燃燒機理
採用煤炭層狀燃燒方式，煤的燃燒過程是分層進行的。一般情況下，當煤層厚度足夠時，從上到下依次為乾燥層、乾餾層、還原層、氧化層和灰渣層。如圖1所示，空氣自下而上通過爐排和灰渣層時，爐排和灰渣被冷卻而空氣被加熱。當空氣進入氧化層時空氣中的氧與熾熱的碳反應生成二氧化碳並放出大量的熱，隨燃燒反應的不斷進行，空氣中的氧不斷減少直至幾乎耗盡，而二氧化碳濃度不斷增加。當二氧化碳濃度和溫度上升至最大值時即為氧化層和還原層的分界點。氧化層的厚度不隨送風量的大小而改變，主要與煤種及煤粒大小有關。在還原層中由於缺氧而且溫度很高，煙氣中的二氧化碳與碳發生還原反應生成一氧化碳。由於還原反應為吸熱反應，故溫度會不斷降低。還原層上面為乾餾層，煤在其中發生熱解反應析出揮發分生成半焦。最上層為乾燥層，新加入的煤在其中被加熱乾燥。另外乾燥層上面還有揮發分等可燃氣體燃燒形成的火焰。
煤炭層狀燃燒層狀燃燒是一種最簡單最普通的煤炭燃燒方式。點火熱源和燃燒過程比較穩定，但燃燒強度不高。在中、小型工業鍋爐或加熱、熱處理等工業爐中，層狀燃燒是使用最廣泛的燃燒方式。
爐排形式
層狀燃燒按其所採用爐排形式的不同可分為固定爐排燃燒、活動爐排燃燒和下飼式爐排燃燒。其相應的燃燒設備及操作方式如表所示。
不同爐排形式相應的燃燒設備及操作方式
| 爐排形式 | 固定爐排 | 活動爐排 | 下飼式爐排 | |||||
| 燃燒 設備 | 手 燒 爐 | 雙層 爐排爐 | 拋煤 機爐 | 鏈 條 爐 | 往 復 爐 | 振動 爐排爐 | 下飼 式爐 | |
| 給煤方式 | 上飼式 | 前飼式 | 下飼式 | |||||
固定爐排燃燒
爐排與煤層均為不動的層狀燃燒。採用這種燃燒方式的燃燒設備主要有人工加煤爐和機械加煤爐兩大類。
人工加煤爐
包括手燒爐和雙層爐排手燒爐2種。
(1) 手燒爐。一種最簡單的層狀燃燒設備。它主要由灰坑、爐排、灰層和爐膛幾部分構成。其運行操作主要有加煤、撥火與除渣。
人工加煤爐中煤的燃燒過程有周期性。在兩次加煤之間，煤經過加熱、乾燥、揮發分析出燃燒和焦炭燃燼等階段形成一個周期。由於間歇加煤，使煤層厚度和通風量發生周期性變化。如圖2所示，在一個周期中，煤層不斷減薄、通風阻力減小，進入爐內的空氣量不斷增加(如ab線所示);另一方面，由於空氣與煤層混合不完善、煤層又在不斷減薄，可利用的空氣量逐漸減小(如cd線所示);而煤炭加熱、乾燥階段所需的空氣量較少，在揮發分析出燃燒階段所需的空氣量迅速增加，然後隨著揮發分減少和焦炭燃燒過程的進行，需要的空氣量又逐漸減少(如ef線所示)。可見，在開始階段由於空氣不足，會造成未完全燃燒損失，有些揮發分在這種條件下會分解成很難燒掉的炭黑，於是冒黑煙、污染環境;而在後一階段空氣又過剩，所以手燒爐的經濟性較差。為了提高經濟性，應合理地縮短加煤周期，以減小周期性的影響。
煤炭層狀燃燒手燒爐的燃燒強度不高，褐煤、煙煤和無煙煤都可以用。手燒爐結構簡單、通用性強。廣泛套用於小型工業爐和容量在1t/h以下的工業鍋爐。燃散煤或蜂窩煤的民用爐也屬手燒爐。
(2) 雙層爐排手燒爐。在手燒爐爐膛的上部加了一個由平行並列水管組成的上爐排(水冷爐排)，煤加到上爐排，部分空氣從上爐門自上而下穿過煤層，煤自上而下被逐步乾燥、乾餾、著火和燃燒。乾餾出的揮發分要穿過熾熱的煤層和灰渣層，所以可避免一般手燒爐的冒黑煙問題，消煙除塵效果好，它的排煙黑度可達林格曼0級，煙氣含塵量可達到環保要求。從上爐排漏下的灰渣和部分焦炭落到下爐排上繼續燃燒和燃燼，灰渣含炭量低，燃燒效率也較手燒爐高。但煤層阻力較大，需用引風機。
機械加煤爐
用拋煤機加煤的固定爐排燃燒爐。拋煤機有機械拋煤機、風力拋煤機和風力機械拋煤機3種。中國使用較多的是風力機械拋煤機。如圖3所示，煤由煤斗落到調節板上，滑塊在調節板上作往復運動將煤推給轉子，轉子不斷轉動將煤拋進爐膛。為了冷卻拋煤機和將細小煤屑吹進爐膛，在拋煤機前部和兩側置有專門的空氣噴口，這部分空氣稱為播煤風，它約占全部空氣量的5%～10%。
