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1、锅炉原理,55旋风燃烧方式及其设备,锅炉原理,锅炉原理,本节内容,一、旋风燃烧及其特点 二、旋风炉的分类 三、旋风炉对燃料的适应性,锅炉原理,一、旋风燃烧及其特点,旋风燃烧:空气带动燃料颗粒在圆筒内旋转.烧旋风炉:组织旋风燃烧方式的设备。旋风筒:旋风炉中主要进行燃烧的圆筒。,锅炉原理,一台旋风炉可以有一只或数只旋风筒。旋风炉中，高速的二次风从切向进入筒内，而燃料则可以从切向，也可以从轴向进入。在筒内，二次风携带燃料颗粒旋转前进，大部分燃料颗粒在离心力的作用下摔向筒壁。,锅炉原理,旋风筒的内外壁上均敷设有保温层，以便在筒内保持高温。燃料在筒内受热后，迅速着火、燃烧，直至燃尽而被排出筒外，而燃料在
2、燃烧中所放出的大量热量则反过来促进了筒内的高温。多数旋风炉采用液态排渣。此时，旋风筒内壁上有液态渣膜存在，一层燃料贴附在熔渣膜上，使燃料颗粒受到的阻力更大，从而旋转和前进的速度大大减慢。,锅炉原理,旋风筒中燃烧所产生的高温烟气，全部进入锅炉的燃尽冷却炉膛，进行进一步燃尽和冷却。较细的煤粉在圆柱形旋风筒中进行悬浮状燃烧。渣因高温熔化而粘在筒壁上，形成液态渣 膜。液态渣排出筒外，形成液态排渣。旋风炉工作过程见图5114,锅炉原理,图5114 旋风炉工作示意图,锅炉原理,旋风燃烧方式具有下列优点：(1)热强度高 由于火焰在旋风筒内高速旋转，扰动极其强烈，传热、传质条件非常好，燃料颗粒完全处于扩散燃烧
3、区。在高温作用下，燃料中的灰分完全熔化成液态渣。由于扰动强烈，可以采用低氧燃烧，旋风筒内的过量空气系数一般均小于1.1。,锅炉原理,(2)燃烧稳定 燃料进入旋风筒后粘附在熔渣膜上，因此，燃料在筒内有相当长的滞留时间，燃烧室中蓄积相当多的热量，这有助于维持燃烧过程的连续性。蓄积一定热量的灼热熔渣膜，是极其稳定的燃烧场所。,锅炉原理,(3)燃烧经济性高 旋风炉具有高的燃烧温度，优良的传热和传质条件，充分保证了燃料的完全燃烧。化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧热损失较小。排渣中的含碳量一般均小于0.2，飞灰中的含碳量远低于一般煤粉炉，飞灰份额也大大低于煤粉炉。由于过量空气系数较小，所以排烟热损失也较
4、小，锅炉效率提高。,锅炉原理,(4)捕渣率高 旋风筒内高速旋转的气流具有很高的分离熔渣的能力。立式旋风炉捕渣率一般在70以上。(5)锅炉尺寸紧凑 由于捕渣率高，烟气中挟带的飞灰量少，锅炉对流受热面的烟速可以提高，而不必担心飞灰对受热面磨损。烟速提高使传热强化，飞灰量减少，使除尘器负担减轻，这些都将使锅炉设备布置紧凑。,锅炉原理,(6)燃烧效率高 旋风筒中的燃烧既不存在火床燃烧中那种保持火床层稳定的必要性，也没有悬浮燃烧中燃料颗粒与空气之间相对速度趋近于零、燃料颗粒在炉内停留时间很短的缺点。应该认为，旋风燃烧是一种高热强度和高效率的燃烧方式。,锅炉原理,旋风炉也具有如下缺点：(1)能量消耗高 旋
