1 煤的洁净燃烧

煤炭的主要利用途径除了少部分作为炼焦和化工原料制造化肥、甲醇、二甲醚以及烯烃等以外，其余绝大部分都直接或间接作为燃料使用。如中国约有80%左右的煤炭作为燃料，其中用于发电的更占中国煤产量的55%左右。以2006年中国生产23.25亿吨原煤计算，约有18.5亿吨左右用于燃料，其中发电用煤也达12亿吨左右，炼焦用煤仅4亿多吨。因而煤的清洁燃烧对改善大气环境质量，增强人民体质具有十分重要的作用，尤其是最大限度地减排燃烧煤放出的SO₂和NO₂以及微细的灰粒是我国资源节约型、环境友好型的重要政策。

1.1煤的燃烧原理

煤的燃烧时煤中可燃物质与空气中的氧化合而产生热能。煤中主要成分为碳、氧元素以及两者的化合物，另有少量硫元素也参与燃烧。其主要反应为

C＋O₂           CO₂——32750kJ/kg    放热

H₂＋1/2O₂             H₂O——141694Kj/kg  放热

S＋O₂           SO₂——9292kJ/kg    放热

煤的燃烧过程可以粗略地分为5个阶段：1煤受热干燥，水分析出；②继续加热挥发分析出，着火、燃烧；③引燃煤中的碳，并继续析出残余挥发分；④挥发分与碳一齐燃尽；⑤形成灰渣。在上述过程中主要为挥发分的热分解和碳的燃烧两个过程。

1.1.1挥发分的热分解

挥发分的析出与温度和时间有关，在一定的高温条件下，煤中挥发分在高温下约在不到1min的时间内就能析出80%～90%，剩下的10%～20%挥发分则要在较长时间内析出。最后还有0.2%的挥发分则需要更长时间，才能完全析出。煤的挥发分产率与煤的燃烧速率有关，挥发分的燃烧温度比较低，反应速率也较焦炭快得多。它燃烧后放出的热量对焦炭的着火和燃烧有很大的促进作用。所以挥发分高的煤一般都相对容易着火。在锅炉中，煤的干燥、干馏和挥发分燃烧所需要的时间大约只占燃烧时间的10%以内。

1.1.2碳的燃烧

当空气以很低的流速通过煤层时，碳和CO有充分时间和足够机会燃尽。煤中的碳燃烧时，首先产生的反应时

C＋O₂           CO₂

该反应称为一次反应，是碳的氧化反应。当其产物CO₂继续通过炽热的碳层时，和碳还会发生还原反应，生成CO，称为二次反应，其实质为气化反应，该反应为吸热反应。因在煤燃烧后期，碳粒表面O₂的浓度下降，CO₂浓度升高，碳粒最后燃尽主要由气化反应完成。

现代大型煤粉炉燃烧，由于炉膛温度很高，燃烧要求的时间很短，因此悬浮在气流中的煤粉粒子加热速度可高达10⁴℃/s。在这样高的升温速度下，煤粉燃烧与一般燃料燃烧不同，主要在于：

（1）    可燃气体在析出过程几乎延续到煤粉燃烧的最后阶段；

    （2）在高速升温情况下，可燃气体的析出、燃烧是和焦炭燃烧同时进行的，在更高的加热速度下，微小的煤粉粒子先着火、燃烧后才热分解析出可燃气体；

（3）高速加热时，挥发分的产率和成分都与低速加热的常规测试方法所得的数值有所不同；

（4）快速加热形成的焦炭与慢速加热形成的焦炭，在孔隙结构方面也有很大产别。

1.1.3煤的着火

着火是指可燃物质反应速率得到加速或系统升温，从而在某一瞬间或空间某一部分出现火焰的过程。着火本身是一个过程，该过程是指由初始状态至化学反应速率出现跃变的整个不稳定过程。根据着火工况不同，可以分为两种形式：一种形式是自然过程，另一中形式则称为强迫点燃。自然又可以根据引发着火机理的不同而分为化学自燃（连锁自燃）和热自燃两种方式。

（1）自燃着火

①化学自燃

对于链式反应，当活化中心的生长速率大于销毁速率时，这种反应称为链式反应。由于某种原因，化学反应速率一路升高，与时间成指数关系，在某一瞬间引起着火。此时系统温度可以没有明显升高。应该说明的是：实际燃烧过程中还可能有单纯的链式着火或单纯的热着火情况，两者实际上是相互促进，共同存在的。在低温状态下，连锁反应的结果必然使系统得到升温。

