對沖燃燒與切圓燃燒鍋爐的對比

楊帆，趙奇

（1.神華（福建）能源有限責(zé)任公司，福州 350005；2.神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建石獅 362712）

對沖燃燒與切圓燃燒鍋爐的對比

楊帆1，趙奇2

（1.神華（福建）能源有限責(zé)任公司，福州 350005；2.神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建石獅 362712）

對燃燒器與配風(fēng)、水冷壁、NOx控制等鍋爐的主要技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，對比、總結(jié)了對沖燃燒和切圓燃燒鍋爐的特點和不同。2種燃燒方式具有各自的優(yōu)、缺點，在實際選擇燃煤方式時還需綜合考慮。

大型化鍋爐；對沖燃燒；切圓燃燒

0 引言

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤鍋爐超大型化已經(jīng)成為必然趨勢，百萬燃煤超超臨界機(jī)組不斷涌現(xiàn)。在燃煤鍋爐中，煤粉的燃燒是一個非常重要的環(huán)節(jié)。從世界范圍看，切圓燃燒和對沖燃燒是2種應(yīng)用最為廣泛的煤粉燃燒方式。為了在日后電廠建設(shè)中更好地進(jìn)行鍋爐選型及鍋爐燃燒控制，分析2種燃煤方式的特點是十分必要的。

1 對沖燃燒與切圓燃燒的特點與不同

1.1 燃燒方式對比

1.1.1 切圓燃燒

燃燒器布置在爐膛4個角上，以一定角度朝向爐膛中央，4個燃燒器相互配合，在中央形成旋流燃燒火焰。切圓燃燒采用直流燃燒器，燃料與空氣混合后噴入爐膛中心進(jìn)行燃燒；同時，鍋爐內(nèi)配有偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)，以不同于火焰旋流的角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)或反切，控制燃燒和煙氣速度分布。

1.1.2 對沖燃燒

燃燒器布置在前、后墻，燃燒器正對，在燃燒器出口形成火焰。對沖燃燒采用旋流燃燒器，一次、二次風(fēng)與燃料在燃燒器出口完成混合并燃燒。對沖燃燒的燃燒器不具有角度調(diào)節(jié)功能。

2種燃燒方式如圖1所示。

1.2 燃燒器與配風(fēng)對比

對沖燃燒采用多級配風(fēng)旋流式燃燒器。一次風(fēng)為煤粉與空氣的混合物，二次風(fēng)形成旋流，防止火焰貼壁，促進(jìn)可燃物與空氣混合。通過多級配風(fēng)，在燃燒器出口實現(xiàn)回流，從而實現(xiàn)著火和穩(wěn)燃。在對沖燃燒中，由于燃燒器之間的互相支持少，所以強(qiáng)調(diào)單個燃燒器的性能和單個燃燒器的煤粉空氣比。燃燒器為固定式，調(diào)節(jié)火焰主要通過改變風(fēng)量和煤粉輸入量來實現(xiàn)。由于旋流燃燒火焰是單獨組織的，個別燃燒器的停運對運行燃燒器影響小。

圖1 切圓燃燒與對沖燃燒

切圓燃燒采用直流式煤粉燃燒器。燃燒器出口煤粉直流射入爐膛，四角燃燒器在爐膛中央形成旋流和穩(wěn)定火焰。相對于旋流燃燒器，直流燃燒器布置靈活、燃料適應(yīng)范圍廣。直流燃燒器各噴口間的距離和出口角度可調(diào)整，而旋流燃燒器一次、二次風(fēng)緊密相臨，一般無調(diào)整空間。一次、二次風(fēng)混合早適合揮發(fā)分高的煤，對高灰分低揮發(fā)分煤種的燃燒效果不如切圓燃燒爐。切圓燃燒中燃燒器間互相支持，因此對單燃燒器性能和煤粉空氣比要求不如對沖燃燒高。旋流燃燒器為非完全固定式，水平方向角度固定，垂直方向角度可調(diào)，通過調(diào)節(jié)垂直方向角度，可以控制燃燒、改變火焰高度。

在前、后墻對沖燃燒鍋爐中，一面墻上的1層燃燒器對應(yīng)1臺磨煤機(jī)，并進(jìn)行聯(lián)動控制，一次風(fēng)和二次風(fēng)都在燃燒器內(nèi)。而在切圓燃燒鍋爐中，燃燒器被布置在鍋爐4個角上，1層4個角上的燃燒器對應(yīng)1臺磨煤機(jī)，進(jìn)行聯(lián)動控制。切圓燃燒中，二次風(fēng)為獨立的噴口，單獨可調(diào)，同樣也是1層噴口聯(lián)動。