5、风筒中高速旋转气流使流动阻力剧增。采用热风送粉，必须有高压风机，这样锅炉自身消耗的电能就必然增高。,锅炉原理,(2)煤质适应能力差 对旋风炉炉型来说，能适应各种煤种。但对于某一特定的旋风炉，因其对燃煤灰分的熔融特性、灰渣的流动能力极其敏感，尤其是锅炉负荷较低时，问题愈突出。对一台已投运的旋风炉，由于受结构特性、容量大小、制粉系统型式等一系列具体条件的限制，致使该炉对燃煤品种变动的适应能力变弱。,锅炉原理,(3)锅炉可用率低 旋风炉存在析铁、受热面烟气侧高温腐蚀、粒化冲渣系统容易发生故障、过热器和高温段省煤器处容易积灰等均能引起故障停炉，使旋风炉可利用率降低。实践表明，旋风炉在投运初期事故率较高
6、，通过对配煤的摸索，对不合理的设计的改造，其安全状况、运行周期和可靠程度大体上接近固态排渣煤粉炉的平均水平。,锅炉原理,(4)灰渣物理热损失高 旋风炉的燃烧经济性较高，但高温的灰渣送至渣沟排掉，尤其是燃用高灰分煤时，其灰渣物理热损失更大。如果考虑此项热量的回收，会使旋风炉的热效率大大地提高。(5)NOX排放量较高 旋风炉燃烧温度比一般煤粉炉高，氮在高温下生成氧化氮，烟气中NOX较高，对环境影响较大。,锅炉原理,(6)对流受热面易积灰 旋风炉捕渣率高，使进入对流受热面烟气中较粗的飞灰颗粒减少，因此丧失了大颗粒飞灰冲刷对流管束积灰的作用，使锅炉出口对流受热面积灰严重。(7)制造费用高 旋风炉结构复
7、杂，销钉焊接工作量大，因而制造费用要比同容量的煤粉炉高。,锅炉原理,(8)旋风燃烧方式只强化了燃烧，而未能强化传热。虽然旋风炉有以上缺点，但在综合利用方面是其它炉型无法比拟的。,锅炉原理,旋风炉两种类型:1.立式旋风炉 2.卧式旋风炉,二、旋风炉的分类,锅炉原理,1.立式旋风炉 按照旋风筒与主炉膛的布置方式，又有前置式和下置式之分。图5115所示为前置式立式旋风炉,锅炉原理,前置式旋风筒体由上下两个环形集箱和沿圆周密布的水冷壁管连接而成。管子的向火面焊有销钉，敷有耐火材料。筒的下端有冷却管圈形成的出渣口。炉膛也称二次室，下部敷满耐火材料的区域称为燃尽室，上部则为冷却炉膛。由旋风筒至炉膛的烟道称
8、为过渡烟道。过渡烟道由旋风筒的水冷壁管围成，内壁亦敷满耐火材料。,锅炉原理,燃尽室的前墙水冷壁管在过渡烟道内拉稀成46排捕渣管束，以捕除2025的液态灰渣。二次室后墙有折烟角，其作用在于改善燃尽室内的流动工况，减轻燃尽室炉底死角和流动死滞区内的堆渣现象。另外，这种折烟角也有利于提高燃尽室温度。旋风筒顶部装有叶片型煤粉燃烧器，其两根一次风道对冲引入，从一次风入口到出口旋流叶片之前保持有足够的混合长度，以使煤粉分布均匀。,锅炉原理,整个燃烧器由内外套管组成，向火侧端部采用耐热合金钢。固定在出口处的旋流叶片使坏状一次风煤粉气流在喷入筒体时呈伞形的旋转气流，其内外两侧均能卷吸高温烟气以帮助着火。二次风
9、喷口布置在筒体的上部，二次风道切向引入。,锅炉原理,1一筒体；2一燃尽室；3一冷却炉膛；4一叶片型燃烧器；5一一次风管道；6一叶片；7一冷却管圈；8一二次风喷口图5115 前置式立式旋风炉,锅炉原理,前置式立式旋风炉燃用粗煤粉。制粉系统根据不同煤种可用仓储式或直吹式。对于热风送粉的系统，乏气作三次风喷口可布置在燃尽室的侧墙上。煤粉从顶部的叶片式燃烧器送入，二次风从二次风喷口切向引入，烟气由旋风筒下部的出口经捕渣管束进入燃尽室，熔渣则从旋风筒底部渣口排出。,锅炉原理,旋风筒内的燃烧过程与空气动力场有密切关系。分析和测定表明，筒内各点气流的切向速度和轴向速度的分布形态如图5116所示。,锅炉原理,
