電廠鍋爐燃燒方式選型淺析

王國紅

摘要：某市擬新建2×350MW燃煤電廠，主要滿足當(dāng)?shù)毓I(yè)園區(qū)的工業(yè)和采暖用熱，屬于熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。工程擬建設(shè)2×350MW超臨界燃煤空冷供熱發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)脫硫、脫硝設(shè)施。本文將根據(jù)工程燃燒用煤的品質(zhì)對燃煤鍋爐采用切圓直流燃燒技術(shù)及對沖旋流燃燒技術(shù)的煤粉燃燒器進(jìn)行簡單分析。

關(guān)鍵詞：電廠；鍋爐；燃燒；燃料

就目前國內(nèi)電站鍋爐來講，隨著鍋爐容量的不斷增加和環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，對煤粉燃燒器的要求也隨之提高。性能良好的燃燒設(shè)備應(yīng)滿足下列要求：將燃料和燃燒所需空氣送入爐膛，在爐內(nèi)形成良好的空氣動(dòng)力場，使燃料能迅速穩(wěn)定地著火；及時(shí)供應(yīng)空氣、與燃料適時(shí)混合，造成必須的燃燒強(qiáng)度，使燃料在爐內(nèi)達(dá)到完全到燃燒；燃燒可靠穩(wěn)定，爐內(nèi)不結(jié)焦，保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行；有較好的燃料適應(yīng)性，具有良好的調(diào)節(jié)性能和較大的調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)煤種和負(fù)荷變化的要求；氮氧化合物的生成量控制在允許范圍內(nèi)，以達(dá)到環(huán)保的要求。

一、鍋爐燃料特性

由該項(xiàng)目煤質(zhì)資料可以看出，設(shè)計(jì)煤質(zhì)的結(jié)渣性中等，沾污性較重，且嚴(yán)重磨損，著火處于易穩(wěn)定性，燃料較易燃盡；校核煤種與之相比則結(jié)渣性中等偏輕，中等沾污，其它磨損性、著火穩(wěn)定性及燃料燃盡性則一致。

二、直流燃燒器

直流煤粉燃燒器的出口是由一組圓形、矩形或多邊形的噴口所構(gòu)成。煤粉空氣混合物和燃燒所需空氣從各自噴口以直流射流形式噴進(jìn)爐膛，這些射流在爐膛中的發(fā)展情況基本上決定了燃料的著火條件和燃燒強(qiáng)度。

直流煤粉燃燒器的射流是由多股射流組合而成，煤粉和燃燒所需空氣分別由不同噴口以直流射流形式噴進(jìn)爐膛的。直流燃燒器都采用四角布置，四角射流在爐內(nèi)一般相切于一個(gè)假想切圓。根據(jù)流過介質(zhì)的不同，噴口可分為一次風(fēng)口和二次風(fēng)口。一次風(fēng)是攜帶煤粉送入燃燒器的空氣，主要作用是輸送煤粉和滿足燃燒初期揮發(fā)分燃燒對氧氣的需要。二次風(fēng)是待煤粉氣流著火后再送入空氣，它的主要作用是補(bǔ)充煤粉進(jìn)一步燃燒所需的氧氣，并起擾動(dòng)混合作用。

直流燃燒器切圓燃燒方式具有著火條件好，煤種適應(yīng)性強(qiáng)；一、二次風(fēng)混合的快慢可以通過燃燒器的設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)；燃燒后期氣流擾動(dòng)較強(qiáng)，有利于燃盡等優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)從過去到現(xiàn)在一直有著廣泛的應(yīng)用。

三、旋流燃燒器

旋流燃燒器出口的二次風(fēng)射流是圍繞燃燒器軸線旋轉(zhuǎn)的射流，而一次風(fēng)射流可為直流射流或旋轉(zhuǎn)射流。由于旋流燃燒器出口截面的幾何形狀都是圓形，故這種燃燒器又稱為圓形燃燒器。旋流燃燒器是利用旋流器使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流由燃燒器出口噴出后，氣流在爐膛內(nèi)就形成了旋轉(zhuǎn)射流，如下圖所示。

直流燃燒器的一次風(fēng)和二次風(fēng)射流是分別通過各自獨(dú)立的噴嘴送入爐膛的，在爐內(nèi)組織二者混合，而旋流燃燒器的一次風(fēng)和二次風(fēng)則是通過同一圓形燃燒器按被圓環(huán)分隔的內(nèi)外（圓形或圓環(huán)形）通道分別進(jìn)入爐內(nèi)的。所以，旋流燃燒器的射流均為一次風(fēng)射流和二次風(fēng)（兩股或多股）射流組成的共軸射流。

