O，N，S及其化合物又称可燃质。矿物质灰分主要包括钙、镁、铁等金属盐，金属氧化物，微量氯化物以及微量氯元素。如硫酸钙，硫酸亚铁硫酸镁，碳酸钙，碳酸镁，氧化硅，氧
5、化铝，氧化钙，氧化亚铁，氧化铁；稀有金属氧化物如氧化钛，氧化锰，氧化钒；碱土金属氧化物如氧化钾，氧化钠等。水分分为化合结晶水及游离水。化合结晶水在低于100时不析出；游离水吸附于煤的表面或毛细孔中，吸收热量时可析出。矿物质灰分及水分不发生化学反应，不产生热量，故对作为燃料的煤而言皆为杂质。可燃质并非以元素形式存在，而是复杂的化合物，与氧发生燃烧反应时产生一系列的化合、分解反应，伴随热量的释放。其值可通过化学计量方程式表示它仅表示反向物与生成物之间的数量变化关系，而与反应的实际历程无关。,第二节 煤的成分,（1）碳(C) 碳是燃料中主要可燃元索，单质的热值为32800 kJ/kg。在燃料中。碳基
6、本上不以自由碳形式存在，而是与氧、氮和硫等结合在一起，形成复杂的有机化合物。（2）氢H) 氢是燃料中另一种主要的可燃元素，其热值很高，为142000 kJ/kg ，约相当于碳的热值的四倍半。但它在煤中的含量比碳少得多，其质量含量为2。6。氢在燃料中有两种存在形式，一种是与碳、硫、氮等元素结合在一起的氢，它对燃烧放热有贡献，通常称可燃氢，或有效氢；另一种是与氧化合生成为水的氢，通常称为化合氢，燃料燃烧时，化合氢不再参加反应。在计算燃料的热值和理论空气需要量时，应以有效氢含量为准。,（3）硫(S) 硫是燃料中最有害的可燃元素。它在燃烧时可以放出少量热量，其热值为9210 kJkg，约为碳的热值的1
7、3。但其产物为SO2和SO：，这些气体与烟气中的水蒸气结合，生成腐蚀性很强的硫酸和亚硫酸，司严重危害人体健康、污染环境、腐蚀燃烧设备和金属表面，有时还会影响加热产品的质量。我国的大部分煤中含琉量一般在0.53范围内，亦有少数煤种超过3。虽然硫在固体燃料中的含量不太大，但由于其危害性大，因此使用中应严格控制其含量。硫在煤中有下述三种存在形态：有机硫：它们是燃料的原始动植物体中的S，均匀地分布在煤体中，与煤中其它元素C、H、O)结合成复杂的有机化合物，是煤体的一部分，这种硫是可燃烧的。黄铁矿硫： 它们是煤形成过程中从外部夹杂而来的，通常与铁、铜等金属化合，以金属硫化物的形式存在(如FeS，CuS、
8、ZnS，其中最常见的FeS2)。这种硫也可以燃烧，它们与有机硫合在一起总称可燃硫，元素分析给出的含硫量指的是可燃硫的含量。硫酸盐硫： 它们也是无机硫的一部分，然而是以金属盐形式存在的，如CaSO4， MgSO4，FeSO4等。由于这种形态的硫已经充分氧化，不再参与燃烧反应。燃烧后，它们几乎不分解地转入灰渣中去。硫酸盐硫是由地下水和周围的矿石带到煤中来的，我国煤中的硫酸盐含量大部低于0.1，仅有少数煤种超过0.3，因而当煤质分析资料中仅给出硫的总含量时，有时可用其全硫含量作为可燃硫来进行热工计算。,（4）氧(O) 固体燃料中的氧是以化合状态存在的，它的存在对燃烧没有任何帮助，相反由于它已经与可燃
9、元素碳、氢结合，相对减少了这些元素的可燃组分含量，从而使燃料的热值降低。煤中的氧含量一般根据其它成分的测定值间接算出来木材和泥炭的氧含量较高，甚至可高达40。随着煤的炭化程度的加深出，氧含量逐渐降低，一般无烟煤的氧含量只有24。（5）氮（N） 氮是燃料的内部杂质。固体煤中含氮不高，通常仅约0.52.5。一般情况下，氮不参加燃烧反应。燃烧后，它以游离状态转入燃烧烟气中。氮的存在也相对减少了燃料中可燃物质的含量，对燃烧没有帮助。在高温条件下，氮可与氧反应生成NO，这也是严重污染环境的有害气体。（6)灰分(A) 灰分指的是煤中所含的矿物杂质(主要是碳酸盐、粘土矿物以及微量稀土元素)在燃烧中经过高温分