10、图5116 立式旋风筒内冷态空气动力场,锅炉原理,从切向速度图可知，靠近筒壁的外圈气流接近于势位流动，而靠近中央的内圈气流通过动量交换和物质交换被外圈气流所带动，也跟着旋转。由于流体有粘性，内圈气流的运动接近于刚体的旋转。在距中心0.70.9半径处，切向速度有一最大值，在那里气流的旋转最为强烈。,锅炉原理,沿旋风筒身不同的横截面上，切向速度分布图形以及最大切向速度分量的绝对值的大小均有所不同。这是由于有摩擦损耗存在，气流愈往下，旋转强度愈弱，但基本形态是类似的。热态运行时，由于筒壁上存在熔渣膜，气流中含有大量固体颗粒，以及由于高温下气体粘性的增大，各点切向速度绝对值下降更快一些。当筒身长度达到
11、4倍直径时，在下端出口附近，气流的旋转强度已大为减弱。,锅炉原理,从图5116中轴向速度分布图形可看出，旋风筒中央有向上的回流。但热态运行时，由于煤粉气流燃烧时产生的气体体积膨胀，以及旋转强度比冷态时有较快的减弱，向上的回流只有在着火段内才有一定程度的存在。,锅炉原理,前置式立式旋风炉的煤种适应范围很广，可燃用褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤。对于煤种的限制主要是煤的灰熔点，这与液态排渣炉相似。这种旋风炉在我国还成功地用于综合利用方面，其中附烧钙镁磷肥具有较高的经济效益，因为此时锅炉不仅生产蒸汽，而且还烧制磷肥。另外，此时还因为加入熔剂会降低灰分熔化温度，因而煤的灰熔点就不再是限制因素了。,锅炉原理,
12、前置式立式旋风炉，由于其燃烧得到强化，因而容积热负荷 为一般煤粉炉的十几倍。在燃用烟煤时 约为2.2MWm3，燃用无烟煤时约为1.25MWm3。为了保证有较高的燃尽程度和捕渣率，旋风筒呈细长形，长径比LD约为3.54.5。,锅炉原理,这种旋风炉的 几乎等于零，可小于1%。因此，虽然 比固态排渣炉高些，但锅炉效率仍可达到92%。这种炉子的捕渣率通常为60%70%。旋风筒出口的过量空气系数一般为1.05，煤粉细度 控制在等于或略高于煤的可燃基挥发分 的数值。,锅炉原理,图5117所示的为下置式立式旋风炉 这种旋风炉主要用在德国。旋风燃烧室置于冷却炉膛之下，二次风和煤粉沿旋风室割向引入，烟气由旋风室
13、上部出口排入冷却炉膛。冷却炉膛与一般煤粉炉一样为矩形截面，在冷却炉膛和旋筒的交界处，一部分水冷壁拉下形成圆柱形旋风筒体。这种旋风室的直径大、二次风速低，所以容积热负荷较低，约为1.21.4MWm3。可燃用 12%、=15%45%的煤粉。,锅炉原理,1一出渣口；2一旋风室(圆柱形旋风筒体)；3一切向布置燃烧器；4一矩形冷却炉膛图5117 下置式立式旋风炉,锅炉原理,2.卧式旋风炉 按照燃料进入方式的不同分为两种 轴向进煤 切(割)向进煤 轴向进煤卧式旋风炉在美国得到了较广泛的应用，如图5118所示。,锅炉原理,1一二次风喷口；2一蜗壳一次风进口；3一中心风管；4一出口尾锥；5一旋风筒流渣口；6一
