第七章　煤燃烧原理与技术第七章　煤燃烧原理与技术

煤粒的燃烧

煤粉燃烧稳燃技术

煤的燃烧方式与技术

煤粉射流稳燃机理新型稳燃技术

煤的层状燃烧技术

煤的旋风燃烧技术煤的沸腾燃烧技术

煤粒的燃烧过程煤粒的热分解

碳粒的动力扩散燃烧区碳粒燃烧的异相化学反应速度

碳粒的燃烧反应机理与燃尽时间碳的气化反应及其对燃烧的影响焦炭的燃烧

煤的悬浮燃烧技术

1

7.1 煤粒的燃烧

2

7.1.17.1.1 煤粒的燃烧过程煤粒的燃烧过程煤的燃烧过程大致可分为 5 步：

◦ 干燥 100℃ 左右，析出水分；◦ 热解 约 300℃ 以后，燃料热分解析出挥发分，

为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦；◦ 着火 约 500℃ ，挥发分首先着火，然后焦炭开

始着火；◦ 燃烧 挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快

，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的 10% ；挥发分的燃烧过程为气 - 气同相化学反应，焦炭的燃烧为气 - 固异相化学反应；

◦ 燃尽 焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。

3

褐煤燃烧时温度和质量随时间的变化 4

燃料种类 可燃质中焦炭的质量份额 % 焦炭热值占总热值的份额 %

无烟煤 96.5 95

烟 煤 57~88 59.6~83.5

褐 煤 55 66

泥 煤 30 40.5

木 柴 15 20

常见固体燃料可燃质情况

5

7.1.27.1.2 煤的热分解煤的热分解一、煤的热解过程一、煤的热解过程

　　当煤加热到足够高的温度时，煤先变成塑性状态，失去棱角而使其形状变得更接近于球形，同时开始释放挥发份。 挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解过程中不同的煤有着不同程度的膨胀。

加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响；慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时则得到很小，甚至无碳。　煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大：随着热解温度的提高，挥发分产量可高达 70% 以上，即挥发分并不是一个确定不变的常数。

800K800K 38.3%38.3%

1390K1390K 48%48%

1720K1720K 60%60%

2170K2170K 71%71%

6

一、煤的热解过程一、煤的热解过程 煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦

油和气体称为挥发分。 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃

气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于：加热升温

速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间等。根据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热解：◦ 慢速热解：加热煤粒的升温速度小于 2℃/s;◦ 快速热解：加热煤粒的升温速度大于 104℃/s ；◦ 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。◦ 直径小于 100μm的煤粉在煤粉炉属于快速热分解，不到 0.1s内完成热分解。

7

热解过程：分解反应和缩合缔合反应。 1.  煤在热解过程中随着温度的上升，在 105℃ 以前主要析出吸

附气体和水分，但水分要到约 300℃ 时才能完全析出。 2. 在 200～ 300℃ 时析出热解水，并开始析出气态产物（如

CO和 CO2 等），同时有微量的焦油析出，而且随着温度的上升，煤粒会变软并成为塑性状态。

3. 在 300～ 500℃ 时，开始大量析出焦油和气体（主要为 CH4

及其同系物，以及不饱和烃及 CO、 CO2 等），即初次挥发物。

4. 在初次挥发物扩散出来通过煤粒孔隙或燃料层时，它们有可能再次分解或热解形成二次挥发物。

5. 在 500～ 750℃ 时，半焦开始热解，此时开始大量析出含氢较多的气体。

6.在 760～ 1000℃ 时，半焦继续热解，析出少量以含氢为主的气体，半焦变成高温焦炭。

8

一、煤的热解过程一、煤的热解过程煤的热解过程

快速玻璃化 孔隙中液态热解产物

沸腾，释放出气泡

此时孔隙中充满液态热解产物

初次挥发物

焦油、 CO2 、 CO 、 C2 、C6H6 、 CH4 、 H2O

半焦 孔隙加大慢速热解，温度水平为 400~600℃

快速热解，温度水平为 2000 ℃

初次挥发物 中速初次挥发物扩散通过煤粒内部孔隙或燃料层时裂解或热分解

二次挥发物CO2 、 CO 、 C2H6 、 CH4 、 H2O 、液体 + 二次焦油

半焦 慢速离解

三次挥发物饱和和不饱和 H2 和气态碳氢化合物焦炭

9

煤热解产物的产量煤热解产物的产量 煤在热分解时其析出产物产量决定因素：对煤的加热速率、加

热时的温度范围、加热的持续时间、煤颗粒尺寸、气氛压力、成分等因素。

（ 1 ）对于每一具体的加热速率，挥发分的总析出量以及挥发物中气态和液态碳氢化合物的比例随加热温度的升高而增加。

（ 2 ）如果热解的最终加热温度保持在低水平（例如 500℃）不变，则随着加热速率的增加挥发分的总析出量将增加但挥发物中气体和液体碳氢化合物的比例将减小。

（ 3 ）当热解的最终加热温度很高（例如高于 1000℃ ）时，在高的加热速率下，挥发分的总析出量及其气液碳氢化合物的比例均增加。

（ 4 ）加热温度越高，停留时间越长，同样的煤热解时析出的挥发分越多。

10

二、煤的热解反应动力学模型二、煤的热解反应动力学模型1 、一步 反应模型 煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型来描述煤粒热解

的动力学过程，并进而计算挥发物的析出速率也是一个十分复杂的问题。

RT

Eaak

d

davv

v exp0

上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型，由 Badzioch提出。

k0 — 表观频率因子； E — 视在活化能； R — 通用气体常数； T— 热解温度； av— 在时间 t 内析出的挥发分的质量； av∞— 从煤粒中析出的挥发分的最大质量。

11

2 、平行反应模型Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快速热解下由两个平行反应控制

RT

Ekk

RT

Ekk

2022

1011

exp

exp

挥发分 av1+ 剩余焦炭 ah1

挥发分 av2+ 剩余焦炭 ah2

Coal

k1

a1 1-a1

k2

a2 1-a2

cv

cc

akakad

da

akkd

da

2211

21

a1、 a2—— 挥发分在两个反应中所占当量百分数

ac—— 原煤中干燥无灰基挥发分含量

av1、 av2—— 两个反应所析出的挥发分的质量

ah1 、 ah2—— 两个反应所析出的焦炭的质量

二、煤的热解反应动力学模型二、煤的热解反应动力学模型

Stickler 给出：E1=74106 J/mol； E2=252464 J/mol ；k01=3.7×105s-1； k02=1.46×1013s-1 ；由于 E2>E1， k02>k01 ，所以在低温时，第一

个方程将起主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。

12

3 、三方程模型

Wen． C ． TChen． L． H 提出一组在惰性气体中三个同时进行的反应方程模型。该模型假定，当煤粒在惰性气体中温度升高时，在煤粒内部就会进行热分解，产生焦油和气体产物。然后，这些产物再进行下面的二次反应：

（ 1 ）从相应的官能团裂解形成较轻的气体产物。

（ 2 ）当焦油通过煤粒内孔隙扩散时所进行的聚合和分解反应。

如果假定在热解时所有的反应都是一级反应，并且服从Arrhenius 定律，则三个同时进行的反应方程可以写成下面的形式：

二、煤的热解反应动力学模型二、煤的热解反应动力学模型

13

k1

式中， X1- 在热解脱挥发分阶段煤转化为焦油的质量百分数；αc-干燥无灰基煤的密度，单位为 g/cm3 。

如原煤中焦油的干燥无灰基份额为 αT，则有

k3分解：

脱挥发分： 煤 X1 焦油 +(1-X1)焦炭

→焦油气体 （4-7）

RG=k20exp)(2

RT

E aT （4-8）

k2

cc

RT

Ek

d

d

)exp( 110

裂解：

TG RT

EkR )exp( 2

20

TT RT

EkR )exp( 3

30

14

焦油、气体的生成率 RT、 RG 如下：

在煤的气化或燃烧过程中，煤气炉或燃烧室中所析出的焦油和气体的数量。

煤热解模型的反应动力学模型

动 力 学 参 数 烟 煤 半 烟 煤 褐 煤 k10/s

-1

E1/（ J/mol-1 ）k20/s

-1

E2/（ J/mol-1 ）k30/s

-1

E3/（ J/mol-1 ）

1.1×105

88764

5.0×109

121423

5.3×104

29309

7.5×104

78297

3.5 ×1010

116189

2.5 ×104

23029

5.1×104

67829

8×1010

110956

1.1×103

16748

TG

TcT

kR

kkkXR

2

3211 )(

15

7.1.37.1.3 碳粒燃烧的异相化学反应速碳粒燃烧的异相化学反应速度度 整个碳表面上的气固异相反应包括以下的步骤： （ 1 ）氧扩散到碳表面。 （ 2 ）扩散到碳表面的氧被表面吸附。 （ 3 ）吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应产物。 （ 4 ）反应产物从表面解吸。 （ 5 ）解吸的产物从碳表面扩散出去。 整个碳表面上的反应速度取决于以上步骤中最慢的一个。 如果不考虑扩散的因素，并假定碳表面上吸附了氧的面积份额为 θ ，则

16

式中， θ －表面遮盖率，表示有气体吸附层覆盖的有效反应表面。在吸附了氧的 θ 份额碳表面积上不能吸附新的氧，只能解吸氧和碳的反应产物，解吸速率和 θ成正比： v1 ＝ k －１ θ

式中 , k －１为解吸速率常数， v1 为解吸速度。

由于在（ 1-θ）份额的碳表面积上还没有吸附氧，其吸附速率和（ 1-θ）及表面上氧的浓度成正比 vS＝ k1CS（ 1-θ）

式中 , k1 －吸附速率常数， CS－碳表面上氧的浓度， vS－吸附速度。

固体的总表面积积吸附了气体分子的表面

17

如果吸附和解吸之间达到平衡，则 k－１= k1CS（1-）

BC

C

kCk

Ck

S

S

S

S

11

1

式中， B= 。 1

1

k

k

由于氧和碳的反应只能在吸附了氧的那一部分碳表面上发生，因此， θ 越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率 V 和 θ成正比：

V=k/=k/S

S

CB

C

18

这时可能有以下三种情况：

1． B>>CS

在 B>>CS 时，由 V=k/ S

S

S CB

k

CB

C /

令

则 v=kCS (4-18)

式中， k为化学反应速率常数。

由此式可见：

（ 1 ）当 B>>CS 时，异相化学反应速率只和碳表面处氧浓度的一次方成正比，反应是一级反应。

（ 2 ）由 ，当 B>>CS 时， θ<<1 。S

S

CB

C

19

2 ． B<<CS

在 B<<CS 时，由 V= ，// k

CB

Ck

S

S

或者 V=k （令 k=k/ ）

则知：

（ 1 ）在 B<<CS 时，异相化学反应速率和碳表面处的氧浓度无关，即

V ＝ kCS0

此时反应是零级反应。（ 2 ）由 ，当 B<<CS 时， θ≈1 。

S

S

CB

C

20

3 ． B≈CS

此时只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度为中等，并有 0<θ<1 ，

由于 ， 0<n<1

此时反应为分数级反应，反应级数 n 由试验决定。

实际温度低于 800 ℃ ，碳表面氧浓度很高，属于零级反应；温度高于 1200 ℃ ，属于一级反应；而800~1200 ℃ ，一般为分数级反应。简化起见，可作为一级反应处理 。

nS

S

S kCCB

Ckv

'