目前煤粉燃燒器的類型主要有旋流式和直流式。針對超超臨界機(jī)組，這些燃燒器有共同的特點：燃燒器配風(fēng)多級化；設(shè)置火焰內(nèi)還原脫氮措施；采用煤粉濃縮技術(shù)，實現(xiàn)燃燒器出口煤粉的濃淡燃燒，同時增強(qiáng)著火區(qū)的熱煙氣回流穩(wěn)定燃燒；改進(jìn)燃燼風(fēng)的配置，提高爐內(nèi)脫氮效果和燃燒效率。

1.3 水冷壁

由于對沖燃燒和切圓燃燒在燃燒器內(nèi)的布置不同，2種燃燒形式鍋爐水冷壁的結(jié)構(gòu)也不相同。對沖燃燒爐膛下部采用螺旋水冷壁，上部采用垂直水冷壁；切圓燃燒由于燃燒器的布置比對沖燃燒復(fù)雜，采用螺旋水冷壁的結(jié)構(gòu)處理難度大，一般只采用一次上升垂直水冷壁。不同的水冷壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鍋爐在制造、安裝和運行上存在許多差異。螺旋水冷壁和一次上升垂直水冷壁各項對比見表1。

通過對比可以看出：在管道要求、是否需要節(jié)流圈、抗燃燒干擾能力、管間溫度偏差方面，螺旋管水冷壁要優(yōu)于一次上升垂直水冷壁；而在流動阻力、抗結(jié)渣能力以及安裝和維修方面，一次上升垂直水冷壁要優(yōu)于螺旋管水冷壁。水冷壁管壁的防磨防爆是鍋爐運行中非常重要的一個環(huán)節(jié)，其核心是控制管壁溫度?？傮w來說，螺旋管水冷壁在抗管壁超溫上要優(yōu)于垂直水冷壁，但其易結(jié)渣的特性使得在運行過程中需要及時對管壁進(jìn)行除渣，以防止傳熱惡化和爆管。

1.4 NOx的控制對比

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx可以分為熱力型、燃料型和快速型，其中熱力型和燃料型NOx的生成量要遠(yuǎn)大于快速型，控制它們的生成量就能有效降低NOx總生成量。熱力型和燃料型NOx的產(chǎn)生主要受煙氣溫度峰值和局部過量空氣系數(shù)的影響，所以在對沖燃燒和切圓燃燒鍋爐中，主要通過控制煙氣溫度和煤粉空氣比來實現(xiàn)低NOx燃燒。

分級燃燒通過控制煤粉空氣比，使煤粉在鍋爐不同高度上分多次完成燃燒，這是對沖燃燒和切圓燃燒鍋爐普遍采用的一種燃燒模式。在主燃燒區(qū)內(nèi)生成的NOx在還原區(qū)內(nèi)被還原成NH3和HCN等，再在燃盡區(qū)的過量空氣環(huán)境下反應(yīng)生成N2，從而達(dá)到降低NOx生成量的目的。旋流燃燒器（對沖燃燒）和直流燃燒器（切圓燃燒）都采用了煤粉濃淡分離燃燒技術(shù)，使?jié)狻⒌紵xNOx生成量高的化學(xué)當(dāng)量比燃燒區(qū)，從而降低NOx的生成量，同時使燃燒放熱在高度方向上的集中度降低，降低了截面熱負(fù)荷和壁面熱負(fù)荷。

雖然都采用了分級燃燒和煤粉濃淡分離技術(shù)，但由于對沖燃燒和切圓燃燒在燃燒器布置和火焰分布上存在差異，最終NOx的生成量是不同的。對沖燃燒中，火焰集中于燃燒器出口較小的區(qū)域內(nèi)，溫度峰值高，會生成大量NOx，同時，由于后期混合差存在局部高氧區(qū)，也不利于降低NOx；切圓燃燒在爐膛中央形成大的旋流火焰，溫度場更加均勻，溫度峰值低，所以能夠有效避免生成大量NOx，特別是熱力型NOx，同時，旋流的存在可以更好地混合燃料和空氣，不易偏離低NOx生成區(qū)。

1.5 結(jié)焦、結(jié)渣和煤種適應(yīng)性對比

切圓燃燒由于爐膛內(nèi)存在旋流，所以容易產(chǎn)生氣流貼墻，比對沖燃燒更容易結(jié)渣和腐蝕，特別是燃用貧煤時，由于燃燒延遲、二次風(fēng)與一次風(fēng)的動量流率比大，會使火焰刷墻。但由于在切圓燃燒鍋爐中采用了一次上升垂直水冷壁，能在一定程度上減弱結(jié)渣和腐蝕。