拋煤機爐的特點是適用煤種範圍廣，從無煙煤到褐煤都能燒。由於碎煤屑已在爐膛空間燃燒，火床上的煤層主要是塊煤，比較疏鬆，結焦、結渣的可能性小，所以對易結焦、結渣的煤適應性比其它層燃爐好。但它不適用水分較大的煤，以免拋煤機堵塞。拋煤機對煤粒度要求比較嚴格，最大顆粒不應超過40mm，0～3mm的細顆粒含量不宜超過30%。由於用機械加煤代替了人工加煤，所以拋煤機爐操作工人的勞動強度比手燒爐輕。
煤炭層狀燃燒活動爐排燃燒
煤在不斷運動的爐排上燃燒，煤層可隨爐排一起運動或與爐排有相對移動的層狀燃燒方式。燃燒設備主要有鏈條爐、往復爐和振動爐排爐3種。
鏈條爐
煤炭層狀燃燒排鍋爐煤料經鏈條輸送呈層狀燃燒的裝置 (圖4)。煤從煤斗下落在爐排上，隨爐排一起沿水平方向移入爐膛。空氣從爐排下通入並穿過爐排和煤層。進入爐膛的新加煤靠爐膛內的熱輻射從上部加熱乾燥、乾餾和著火燃燒。灰渣隨爐排向後移動落入灰坑。煤的燃燒沿爐排長度前部為煤的烘乾和析出揮發分的熱力準備區，其後為沿煤層高度劃分為氧化層和還原層的中部燃燒區，最後為燃燼區。在熱力準備區和燃燼區內氧氣過剩，而中間燃燒區內氧氣不足，通常採用分段送風和在爐膛加入二次風來減小燃燒區缺氧的影響。另外，鏈條爐爐拱的布置對爐膛內氣體的混合和煤的著火有較大影響。煤在鏈條爐中的著火條件不是很好，在燃用高水分或高灰分的煤時應採取措施以保證及時著火。鏈條爐排上煤層厚度為60～160mm，煤的粒度應小於40mm，其中小於6mm的煤含量不宜大於50%～60%。鏈條爐排結構分為鏈帶式、鱗片式和橫樑式3種。
鏈條爐結構成熟運行可靠，套用廣泛，主要用於工業爐和工業鍋爐。中國生產的鏈條爐排鍋爐容量一般在1～65t/h。但其爐排結構複雜，檢修較難，投資和維修費較高。
將拋煤機與鏈條爐排結合起來，稱為拋煤機鏈條爐。由拋煤機給煤，鏈條爐排排渣。煤在拋煤機鏈條爐中的著火條件較好，燃燒過程的區段性不十分明顯。爐膛是開式的，布置有二次風，但不設爐拱。它的爐排面積熱負荷比鏈條爐高，適用於容量較大的爐子。
往復爐
爐排由相間布置的活動爐排片和固定爐排片組成 (圖5)，活動爐排片做往復運動，將從煤斗落下的煤逐漸推向後方的層狀燃燒裝置。空氣從爐排下穿過爐排和煤層與煤進行燃燒反應，灰渣落入爐排後的灰坑內。煤在往復爐中的著火條件稍好於鏈條爐，燃燒過程與鏈條爐相似，也具有區段性。往復爐採取分段送風，爐膛配置二次風和採用適當形式的爐拱等措施來減小區段性的影響。往復爐排一般布置成階梯形式，此時活動爐排片在水平方向做往復運動，煤向下向後移動。有時爐排也呈水平布置，此時活動爐排片在傾斜方向做往復運動，煤向後移動。
煤炭層狀燃燒往復爐主要用於小型工業爐和工業鍋爐，中國生產的往復爐排工業鍋爐容量為0.5～10t/h。
振動爐排鍋爐
爐排運行時以800～1400次/min的頻率振動，振動方向與水平成20°～30°的層狀燃燒裝置(圖6)。煤由煤斗落下，靠爐排振動產生的慣性向後移動;空氣由爐排下穿過爐排和煤層，與煤發生燃燒反應;灰渣落入爐排後的灰坑內。煤在振動爐排爐中的著火與燃燒特點與鏈條爐相似，燃燒也具有區段性，故振動爐排爐也採取分段送風、爐膛設定二次風和爐拱等措施來減小區段性的影響。振動爐排爐的飛灰量比鏈條爐大，漏煤多。振動爐排有兩種型式，固定支點振動爐排的振幅為2～8mm; 活動支點振動爐排的振幅為100～140mm。振動爐排爐結構簡單，金屬耗量少，要求運行操作水平較高，主要用於小型工業爐和容量在4t/h以下的工業鍋爐。
煤炭層狀燃燒下飼式燃燒
煤和空氣均自下而上運動，後加入的煤將先加入的煤向上推移，煤在運動中進行燃燒，燃燼後形成的灰渣落向兩側排出的層狀燃燒。燃燒設備為下飼式燃燒爐。
下飼式燃燒爐又稱下部加料鍋爐，是由爐下部自動進煤的層狀燃燒裝置，通常由螺旋給煤機、煤槽、固定爐排片和渣板組成(圖7)。煤由螺旋給煤機從煤斗送入煤槽並推擠到煤槽的上方。空氣由爐排下送入與煤進行燃燒反應。煤在下飼式燃燒爐中的燃燒過程與雙層爐排的上爐排中的燃燒過程類似，當煤逐漸向上運動時，被逐漸加熱、乾燥，並析出揮發分著火燃燒，而在燃料層表面的已是焦炭。揮發分和空氣流經焦炭層並在其中燃燒，所以燃料層上火焰很短，揮發分不會分解成炭黑造成冒黑煙。未燃燼的焦炭在新燃料推動下向爐排兩側運動並繼續燃燒，灰渣落在兩側的渣板上排出。下飼式燃燒爐中的著火條件較差，不宜燃用水分大和揮發分含量少的煤。下飼式燃燒爐主要用於小型工業爐和容量在4t/h以下的工業鍋爐。
煤炭層狀燃燒