對(duì)沖燃燒與切圓燃燒技術(shù)的共同發(fā)展

對(duì)沖燃燒與切圓燃燒技術(shù)的共同發(fā)展華國(guó)鈞1，施可登2，張書謹(jǐn)31．浙江省電建總公司，浙江杭州315800；2．浙江省火電建設(shè)公司，浙江杭州310016；3．浙江省電力試驗(yàn)研究所，浙江杭州310014）摘要：從燃燒經(jīng)濟(jì)性、結(jié)渣、NO、低負(fù)荷穩(wěn)燃、汽溫調(diào)節(jié)方式、煙溫偏差等多個(gè)X角度對(duì)對(duì)沖燃燒鍋爐和切圓燃燒鍋爐的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，評(píng)述它們的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中多個(gè)問(wèn)題的研究方向提出了意見(jiàn)。關(guān)鍵詞：對(duì)沖；切圓；燃燒；偏差四角切圓燃燒技術(shù)曾經(jīng)在我國(guó)的電站鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)際使用中占據(jù)了非常重要的位置，特別是從20世紀(jì)70年代末大型機(jī)組中CE型鍋爐技術(shù)的引進(jìn)開始，我國(guó)的四角切圓燃燒技術(shù)日趨成熟。而從20世紀(jì)80年代初以巴威和福斯特惠勒為代表的對(duì)沖燃燒技術(shù)的引進(jìn)，又極大地推進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)沖燃燒技術(shù)的發(fā)展，不少300MW以上大型機(jī)組采用了對(duì)沖燃燒技術(shù)。切圓燃燒鍋爐的主導(dǎo)地位受到了對(duì)沖燃燒鍋爐的強(qiáng)有力挑戰(zhàn)。以浙江省為例，20世紀(jì)80年代末開始上馬的300MW以上燃煤機(jī)組中，對(duì)沖燃燒鍋爐的總負(fù)荷占62．5％，而切圓燃燒鍋爐總負(fù)荷只占37．5％。應(yīng)該說(shuō)，對(duì)沖燃燒與切圓燃燒是各有優(yōu)勢(shì)的，例如切圓燃燒時(shí)火焰行程長(zhǎng)、爐內(nèi)混合好，對(duì)沖燃燒時(shí)優(yōu)越的自穩(wěn)燃性能，爐膛出口煙溫偏差易控制等。并且經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)進(jìn)步，它們?cè)诟髯缘娜鮿?shì)方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，例如切圓燃燒中的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，對(duì)沖燃燒中的NO排放量等，本文對(duì)比了切圓燃燒和對(duì)沖燃燒的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)兩X種燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了論述。1燃燒經(jīng)濟(jì)性對(duì)于切圓燃燒來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)在于：（1）煤粉在爐內(nèi)行程長(zhǎng)，爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)。（2）受鄰角高溫?zé)煔獾闹苯記_刷，強(qiáng)化了燃燒。資料顯示，目前300MW以上機(jī)組中采用四角切圓燃燒技術(shù)的煙煤鍋爐，其爐效一般在93％左右，燃燒效率在99％左右，貧煤鍋爐的熱效率也高于90．5％，燃燒效率高于97％。在正常情況下，采用切圓燃燒技術(shù)時(shí)其燃燒經(jīng)濟(jì)性是有保障的。對(duì)沖燃燒鍋爐采用旋流燃燒器，就燃燒經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)勢(shì)在于：（1） 旋流燃燒器的一、二次風(fēng)混合早且強(qiáng)烈，保障了煤粉及時(shí)、充分燃盡。（2） 旋流燃燒器對(duì)高溫?zé)煔獾木砦矢?。?） 對(duì)沖燃燒的爐膛的爐膛熱負(fù)荷易控制均勻。浙江省內(nèi)所有對(duì)沖燃燒爐的爐效率都在93%以上，北侖電廠二期3臺(tái)IHI的對(duì)沖爐效甚至在94％左右。證明對(duì)沖燃燒爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性并不比切圓燃燒爐差。應(yīng)該說(shuō)，無(wú)論是對(duì)沖燃燒還是切圓燃燒，燃燒經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題已甚本解決。