表1 螺旋水冷壁和一次上升垂直水冷壁的對比

相對于對沖燃燒，切圓燃燒適應(yīng)煤種范圍廣、負(fù)荷變化能力強(qiáng)，這是因為切圓燃燒在燃燒調(diào)節(jié)上更加靈活，手段也更多。除了對沖燃燒采用的風(fēng)量控制外，切圓燃燒還可以調(diào)節(jié)燃燒器豎直方向偏轉(zhuǎn)角度、二次風(fēng)量和風(fēng)角度，并進(jìn)行二者的耦合調(diào)節(jié)。在我國電廠煤質(zhì)多變、經(jīng)常參與調(diào)峰的背景下，切圓燃燒要優(yōu)于對沖燃燒。

1.6 爐型選擇

煤粉燃燒方式的選擇一般和爐型的選擇同時進(jìn)行，目前應(yīng)用最為廣泛的爐型是塔式爐和Π型爐。

塔式爐布置為單煙道，煙氣中灰粒在重力作用下上升速度慢，對受熱面磨損小，更適用于高灰分煤種。對流煙道中的煙氣速度場均勻，這對燃用高灰分或灰的腐蝕性強(qiáng)的煤有利。塔式爐中過熱器、再熱器及省煤器均為水平布置，且都在爐膛上部，能從根本上解決煙溫偏差所帶來的過熱器、再熱器超溫問題，因此塔式爐一般采用切圓燃燒。

塔式爐占地面積小，但鍋爐高度較高，百萬千瓦機(jī)組鍋爐大板梁頂標(biāo)高達(dá)到115m，投資、檢修費用高，且地震風(fēng)險大的地區(qū)不宜采用塔式爐。我國東南沿海地區(qū)由于夏季臺風(fēng)頻發(fā)，過高的塔式爐也不適用。目前，德國超（超）臨界鍋爐一般都采用塔式爐。

我國電站鍋爐習(xí)慣采用Π型布置方式，Π型雙煙道布置的主要優(yōu)點是鍋爐高度較低，費用較低，安裝簡單。對于燃用優(yōu)質(zhì)煤的1000MW鍋爐，總建造費用在爐型選擇中起決定性作用。

2 雙切圓燃燒

雖然在NOx的控制、燃燒調(diào)節(jié)的靈活性等方面，切圓燃燒要優(yōu)于對沖燃燒，但傳統(tǒng)四角切圓燃燒由于爐膛中心為旋流式燃燒，導(dǎo)致爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差遠(yuǎn)大于對沖燃燒。為了解決這一問題，部分大容量鍋爐在設(shè)計中采用了雙切圓燃燒。

如圖2所示，雙切圓燃燒采用2個相對獨立的反向切圓燃燒。通過反向的旋流式燃燒，讓爐膛出口流動熱偏差大大降低。雙切圓燃燒具有爐內(nèi)煙氣溫度場和熱負(fù)荷分配較為均勻、單只燃燒器熱功率小的優(yōu)點，雙切圓燃燒爐膛相當(dāng)于2個尺寸較小的單切圓爐膛，對保證直流燃燒器的火焰穿透力和改進(jìn)燃燒組織均有利。

圖2 雙切圓燃燒

反向雙切圓燃燒由于爐膛內(nèi)存在2個旋流燃燒火焰，所以產(chǎn)生了2個火球相互配合、防止偏斜等問題，比對沖鍋爐和傳統(tǒng)四角切圓在燃燒控制上要更復(fù)雜。但雙切圓燃燒不僅有切圓燃燒的眾多優(yōu)點，同時還能大幅度減小爐膛的出口溫度偏差，因此，如果其在控制方法上能得到長足進(jìn)步，將有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

從源頭上來說，切圓燃燒與對沖燃燒的特點和不同是由于二者組織燃燒的方式不同。本文從燃燒器類型和布置、水冷壁結(jié)構(gòu)、NOx的控制、爐型選擇等多個方面對切圓燃燒與對沖燃燒進(jìn)行了分析，可以看出，2種燃燒方式都有各自的優(yōu)、缺點，不存在絕對優(yōu)于對方的情況。在實際選擇燃燒方式時需要綜合考慮燃用煤種、電廠選址、建設(shè)費用和周期、后期維護(hù)難度等多方面因素。

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（本文責(zé)編：弋洋）

TK 229.6

：B

：1674-1951（2015）06-0054-03

楊帆（1986—），男，福建連江人，工程師，工學(xué)博士，從事火力發(fā)電廠技術(shù)管理方面的工作（E-mail：neoyang2004＠163.com）。

2014-07-09；

2014-11-25

趙奇（1982—），男，湖北孝感人，助理工程師，從事發(fā)電運行鍋爐專業(yè)方面的工作（E-mail：525219377＠qq.com）。