10、解和氧化而生成的固体残留物，其成分分布大致为；SiO2， 4060；Al2O3， 1535； Fe2O3， 525： CaO， 115； MgO， 0.58：Na2O十K2O， 1一4。灰分含量高不仅降低煤的热值，而且还容易造成着火困难、燃烧结渣、燃烧不完全，同时给设备维护和操作带来困难。对于炼焦用煤来说，一般规定入炉前的灰分不超过10。（7）水分(W) 水分也是燃料中的杂质，它的存在降低了燃料中可燃质的含量，而且在燃 烧时，它变成水蒸气，而水蒸气还要被加热，这都要额外消耗部分热量。固体燃料中的水分包括外在水分和内在水分两部分。外在水分指的是附着在燃料表面的 水分，其含量与大气的温度和燃料的存
11、放条件有关。当把燃料磨碎并在大气中风干后，外在水分即可消除。内在水分指的是燃料达到风干状态后仍然残留的水分。它包括被燃料吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物杂质中的结晶水。内在水分只有在高温下才能除去。,元素组成的表示基准(1)收到基组分(Xar)收到基组分以包括全部组分在内的燃料成分总量作计算基数，有的资料称之为应用基组分或工作基组分。各组分在收到基燃料中的质量百分数称为收到基组分，它们的关系为：Car十Har十Sar十Oar十Nar十A ar十War100() 式中的各项依次为碳、氢、硫、氧、氮、灰分和水分在收到基中的质量百分数。其中Sar是可燃性硫的质量百分数，煤中的全水分(
12、War)包括外在水分(Mf)和内在水分(Min）两部务。煤中的外在水分很容易受到气候、运输和存放条件的影响，故收到基组分经常因水分的波动而不能准确反映燃料的基本燃烧性质，为此引入空气干燥基组分。,(2)空气干燥基组分(Xad)空气干燥基以60空气风干后的燃料成分总量作为计算基数，此时燃料中的外在水分已经退出，剩留在燃料中的仅为其内在水分。燃料的空干基组分可以写为： Cad十Had十Sad十Oad十Nad十Aad十Wadl00 式中的Wad是空干基水分(3)干燥基组分(Xd)干燥基组分指的是除去所有水分后而剩下的燃料组分，可用下式表示 。Cd十Hd十Sd十Od十Nd十Ad100 () 为了获得干
13、燥基组分，必须将燃料加热到超过100的温度，这样才能将内在水分除去。燃料中的灰分也容易受到开采、运输和存放等条件的影响。为了更确切地表示煤的化学组成特点，人们又引入干燥无灰基组分。,(4)干燥无灰基组分(Xdaf)干燥无灰基组分是指除去水分和灰分之后剩下的燃料成分，使用五种元素在燃料中的质量百分数来表示的成分，即Cdaf十Hdaf十Sdaf十OdafNdaf100 () 干燥无灰基组分不受水分和灰分的影响，可以较真实地反映照料的燃烧性能。因而在煤矿的煤质资料一般用干燥无灰基组分表示，并用此来区分煤种及其属性。在元素分析中，习惯上把氧和氮都归为燃料的干燥无灰基组分，但按氧和氮的化学性质来说，它们