21

7.1.47.1.4 碳粒的动力扩散燃烧区 碳粒的动力扩散燃烧区 一、分子转移系数

费克的分子扩散定律指出：物质的扩散转移数量与浓度梯度成正比，即

dy

dCDm

（ 4-21 ）

式中： －在单位扩散面积的质量扩散流率， mol/m2·s ；

D－质量扩散系数， m2/s ；

C－气体浓度， mol/m3 ；

y－在 y方向气体扩散的距离， m ；

式中负号表示物质扩散方向与浓度增加的方向相反。

。m

22

　　在分子的不规则运动中，除了物质的扩散转移外，还有动量转移和热量转移。

由牛顿的粘性定律可知：

dy

dF

式中： F－流体之间的内摩擦力， Pa；

v－流体速度， m／ s；

μ－动力粘性系数， Pa·s；

23

傅立叶的热传导公式为：

dy

dTq

式中： q－传导的热量流率，W/m2；

T－温度， K；

λ－物质的导热系数，W/m；

这三种转移都是以分子热运动为基础的同一物理机理。运动本身是质量转移，当介质具有非均一浓度的情况，这种转移就表现为物质交换现象；当介质中各部分存在着不同的动量或不同的热能时，这种转移就表现为动量的交换或热量的交换现象。

24

这三种现象的数学表达式的比例系数，即 D、 μ和 λ

相互之间也存在着一定的关系。

LD 3

1

L3

1

LCV 3

1

式中： －气体分子运动的平均速度；

　　　 －气体分子运动自由行程的平均长度；

　　　 ρ－气体的密度；

CV －气体的定容比热。

L

25

L

3

1

LCV

3

1

VCD

运动粘滞系数 = ，而导温系数 a=λ/ρCV ，故

D≈v =a

/

表给出几种气体在一个大气压和 0℃ 下的三种系数值。可以看到，每一种气体分子的扩散系数 D ，运动粘滞系数 γ 和导温系数 a具有相同数量级的数值，数值上接近。通常把这三个系数称为分子转移系数。

26

几种气体的分子转移系数值

气体名称 D 610 （m2·s- 1）

610 （m2·s- 1）

a610

（m2·s- 1）

空气 18. 1 13. 7 18. 0

氧气 18. 9 13. 5 18. 6

氢气 129. 0 94. 7 136. 0

一氧化碳 17. 5 13. 3 18. 1 二氧化碳 10. 4 7. 0 8. 9

动量传递、热量传递、质量传递。牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律分别为 τ=-υdu/dy ； q=-λdT/dy ； J=-ρDABdYA/dy

普朗特数 Prandtl： Pr=υ/α衡量动量传递与能量传递的快慢之比施密特数 Schmidt： Sc=υ/D 动量传递与质量传递的快慢之比刘易斯数 Lewis： Le=α/D 衡量能量传递与质量传递的快慢之比描述动量、热量和质量的规律有相似的数学表达式和相似的准则数（普朗特数、施密特数、刘易斯）叫三传的比拟。

27

碳颗粒表面氧气浓度分布

二、氧气在碳粒表面上的扩散规律

设空气流中氧气的浓度为 C∞ ，碳粒表面上氧气的浓度为 CS ，在浓度差的作用下氧气向碳粒表面扩散，如图为空气流流经球状颗粒时的扩散情况。

28

sdr

dCDmo

2

242

r

dr

D

mdC o

SC

C

r

r

o

r

dr

D

mdC

02

2

4

式中： S＝ 4πr2

可得

积分得

由扩散定律得到，氧气从空气流向碳粒表面扩散的数量为：

29

01 r

DaZ

称 azl 为质量交换系数。

201 4

2rCCam Szo

单位面积的氧扩散流率 , mol/(m2s)2( )O zl Sm a C C

30

对于单位颗粒面积，氧的扩散流率为

Szlo CCam

2

式中： －氧从远处（或主流体）扩散到碳粒表面 的流率，mol/m2·s；

azl －质量交换系数，m/s；

C∞ －远处（或主流体）的氧浓度，mol/m3；

CS－碳粒表面处的氧浓度，mol/m3。

2om

碳粒表面氧化反应速度以燃烧反应耗氧量为基准时 , 则

Soo kCVm

22

31

式中： k－表面氧化反应速度常数 ,则得到

kCS＝ az1（ C∞-CS）

C

kkC

zl

zlS

代入式 得Soo kCVm

22

KZ称为碳粒表面燃烧反应的折算反应速度常数。 则：

Ckm zo232

三、碳表面燃烧反应区的类型

根据化学反应速度常数 k与质量交换系数 az1 之间的关系，碳粒表面的燃烧反应存在着三种不同的类型（或称三种燃烧区）。

1 、动力燃烧区（动力区）

当温度较低时，化学反应速度常数很小， k<<az1，则得

KZ＝ k

kCmo2

碳粒表面上的氧浓度十分接近于远处（或主气流中）的氧浓度 C∞， CS≈C∞ 。

33

2、扩散燃烧区（扩散区）

当温度很高时，化学反应速度常数很大， k>>az1，则得

KZ＝ az1

故：

碳粒表面的氧浓度很低，几乎为零， CS ≈ 0。

3、过渡燃烧区（过渡区）

当 K与 azl相差不大 ，总的燃烧速度仍须按式 计算。由于这时的燃烧工况处于扩散控制和动力控制之间(过渡燃烧区或过渡区 )。这时碳表面的氧浓度介于扩散和动力燃烧之间， 0<CS<C∞。

Cam zlo2

Ckm zo2

34

碳燃烧速率与温度的关系

1— 动力区； 2— 过渡区； 3— 扩散区

与燃烧面的距离 y

碳燃烧过程中其表面附近氧的浓度分

1— 动力区； 2 ， 3— 过渡区； 4— 扩散区

煤粉直径为 100µm，约在 1900K以上，燃烧反应才能进入扩散区。一般固态排渣煤粉炉火焰中心温度 1750K。煤粉炉的燃烧一般处于动力控制燃烧或过渡燃烧区。

35

7.1.57.1.5 碳粒的燃烧反应机理与燃尽时碳粒的燃烧反应机理与燃尽时间 间

碳粒的燃烧是一个气固间的异相反应过程，此时碳和氧之间的反应是在碳的吸附表面上进行的。在氧化气氛下的燃烧反应：

C+O2=CO2+40.8×104 KJ/mol

2C+O2=2CO+24.5×104 KJ/mol

另外产物 CO 在靠近碳表面的气体边界层中如果与氧相遇，还会发生下面的燃烧反应：

2CO+O2=2CO2+57.1×104 KJ/mol

在一定的温度条件下或当碳表面处有水蒸汽存在时，碳还会发生气化反应：

C+CO2=2CO-16.2×104 KJ/mol

C+H2O=CO+H2-11.9×104 KJ/mol

36

碳的晶格结构碳的晶格结构

石墨的晶格结构：六角形组成的基面叠结而成。晶体内部每个碳原子三个价电子在基面内形成稳定化学键，第四个价电子则分布在基面之间的空间内，键的结合力较弱。

37

◦ 常温下常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。物理吸附不能发生化学变化。

◦ 温度较高时温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成 CO和 CO2 。

◦ 温度很高时温度很高时，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为 CO和 CO2 气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分子。

碳的晶格结构碳的晶格结构

38

一、碳和氧的燃烧反应机理

三种观点

1 、认为 CO2 是初级产物，即在碳粒表面上所进行的化学反应： C＋ O2＝ CO2

所生成的 CO2 与炽热的碳相互作用 C+CO2=2CO,

形成了二次产物 CO 。

2 、认为 CO才是初级产物，即在碳粒表面上所进行的化学反应是： 2C＋ O2＝ 2CO

所生成的 CO 在脱离固体表面向外扩散的途中与 O2 相遇进行反应才生成 CO2 ，即 2CO＋ O2＝ 2CO2

39

3 、碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成 CO和CO2

在碳粒表面上进行的化学反应， CO2 和 CO 这两种产物是同时出现的，但随着反应温度的变化，产物中 CO2 与 CO 的比例不同。这个观点被迈耶等人的实验所证实，他们的实验结果如下：

温度在 1300℃ 以下时，碳和氧的反应机理◦ 物理吸附为主，反应过程为一级反应；◦ 氧分子落入碳晶格内生成络合物。

3C+2O2 = C3O4

◦ 由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应：

C3O4+C+O2 = 2CO2+2CO

◦ 简化方程式可写成：4C+3O2 = 2CO2+2CO

其产物中 CO2 与 CO 的比例是： 1 ： 1

40

温度在 1600℃ 以上时，碳和氧的反应机理 高能氧分子份额增多了，但同时已溶解的氧分子的解脱作用也

加大了； 碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成； 高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应取决于

较慢的化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反应。

化学吸附形成络合物：3C+2O2 = C3O4

高温下自行热分解C3O4 = 2CO+CO2

简化方程式可写成：3C+2O2 = 2CO+CO2

其产物中 CO2 与 CO 的比例是： 1 ： 2 ；

在温度为 1200～ 1600℃ 的范围内，得到了一些不大确定的结果。

41

二、碳粒的燃尽时间 1 、简单的计算公式

1916年努谢尔特提出了碳粒燃烧速度与燃尽时间的计算方法。假定

（ 1 ）碳粒燃烧处于扩散区，表面氧浓度很小，可以认为 CS≈0 ；

（ 2 ）碳球表面进行的反应是 C＋ O2＝ CO2 ，产物 CO2向外扩散，且 CO2 不与固定碳发生二次反应，即没有 CO 产生；

（ 3 ）碳球处于静止的空气中燃烧，即碳球与周围气体没有相对运动。努谢尔特准则为常数，即

式中： az1－质量交换系数；

δ －碳粒直径；

D－氧的扩散系数。

8

0.6 1/3

Re (20 ~ 150) 10

2 0.37 Re Pr

0 Re 0

2

zl

zlzl

Nu

aNu

D

实验研究得到 范围内，

碳粒与气体相对速度为 ，

42

在扩散燃烧区，根据碳球燃烧速度公式， KZ≈az1，所以碳表面氧消耗率为

＝ az1C∞

式中： az1－质量交换系数；

C∞－主流体（或远处）的氧浓度。

努谢尔特假定反应方程式为 C＋ O2＝ CO2，那么碳的消耗量与氧的消耗量之间的比例为：

2om

11

1i )(/)( 2omolcmol

因此碳的消耗率为2oc mim

cm

=iaz1C∞

43

2

D

aNu zl

zl

使D

azl 2

CD

imc

2则

44

整个碳球的表面积 S= πδ2 ,所以整个碳球的燃烧率为 :