②热自燃

系统内充满可燃物和氧化剂的混合物，如果是在一定初始温度下，系统反应放热大于对外界的散热，那么系统温度必然上升，反过来又使反应速率提高，放出更多热量，若最终能使系统着火燃烧，这种着火过程称为自然着火。

（2）强迫点燃

利用另一个火源（火炬、电火花、电弧或炽热物体）使系统的边界层内一部分混合物首先着火，然后依靠火焰传播的方式使整个系统燃烧的方式称为强迫点燃。其本质为由一炽热物体向可燃物氧化剂混合物放热，从而提高了边界层内可燃混合物的温度，使该局部区域的化学反应加速，放热加强，则该部分混合物内部渗入，使整个系统着火。

煤的着火温度

1．1.4

如前所述，煤粉的燃烧过程可描写为煤粉受热受热失去水分、大量挥发分析出、着火、引燃焦炭、挥发分与焦炭一道燃尽，形成灰渣。

在上述过程中，大部分挥发分已着火，燃尽时间仅占整个燃烧过程的10%，约为0.2～0.5s；而焦炭燃尽程度达到98%的过程所占的时间很长，占整个燃烧过程的90%，燃尽时间为1～2.8s。从燃烧放热量来看，焦炭占煤粉总放热量的60%～95%。着火过程主要取决于煤中挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦炭的燃烧速度。

1.1.5煤的结渣和积灰

锅炉运行中的首要问题是煤的燃烧。燃烧过程中最主要的是着火、燃尽这两步，伴随煤的燃烧过程的不断进步，在炉膛还将派生以下一些列其他问题：

①    受热面积灰、结渣。

②    氧化氮等污染物的生成。

③    受热面金属表面的高温腐蚀。

④    蒸发受热面中水动力的安全性。

⑤    火焰在炉膛容积中的充满程度。

结渣就是煤灰在炉膛受热面上的黏附熔结，这是煤在自然过程中一种常见的现象。

影响结渣形成及结渣强度的因素很多，其中最重要的是：灰的成分及灰在燃烧过程中的化学变化；炉膛温度、炉内过量空气系数及炉内不同区域的温度和过量空气系数；炉内的空气动力工况。

煤中的无机物质在燃烧后成为灰分，它可以用氧化物的形式表达。SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、SO₃、K₂O、Na₂O、TiO₂等氧化物是最主要的灰组分。

由结渣的形成机理可知，灰中某些化学元素对结渣其推波助澜作用，这已通过实验验证。这些化学元素分别是硫、钙、氯、钠、钾。

其他元素在高温及烟气的影响下转化成比易熔元素温度更低的化合物，或者形成共熔体，其熔融温度比这些化合物的熔融性温度还要低。具有低熔融性温度的共熔体的熔化、蒸发及凝结，常常会引起严重的结渣。

个别元素对结渣也会造成影响，如黄铁矿中的硫。如果硫在煤中以黄铁矿的形式出现。它可通过水分或者空气氧化。黄铁矿与水反应首先生成FeO，继而氧化为Fe₂O₃：

FeS＋H₂O          FeO＋H₂S

2 FeO＋1/2        Fe₂O₃

还必须注意，煤在锅炉内燃烧时，因煤灰熔融性低而结渣外，煤中灰分的数量也有较大的影响，即同样熔融性低的如灰分不高，也不致造成结渣，而灰熔融性较高的煤如灰分较高，也可能形成结渣。

2、煤的洁净燃烧——循环流化床燃烧

循环流化床（CFB）燃烧技术是一种新型的固体燃料燃烧技术。固体颗粒（燃烧、炉渣、石灰石、沙粒等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流化态）运动，即高温气流（介于固定床和气体流床之间）与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧、炉膛内固体颗粒的浓度高，燃烧、传热、传质剧烈，温度分布均匀。

一般说，循环流化床燃烧系统由给料系统那个、燃烧室（炉膛）、分离装置、循环物料回送装置等组成（有些炉型中，返料机构与外置流化床换热器相结合）。燃料和脱硫剂在循环床燃烧室的下部给入。燃烧用的空气分为一次分和二次风，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。循环流化床运行风速一般为5～8m/s，使炉内生产强烈的扰动，并将物料带离燃烧室。燃烧室内布置部分水冷壁受热面，温度控制在850～900℃以利于石灰石高效脱硫及抑制NO2的生成。气流从燃烧室携带出来的高温物料经分离器分离后，由循环物料回送装置送回燃烧室，完成循环。分离器引出的高温烟气经尾部受热而冷却后，经除尘器除尘后排入大气。