14、燃尽室；7一总流渣口；8一捕渣管束；9一冷却炉膛 图5118 轴向进煤卧式旋风炉,锅炉原理,这种旋风炉的旋风筒由水冷壁管弯制拼装而 成。燃料经旋流式燃烧器沿轴向送入旋风筒，二次风以高速(约150ms)切向喷入筒内，烟气从后环室喉口进入燃尽室，再经捕渣管束进入冷却炉膛，熔渣则从后环室下部的一次渣口流到燃尽室底部，再经二次渣口排出炉子。这种旋风炉可燃用 15、粒度小于5mm的煤屑。其容积热负荷在几种旋风炉中最高，可达3.57.0MWm3。,锅炉原理,切(割)向进煤卧式旋风炉主要用于联邦德国。它与轴向进煤卧式旋风炉的不同之处仅在于燃料是在二次风口下以切(或割)向送入旋风筒。可以燃用着火困难的低挥发分
15、燃料，一般燃用 10%的粗煤粉(=40%70%)。由于燃料切向引入，可以防止大量细粉沿旋风筒轴线涌出，避免机械不完全燃烧损失增大。,锅炉原理,卧式旋风筒内的燃烧强度之所以比立式旋风筒还要高，是由于后锥(也称喇叭口)的存在使空气动力场和燃烧过程具有独特性。图5119所示为冷态试验中筒内气流的轴向运动规律。,锅炉原理,图5119 卧式旋风筒内气流轴向运动的规律,锅炉原理,在靠近筒壁处，气流一面旋转一面向筒的后端行进，在进入后环室之后又退出来。这股退出来的环形旋转气流遇到近中心另一股向后运动的气流时，就分成两股，一股经后锥流出旋风筒，另一股又回向后环室而形成循环气流。,锅炉原理,在筒中央，一股圆柱形
16、中心回流由简外流进来，这是旋转气流中心负压所造成的(图5118中蜗壳型燃烧器中心风只能使中心回流缩短行程，但筒内流动结构的基本形态不变)。二次风速愈高，上述各股气流的分界愈明显。筒内各点切向速度的分布和立式旋风筒相似。,锅炉原理,卧式旋风炉的热效率与立式旋风炉大致相同，捕渣率为8590，可达(3.57)MWm3。但卧式旋风炉不宜烧无烟煤或劣质烟煤，否则燃烧不易稳定，太大。这是因为二次风混入早，着火条件比不上立式旋风炉的缘故。,锅炉原理,旋风炉在运行中所发生的问题，不少与液态排渣有关。其他方面一个较普遍的问题是二次风口结渣，即使采用割向进风也难以避免，常须在运行中使两组二次风口轮流停风，烧去所结
17、之渣。,锅炉原理,三、旋风炉对燃料的适应性,旋风炉在参数、结构及排渣方式一定的条件下，能否正常运行，达到连续排渣并提高运行周期，主要取决于燃料在炉内的着火速度与燃烧温度。影响着火速度与燃烧温度的因素主要有：挥发分（1）水分（2）灰分（3）发热量,锅炉原理,（1）挥发分通过一次风将煤粉送入旋风筒后，要求迅速着火，达到一定的燃烧强度。由于旋风筒的容积较小，如果气粉混合物不能及时着火，就会降低煤粉在旋风室内的燃尽度，同时容易使前置炉不着火而进入二次室强烈燃烧。即所谓“跑火”，也有称为“脱火”，使前置炉温度水平明显下降。带来的后果是主蒸汽温度急剧上升，前置炉渣口暂时不流渣，大量的液态渣暂时停留在二次室