尤其是近年來(lái)切向燃燒技術(shù)中WR型燃燒器等濃淡分離技術(shù)的普遍使用，旋流燃燒器中低燃燒速率燃燒器的研發(fā)與運(yùn)用，燃燒經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題已不再成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的首要問(wèn)題。特別是煙煤的燃燒，其燃燒效率之高，已基本達(dá)到了極限。在這方面再做進(jìn)一步的研究，其收益已有限。2結(jié)渣、磨損與高溫腐蝕煤種的結(jié)渣特性和爐膛容積熱負(fù)荷、截面熱負(fù)荷的選取是爐內(nèi)結(jié)渣與否的重要影響因素，在以上參數(shù)一定的情況下，采用何種燃燒方式，燃燒器布置方式、燃燒器結(jié)構(gòu)特征等則成為解決結(jié)渣問(wèn)題的核心。對(duì)切圓燃燒來(lái)說(shuō)，合理組織切圓大小，控制火焰中心偏斜是控制結(jié)渣的關(guān)鍵。切圓直徑大于一定值時(shí)，結(jié)渣趨勢(shì)隨切圓直徑的增大而增大，大量熔融、半熔融煤粉顆粒將直接撞擊水冷壁，形成結(jié)渣，同時(shí)磨損水冷壁，發(fā)生高溫腐蝕。切圓又不能太小，否則高溫火焰集中于爐膛中部，不利于著火和穩(wěn)燃。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的同心切圓燃燒技術(shù)（如圖1所示）的普遍使用對(duì)解決切圓燃燒中的結(jié)渣問(wèn)題起到了重要作用。二次風(fēng)以大切圓噴入爐膛，而一次風(fēng)粉氣流以小切圓、或?qū)_、或反向小切圓的形式進(jìn)入爐膛，形成爐膛中央的富燃料區(qū)和水冷壁周圍的富空氣區(qū)，減小了一次風(fēng)沖刷水冷壁的可能性，不僅對(duì)于控制結(jié)渣，對(duì)減小水冷壁磨損和高溫腐蝕也大有幫助。同時(shí)一、二次風(fēng)的混合更加強(qiáng)烈，有利于煤粉完全燃燒。LlNi1tK>1-T■J■hL：fjai*l4rtSLlNi1tK>1-T■J■hL：fjai*l4rtS- JlI-IIlJ-fCl-I-l."SI!-J.1，八'4.m..]/!.：:片電H心口切相對(duì)而言，對(duì)沖燃燒爐中旋流燃燒器射流沖墻的幾率較切圓燃燒小得多，通過(guò)對(duì)單個(gè)燃燒器的旋流強(qiáng)度、火焰擴(kuò)散角和一、二次風(fēng)配比的控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛整體粘污水平的控制。對(duì)沖燃燒爐中單個(gè)燃燒器功率的選取和燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷的選取是關(guān)鍵，因?yàn)槿紵鲄^(qū)域結(jié)渣問(wèn)題依然存在。單個(gè)燃燒器功率過(guò)大，會(huì)使燃燒器區(qū)域局部熱負(fù)荷過(guò)高而產(chǎn)生結(jié)渣，切換和啟停燃燒器對(duì)爐內(nèi)火焰偏斜的影響較大，一、二次風(fēng)的氣流太厚，不利于風(fēng)粉混合。但燃燒器只數(shù)減少，相應(yīng)管道及風(fēng)箱布置則較簡(jiǎn)單。3低NOX燃燒傳統(tǒng)旋流燃燒器的二次風(fēng)通常采用強(qiáng)旋流，二次風(fēng)過(guò)早與一次風(fēng)混合，不能在著火區(qū)形成局部高濃度區(qū)，這有悖于濃淡燃燒原理和分級(jí)燃燒原理，不利于低NOX燃燒。后發(fā)展起來(lái)的目前已被成熟應(yīng)用的新型旋流燃燒器中大部分采用雙通道旋流結(jié)構(gòu)。較為典型的有Babcock雙調(diào)風(fēng)燃燒器和IHI－FW雙流旋流燃燒器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將旋流二次風(fēng)通道分解成兩個(gè)通道，通過(guò)分級(jí)送風(fēng)實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒以降低NOX。新型雙通道旋流燃燒器中的一次風(fēng)不旋或弱旋，避免燃燒器出口初期混合強(qiáng)烈而后X期混合微弱的缺陷,Babcock雙調(diào)風(fēng)燃燒器為典型代表。新型旋流燃燒器出口形成局部煤粉高濃度區(qū),是獲得良好燃燒的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃和低NOX排放，IHI-FW雙流旋流燃燒器為此種典型X詳見(jiàn)圖2。相對(duì)切圓燃燒，對(duì)沖爐型的燃燒器更易布置，這為其合理布置燃燒器頂部的過(guò)燃風(fēng)（OFA）噴口