CD

imc 22

如碳球的密度为 ρc ，碳球在燃烧过程中半径的变化率为 ，则

d

d

2

1

diDC

dC

4

碳球开始燃烧时，直径为 δ0；经过 τ时间的燃烧以后，碳球直径为 δ,积分上式可得

d

iDCd

C

0

40

设 C∞和 D不随时间变化，那么

45

C

iDCK

8

上式称为碳球燃烧的直径平方－直线定律。

碳球燃尽时， δ＝ 0，所以碳球燃尽时间为

K 20

2

Kr

20

∴

2、修正后的计算公式：

对三条假设作若干修正以推导较为普遍适用的碳粒燃尽时间计算公式。

(1) 煤粉燃烧一般发生在过渡区。因而，氧消耗率表示碳粒燃烧速度公式采用更为普遍的式子：

46

k

Cm

zl

O 112

（ 2）实际碳粒燃烧反应包括许多其它反应式。因而碳氧消耗量比用 β表示。以碳耗率表示的碳球燃烧速度公式为：

k

Cmm

zl

Oc 112

（ 3）煤粉燃烧中，煤粉随气流飘动，即煤粉在气流中燃烧，煤粉周围气体中的氧浓度 C将随时间而不断降低。所以碳球表面燃烧速度应为

k

Cm

zl

c 11

47

由于碳球随气流飘动，碳球与气流之间没有相对运动，其努谢尔特准则 Nuzl＝ 2

∴

代入 得 r

DDaZ

21

D

r

k

Cmc

1

设碳球的原始半径为 r0，经过时间 τ燃烧。碳球半径减少为 r，令 y＝ r/r0。则碳球剩留的份额为 y3。而烧掉的份额为 (1－ y3)。

碳球周围气体中原始氧浓度为 C0，其相应的过量空气系数为 α0。经过 τ时间燃烧气体中氧浓度降低为 C，相应的过量空气系数为 α0-(1-y3)。

k

Cm

zl

c 11

48

0

30

0

30 )1()1(

yy

C

C

∵

代入式 得

D

yr

k

yC

mc

0

0

30

1

)1(

又有：

由以上二式可得 :

d

dyr

d

drm ccc 0

dyy

C

D

yr

kr

dC

0

30

00

)1(

)1

(

D

r

k

Cmc

1

49

当 τ＝ 0时，碳球半径为 r0，则 y＝ 1；

当 τ＝ τr（燃尽时间）时，碳球半径 r＝ 0，则 y＝ 0。

])1(

2

)1(

2[

2

)1(

)1

(

1

0 30

01

0 30

0

0

20

0

1

0

30

00

dyy

ydy

ykr

D

DC

r

dyy

C

D

yr

kr

d

c

C

r

r

令

则得： )()1( 01

1

0 30

0

dyy

)()1( 02

1

0 30

0

dy

y

y

)()(

)(21

2 0202

01

0

20

kr

D

DC

rCr

50

函数 和 )( 01 )( 02

函数 和 的数值曲线示于上图。由于它们十分接近，故可认为

)( 01 )( 02

1)(

)(

02

01

51

于是式 变为

)(2

12 02

0

20

kr

D

DC

rCr

或以碳球原始直径代入上式，可得

)(2

18 02

0

20

kr

D

DCC

r

当原始过量空气系数 α0 趋于无穷大时， φ2(α0) =1 ，此时，碳球燃尽时间最少，称为最小燃尽时间：

0

20

min

21

8 kr

D

DCC

当温度很高，燃烧处于扩散区， k>> 时，则可得： 0r

D

02

0

kr

D

)()(

)(21

2 0202

01

0

20

kr

D

DC

rCr

52

DCC

8

20

min

得到与努谢尔特简单计算公式

有相同的结果。 三、碳燃烧中碳氧消耗量比率 β的数值

在碳球表面上发生的氧化反应为：

4C+3O2=2CO2+2CO

3C+2O2=CO2+2CO

碳球表面发生的气化反应为：

C+CO2=2CO

在碳球附近空间进行的一氧化碳燃烧反应为

2CO+O2=2CO2

C

iDCK

8Kr

20

53

33.13

4

2 、当温度为 800～ 1200℃ ，在碳球表面及其附近小空间内进行着两个反应，即：

1 、当温度低于 700℃ 时，碳球表面发生的反应是按式 4C+3O2=2CO2+2CO 计算，碳氧消耗比为：

4C+3O2=2CO2+2CO

2CO+O2=2CO2

综合结果为：

4C+4O2=4CO2

即在碳球界面上，每四摩尔氧消耗四摩尔碳，则： 1

4

4

54

3 、当温度超过 1200℃ 时，按式 C+CO2=2CO 进行。

二氧化碳扩散到碳粒表面发生气化反应：

2CO2+2C=4CO

其综合结果为： O2+2C=2CO ，

其碳氧消耗比为：2

1

2

这是个极限值，即在锋面形成的 CO2 全部扩散回到碳表面，实际上 β值总要小于 2 ，最大值是趋于 2 。

55

56

谢苗诺夫准则定义： Sm= zl/ k

◦ Sm > 10，动力燃烧区；◦ Sm=0.1~10，过渡燃烧区；◦ Sm<0.1，扩散燃烧区。

碳燃烧速度：碳在单位时间、单位表面积上燃烧的质量。先考察碳燃烧时氧量的平衡

◦ 碳燃烧反应的氧量ws

0 = kCs

◦周围扩散到碳表面的氧量vO2 = zl (C∞-Cs )

◦ 平衡状态， ws0 = vO2

即： kCs = zl (C∞-Cs )

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

为计算碳燃烧的速度，必须求解 k 和 d

◦ 化学反应速度常数k = k0 exp( -E/RT )

◦ 扩散速度常数 d = Nuzl D /

上上上上上 uzl—— 扩散的 Nussellt数， Nuzl= zl / DD—— 扩散系数—— 碳粒直径

Re35.01

Re35.02

eNud

利用经验公式求解 Re 很小时， Nud≈2 ；Re>100时， Nud=0.7Re0.5

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

由于 Sm= a zl/ k, 谢苗诺夫准则可以表达为：

RT

Ezlzl

m

ek

DNu

k

DNuS

0

从上式可以看出，影响 Sm 的因素包括以下几项：• 火焰温度 T ；• 气流相对速度 w ；• 活化能 E ，频率因子 k0 ；• 煤的粒径。

zlzl

aNu

D

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

上述各参数对谢苗诺夫准则的影响表现为：温度 T

2~5.1,,,

,exp,

00

mST

TDDT

SRT

ET

m

m

m

Sm↓ ， T↑ ，趋于扩散区

气流相对速度 w

mzl S

wffNuw ,(Re),

趋于动力区

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

反应活化能 E（煤质）和频率因子 k0 （煤质）

m

m

Sk

SRT

EE

,

,exp,

0

趋于动力区趋于扩散区

燃料粒径

md

m

Sw

ffNu

S

,(Re)

,

总的趋势，趋于扩散区

例如：粒径 10mm 时， T=1000℃进入扩散燃烧区 粒径 0.1mm 时， T=1700 ℃进入扩散燃烧区

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

例题：◦无烟煤，煤粒 =60m，炉温 1300℃, 煤粒气流之间的相对

速度 w=5m/s ，煤粒反应活化能 150kJ/mol ，频率因子k0=14.9×103m/s ，判断该燃烧处于何燃烧区?计算碳燃烧速度。

在燃烧中，

≈D=D0(T/T0)m=1.98×10-5[(1300+273)/273]2=657×10-6m2/s

Re=w/=5×60×10-6/657×10-6=0.46

Re 很小，按 Re≈0 处理，则 Nuzl=2

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

azl=DNuzl/=657×10-6×2/60×10-6=21.9m/s

10140156.0

9.21

m/s156.0109.14exp )2731300(3.8

10150

30

3

kS

eRT

Ekk

zlm

上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上℃℃时，时，碳表面反应为 碳表面反应为 4C+3O4C+3O22=2CO=2CO22+2CO+2CO

化学当量比化学当量比 ii=4×12/3×32=0.5=4×12/3×32=0.5

1300 1300 ℃℃时时空气密度空气密度 =1.293×273/(273+1300)=0.224kg/m=1.293×273/(273+1300)=0.224kg/m33

氧在空气中的质量百分数氧在空气中的质量百分数 23.2%23.2%

氧的质量浓度氧的质量浓度 CC∞∞=23.2%×0.224=0.052kg/m=23.2%×0.224=0.052kg/m33

碳燃烧速率碳燃烧速率 VVsscc==ikCikC∞∞=0.5×0.156×0.052=4×10=0.5×0.156×0.052=4×10-3-3kg/(mkg/(m22s)s)

四、影响燃烧速度的因素四、影响燃烧速度的因素

7.1.67.1.6 碳的气化反应及其对燃烧的影响碳的气化反应及其对燃烧的影响

一、碳与二氧化碳的气化反应

对于碳和二氧化碳的反应：

C+CO2=2CO-162KJ/mol

其 CO2 消耗率为

64

22 ,COSCO kcm mol/m2

反应速度也可以用碳球单位表面积上碳的消耗率来表示：n

COc kPm2

mol/m2

反应速率常数 k用阿伦尼乌斯方程表示：

RT

EAk exp

碳与二氧化碳为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反应。

CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解成 CO ，解析离开碳表面。

由于 CO2 的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此这一反应只 有在温度很高时才能显著起来。

T<400℃ ，仅存在物理吸附，没有任何化学反应；T>400℃， CO2 的固溶络合和化学吸附络合开始显；T>700℃ ，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解；T>950℃ ，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受 CO2撞击分解；温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程。

“ 碳的氧化反应和气化反应相比，究竟哪一个速度快？” 往往是

锅炉和冶金炉燃烧技术上感兴趣的一个问题。

碳的氧化反应的活化能较小一些，表现为一根稍平缓的直线。

碳与二氧化碳的气化反应的活化能大一些，表现为一根较陡的直线。

比较后知，氧化反应的速度常数在 1200 —℃1500℃ 的范围内比气化反应的速度常数要大 10～ 30倍。

氧化反应氧化反应：强烈的放热反应，如强化，放热 更多，温度更高，反应更加剧， 其强化是自我促进强化是自我促进的。

气化反应气化反应：强烈的吸热反应。如一时强化， 吸热增多，温度降低，则反应减 缓，其强化是自我阻抑强化是自我阻抑。

二、碳与水蒸汽的气化反应

碳与水蒸汽的反应也是一种吸热反应：

C+H2O(g)=CO(g)+H2(g)-123 KJ/mol

吸热反应，反应级数一般认为是一级反应；C与 H2O 的反应速度约比 C与 O2 的反应速度快 3

倍；水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引起的，起决定性环节是中间络合物的生成和分离。

一氧化碳的歧化反应 歧化反应：某种物质因原子不均匀分配而转化成两种不同 物质的反应。

—— 二氧化碳还原成一氧化碳的气化反应的逆反应。22 162CO CO C KJ

该反应为放热反应，是气化反应的逆反应； 在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和燃油炉， 这是一个重要问题。 温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度太低，也不能析碳，仅在 200~1000℃ 的温度范围内，才可能析碳。 岐化反应的最大速度出现在温度为 400~600℃范围内。

