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3.3固体燃料燃烧技术
【掌握内容】
（1）固体燃料燃烧的过程
（2）层燃设备的类型
（3）喷燃燃烧过程的特点及组织燃烧的注意点
（4）喷燃设备的类型
【理解内容】
（1）层燃燃烧的方式及特点
（2）层燃设备的结构特点
（3）喷燃设备的结构特点
【了解内容】
（1）层燃室的设计计算
（2）煤粉的制备过程
【教学重点】
（1）固体燃料的燃烧过程
（2）层燃燃烧过程及设备
（3）喷燃燃烧过程及设备
【教学难点】
（1）层燃燃烧过程及设备
（2）喷燃燃烧过程及设备
教学中结合硅酸盐工业的生产实际，讲解固体燃料的燃烧过程及设备，注意启发学生，引导学生分析问题，提高学生的学习积极性。
【建议学时】4～6学时
3.3.1固体燃料的燃烧过程
3.3.1.1准备阶段—煤的干燥、预热和干馏
固体燃料受热，温度上升，水分蒸发，在110左右物理水全部逸出，干燥终结。水分↑，耗热↑，时间↑。
固体燃料干燥后，温度继续上升，到一定程度，便开始分解，放出挥发物，最后剩下固定碳，这一过程称为干馏。
特点：吸热过程，基本不需要空气。
热量来源：灼热火焰、烟气、炉墙及邻近已经燃着的燃料。
影响因素：煤的性质、水分、燃烧室内温度，燃烧室结构。
3.3.1.2燃烧阶段—煤的挥发分和焦炭燃烧
挥发物主要是碳氢化合物，比焦炭容易着火，因此，当逸出的挥发物达到一定的温度和浓度时，就先于焦炭着火燃烧。
通常把挥发物着火燃烧的温度粗略看作固体燃料的着火温度。挥发物↑，着火温度↓，挥发物↓，着火温度↑。
焦炭是固体的主要燃质，其发热量约占燃料总发热量的一半以上，是燃料燃烧过程中主要的放热来源。
焦炭燃烧所需时间比挥发物长得多，由于焦炭燃烧过程是多相反应，完全燃烧比挥发物困难。
保证焦炭迅速燃烧的条件：保证较高的温度条件，供给充足的空气，并且使空气和燃料很能好地混合。
3.3.1.3燃烬阶段—灰渣形成阶段
焦炭块将烧完，焦炭外壳上面包了一层灰渣，使空气很难掺入里面参加燃烧，从而使燃烧缓慢。高灰分燃料就更难燃烬。
燃烬是固体燃料所特有的，气体和液体燃料没有燃烬阶段。
3.3.2层燃燃烧
层燃：把煤块放在炉篦上堆成一定厚度的煤层进行燃烧。
3.3.2.1层燃的燃烧过程
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。
燃烧过程：
冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热；
氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度也达到最高；
还原层：气流中CO2与碳起还原反应，即CO2+C→2CO，温度越高，速度越快；
新燃料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物等带离煤层进入炉膛空间，挥发分及CO与煤层着火燃烧。
氧化层和还原层的厚度，主要与燃料粒度大小、挥发分和灰分多少及燃烧层温度高低等因素有关。
如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化。
改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分。
一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空气则是供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要；
3.3.2.2层燃的方式
1、直火式（或称完全燃烧式）