旋流燃燒器采用墻式布置，一般為前后墻對沖布置。與四角切圓的直流燃燒方式相比，對沖式布置旋流燃燒方式的爐內(nèi)火焰不存在整體的旋流，火焰充滿度和流場均勻性容易調(diào)整好，在爐膛出口和高溫水平煙道不存在四角切圓燃燒特有的氣流余旋，左右兩側(cè)煙氣流量和煙溫偏差較小。但是，旋流燃燒器其燃燒方式?jīng)Q定了其NOx排放較直流燃燒器高。

四、兩種燃燒器對比

目前國內(nèi)墻式布置的旋流燃燒方式與四角布置的直流燃燒方式是電站鍋爐最主要的兩種燃燒方式。燃燒方式的優(yōu)劣主要可由以下幾個(gè)方面來考慮，包括結(jié)渣及高溫腐蝕特性、NOx的排放、氣溫調(diào)節(jié)特性、燃燒效率和穩(wěn)燃能力等。

1.結(jié)渣及高溫腐蝕特性

旋流燃燒器對介質(zhì)的卷吸率高，射程短，這就減少了火焰碰撞、沖刷水冷壁的機(jī)會(huì)，而且沿爐膛內(nèi)熱負(fù)荷比較均勻，爐膛的結(jié)渣和腐蝕較易控制。但旋流燃燒器仍然存在著燃燒器區(qū)域的結(jié)渣和腐蝕問題，這往往是由于煤粉濃度分配不均引起的。

2.NOx的排放

對于降低NOx的排放，直流燃燒器和旋流燃燒器都取得了很大的進(jìn)展，但由于切圓燃燒的固有特性，四角布置方式的一次風(fēng)和二次風(fēng)混合較晚，所以，直流燃燒器的NOx的生成量較旋流燃燒器稍低。

3.汽溫調(diào)節(jié)特性

四角布置的直流燃燒器可以采用擺動(dòng)式燃燒器，通過改變火焰中心位置來調(diào)節(jié)蒸汽溫度，這種方法也使對流受熱面布置簡單化，降低了設(shè)備成本，而且汽溫調(diào)節(jié)范圍較大，操作簡單可靠，這是直流燃燒器的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。

4.煙氣偏差

四角布置方式存在的一個(gè)重要問題是煙氣偏差由于直流燃燒器固有的切圓燃燒方式，使?fàn)t膛范圍內(nèi)存在著較大的煙溫偏差，在爐膛出口，由于殘余旋轉(zhuǎn)的存在，使水平煙道左右側(cè)的煙溫相差較大，且存在局部高速區(qū)，

在四角切圓燃燒鍋爐中，燃燒器區(qū)域形成的旋轉(zhuǎn)火焰不但旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、強(qiáng)烈，而且黏性很大。高溫?zé)煔饬鞯竭_(dá)爐膛出口的過程中，其旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度雖然逐漸減弱，但仍然有殘余旋轉(zhuǎn)。殘余旋轉(zhuǎn)會(huì)造成爐膛出口處的煙溫偏差，這會(huì)引起過熱器及再熱器管壁超溫以致爆管，影響了機(jī)組的可用率。為解決煙氣偏差造成的汽溫偏差，一般采用將合理的受熱面分級，過熱器級間的交叉布置進(jìn)行平衡。

五、燃燒器選型建議

如果采用切圓直流燃燒器，需解決煙氣偏差及汽溫偏差。在解決煙氣偏差上則應(yīng)采用合理的爐膛斷面和燃盡高度，合理的爐膛寬深比，良好的空氣動(dòng)力場，可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)，及采用優(yōu)質(zhì)的風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擋板以保證調(diào)節(jié)的可靠性。在解決汽溫偏差上，則應(yīng)采用合理的受熱面分級，相應(yīng)的“節(jié)流” 手段， 合理的蒸汽引入和引出方式，以及最主要的是過熱器級間交叉布置。

如果采用旋流燃燒器，則應(yīng)注意其燃燼風(fēng)、貼壁風(fēng)的設(shè)計(jì)，保證NOx排放達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是低負(fù)荷情況下的NOx排放值。并且防止其旋流火焰的吸附對噴口周邊的水冷壁造成的磨損及腐蝕。

基于目前國內(nèi)三大電站鍋爐廠在技術(shù)及制造水平上的優(yōu)勢，無論該電廠采用哪種形式的燃燒器，其性能及可靠性均能得到保證。故建議該工程在鍋爐選型上不必拘泥于哪一種燃燒方式，根據(jù)煤質(zhì)特性的分析，鍋爐選型應(yīng)重點(diǎn)考慮鍋爐的高效穩(wěn)定燃燒，特別是低負(fù)荷穩(wěn)燃，對飛灰磨損的防治、爐內(nèi)結(jié)渣、受熱面的沾污和NOx的排放也應(yīng)重點(diǎn)考慮，另外鍋爐也應(yīng)有很強(qiáng)的對煤種的適應(yīng)能力，以應(yīng)對可出現(xiàn)的煤種變化。

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