三、气化反应对碳球燃烧的影响 碳球燃烧时，除了碳与氧的初级反应外，还受到碳的气化反应及一氧化碳与氧的燃烧反应的影响。所有这些反应在不同温度下以不同方式组成了碳球的燃烧过程。

气化反应、氧化反应速度常数与温度的关系

对于同一种焦炭，气化反应速率 k2 常数与氧化反应速率常数 k1 相等的临界温度 2347 ℃T<2347 ℃ 时 K2<K1

T>2347 ℃ 时 K2>K1

T=1267 ,℃ 各种焦炭 K2

相等T=967 ,℃ 各种焦炭 K1

相等T 在 1200 ~1300 ℃ ℃之间， K1=10K2

1 、当温度低于 700℃ 时，碳球在空气中的燃烧情况如图所示。在碳球表面上进行下面的初级反应： 4C+3O2=2CO2+2CO

温度低于 700℃ 时碳球的燃烧

2 、 温 度 在 700-1200℃

范围内，碳球在空气中燃烧情况如图所示。碳球表面与氧的初级反应

4C+3O2=2CO2+2CO

温度在 800-1200℃ 之间时碳球的燃烧

3 、当温度高于 1200℃ 时，碳球在空气中的燃烧情况如图所示。碳球表面的初级反应为：

3C+2O2=CO2+2CO

温度高于 1200℃ 时碳球的燃烧

碳燃烧随温度变化的情况如图。

红色虚线 I表示低温下碳与氧 4C+3O2=2CO2+2CO 的燃烧反应；蓝色虚线Ⅱ表示 C+CO2=2CO 的气化反应。

7.1.7 焦炭的燃烧 焦炭与碳的主要差别在于焦炭中存在着均匀分布的灰分且内部存在孔隙，讨论焦炭的燃烧规律就变成了讨论孔隙和裹灰对于碳燃烧的影响规律。

一、孔隙对碳燃烧的影响

半径为 r的有孔隙的碳球，其外表面积为 S=4πr2 ；若碳球的单位体积所具有的内部孔隙表面积（称为内表面积）为 Sn ，则碳球的内表面积 ΔS=4/3πr3Sn ；碳球总表面积为：

nZ SrrSSS 32

3

44

)3

1 nZ Sr

SS

1 、当温度较低，焦炭的燃烧反应不仅发生在外表面，也在全部内表面上进行。一般计算时以外表面积为基准，把反应速度常数 K增大（ rSn/3 ）倍。

krs

k n )3

11

式中 k1- 有孔隙的碳粒燃烧反应速度常数；

k-没有孔隙的碳粒燃烧反应速度常数。

2 、当反应温度很高，化学反应速度很大时，燃烧只在碳球的外表面进行。孔隙对碳球燃烧速度没有影响。计算燃烧反应速度时，反应速度常数 k1仍然采用没有孔隙的碳球燃烧反应速度常数 k值。

3 、在一般情况下，氧气能够渗入碳球的部分内表面，使得燃烧反应不仅在外表面进行，也在部分内表面发生。若渗入的内表面积占整个碳球内表面积的份额为 ε，这样，碳球燃烧反应速度就比没有孔隙的碳球提高 倍。可以认为是反应速度常数增大 倍。显然， ε在 0 ～ 1之间变化。

)3

nrs

)3

nrs

对于各种情况下有孔隙的碳球燃烧，以外表面为计算基准的反应气体交换常数 ab 与没有孔隙的碳球反应速度常数 k之间便有如下的普遍关系式：

)3

1 nb Sr

ka

对于没有孔隙的碳球，其燃烧速度：

CKm ZO2

k

k

zl

Z 111

对于有孔隙的碳球，反应速率常数 k须用反应气体交换常数 ab代替

bzl

O

a

Cm

112

如图所示为一裹灰焦炭的燃烧情况。焦炭球的原始半径为 r0 ，经过一段时间的燃烧，焦炭球的可燃质核心已减小为半径 r ，灰壳的厚度为（ r0-r ），远处氧浓度为 C∞ ，扩散系数为 D ，灰壳表面的氧浓度为 C/

S 。灰壳内的扩散系数为 Dh ，可燃核表面的氧浓度 CS 很低，如果燃烧反应处于扩散区，则 CS=0 。氧气在灰壳中的扩散系数 Dh 可用下式计算：

裹灰焦炭的燃烧

1- 焦炭核心 2-灰壳

DD hh

二、灰壳对碳燃烧的影响

式中 εh 为灰壳的孔隙率，按下式计算

εh=1-A

A-焦炭的灰分， A<1 。

氧从远处扩散到灰壳表面的流速可以根据式

求得：0

//

0 1)(4

)(42

r

CCDCCDrm S

SO

氧穿过灰壳向核心扩散流速可从式 得到：

0

/

0

/

114

11)(4

2

rr

CD

rr

CCDm ShSSh

O

由于灰壳不与氧发生反应，所以到达灰壳的氧全部扩散到核心表面。于是上述两个氧流速必然相等。

201 4

2rCCam Szo

2OS

0

m 1 1(C -C )= ( )

4 D r r

r

DDaZ

21

即

)11

(14

114

1)(4

0

/

0

/

0

/

2

rr

DC

rr

CD

r

CCDm

h

SShSO

整理得 )

11(

14

)11

(11

4

)11

(11

)(44

00000

//

2

hhhh

SSO

r

rrDC

rrr

DC

rrr

CCDDCm

根据碳氧消耗比率，对于焦炭核单位面积上的碳燃烧速度 mc 为

242

r

mm o

c

)1

1(1

/

0 hh

c

r

rrDC

m

式中 β—碳氧消耗比率；

又可有：

d

drm cc

rdrr

r

DCd

hh

C )]1

1(1

[0

边界条件为 τ=0， r=r0； τ=τ0， r=0 ；

积分得焦碳的燃尽时间 τ0 为

)3

1

3

2(

2

20

0h

C

DC

r

根据式 ，对于不裹灰的碳粒在扩散区燃烧时，半径 r 的碳球燃烧速度为

r

DCC

DmC

2

根据式 ，不裹灰的碳粒燃烬时间为

Cr DC

/8

20

CD

imc

2

DCC

8

20

min

DC

rCr

2

20

裹灰使碳粒燃烧速度的降低倍数： )

11(

11

0 hh

c

c

rrm

m

裹灰所引起的焦炭燃烬时间的增大倍数： hr

3

1

3

20

由上式计算，即使焦炭的内在灰分 A达 30%(即 εh=0.7) 。焦炭燃烧掉 50% ，裹灰使燃烧速度降低 8% ，整个焦炭球燃烧时间增加 14% 。

实际上在燃烧过程中，灰壳可能熔融剥落，也会因颗粒相撞而剥落。这些都使得裹灰影响变轻，一般煤粉炉燃烧计算中也往往不必考虑灰分对煤粉燃烧的影响。

7.27.2 煤的燃烧方式与技术煤的燃烧方式与技术

84

煤的燃烧概论煤的燃烧概论

一、煤燃烧方式分类燃烧方式分类

燃烧过程取决于：输送至煤粒表面处的氧浓度——气体流动工况 ;煤粒所处的温度水平——燃烧设备

气体流动状态不同煤燃烧方式分为：层状燃烧、沸腾燃烧、悬浮燃烧。

各种燃烧方式下燃烧的共性问题 着火问题 燃尽问题 防结渣和高温腐蚀问题 燃烧污染物控制问题

控制煤燃烧过程的关键要素 温度控制 混合过程控制

二、着火热 Qi

煤和气流进入燃烧室到实现着火燃烧所需要吸收的热量

来源热烟气放热——占 10%~30%炉壁热辐射——占 70%~90%

组成干燃料升温所需要的热量，约 20%空气升温所需要的热量，约 70%水分升温所需要的热量，约 10%

由下数据发现，燃料挥发分越低，含碳量越高，煤的着火热越大，着火温度越高

◦ Vdaf=20% 的烟煤， Qi=1050kJ， Ti=840℃

◦ 煤气 ， Qi=840kJ， Ti=600℃

◦ 无烟煤 ， Qi=1300kJ， Ti=1000℃

三、影响着火热的因素燃料性质的影响

挥发分。煤粉气流的稳定着火在很大程度上取决于所析出的挥发分在其点燃后于一次风发生反应所形成的高温燃烧产物来维持的

煤中灰分。灰分增加，燃料消耗量增加，造成着火热增加

水分。水分增加，着火热增加与煤一同送入燃烧室的风量的影响

风量增加，着火热增加，着火推迟。 理论上保证挥发分完全燃烧的一次风份额和该煤种

的干燥无灰基挥发分含量相当。 在实践上，对不同煤种即根据挥发分含量，也同时

根据煤粉输送过程等经验确定所采用的一次风份额

风温的影响一次风温对煤粉气流影响很大，提高一次风温可降低着火热。如果一次风气流的初温为 20℃时着火热记为 100% ，那么当风粉混合物温度为300 ℃时，其着火热可降低至 40.5%

其他因素燃烧器的空气动力工况：例如旋流燃烧器制造的回流区会引入高温烟气并被卷吸入煤粉气流可改善着火条件

四、改善煤着火的措施控制煤的粒度

上 煤的粒度减小，比表面积增加，强化了换热过程控制煤的含水量

上 减小入炉煤的含水量，有利于降低着火热中水分吸热量的份额

控制空气量上 减少着火区域的空气供给，降低空气吸收着火热的

份额上 空气量的供给在优先满足输送的前提下尽可能降低上 燃烧所需的剩余空气在煤着火后再行供给

在着火区域创造局部高温区上 回流区等是强化烟气与煤和空气换热的有效手段上 减少着火区域受热面积，降低受热面的吸热份额，

提高壁面的热辐射能力是强化辐射换热的另外手段

五、一次风和二次风由于空气吸热占着火热的比例非常高，降低空气吸

热量是减小着火热的重要举措把空气分批送入燃烧室，可以有效降低着火热，由

此，把空气分为一次风和二次风 一次风——在煤着火前与煤一起或者单独送入燃烧

区域，供给挥发分着火所需氧的空气流 二次风——在煤的挥发分着火后，后期补入燃烧室

的空气流对煤粉燃烧过程而言

一次风两个作用——输送煤粉和供给挥发分着火所需的氧

二次风两个作用——补充焦炭着火用氧和保证燃料与空气的混合

六、煤的燃尽任务：保证焦炭在一定的燃烧室空间充分燃尽控制要素

温度 氧气和煤的混合 停留时间

燃烧温度 T>1700℃ ，燃烧进入扩散控制区 实际燃烧过程，温度在 1000~1500 ℃ 之间，燃烧过程处

于动力和扩散控制区双重控制之下 T 提高，燃尽效果改善

氧浓度 维持一定氧浓度有利于提高燃尽率 对于煤粉燃烧过程，保证燃烧室出口过量空气系数>1 。对

于贫煤和无烟煤， 1.2~1.5 ；对于烟煤， 1.15~1.2 加强燃尽区燃料和空气的混合，保持燃尽区空气射流具有一

定的穿透能力停留时间

延长燃料再燃尽区的停留时间有利于燃料充分燃尽 停留时间的延长意味着燃烧室体积的增加，进一步需要增加

燃烧室的材料消耗，增加设备造价燃料特性

碳含量高，不利于燃料燃尽 煤粉越细，越有利于燃料燃尽

保证煤燃尽的主要措施保证煤燃尽的主要措施

7.2.17.2.1 煤的层状燃烧技术与装煤的层状燃烧技术与装置置煤的层状燃烧：一种最古老也是最普遍的燃烧方式

。它的特点是煤被放置在炉排上，形成一定厚度的燃料层，在燃烧过程中，煤不离开燃料层，故称层燃。层燃时燃烧所需空气由炉排下面送入，燃料层的运动和空气—烟气的流动无关，但燃料层的稳定性却取决于通风强度。