燃料层的氧化放热反应：
C + O2 ─→ CO2 + 热量
2C + O2 ─→ 2CO +热量
2CO + O2 ─→ 2CO2 + 热量
特点：
（1）燃料层薄，烟煤——100~200mm，无烟煤——60~150mm，燃料在炉栅上和燃烧室内完全燃烧。
（2）所需的二次空气量少，一般二次空气量约占全部空气量的10%~15%左右。
（3）由于挥发分与二次空气需在燃烧室内混合并燃烧，所以要求有较大的燃烧室空间。
2、半煤气式
 
特点：
（1）燃料层较厚（为直火式的2~3倍），一次空气量不足，二次空气量较直火式多，约占空气总量的30%~60%。燃烧产物中含有较多的可燃气体CO、H2、CH4等。
（2）燃料层内的温度比直火式低，氧化层内的温度约为1200℃左右。
（3）大多数半煤气燃烧室所产生的半煤气并不在燃烧室内燃烧而是在窑炉内与二次空气混合后燃烧。因此半煤气燃烧室空间较直火式小，室内的温度也低，产物的平均温度约1000~1100℃。
3、全煤气式（固体燃料的气化）
特点：
（1）燃料层厚度为直火式三倍以上，一次空气不足，二次空气为零，燃烧产物中可燃气体占35%~48%，煤气中含有CO、H2、CH4、CO2、N2、H2O（g）等气体。
（2）将煤制成煤气，易满足窑炉内火焰的气氛和温度要求，燃烧温度较直火式、半煤气式温度高。
（3）劳动条件好，环境污染少。
（4）可使用劣质煤，燃料费用低。
3.3.2.3层燃燃烧室
1、人工操作燃烧室
（1）水平炉栅燃烧室
工作过程：燃料由人工间歇地从加煤口投入，燃烧所需的空气大部分自下而上穿过炉栅的通风空隙进入燃料层（称一次空气），少部分由燃料层上部炉膛供入（称二次空气）。燃烧生成的灼热的烟气通过挡火墙上方的喷火口进入窑炉中去加热物料，燃烬的灰渣则经过炉栅的通风孔隙落入灰坑，并从灰门耙出。
炉栅（炉篦）的作用：用于支撑燃烧的燃料层；并使一次空气均匀的穿过燃料层；灰渣从炉栅孔排出。
炉栅的类型：板式和梁式两种
炉栅的通风空隙的大小和多少，对通风的均匀性及燃烧室的操作有很大的影响。
炉栅的有效面积：通风孔隙的总面积。
（2）倾斜炉栅燃烧室
以半煤气燃烧室为例：
燃烧室的炉栅由阶梯倾斜炉条和水平炉条组成，阶梯式倾斜炉栅的炉条是铸铁的板状炉条，数目从三条、五条、柒条至九条不等，上下两块炉条之间有一部分是重叠的，可使碎煤不会落到灰坑中去。
炉栅的倾斜角度约30o~50o，约等于块煤的自然休止角，燃料从上而下借本身的重力，堆积成均匀厚度的燃料层。
燃烧室的灰坑中贮有水，水受热蒸发成水蒸气随一次空气进入燃料层，与灼热的碳发生还原反应：
H2O + C ─→ CO + H2 -热
2H2O + C ─→ CO2 + 2H2 -热
这不仅能降低氧化层的温度，使其不致过高而结渣，还能提高半煤气的质量。
当煤层较薄（100~200mm）时，这种燃烧室就成为直火式燃烧室。
人工操作燃烧室的特点：着火条件好，对燃料的适应性强，设备简单，金属耗量少。但加煤、拨火、清灰等操作全靠人工进行，劳动强度大，煤的不完全燃烧损失大，过剩空气系数大（α=1.3～1.7），炉温呈周期性波动，因此热效率低，燃烧不稳定等。
2、机械操作燃烧室
（1）回转炉栅燃烧室（又称为链条炉） 主要结构部件：一条无端的链状炉栅。借助炉栅的回转作用进行加煤、拨火及除渣的
操作。
工作过程：当炉栅自前向右缓缓回转时，便把煤由煤斗下部经过煤闸门带进燃烧室进行燃烧，灰渣由尾部排出。燃烧用的一次空气，首先送至回转炉栅腹中的风舱，然后自下而上穿过炉栅通风空隙进入燃烧层中。空气的流动方向与煤层的流动方向互相垂直。
在回转炉栅燃烧室中，燃料是在随炉栅不断运动过程中依次进行干燥、预热、着火、燃烧和燃烬等过程的。
（2）倾斜推动炉栅燃烧室
