煤的层燃技术.ppt
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1、层燃锅炉设备及运行,安徽省特种设备检测院培训中心,杨新建 2011年3月,煤的层燃技术,主要内容,1、煤的层燃原理概述、燃料层的阻力及其气动稳定性、层燃的热质交换与化学反应过程。2、层燃设备的运行不同给料排渣方式层燃炉的结构与运行特点、层燃炉的风室与炉排冷却设计,1 煤的层燃原理,1.1 煤的层状燃烧概述,煤的层状燃烧,简称层燃,通常是将粒状煤放在某种金属支撑物上,形成一定厚度的燃料层,另将燃烧所需空气从支撑物下部通入,使煤与空气燃烧过程处于气固两相流动中的固定床状态。层燃是燃烧设备最早形式,所用的支撑物常称为炉排。,早期的层燃使用固定炉排,人工加煤。由于人力耗费大、燃烧效率低、热损失大等缺点
2、,固定炉排仅在容量很小的锅炉上使用。其后人们对其进行了多种改进,开发出自动给煤的抛煤机层燃炉、可自动给煤和除渣的链条炉排炉等。,固定炉排炉燃烧过程1-新煤层;2-干燥层;3-热解层;4-还原层;5-氧化层;6-还原层,层燃炉中,煤的燃烧通常要经历干燥和热解、挥发分着火、焦炭燃烧和燃尽四个阶段。虽然这四个阶段有先有后,但彼此相互联系重叠进行。煤被投放在炉排上后,首先被加热干燥;当温度升高到100以后,煤中所含水分大量析出;当加热到温度大于130-400,煤中的挥发分开始析出,同时形成焦炭。随着挥发分的析出,在一定氧浓度和温度条件下,发生着火和燃烧,形成明亮的火焰。,空气,煤,各种煤的挥发分析出温
3、度及着火温度,不同的煤的挥发分含量不同,一般挥发分越多的煤,开始析出的温度越低,着火温度也越低,着火也越容易。,层燃炉煤层厚度方向上气体成分的变化,-灰渣带;-氧化带;-还原带;-干馏带,在氧化带中,炭的燃烧除了产生CO2以外,还产生少量的CO。在氧化带末端,氧化浓度已趋于零,CO2浓度达到最大,而且燃烧温度也最高。实验表明氧化带的厚度大约等于煤块尺寸的34倍。当煤层厚度大于氧化带厚度时,在氧化带之上将出现一个还原带,CO2被C还原成CO。这一还原反应是吸热反应,所以随着CO浓度的增大,气体温度逐渐下降。,根据煤层厚度的不同,所得到的燃烧反应及其产物也不同,因此就出现了两种不同的层状燃烧法,即
4、“薄煤层”燃烧法和“厚煤层”燃烧法。薄煤层燃烧法的煤层较薄,对于烟煤只有100150mm,在煤层中不产生还原反应。厚煤层燃烧法也称为半煤气燃烧法,煤层较厚,对烟煤来讲大约为200400mm,目的是为了使部分燃烧产物得到还原,使燃烧产物中含有一些CO,改善炉膛温度分布。,当挥发分接近烧完时,氧气扩散到焦炭表面,而后焦炭开始燃烧,并放出大量热量。因为焦炭与氧的反应是气固异相反应,速率较慢,而焦炭是煤中主要的可燃质,所以煤的燃烧速率主要决定于焦炭的燃烧速率。焦炭的燃烧速率则决定于焦炭本身的化学反应活性、氧气供给情况以及温度。若焦炭化学反应能力大大超过氧气扩散能力,燃烧速率取决于扩散能力,提高化学反应
5、能力则对燃烧速率影响不大,此时处于扩散控制燃烧状态。而当扩散能力大大超过化学反应能力,焦炭表面的氧气很充分,燃烧速率取决于化学反应能力,处于动力控制燃烧状态。当化学反应能力和扩散能力相差不大,燃烧速率既与化学反应能力有关,也和扩散能力有关时,处于过渡控制燃烧状态。,在层状燃烧中,温度较高,化学反应能力较强,而煤粒较大,扩散能力较弱,一般属于扩散燃烧,这时,过分提高煤层温度对强化燃烧的作用不大,因此,为了提高层燃炉中煤层的燃烧速率,主要措施是增强空气中氧向焦炭表面的扩散,常用方法包括加强通风和拨火等。加强通风可以提高空气通过煤层的速度,从而提高空气冲刷焦炭颗粒的速度和扩散能力。拨火可以去除焦炭燃
6、烧常常形成的灰壳,此灰壳将妨碍空气向未燃表面的扩散,使焦炭难以燃尽。特别是灰分多、熔点低的煤,形成的灰壳厚而密实,空气难以渗透。燃尽阶段进行得很缓慢,放热量不多,需要的空气也很少,但需要维持较高的炉温和较长的时间。对于炉膛中的飞灰,由于温度一般较煤层中低,化学反应能力较弱,而飞灰一般又较细,扩散能力较强。因此,一般属于动力燃烧或过渡燃烧。所以适当提高炉膛温度是强化炉膛中飞灰燃烧的重要因素。,1.2 燃料层的阻力及其气动稳定性,当燃料稳定在炉排上时,煤块的重量必须不小于气流作用在煤块上的动压冲力,即:,式中,d为煤块直径,m;和 为煤块和空气的密度,kg/m3;ua为空气的流速,m/s;C为颗粒
7、迎风阻力系数。,对于一定直径的煤块,当煤块的重量和气流对煤块的冲力相等时,煤块处于一种临界平衡状态,若再提高空气流速,煤块将被吹走,造成不完全燃烧。为了能在单位炉排上燃烧更多的燃料,必须提高气流速度,因而必须保证煤块有一定的直径。但另一方面,煤块越小,反应面积越大,燃烧反应越强烈。显然,应同时考虑上述两个方面,确定一个合适的块度。,令重力与气流的动压力相等,则可以得到颗粒不被吹走的气流的临界速度ugr:,可见,临界速度随颗粒尺寸减小而降低。定义比值卷吸准则数Y为,对于球形颗粒,卷吸准则数 Y=4/3。对于不定形状的颗粒,由于其单位质量的表面积比球形颗粒大的多,因此Y比球形颗粒小得多,约为0.1
8、4。适合于层燃的燃料颗粒尺寸一般为550mm。,将炉排上的燃料层表达为整体的力平衡,则:,式中,A为燃料层的截面积,m2;h为燃料层的高度,m;是有效截面上的气体速度,m/s;m为固体颗粒之间的距离,m;S为单位体积燃料层中颗粒的外表面积,m2;为燃料层的总阻力系数,从固体颗粒层阻力的研究中,可得阻力系数 与Re的关系:,在气体流过燃料层和流过通道和管道之间时,阻力系数 为:,在有燃烧时,炉排上燃料层的阻力将大大超过冷态时的阻力,为冷态时的910倍。,1.3 层燃的热质交换与化学反应过程,由于燃煤颗粒的非均匀性以及燃料成分的多变性,层燃过程的热质交换是非常复杂的。在理论分析时,通常可以认为:,
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