一、 层状燃烧方式的分类层状燃烧根据燃料和空气供给方式的不同，可分为逆流式、顺流式和交叉式三种。

93

94

逆流式（上饲式）　顺流式（下饲式）　交叉式（前饲式）

燃烧状态：大部分燃料在炉栅上燃烧，可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧

燃料从炉室上方投入，空气（一次空气）从燃料层下方自下而上输入，二者方向恰好相反。这种燃烧方式不论用什么燃料都能可靠地着火。这种燃烧方式只适用于小型炉子。此外，由于固定床本身燃烧特性所限，燃烧效率较低。

燃料的投入方向与一次空气的供给方向相同，燃料与空气同时从炉室下方加入。燃用燃料一般不宜燃用水分高、挥发物少、灰分高而焦结性强的燃料。下饲式锅炉的燃烧就属于顺流燃烧方式。

燃料从煤斗下来落在缓慢移动的炉排上，逐渐向炉子深度方向移动；空气则从炉排下自下而上引入，因而燃料的供给与空气的输入互相相交。

层燃炉特性参数层燃炉特性参数炉排面积可见热负荷：单位时间内单位面积炉排上燃料燃烧释放出的全部热量

95

,net arA

BQq

A

炉膛容积可见热负荷：单位时间内单位炉膛容积中燃料燃烧所释放的全部热量。

实际燃烧过程中燃料分别在炉排上和炉膛空间中释放 出来的热量难以区分，同时不考虑不完全燃烧热损失，所以采用“可见”二字。

炉膛高度

96

,net arV

BQq

V

A

V

qH

q

炉排通风面积比：炉排面上通风孔总面积与整个炉排面积的比值。

炉排片冷却度：炉排上表面煤层加热，而其两侧则受到空气的冲刷冷却。通常采用空气冲刷炉排侧面积（炉排片冷却面积）与同煤层接触的炉排片表面积（炉排片受热面积）的比值来表征气冷却特性。

97

100%w

t

ff

f

2100%

hw

b

层燃主要类型和设备层燃主要类型和设备人工加煤层燃炉（手烧炉）

98

链条炉链条炉

99

往复炉排炉往复炉排炉

100

振动炉排炉振动炉排炉

101

抛煤机炉抛煤机炉

102

103

二、层状燃烧过程

煤的工业燃烧过程阶段的顺序图

（ I）燃料经过预热和干燥阶段

（Ⅱ）可挥发的气态物质析出，同时成焦

（Ⅲ） 燃料开始燃烧。这时挥发物与焦炭的燃烧是分别进行的。

固定床燃料层的组成及沿床高的气体分布

（ a） 顺流式 （ b）逆流式

1. 固定床层状燃烧过程

如图所示的燃料层，上面是刚投入的新燃料，其下为灼热燃烧的焦炭层，而靠近炉篦的则为灰渣层。新燃料（煤）加入炉内后，自上而下经历预热、干馏、 CO还原、氧化和燃尽成灰渣等阶段，完成了整个燃烧过程。同时空气从炉篦下面穿过煤层进入炉内。

（ 1 ） 着火与燃烧

由炉门投入的新煤，直接铺洒在正在燃烧的炽热的焦炭层上。由于上下受热，温度很快升高（超过 1000℃ ），释出水分进行干燥、预热，同时分解出挥发物。这是燃烧的第一阶段—预热、干馏阶段。

新煤着火后逐渐燃烧而下落。在焦炭层中燃烧形成的熔融灰渣自上而下流动时，与自下而上进入的冷空气相遇被逐渐冷却，到达炉篦时已硬结成固态的灰渣，最后被排出炉外。靠近炉篦的灰渣层，可起到隔热作用。但若煤中灰分太少，炉篦的冷却就会处于不利状态。

（ 2 ）氧化区与还原区

空气与赤热的焦炭相遇时，空气中的氧与碳化合，进行燃烧反应，生成二氧化碳和一氧化碳，并放出热量。这一阶段就是氧化区。

已生成的二氧化碳继续上升，与上面的炽热焦炭相遇而被还原生成一氧化碳。这一区域为还原区。

温度和二氧化碳上升到最大值时（该处≈ 1 ），即为氧化区与还原区的分界处。

氧的浓度对 CO和 CO2 生成量的关系

将 CO 与 CO2 的生成量作为氧气浓度的函数作图，可以发现：在 氧 气 浓 度 足 够 高 的 区 域内， CO与 CO2 的生成量与氧气浓度的消耗的规律。 在一般情况下，还原区厚度要大于氧化区。一般还原区厚度可以是煤粒直径的 4 倍以上。

层状燃烧可以分成两个部分：煤层中的燃烧与来自煤层中的可燃气体在煤层上方空间的燃烧。

最合理的煤层厚度应通过试验确定，它应在较小的过量空气系数下具有最小的化学不完全燃烧损失。一般其厚度约为100～ 250mm （不包括灰渣层）。

（ 3 ）燃烧的周期性 固定层燃床燃烧有一个最根本的缺点，就是过程的周期性或称间歇性。在一次加煤的周期快结束时，炉子出力降低；在加煤周期中间，出力增大，形成波浪的起伏，降低了炉子的经济性。 燃料周期性地投入，使炉内燃料层厚度不断地改变。在固定火床炉中，燃料燃烧时不是空气不足就是空气过剩，因而燃烧效率一般比较低。这种“一会空气不足，燃烧不完全；一会儿空气过剩，排烟损失增加”的现象，称为燃烧过程的周期性。

如图所示燃烧过程的周期性。

曲线 1 表示进入炉膛中的空气量

曲线 2 表示燃料燃烧时真正需要的空气量

曲线 3 表示进入炉膛并实际参与燃烧反应的空气量

曲线 4 表示焦炭在煤层中燃烧所需要的空气量。

手烧炉中空气供需关系

2. 移动床层状燃烧过程

（ 1 ）移动床燃烧特征

链条炉是一种机械化程度较高，操作运行方便，劳动强度低，燃烧效率较高的层燃炉。炉排上煤层的燃烧过程在负荷变化时不随时间而变化，但在炉排上燃烧层的不同位置燃烧情况是不同的，因而出现了“燃烧过程的地区性”现象，这是链条炉的特征。

链条炉排上煤层燃烧阶段的分布

1—新燃料区； 2— 挥发物析出区； 3— 焦炭燃烧区

（ 3a 为氧化区， 3b 为还原区）； 4— 燃尽区

链条炉排不断地由炉前向炉后方移动，从而把煤斗落下的煤送入炉膛，依次在炉排上进行干燥、预热、析出挥发物和着火，燃烧以致燃尽等过程，最后将炉渣排出炉外。实现了燃烧过程的连续化，克服了手烧炉周期性的缺点，由于上述这些过程是依次在炉排上同时发生的，“燃烧过程的地区性”使其设计和运行都有着特殊的要求。

（ 2 ）煤的着火与燃烧 链条炉是一个“单面引火”的炉子，接受的着火热是有限的。在炉排上最早被加热而使温度升高并干燥的是最上层的煤层。下层的煤层温度上升就比较缓慢，它是靠复杂的接触导热以及煤块孔隙的对流和辐射将热量往下传递的。故只有在炉排走出一段距离后才能得到加热、干燥。所以煤层中等温线都是向后倾斜的。

倾斜角可用试验方法测得，若已知煤层的移动速度 vx ，热量往下传递的速度 vt ，则等温线的倾角 θ 就可按照速度四边形法则求得。在温度不高的区域内，等温线几乎是平行的。由于煤层的导热性很差，热量传播速度很慢（ vt=0.2～ 0.5m/h ），仅为炉排移动速度的 1/10 ，所以热准备阶段在炉排面上占据相当大的位置。

煤层中的等温线 在 O1—L以前为新煤的烘干、预热区；

过 O1—L 线以后，煤层开始析出挥发物且挥发物着火燃烧。

02—K表示挥发物分解完毕及开始成焦的线（面），它也是一等温线（面）。

从 O2—K开始，煤层进入焦炭燃烧区，沿着煤层高度可以划分为氧化区（ 3a ）和还原区（ 3b ）。

L K

炉排尽头是灰渣形成区，其中只有很少一部分未燃尽的焦炭还在继续燃烧。由于在链条炉中是上部着火，所以在煤层上面先形成灰渣，同时又因空气是从煤层下面进入，紧靠炉排面的煤层也较早形成灰渣，故在炉排尽头未燃尽的焦炭层夹在灰渣中，这对多灰分燃料的燃烧是不利的。

链条炉排上煤层燃烧简图

（按气体分析及气体等温线作出）

（ 3 ）移动床燃烧中的空气需求量与 燃烧产物

沿着炉排走向燃烧所需的空气量和燃烧所产生的烟气组成如图所示。

煤在链条炉排上燃烧，炉排中间部位，空气量供应不足，出现了未完全燃 烧 产 物 （ 如 CO 、 H2 和 CH4

等），而在两端则空气过剩，降低炉温，影响燃烧。因此，为了适应燃烧过程的需要，合理的送风方式应是分段（室）送风，就是把炉排下的空间分隔成几个互不相通的风室，通过每个风室送入炉排的空气量可单独进行调节，以提高燃烧效率。分段（室）送风通常由于结构上的限制，一般只分隔成 4 ～ 6 段（室）。

链条炉排中煤层厚度、通风阻力、燃烧所需空气量与实际供应空气量沿炉排长度的变化

1— 无分段送风时的空气供应量；

2— 燃烧所需空气量；

3— 分段（四段）送风的空气供应量

分段送风的采用在一定程度上可改善燃烧过程中空气量供求之间的予盾，但并不能消除煤层中可燃气体的析出。在链条炉的一般煤层厚度下，炉排中部煤层所析出的可燃气体（ CH4 、 CO 和 H2 ）等的燃尽只能在煤层上方的炉膛空间中解决。