主要结构部件：倾斜推动炉栅。借助炉栅的推动作用进行加煤、拨火及除渣的操作。
 
工作过程：煤由煤斗中喂入，由推煤板推至倾斜炉栅上，加煤量可由推煤板的行程来调节。活动炉条的往复运动使煤沿炉栅面缓缓地向炉栅下端移动，在移动过程中依次进行干燥、预热、燃烧和燃烬，燃烬之后的灰渣从清灰门排除至炉外。空气可从倾斜炉栅下面鼓入或吸入。
特点：能燃用有粘结性、高灰分、难着火的劣质烟煤。但燃烧地段的炉栅总与高温煤层接触容易被烧坏，所以燃烧室的热力强度不宜太高。
3.3.2.4层燃燃烧室的计算
计算内容：炉栅面积、炉膛容积和高度等。
1、燃烧室的热力强度
用炉栅面积热力强度 和炉膛容积热力强度 两个指标表示。
（1）炉栅面积热力强度 ：单位时间内、在单位面积炉栅上燃料燃烧所放出的热量。
（2）炉膛容积热力强度：单位时间、单位容积的炉膛空间内燃料燃烧所放出的热量。
一般为290～350 kW/m2。燃用烟煤时可取低值，而燃用无烟煤时可取高值。
2、燃烧室的计算步骤
（1）确定燃烧室需要发出多少热量或烧多少煤。
（2）要求选择燃烧室的型式。燃煤量小于200kg/h可采用人工操作燃烧室，燃煤量大于200kg/h可采用机械化燃烧室。
（2）计算炉栅面积。
对于人工操作燃烧室，炉栅宽度不宜超过1.2m，需要较宽炉栅时，则应每隔1.0~1.2m设一个炉门，深度不宜大于2m。机械化燃烧室炉栅的尺寸应尽量符合国家定型产品的尺寸。
（4）计算炉膛容积。
炉膛高度：
燃料层以上自由空间，自然通风时一般≥0.3~1.0m，机械通风时更大。
3.3.3喷燃燃烧
喷燃：把煤块磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。
优点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。
3.3.3.1煤粉的制备
3.3.3.2煤粉的燃烧过程
1、燃烧过程
煤粉随空气喷入燃烧室后呈悬浮状态，煤粉一边随气流流动，一边依次进行干燥、预热、挥发分逸出及燃烧、焦炭粒子燃烧及燃烬等过程。随着燃烧的进行，放出大量热量，热烟气进入窑炉或烘干机加热物料及提供工艺上所要求的温度场。
喷燃与层燃的不同点：
①煤粉颗粒细小，悬浮于空气流中，气、固间接触及燃烧面积很大，因此燃烧速度快，燃烧温度高，且容易控制。
②机械不完全燃烧和化学不完全燃烧损失小。
③焦炭粒子随气体流动与气体间相对速度小，使后阶段焦炭的燃烧速度减慢。
2、煤粉喷燃时注意事项：
（1）一、二次空气的比例要合适
1）一次风的作用：①携带煤粉入窑；
②形成风、煤流股，造成一、二风混合及风、煤相对运动；
③供挥发物燃烧。
分析：①Q一次↓，将影响上述作用。挥发物燃烧不完全影响后面焦炭粒子的燃烧。
②Q一次↑，热风↓，对煤粉的着火、燃烧温度及热量的回收均是不利的。
一般一次风量应大体上满足煤粉挥发物燃烧的需要。Var↑，Q一次↑。
确定一次风比例应考虑：
①一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧
②煤粉制备系统的设计要求和窑炉的特性。
一般回转窑：25～30%，立波尔窑：15～20%
2）二次风的作用：供煤粉的焦炭粒子燃烧。
分析：Q二次↑，对焦炭粒子燃烧有利，燃烧温度↑，回收余热↑，热效率↑。
（2）一、二次空气的温度
t一次↑，煤粉易着火，对燃烧有利，t一次↑↑，煤粉有产生爆炸的危险，t一次≤150℃。
t二次↑，对燃烧有利，且不受限制，愈高愈好。。
（3）控制适当的过剩空气系数
↓，燃烧不完全，燃烧温度低；↑，燃烧完全，↑↑，燃烧温度↓。
水泥回转窑：=1.05~1.15。
煤粉燃烧室：=1.2~1.25
（4）控制合适的一次风喷出速度