14、并不是可燃元素。干燥无灰基中的S是由有机硫和黄铁矿硫两部分组成。在干燥无灰基中除了黄铁矿硫之外，其它都是有机物。实际上黄铁矿硫也是在燃料形成过程中由外部带来的，其含量并不稳定。因此只有有机可燃物才是燃料中最基本的可燃成分，于是又提出了更能反映燃料性质的干燥无矿物质基组分。,（5）干燥无矿物质基组分(Xdmmf)干燥无矿物质基组分以燃料中再除去黄铁矿硫后所剩的有机质总量作为计算基数，燃料的干燥无矿物质基组分可写成：Cdmmf十Hdmmf十SdmmfOdmmf十Ndmmf 100()干燥无矿物质基组分是研究燃料的形成、判定燃料类别以及分析燃料性质时最有用的表示方法。不过在动力设备的一般设计和运行中
15、的应用并不广，这是由于黄铁矿琉在燃料中的含量不大，且普通的分析实验室多半只能测出燃料中的含硫量。因此在应用中大多采用干燥无灰基作为判断鉴定燃料特征的主要数据。,第二节 煤的燃烧反应,燃烧分类,按颗粒尺寸1细颗粒焦炭燃烧当燃用0一10mm宽筛分煤粒时，其中必然有一部分细颗粒。不同煤种所占份额会不同。另外粗颗粒煤在燃烧时经一级、二级破碎和磨耗也会产生一部分细颗粒焦炭。细颗粒焦炭一般小于50一100m。燃烧区域大部分在炉膛上部的稀相区，也会有少量在高温分离器内燃烧。部分细颗粒由于随颗粒团运动而被分离器捕集，其余部分则逃离分离器，构成锅炉飞灰末燃尽损失的主要部分。2焦炭碎片燃烧碎片尺寸相对较大，这种燃
16、烧是由一次破碎和二次破碎产生。代表性尺寸为500-1000m 。碎片在炉内的停留时间与平均床料的停留时间也很接近。对于焦炭碎片，作为飞灰逃离炉膛和由床层底部冷渣口排出炉膛的可能性不大。因此外循环倍率是影响焦炭碎片停留时间的主要因素。分离器效率高，固气比高，循环倍率也会提高，有利于焦炭碎片燃尽。3粗颗粒焦炭燃烧粗颗粒焦炭直径大于1mm，其阿基米德数比平均床料的阿基米德数要自得多。因此，这些额粒焦炭和床料间的相对速度高。这些粗颗粒一部分在炉膛 下部密相区燃烧，一部分被带往炉膛上部稀相区继续燃烧。被夹带出炉膛的这些额粒也很容易被分离器捕集后送回炉膛内再燃，因而粗颗粒在炉内的停留时间长，燃尽度高。粗颗
17、粒一般从炉膛底部的冷渣口排出。租颗粒炉渣的含炭量很低由粗颗粒煤粒产生的固体未完全燃烧损失最小。,按燃烧特征 1.表面燃烧燃烧反应在燃料表面进行。常发生在几乎不含挥发分的燃料中。 2.分解燃烧由热分解产生的挥发分在离开燃料表面后，再与氧气产生气相燃烧。常发生在热分解温度很低的固体燃料。 3.蒸发燃烧燃料在燃烧前先熔融成液体，然后再进行蒸发和燃烧。常发生在熔点较低的固体燃料。 4.冒烟燃烧对一些易热分解的固体燃料，当温度较低，挥发分无法着火时，会冒出大量浓烟，使大量可燃物质散失在烟雾中。,按燃烧方式 1.层状燃烧 2.室式燃烧 3.沸腾式燃烧,层燃法是将固体燃料放在炉排上，形成有一定厚度的燃料层。
18、大部分燃料在燃料层中进行燃烧，这种燃烧方式又称为火床燃烧。炉排是有缝隙的，允许空气自下向上流过。这样少量的细小煤颗粒会被吹到燃料层上方，它们与燃料热分解析出的挥发分及焦炭的不完全燃烧产物co一起，在燃料层上方空间中进行燃烧，形成气相火焰。,室燃法则没有燃料层存在全部燃料均在燃烧室内进行空间燃烧，这种方式又称为火室燃烧。以这种方式燃烧时，燃料与空气边混合边燃烧，并不断随同空气和燃烧产物在燃烧室内运动。为使固体燃料能够悬浮在空气中且与空气混合良好，必须将煤磨成细粉，再用空气吹入燃烧室内以进行燃烧。依照煤粉吹入形式及颗粒度的不同，室燃法又分为煤粉火炬燃烧和旋风燃烧两种主要形式。煤粉火炬燃烧与气体照料