18、炉底。,锅炉原理,旋风炉具有优越的着火条件，如采用热风送粉，使一次风粉在进入旋风筒前就被加热，则有利于煤粉的着火。筒内敷设有碳化硅炉衬，蓄积大量的热量，为燃用低挥发分的贫煤、无烟煤提供了有利的燃烧着火条件，这就使旋风炉对煤种变动的适应能力较强。经验表明，75th立式旋风炉燃用可燃基挥发分在1518内比较合适。,锅炉原理,（2）水分 燃料中所含的水分会降低燃料的低位发热量。当烟气在离开锅炉的尾部受热面时由于排烟温度在140以上，烟气中的水蒸气没有被凝结，因而带走一定的热量。燃料水分含量增加，锅炉一部分热量将消耗在加热水分使水分汽化及过热上，使锅炉燃烧温度下降，导致燃烧不稳，影响煤粉的燃尽度，从而
19、影响锅炉运行的可靠性和经济性。,锅炉原理,若旋风炉选择中间储仓式制粉系统，旋风炉实际燃用的是经球磨机磨制和热风干燥的煤粉。其水分小于原煤的固有水分，同时制粉系统的乏气不排入旋风筒内而是排入二次室的燃尽室，煤粉水分对旋风筒内燃烧工况无影响。,锅炉原理,（3）灰分 旋风筒内涂有碳化硅，但在锅炉运行一段时间后，筒内很难看到碳化硅，而见到的是熔渣膜，而熔渣膜的厚度与燃料中的灰分大小有关。长期燃用发热量较高、灰分较小的煤种时，会使旋风筒渣膜变薄、烧漏，二次室炉底也容易烧漏流渣。,锅炉原理,如果长期燃用灰分较大而发热量又低的燃料，会使旋风筒渣膜增厚，容积减小而造成正压，给运行的安全造成极大威胁。同时由于灰
20、分大，发热量低，燃料消耗量增加，因此给制粉系统运行带来影响，输送煤粉的一次风管常常造成堵塞，给运行安全也造成影响。,锅炉原理,旋风炉对燃料品质的改变非常敏感，因此应使入炉煤质基本保持稳定，如果运行中燃料的灰熔点、挥发分、灰分、水分的大幅度变化，会使旋风筒燃烧工况受到明显的影响。一般说来，旋风炉不宜经常改变煤种，当燃煤无法保持单一煤种时，为了避免煤质波动，将各品种的煤都在储煤场按品种分别储放，在上煤时按试验好的配比进行混合，使入炉的煤质基本保持稳定。,锅炉原理,综上所述，旋风炉对燃料的适应性，不仅与燃料的特性有关，还与旋风炉的容量、结构、制粉系统型式、煤粉细度、热风温度及运行中的调整有关。因此旋
21、风炉对煤种的适应性不能规定一个严格的界限，应根据常用的几种燃料，在试验室做各种不同的配比试验，或者在有条件的情况下在基本相似的旋风炉上进行试烧来确定。,锅炉原理,复习思考题 1.何谓燃烧？燃烧的基本条件有哪些？2.何谓化学反应速度？影响化学反应速度的主要因素有哪些？是如何影响的？3.试述着火的机理并分析着火温度的影响因素。4.分析煤粉气流着火的特点。如何强化煤粉气流的着火与燃烧?,锅炉原理,5.对比煤粉和油类燃烧的异同。6.分析各种层燃炉的着火、燃烧的基本特点。7.阐述炉拱、二次风对链条炉的燃烧和燃尽过程中作用。8.说明直流燃烧器和旋流燃烧器的工作原理及其优缺点。,锅炉原理,9.什么是煤粉炉的一、二、三次风？它们的作用是什么？10.什么是着火热？哪些因素会影响它的高低？11.一次风率与一次风温对燃烧过程有何影响？12.一、二次风速根据什么原则确定？13.煤粉炉内的火焰是怎样保持稳定的?,锅炉原理,14.说明各种稳燃技术的基本原理及适用范围。15.什么是火焰中心?其位置对锅炉工作有何影响?运行中火焰中心位置可以调节吗?16.试述流化床燃烧锅炉的工作原理和主要特点。17.循环流化床燃烧锅炉为什么会成为目前竟相发展的锅炉型式？它还有哪些问题没有得到很好的解决？,锅炉原理,锅炉原理,锅炉原理,锅炉原理,锅炉原理,锅炉原理,