分析：①↑，黑火头↑，，产生离焰，甚至熄火；
②，产生回火。
一般：，煤的Var↓，↓，煤的Var↑，↑。
回转窑，=40～80m/s
（5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉
分析：煤粉细，燃烧迅速完全；粒度均匀即含粗粒煤粉少，有利于完全燃烧。
煤粉过细，会降低煤磨产量，增加煤磨电耗。对于水泥回转窑而言，若煤粉细度过细，会使燃烧速度加快，窑头高温带火焰较短，产生短焰急烧，使水泥熟料煅烧时间不足，影响熟料质量。
一般挥发分高的煤或质地疏松的煤，其粒度可以稍大些；无烟煤或硬质的煤，粒度就要小些。
煤粉细度控制：0.08mm方孔筛筛余8%~15%左右。
（6）保持较高的炉膛温度
分析：炉内温度高，煤粉燃烧速度快，才能保证燃烧在炉内基本燃烬。
炉内温度低，燃烧速度慢，加煤量虽多，不但不能提高炉温，还会引起不完全燃烧。
（7）使用合适的煤粉烧嘴
煤粉烧嘴合适，能更好地加强刚入炉的煤粉气流与炉内热气流之间的混合，提高传热及保持火焰具有一定的形状。
（8）炉膛空间的大小和形状要适当
要有适当大小和形状的炉膛空间，以使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。
3.4.3.3煤粉的燃烧设备
1、煤粉烧嘴
（1）旋流式煤粉烧嘴
在旋流式煤粉烧嘴内，装有使气体产生旋转运动的导流叶片。
当空气通过烧嘴时，由于烧嘴内叶片的导向作用，产生强烈的旋转。火焰在炉膛中充满程度好，射程短，适用于燃烧室。
（2）直流式煤粉烧嘴
类型：
①直筒式：其出口风速较小，风煤混合情况较差，形成的黑火头较长而火焰较短，较适用于燃烧速度较慢的煤。
②拔哨式：因其出口缩小，气流喷出速度较大。由于喷射流的作用，一、二次风与煤粉的混合程度较好，燃烧速度较快。火焰形状短粗，不大规则，有时会损伤窑皮或燃烧室衬料。
③拔哨导管式：在拔哨式喷嘴前加一整流导管，使喷出的风煤气流进行整流，因而火焰长且较规则。
④带风翅的喷煤嘴：在喷嘴的内部装上一定角度的风翅，使喷出的风煤旋转。它吸取了旋流式烧嘴的优点，可增强煤流股与二次风的混合，有利于燃烧。其缺点是火焰往往短粗而刷窑衬，易使水泥回转窑窑皮温度过高而受损伤。
⑤多风道喷嘴：多风道喷嘴分为双风道和三风道两种，一般多采用三风道喷嘴。
三风道喷嘴具有以下特点：
①风煤出口风速较大，（70~150m/s），有利于提高煤粉的燃烧速度和燃烬程度；
②有利于煤粉的燃烧；能阻止煤粉飞向窑衬；
③外层轴流风的高速喷出，可提高二次风的利用率，有利于燃烧温度的提高及余热的有效利用。
④火焰形状调节灵活，可调幅度大，对煤质的适应性强。
直流式烧嘴使用特点：
①流体阻力较小，但它喷出的煤粉气流射程远，高温烟气的回流量也少，致使着火延迟，炉膛火焰充满度差。
②空气喷出速度一般比旋流式烧嘴所用风速大。一次风速为20~30m/s，二次风速为40~50m/s，挥发分高的煤取大值。水泥回转窑需要长的高温火焰，一次风速为40~75m/s。
2、煤粉燃烧室
燃烧室一般用1～2个煤粉烧嘴，燃烧室小用一个。布置烧嘴时，应注意烧嘴与炉墙、烧嘴与烧嘴之间保持一定距离。
煤粉燃烧室内装有风量调节装置，可调节器进入 的冷空气量把烟气温度隆到所需的温度。
燃烧室上部装有防爆阀，当发生爆炸时，高压气流可以由此通畅地排出，以防燃烧室被破坏。
煤粉燃烧室的燃烧能力一般用炉膛容积热力强度qV表示。
qV的大小可反映煤粉气流通过燃烧室炉膛的时间长短。如qV↑，不完全燃烧损失↑； qV↓，炉膛↑，占地面积↑，热效率低↓。 一般qV =140×103~230×103W/m，选取时，煤的Var↑，qV↑，煤Var↓，qV↓。 | 