19、和液体燃料的火炬燃烧相似，煤粉和空气的混合物由燃烧器喷入燃烧室内而发生燃烧。旋风燃烧主要使用粗煤粉，也可用小煤屑，它的特点是在圆柱形筒体炉膛内组织旋涡燃烧。采用旋风燃饶时，煤粉和空气之间的相对速度增加，煤粉在炉膛内的停留时间加长，因而容积热负荷有很大提高。,沸腾燃烧是介于火床燃烧和火室燃烧之间的一种燃烧方式。燃烧所用的燃料不是大煤块，但也不象煤粉那样细，而是中等大小的颗粒。燃料送入炉中时将先落在布风板上，当从炉留下部流入的空气具有较高速度时，燃料颗粒可被气流所“流化”，进行着类似液体沸腾那样的运动，燃料使在这种流动状态下进行燃烧。,燃烧理论,碳的燃烧过程 碳的燃烧为固相（碳）和气相（氧）之间的
20、燃烧反应，在碳表面上进行，与整个容积中进行的均匀气相燃烧反应有很大差别。 1.氧扩散到碳表面； 2.氧吸附在碳表面； 3.氧与碳进行化学反应，产生生成物； 4.生成物由碳表面解吸； 5.解吸后的生成物扩散到周围环境。,碳的反应过程要经历初级反应，以及其后的次级反应。在初级反应中，碳首先与吸附的氧气进行反应，以及生产一种处于中间状态的碳氧络合物C3O4，这种络合物在其他氧分子的撞击下再离解成 CO2和CO ，即3C+2O2 C3O4 C3O4+O2+C 2CO 2 CO2 在高温条件下，这种络合物也可能分解成 CO2和 CO ，即C3O4 2CO CO2,这些由初级反应生成的CO2和CO再与碳和
21、氧进行以下次级反应： 1. CO2与炽热的碳表面所进行的还原反应，这是一个吸热反应，表示为：CO2+C 2CO 2. CO与氧在碳周围空间所进行的容积反应，这是一个燃烧放热反应，表示为：2CO +C CO2,初级反应与次级反应间的耦合关系同温度的关系很大： 1.温度低于700 时这时由初级反应生成的CO2和CO由于温度不高， CO2和碳表面不能进行还原反应， CO也不能和氧进行燃烧反应。氧由周围环境的浓度一路递减到碳粒表面的浓度，而CO2和CO则由碳粒表面向四周扩散，故浓度一路递减。 2.温度为800 1200 时初级反应生成的CO2和CO中， CO2 仍然不能和碳产生还原反应，但CO已经能和
22、氧进行容积反应生成CO2，并形成火焰前峰。由容积反应生成的CO2与表面反应生成的CO2汇合后，再向周围环境扩散。经容积反应后，剩余的氧继续向炭表面扩散 3.温度高于1200 1300 时由于温度较高，在碳表面进行的反应加速，生成更多的CO2和CO，同时CO2和CO与碳的还原反应也因温度升高加速，增加了向外扩散的CO量。这些CO在向外扩散的过程中又与向碳粒扩散的氧反应成CO2，并形成火焰前峰。在火焰前峰处， CO2浓度达到最大，并向周围环境和碳粒表面扩散。扩散到碳表面的CO2可与碳进行还原反应，反应所需热量由火焰前峰提供。这时氧已经不能达到碳粒表面，故碳表面的反应可以认为是借助CO2作为载体，间
23、接把氧送到碳表面。,碳和氧的反应如前所述，碳的反应过程要经历初级反应生产碳氧络合物C3O4 ，然后离解成 CO2和CO。但在不同温度下这一从氧吸附到碳表面生成络合物络合物离解的过程中，每一个过程的速率是不同的，所以所其起到的作用也是不同的，并导致了CO2和CO在数量上有所不同。1.温度略低于 1300 时2.温度超过1600 时,1.温度略低于 1300 时由于温度不高，化学反应速度不高，所以对碳燃烧速率起到制约作用的是影响化学反应速度的络合物生成和离解速率，而氧溶入碳（化学吸附）的速率相对而言很高。此时碳表面几乎都被溶入的氧占据，其中一部分碳（所占份额为,0 1）表面上的氧进行络合作用，生成C3O4 ；另一部分碳表面（所占份额为1 ）上则已盖满了络合物。这些络合物正在离解。,