分段送风对于降低炉膛过量空气系数、减少热损失还是有很大好处的。

三、层燃时的气体动力特性

从气体动力学的观点看，层燃过程的特点是，进入燃烧室的空气，流经自由铺放在炉排上的煤层，与其发生燃烧反应，产生热烟气而进入炉膛。在层燃过程中煤层的运动与空气—烟气流动无关。为了实现层燃过程，就必须使这些颗粒的重量显著地大于接触固体颗粒的空气—烟气流所产生的压差：

gg

Dgc g

wC

246

223

式中， δ是煤颗粒的当量直径； ρc和 ρg 是煤颗粒及气体的密度； wg 是气流的速度； CD 是气流围绕颗粒流过时的阻力系数，其值随 Re 而不同。

对于大小一定的颗粒，要是上述两种力随着煤层的送风速度增加（燃烧强度增加）而变得相等的话，煤颗粒就会随气流速度的增加开始从静止的煤层中被吹起来，从而破坏了纯粹的层燃方式。在这方面，煤颗粒的重要气体动力特性，是它的单位质量表面积f1: cccV

S

G

Sf

11

1

式中， S是颗粒的表面积； G 是颗粒的重量； Vc 是颗粒的体积。

保持煤颗粒层稳定的极限气流速度，称为临界速度，可用下式表示：

Dg

gccr C

gw

3

4

可见，临界速度随着颗粒尺寸与燃料密度的减小而降低。比值 2cr

gc

gD wg

Cy

称为携带准则，煤颗粒的几何形状不同，携带准则之值也不同。

对于球形颗粒，上式中的当量直径 δ 便是球的直径，所以它的携带准则为 。对于形状不定的颗粒层，经研究其携带准则也是常数，但却比球形颗粒小得多，其值等于 0.14 。 携带准则越小，燃烧时被气流带走的可能性越大。下表为不同当量直径的煤颗粒所相应的临界速度及与此相当的煤层热负荷。

33.13

4

不同的颗粒当量直径所相应的临界速度和煤层热负荷

δ煤颗粒的当量直径 /mm 50 20 5 1 0. 1

冷空气迂回流过的临界速度 13 8 4 1. 8 0. 6

与此相当的过滤速度 3 2 1 0. 45 0. 15

α ≈煤层的相当热负荷（ 1.3） 8. 14 5. 86 2. 91 1. 16 0. 35

1/ smw cr

1/ / smwg

2

610mW

A

Q

表中，过滤速度是指送到通风间隙为 χP 的燃料层整个断面上去的空气流速；

Q为整个煤层每小时发出的热量；

A 为燃料层的断面积。

通常实用的层燃炉面积热负荷 不超过下述范围：A

Q

61075.1~93.0 A

Q

所以，从表可以看出，在实际的燃烧强度下，所有的粉状燃料颗粒（ δ≤0.1㎜）都将被气流吹起而带走。煤颗粒的当量直径 δ=0～ 3㎜时，即使在炉子的面积热负荷很小时，也可能丧失其稳定性而被吹起，它们不适合用于层燃方式。适合于层燃的煤颗粒尺寸一般在 5～ 50mm 。

四、煤层的气体流动阻力

煤层中的气体流动过程可以分为两种流动，即在煤颗粒之间槽道里的流动和在颗粒外表面上的流动。从固体颗粒层阻力的许多研究中，可得阻力系数与 Re 的关系为：

Re2

2f

hw

p

式中， ζ 为阻力系数。

对 Re≈4～ 150 的固体颗粒层的阻力系数，可以利用下面的公式：

21

ReC

C

式中， C1=2500 ； C2=40 。

Δp 为沿着煤层高度 h 的压差，可以用下式进行计算 : 22 w

d

hp g

式中， h为煤层的高度 ; ρg 为气体的密度 。 v 是有效截面上的气体速度， m 是固体颗粒之间的距离 ， S是单位体积煤层中颗粒的外表面积； ζ 为煤层的总阻力系数，可以用下列公式进行计算：

mvw

Smd 4

eR

15.36当 Re＜ 20 （层流范围）

当 Re= 20～ 7000 （湍流范围）

当 Re ＞ 7000 （强湍流范围）

ζ=4Re-

0.2

ζ=0.4

7.2.2 煤的沸腾燃烧技术与装置

一、沸腾燃烧原理

如图所示，当空气经过布风板均匀地通过料层时，如果不断提高通过料层的风速，料层就会随着气流速度的提高而相继出现如下三种状态。

料层的三种状态

(a) 固定床 (b)流化床 (c) 气力输送 1 固定床

当气流以较低的速度送入时，气流对煤粒的吹托力较小，不足以克服料层的重力，因此料层在布风板上静止不动，空气从料层的间隙中穿过，这种状态称为“固定床”。

122

123

2 流化床

当进风速度不断提高，达到某一定值w0’时，气流对料层向上的

吹托力等于料层的重力，料层开始松动。随着风速的增加，料层开始膨胀；床层高度也开始增加，颗粒间间隙加大，而颗粒间实际空气速度却保持不变，这种状态就叫“流化床”。在流化床中，颗粒和气流混在一起，在一定高度内自由运动，具有流体一样的流动性。在该状态下进行的燃烧就称流化床燃烧。

3 气力输送

如果再加大送风量，当风速增大到某一确定的极限值w0” 时，料

层被气流吹走，转入悬浮状态，这种状态为“气力输送”。

在流化床的情况下，整个料层中的颗粒上下翻滚，如同液体在沸点时的沸腾现象，床内也有气泡，因此流化床被称为沸腾床。

要保持料层流态化，关键在于有一个适当的风量。把布风板面积当作空气流通面积计算出来的风速叫做空截面气流速度；使料层恰能开始沸腾的空截面气流速度 wlj叫做临界流化速度；料层颗粒开始被气流带走的空截面气流速度 w0

”称为极限速度或飞出速度。显然要使料层达到流态化，必要条件是气流速度 w0 大于临界速度 wlj 而小于极限速度w0

” ，即 。0

"0 wwwlj

料层的特性曲线

w0——按空截面计算的气流速度

正由于气流的实际速度不变，料层阻力也基本保持一定。实际应用中，利用流化床中空截面风速增加而料层压降不变这一特征，来判断料层是否进入流态化状态。

流化床中料层高度、气流实际速度及料层阻力三者和流化床空截面气流速度的关系可用右图所示的料层特性曲线来描绘。

b点为固定床和流化床的分界点（称为临界点）， b点所对应的空截面流速即为临界速度。

二、流化床燃烧技术的主要优缺点：

优点：

(1)燃料的适应性广。劣质燃料 :煤泥、煤矸石、石油焦等

(2)能够控制燃烧过程中产生的污染物排放，有利于环境保护。 NOx仅为常规燃烧方式的 1/3~1/4 、石灰石固硫。

(3)燃烧热负荷大，可以减小炉膛体积。链条炉的 3-4倍，煤粉炉的 3-5倍。

(4)沸腾床内传热能力强，可以节省受热面金属消耗。

(5) 灰渣可以综合利用。

(6) 锅炉负荷的调节性能好。流化床锅炉的负荷调节幅度大，其调节范围可从 100％到 20％。

但是，流化床燃烧技术目前还存在不少技术问题，其中主要是：

(1)锅炉燃烧效率低。热效率 60%-70%

(2)对普通的流化床锅炉（又称鼓泡床沸腾炉），在向床内直接加入石灰石脱硫时，其石灰石的钙利用率较低。

(3) 布置在沸腾层中的埋管受热面，由于受到固体颗粒不停的冲刷，管壁的磨损比较严重，虽已采取防磨措施但磨损问题还有待彻底解决。 (4) 运行能耗大。电耗比同容量的煤粉炉大一倍。

为了能充分发挥流化床燃烧技术的优点，克服并解决还存在的问题，流化床燃烧技术已从鼓泡床发展到循环流化床，由于循环流化床锅炉基本上可以解决普通流化床（沸腾炉）所存在的问题，目前已成为新一代高效率、低污染的工业和电站用燃煤锅炉设备。

三、流化床内的气固流动特性

在流化状态下，随着空气流速增加，床层膨胀并沸腾，孔隙率 ε 增加，床层高度增大，但床层上下的压差△p为定值，这时床层的膨胀比 R 和孔隙率 ε 有下面的关系：

1

1 0

0h

hR

R01

1

或

其中 h、 h0 分别是流化床、固定床时的床层高度， ε0 是固定床时床层的孔隙率。它是确定流化床的截面积和运行风速的重要依据。

临界流化速度，或称临界风速wcr是流化床的一个重要的空气动力参数，它可以用实验的方法测定，或者用相似理论的方法确定。

在流化床中，固体颗粒受到空气的浮力、本身的重力及流体的粘性力和惯性力四个力的影响，因而决定颗粒运动状态的气流速度和固体颗粒密度 ρC 、颗粒尺寸δ 、空气密度 ρ 、粘性系数、重力加速度 g 等有关，这样可以整理成下面的无因次准则：

w

Re雷诺准则：

阿基米德准则：

2

3

cg

Ar

孔隙率 ε是一个无量纲量，它是一个非定性准则。

这样，可以根据相似过程中各准则数之间的函数关系整理成 Re＝ f(ε,Ar) 的形式。根据实验的结果，得到：

75.4

75.4

6.018Re

Ar

Ar

由于孔隙率 ε是在流化条件下床层的孔隙率，但在临界条件下，即开始流化时，对应于临界风速的临界雷诺数也必然同时对应于静止床层的孔隙率 ε0 ，即 ε＝ ε0 ，从而可以求出临界 Recr ：

75.40

75.40

6.018Re

Ar

Arcr

则临界风速为： 75.4

0

75.40

6.018

Ar

Arvwcr

当空气的速度超过临界风速以后，床层进入流态化过程，即开始沸腾起来。此后， 随着空气速度的增加，床层高度不断增加，但床层中固体颗粒间隙中实际的气流速度并不增加。

这时床层由两部分组成， 即乳化相（又称颗粒相）和气泡相。

沸腾床料层在临界沸腾和沸腾时的状态

（ a ）临界沸腾时 （ b ）沸腾时

在乳化相中，气体分散在固体颗粒群中，颗粒之间的间隙大小不随空气流速的增加而改变，仍然保持着临界流化时的间隙，也就是说，穿过颗粒间隙的空气量不随空气流速的增加而改变。随空气流速增加而相应增加的那部分空气量以气泡的形式（气泡相）通过床层。

当空气流速进一步增加时，床层的膨胀比和孔隙率都将增加，当孔隙率 ε≈1 时，膨胀比 R→∞ 。这就是说，这时全部固体颗粒都将被气流带出床层，并吹出燃烧室，固体颗粒进入了气力输送的状态。在这种情况下，颗粒间隙中的实际气体速度将会随着流过床层截面速度的增加而增加。

因此，条件 ε＝ 1 就是床层由流化床转化为气力输送的临界条件．在这个条件下所求出的气流速度，称为颗粒沉降的极限速度，又称飞出速度 wl ：

Ar

Arwl

6.018

注意，所定义的临界风速 wcr 和飞出速度 wl ，并不是指固体料层中气流的真实速度，而是折算为流过不含床料的沸腾层截面的气流速度，称为空截面速度，又称表观速度。

确定了临界风速以后，流化床实际的运行风速要比 wcr 大，一般冷态运行风速 w0C 为：

w0C =(1.5～ 2) wcr

而飞出速度一般为临界风速的 6 ～ 7 倍。根据我国流化床锅炉的运行经验，冷态运行风速可以根据煤种和燃料颗粒分布按下表加以选用。流化床锅炉的冷态运行风速

褐 煤 烟 煤 无 烟 煤 贫 煤 0～8mm 0.75～0.80 0.70～0.90 0.80～0.90 0.90～1.1 0～2mm

煤 种 冷 态 运 行 风 速 / m· s-1

颗粒度 0.15～0.25

在热态运行时，由于气体粘度增加、密度下降和体积膨胀等因素造成固体颗粒受力情况的变化，因此热态运行风速一般约为冷态风速的 60％～ 80％。

如果布风装置设计不正确或者运行不当，就会出现不正常的流化状态。常出现的不正常流化状态有以下几种：

沟流现象

（ a ）贯穿沟流 （ b ）局部沟流

（ 1 ）沟流

如果料层中的颗粒分布非常不均匀，即使风速超过正常时的临界流化速度，料层并不沸腾，此时大量气体从阻力小的地方穿过料层，而其它部分仍处于固定床的状态，这种现象就称为沟流。如果沟流穿过整个料层，就称为贯穿沟流，如图 (a) 所示。如果沟流仅发生在床层局部高度，就称为局部沟流，如图 (b)

所示。

流化床中发生沟流时，往往会引起料层结渣而无法运行。引起沟流的原因可能是布风板设计不良、料层中细粒过多或料层太薄，除了应尽可能加以改善外，消除沟流的有效方法是加厚料层。

（ 2 ）气泡过大或气泡分布不均匀

如沸腾层中气泡过大或分布很不均匀，就会在气泡集中向上涌时，使沸腾层表面形成很大的起伏波动，造成运行的不稳定。大的气泡上升到床层表面处破裂时，还会带出许多细粒到床层表面以上的空间。造成气泡过大或分布不均匀的原因是布风装置设计不合理、料层颗粒过大、料层太薄或床高与床宽比值过大等。

（ 3 ）腾涌

料层内气泡汇合长大，当气泡直径长大到接近料层宽度时，料层会被分成几段，象活塞状向上运动，如图所示，达到某一高度后崩裂，这时床料颗粒又会跌落下来，这种现象称为腾涌。

腾涌 在沸腾层发生腾涌时，很难维持正常运行，这时风压波动剧烈，不易维持稳定的燃烧，而且底部料层沉积，容易引起结渣。产生腾涌的原因与气泡引起的沸腾不均匀的因素相同，在流化床层直径过小，或筛分窄而颗粒大时，风速大到一定程度就可能出现腾涌现象。燃用宽筛分燃料的流化床，一般不易出现腾涌现象。

（ 4 ）分层

如沸腾料层中有不同大小的颗粒，特别是过粗和过细的颗粒所占比例均很大时，在沸腾过程中，小颗粒被吹到床层表面并沸腾，而大颗粒在底部仍处于固定床状态，这称为分层。尤其在风速较低，刚超过相应于大颗粒的临界沸腾速度时，这种分层的现象较为明显。料层上部小颗粒沸腾而下部大颗粒仍处于固定床状态的“假沸腾”现象，是导致锅炉结渣的原因之一。流化床锅炉在启动点火的过程中，由于风量较小，容易发生分层现象。在正常运行时，由于风速较大，颗粒混合强烈，分层现象不明显。为了防止分层，要及时排走底部的大颗粒“冷渣”，采用颗粒分布较均匀的燃料，以及合理的配风等措施。

四、流化床燃烧中的性能分析

1. 强化燃烧

流化床燃烧时，其床层的特点是， 98％以上的床料颗粒均为炽热的惰性床科，如灰渣、砂子或石灰石、入炉的新燃料只占全部床料的 2%左右。因此，床内的热储备量极大，新入炉的燃料被大量热床料所包围，再加上燃料颗粒在床内作沸腾状态的上下翻滚运动，十分有利于空气和燃料的混合，使得新燃料迅速预热、干燥及着火，其引燃条件十分有利。同时，固体颗粒间的互相碰撞，不断地更新燃料表面，以及颗粒在床内有足够的停留时间，从而使流化床燃烧顺利进行。实际上流化床燃烧是一种强化燃烧过程，可以具有很高的热强度，并实现低温燃烧，在床温为850～ 950℃ 时，即使燃烧高灰分、高水分、低挥发分和低热值的劣质燃料，也能在流化床内保证稳定着火和燃尽。

2.床内气体浓度和温度的分布

图为某流化床内气体浓度和沿床高及床宽方向的温度分布。

烟气中气体成分沿床高方向的分布

温度沿床垂直高度的分布

温度沿床宽方向的分布

3. 床内固体颗粒的平均停留时间

床内固体颗粒的平均停留时间，是指颗粒从进入流化床到离开床层停留时间的统计均值。根据式 ，如果流化床的运行风速为 w0 ，则在该风速下颗粒被吹出流化床的最大颗粒直径 δm 为：

Ar

Ar

wm6.0180

若颗粒尺寸 δ>δm ，则这种颗粒将不会被气流从床中带出而只能从溢流口或冷渣管排出。对 δ<δm 的颗粒，一部分随溢流灰排出，另一部分则被气流带出流化床，通过悬浮段而飞出炉膛。

在锅炉运行的稳定工况下，可用下式计算 δ>δm 的颗粒在床内的平均停留时间。

Ar

Arwl

6.018

式中 :τb 是平均停留时间，单位为 s ； Gb 是床中的床料量，单位为 kg ； Gp 是单位时间排出流化床的床料量，单位为 kg/s ； h0 是静止料层高度，单位为 m ； Rb 是布风板面积，单位为 m2 ；， ρs 是床料的颗粒密度，单位为 kg/m3 ； ε0 是静止床层的孔隙率。

由上式可见，平均停留时间取决于煤种和静止床层的厚度，对不同的煤种，其平均停留时间不同。

p

sb

p

bb G

Rh

G

G 00 1

4. 扬析现象及飞灰在悬浮段的燃尽

当流化床锅炉燃用宽筛分的燃料时，那些颗粒尺寸 δ ＜ δm的细粒，不可避免地会被气流带入悬浮段，这称为扬析现象。

单位时间内气体从床层中带出的细颗粒重量和沸腾床中所含细粒的份额 x 成正比。因此，单位时间内床层中细粒份额的减少率 ，就是气流所携带的细粒飞出量： d

dx

kxd

dx

式中， k是细粒飞出常数，单位为 1/s;

kx 是单位时间内细粒份额的减少率。

单位时间内从单位截面床层中飞出的细粒重量，称为细粒飞出率 k/(kg/

（m2·s） ) ， 等于细粒份额减少率 kx 与料层 重量 的乘积， sh 1

xkhk s 1'

对宽筛分床层中不同粒径 δi 的颗粒有不同的飞出常数 ki值．当床层中这种细粒的份额为 xi 时，相应的单位时间单位截面积床层的细粒飞出率就是 ki

’ ，即： isii xhkk 1'

则床层中飞出的细粒的总量就是： /kG f

如果悬浮段足够高，即炉膛出口的位置高于分离空间的高度时，大于一定尺寸的颗粒就不能被气流带出炉膛，而将返回流化床层。

除了由于使用宽筛分的燃料使得燃料中原有的细粒由于扬析而被气流带出炉膛以外，即使是原来较大颗粒的燃料，也会在沸腾层内上下翻滚互相摩擦而破碎。在流化床燃烧过程中，燃烧和颗粒的破碎同时进行，互相影响，燃烧越强烈，破碎越严重。

由于在床料中细粒的存在，扬析是流化床燃烧过程中不可避免的现象，因此，从流化床层表面扬析出去的细粒飞灰在其被气流带出炉膛之前，能否在悬浮段内燃尽，是影响流化床燃烧效率的关键因素之一。

要使在悬浮段的细粒能够然尽，细粒在悬浮段中必须要有足够长的停留时间，只有那些停留时间大于燃尽时间的细粒，才有可能在悬浮段内燃尽。

颗粒在悬浮段的停留时间、

燃尽时间和颗粒尺寸的关系

(τT-- 停留时间；

τ0-- 燃尽时间 )

右图是细粒在悬浮段的停留时间及燃尽时间与细粒直径 δi 的关系。

如令悬浮段中其下落极限速度ωlj 等于烟气上升速度 ω0 的颗粒尺寸为 δim ，则所有的颗粒 δi

≥δim 在悬浮段的停留时间均为无穷大。

对于 δi1 ＜ δi ＜ δi2 的所有细粒，均有 τ0 ＞ τT ，

在悬浮段中只有 δim ＜ δi1和

δi ＞ δi2 的那些颗粒才可能燃尽。

为了减少在悬浮段中的飞灰未燃尽损失，提高沸腾炉的燃烧效率，采取了以下几措施项：

（ 1 ）扩大悬浮段的截面积以降低烟气上升速度，提高悬浮段的 高度来增加细粒的停留时间。

（ 2 ）减少悬浮段中受热面的布置，提高悬浮段的温度，以缩短 细粒的燃尽时间。

（ 3 ）采用飞灰回送装置，将被烟气带出炉膛的未燃尽飞灰在对 流烟道中收集再送回床继续燃烧，可以将飞灰回送至主床 复燃。

（ 4 ）采用旋风燃尽室，使被烟气带出炉膛的飞灰进入旋风燃尽 室，在比悬浮段温度更高和停留时间更长的条件下使飞灰 燃尽。

（ 5 ）采用二级燃烧。即流化床在 α＜ 1 的条件下燃烧，使部分燃料气化产生 CO。在悬浮段送入二次风，使 CO和挥发分在悬浮段燃烧以保持悬浮段的温度也在 800℃以上，来促使飞灰的燃尽。

选取沸腾层运行温度时，应考虑减少燃烧污染物 NOx和SOx的排放量。许多研究表明，采用石灰石等脱硫剂进行脱硫时，脱硫剂与 SO2 反应的最佳温度为 750～ 950℃。燃烧过程中，污染物的生成量随沸腾层温度的升高而增加。应综合考虑以上各种因索，才能确定最佳的沸腾层温度。一般认为，将沸腾层温度控制在 850—950℃的范围是合适的。

5. 气流速度

气流速度是影响流化床燃烧的重要因素。悬浮段的气流速度应适当降低，以减少颗粒扬析量。通常，鼓泡流化床锅炉悬浮段的烟气热态流速可在 1.0～ 1.5m/s范围内选取。

6. 布风装置

布风装置直接影响到沸腾层颗粒流态化质量，从而对沸腾层的燃烧有很大影响。布风装置不合适，将使燃烧效率降低，甚至导致沸腾层结渣，使流化床燃烧无法进行。良好的布风装置应当保证沸腾层在锅炉负荷变化范围内都具有均匀和稳定的流态化质量。布风装置送入沸腾层的气流应稳定和分布均匀，避免出现大气泡。在燃用粒度为 0 ～ 8mm宽筛分燃料时，布风装置的风帽小孔开孔率为 2% 左右是合适的。

7. 给煤方式

流化床锅炉给煤有两种基本方式：负压给煤和正压给煤。

负压给煤：只对挥发分含量较低，细颗粒份额较少的燃料才是合适的。

正压给煤：由于给煤时在给煤点形成一个挥发分析出区，导至沸腾层截面气体浓度分布不均匀，每个给煤点的给煤量受到限制。燃用高挥发分燃料时，每个给煤点可负担 2m2 左右的布风面积。当燃用挥发分较低的燃料，每个给煤点可负担 3～ 4 m2 的布风面积。

7.2.37.2.3 煤的悬浮燃烧技术煤的悬浮燃烧技术

152

悬浮燃烧

燃烧状态：将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。

直流式（火炬式） 旋涡式（旋风式）

特点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便

wgc 3

6

3

式中， μ 是烟气的粘性系数， w 是颗粒在气流中的相对速度。

当 时，分散在气流中的燃料颗粒就能够满足 Stokes 定律。1Re w

一、煤粉燃烧的空气动力特性

为了使在燃烧时煤粉火炬中燃料的浓度足够均匀，并使燃料颗粒悬浮在气流中时有足够的稳定性，即不会有粗颗粒从气流中分离出来，煤粉的颗粒尺寸必须满足 stokes （斯托克斯）定律，即

但是，如果考虑到在气流中的煤粉燃烧及在炉膛内存在的时间非常短促，以及热烟气的运动粘性 又大大超过冷空气的粘性，所以在煤粉火炬燃烧时，要求能够满足 stokes 定律的煤粉细度为几十到几百个 μm就可以了，一般煤粉细度小于100μm 。

g

煤粉在粘性气流中，当其满足 Stokes 定律时的相对速度是很小的，约为

2

55.0w

在这种相对速度下，煤粉就会自然而然的悬浮起来。同时，再考虑到炉膛中高温烟气的很高的粘性系数，这就使得煤粉的相对速度变得更小，再加上真正的煤粉表面是碎裂和不规则的，因此其受风面要比球形颗粒的大好几倍。

二、煤粉气流的着火

1. 煤粉的着火温度与着火热

煤粉开始着火的温度称为煤粉着火温度。

煤粉的着火温度，是由一定的环境条件下煤粉着火的临界条件决定的。不同的环境条件下所测得的着火温度是不同的。

煤粉气流的着火条件，不仅与用来点燃煤粉气流的热烟气的温度有关，而且还与热量有关。一般情况下煤粉气流在着火过程中所吸收的辐射传热量约为其着火所需总热量的 10% ～30%，所以其着火所需热量的主要来源是对流传热。

将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量称为着火热，它主要用于加热煤粉和空气并使煤中的水分蒸发并过热。

不同煤种的煤粉气流中颗粒的着火温度

2. 影响煤粉气流着火的主要因素

（ 1 ）燃料性质的影响

煤的干燥无灰基挥发分 Vdaf 越低，它的着火温度越高，所以，对贫煤和无烟煤，必须采取一些特殊措施，把煤粉气流加热到很高的温度，才能保证其着火。

煤种 干燥无灰基挥发分 /% 煤粉气流着火温度 Ti/℃

褐煤 50 550

烟煤40 65030 75020 840

无烟煤 4 1000贫煤 14 900

煤中灰分的多少直接影响煤发热量的高低，当煤的灰分增加时，就会显著增大煤粉气流的着火热，从而会将其着火点推迟，使着火不稳定。煤的水分增加时，用于蒸发水和过热水蒸汽的热量增加，因而增加了着火热，着火点也会被推迟。

（ 2 ）一次风量的影响

一次风量增加时着火热增大，因而着火点会推迟。但是，一次风量必须同时满足既能将煤粉气力输送入炉膛，又要保证一次风中挥发分的着火和燃烧的需要这两个要求。

保证挥发分完全燃烧的一次风份额需满足 r1≈Vdaf 。在实践上，对不同的煤种既根据其可燃基挥发分含量，也同时根据实际经验来确定所采用的一次风份额 r1 ，如表所示。

煤粉燃烧器中的一次风份额 r1

① 在使用 300℃ 以上的热风输送煤粉时 ,r1=0.2~0.25 。 （ 3 ）一次风温的影响

一次风温对煤粉气流的着火有很大的影响，提高一次风温可以降低着火热，使着火位置提前。风温 300℃ 比 20℃ 时的着火特下降 40.5% 。热风送粉对煤粉气流的着火十分有利，特别在燃用贫煤和无烟煤时，采用很高的热空气温度，是保证挥发分燃料稳定着火的重要措施之一。

煤种 挥发分 Vdaf/% 煤粉燃烧器中的一次风份额 r1

直流式 旋流式无烟煤 2～ 10 0.15～ 0.2 ①贫煤 10～ 17 0.15～ 0.2烟煤 17～ 30 0.25～ 0.3烟煤 30～ 50 ～ 0.3 0.3～ 0.4褐煤 >37 — 0.35～ 0.4油页岩 80～ 90 0.5～ 0.6泥煤 ～ 70 —

（ 4 ）其它因素的影响

燃烧器的空气动力工况，煤粉细度、一次风速、炉膛温度特别是燃烧器区域的温度水平等，都对煤粉气流的着火过程有影响。

三、煤粉气流的燃烧与燃尽

根据煤粉气流燃烧过程的发展，沿着火炬流动方向，可将煤粉气流的燃烧大致分为三个区域：

着火区：煤粉气流被干燥、预热，进行着火准备及至点燃、燃烧；

燃烧中心：大量可燃成分强烈地燃烧；

燃尽区：只有少量未燃尽的可燃质在燃烧以至燃尽。

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一般认为：靠近燃烧器出口附近属于着火区；与燃烧器同一水平或稍高的炉膛中心部分为燃烧中心；而后直到炉膛出口的大部分区域为燃尽区。

影响煤粉气流燃尽的主要因素有以下几点：1. 炉膛容积热负荷 炉膛容积热负荷越大，其它情况相同时，炉膛容积就越小；当炉膛容积较小时，煤粉气流在炉膛内的燃烧、停留时间缩短。 2. 燃烧温度的影响 固态排渣炉温度 1500℃ 以下，焦炭为动力和过渡燃烧，液态排渣 1650℃~1750℃ ，焦炭接近扩散燃烧，提高炉膛温度有利于焦炭粒的燃尽。但燃烧温度受灰熔点和炉膛结渣条件的限制，所以炉膛温度难以进一步提高。

3. 烟气中氧浓度的影响 在炉膛保持合适的过量空气和合理地送入二次风以便正确地组织燃烧，对焦炭粒的燃尽是十分重要的。对不同的煤种，最佳 α值不同。一般炉膛出口的最佳 α值在 1.15～ 1.25。

4.    燃料特性和煤粉细度的影响

煤的挥发分含量越低，其反应能力（ E、 k0）越差，则着火和燃尽时间都将更长。一般说来，煤粉越细，燃尽时间越短，但煤粉越细，磨煤的耗电量越大。

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7.3 煤粉燃烧稳燃技术

1. 煤粉火焰的稳定机理

具有高浓度煤粉、高温和高氧浓度的三高区域是维持煤粉火焰稳定的煤粉着火有利区。

为了维持煤粉火焰的稳定，应该注意组织燃烧室中的气流结构，以便能形成煤粉着火有利区，即把煤粉尽快喷入高温并具有合适氧浓度的区域，并使气流中的煤粉在此区域中局部分离和集中，成为高浓度区。

旋流式煤粉预燃室

1 一次风管； 2—轴向旋流叶片； 3— 直叶片； 4—带旋流倾角叶片； 5—预燃室出口； 6— 二次风管； 7—圆筒形预燃室

2. 煤粉预燃室稳燃技术

常用的旋流式煤粉预燃室结构示意图。

由于煤粉预燃室中的气流组织合理，煤粉火焰的稳定性较好。在烧烟煤、贫煤或褐煤煤粉时，只需用一次风管中心插入的小油枪喷少量的油，在热风送粉时甚至对易着火的煤粉可不用小油枪而只需用油棉纱引火，就能使预燃室中的煤粉着火并在停止喷油后继续使火焰保持稳定燃烧。

根部二次风并不破坏预燃室的中央反流区，还能增大反流量，并使筒壁面不积存煤粉和灰粒，有利于预燃室的持久运行。

煤粉预燃室燃烧器能使单个燃烧器的煤粉火焰在不喷射辅助用燃料油时保持燃烧稳定，在锅炉启动时节约 80% 以上的点火油，在低负荷运行不需助燃用油。旋流式煤粉预燃室燃烧器应尽量采用热风送粉，可使挥发分在预燃室中尽快析出并着火。

3. 船式稳定器的火焰稳定技术

煤粉气流绕过这种火焰稳定船时所形成的中心回流区长度一半缩在喷口里面，气流绕过稳定船后，其射流外边界束腰般地向中央收缩。束腰部外缘具有约 900℃以上的局部高温区，同时该处氧浓度也大致在 10%以上。在气体束腰部的外缘煤粉分离并集中成较高浓度区。

火焰稳定船的稳定机理

煤粉在束腰部外缘着火后继续向前运动时，可得到供给燃烧所需的空气。以后又可以从与一次风口相隔一定距离的二次风口补充到新鲜空气，有利于煤粉逐步燃尽，也有利于抑制NOx的生成，降低对

大气的污染。 W 型火焰组织刚喷出的较浓的煤粉气流尽量接近已着火燃烧的高温气流，迅速进入高温区。采用了使煤粉在炉外分离成浓淡二股气流的技术，即使燃烧器结构基本上不变化，也可提高火焰稳定性。

4. 大速差同向射流火焰稳定技术

“大速差同向射流”既能产生一个很长很强的回流区又能使煤粉进入高温回流区，故能使火焰获得良好的稳定性。

大速差同向射流火焰稳定原理示意图

大速差同向射流火焰稳定原理的如图所示。

这一稳焰技术的基本思路在于如何组织炉内气流流场以利形成 局部高煤粉浓度、高温和合适氧浓度的煤粉着火有利区，以此来维持煤粉火焰的稳定。

这种稳焰技术可适用于那些难以稳燃的劣质烟煤和低挥发分无烟煤的燃烧。对于水煤浆的燃烧，也取得了良好的结果。

中国科学院的科学家们在上述稳焰技术的基础上提出另一种采用不对称射流原理的煤粉火焰稳定燃烧技术，如下图为利用不对称受限射流原理所研制的偏置射流煤粉预燃室示意图。

偏置射流预燃室稳焰原理

这种不对称射流稳焰技术的优点是不采用高速射流。

煤粉锅炉等离子点火及稳燃技术富氧稳燃节油技术分磨燃烧技术等等

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