供了便利。開發(fā)于20世紀(jì)70年代中后期的過(guò)燃風(fēng)噴口的布置是分級(jí)燃燒理論的很好體現(xiàn)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，已在大容量鍋爐上廣泛應(yīng)用。北侖電廠二期3臺(tái)IHI的600MW燃煤鍋爐就是采用了過(guò)燃風(fēng)分級(jí)燃燒的典型布置，其過(guò)燃風(fēng)噴口與最上部燃燒器的距離與各燃燒器層之間的距離一致，同為3.5m（見(jiàn)圖3）,其過(guò)燃風(fēng)量占總二次風(fēng)量的20%?30%。試驗(yàn)顯示，鍋爐的過(guò)燃風(fēng)檔板開度從50%增加至75%,可使NO降低200?X300mg/L，效果非常明顯。切圓燃燒時(shí)一、二次風(fēng)射流基本平行進(jìn)入爐膛，其早期混合并不強(qiáng)烈，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風(fēng)混合的擴(kuò)散火焰，因此形成了一種較長(zhǎng)的火焰結(jié)構(gòu)。這種燃科與空氣混合的方式符合分級(jí)燃燒理論，對(duì)降低NO的生成是有利的。特別是采用CFS、LNCFSX的燃燒系統(tǒng)布置方式，更加推遲了一、二次風(fēng)的初期混合，加強(qiáng)了空氣分級(jí)的效果，并配以各種濃淡燃燒器，更起到抑制NO生成的作用。X搟J北侖吧門!門「"汕胡丨1搟J北侖吧門!門「"汕胡丨1和簾已OOOCOOOO但國(guó)內(nèi)切圓燃燒鍋爐的OFA噴口的布置尚不盡如人意。過(guò)燃風(fēng)噴口的布置由于受到了大風(fēng)箱的限制，不易遠(yuǎn)離燃燒器，且其風(fēng)壓受風(fēng)箱壓力限制，出口風(fēng)速難以提高，風(fēng)量難以增大，因而其分級(jí)燃燒的效果不明顯，對(duì)降低NOX的作用不大。如何將對(duì)沖爐OFA的設(shè)計(jì)融入切向燃燒鍋爐應(yīng)是一研究方向。4低負(fù)荷穩(wěn)燃切圓燃燒鍋爐的特點(diǎn)是各角間互相引燃，相互作用。20世紀(jì)80年代末我國(guó)引進(jìn)CE燃燒技術(shù)生產(chǎn)的300MW、600MW機(jī)組，煙煤鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為爐最大出力的40%BMCR,貧煤爐為60%。20世紀(jì)90年代普遍采用WR燃燒器后，進(jìn)一步提高了著火穩(wěn)定性，煙煤鍋爐最低負(fù)荷降為30%BMCR，貧煤鍋爐降為55%BMCR。旋流燃燒器的自穩(wěn)燃特點(diǎn)，使對(duì)沖燃燒鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力明顯優(yōu)于切圓燃燒鍋爐。旋流式燃燒器其低負(fù)荷穩(wěn)燃能力之強(qiáng)，甚至能降到額定負(fù)荷的20%。這方面最先進(jìn)的有石川島播磨的IHI-WR-PC燃燒器和B&W的PAX燃燒器。其共同點(diǎn)是將由分離器分離過(guò)的超高濃度煤粉氣流送入燃燒器噴口。北海道的一臺(tái)改用IHI-WR-PC燃燒器的600MW鍋爐，其不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷達(dá)90MW。5汽溫調(diào)節(jié)方式目前切圓燃燒普遍采用擺動(dòng)式燃燒器調(diào)節(jié)汽溫。一般以燃燒器擺動(dòng)噴嘴輔以減溫水控制再熱汽溫，而過(guò)熱汽溫則完全由減溫水控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)流受熱面布置較容易，制造成本較低，汽溫調(diào)節(jié)范圍較大，控制靈敏。其缺點(diǎn)在于擺動(dòng)噴嘴對(duì)汽溫的控制不夠精確，經(jīng)常需要再熱器減溫水的幫助。對(duì)沖爐廣泛采用過(guò)熱、再熱煙氣檔板來(lái)控制汽溫。一般以過(guò)熱、再熱煙氣檔板輔以減溫水控制再熱汽溫。其缺點(diǎn)是對(duì)流受熱面布置較受約束，檔板的節(jié)流增加了煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，對(duì)尾部煙道的磨損也有不利之處。其優(yōu)點(diǎn)在于檔板對(duì)汽溫控制精確，再熱汽減溫水可只作為事故噴水使用，且檔板的操作靈活簡(jiǎn)便、控制可靠。無(wú)再熱器減溫水使再熱器系統(tǒng)阻力減少，而且大大有利于爐效的提高。相對(duì)于燃燒器擺動(dòng)噴嘴對(duì)主汽溫與再熱汽溫的同向控制，煙道擋板對(duì)主汽溫與再熱汽溫的控制是反向的，即在解決任何一方（主汽溫或再熱汽溫）偏低或偏高的同時(shí)，可利用另一方（再熱汽溫或主汽溫）汽溫的余量來(lái)平衡，不會(huì)出現(xiàn)類似于燃燒器擺噴嘴控制中為解決再熱汽溫的偏低而使過(guò)熱汽減溫水量過(guò)大的情況。6煙氣偏差四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口普遍存在左右兩側(cè)煙溫與煙速的偏差，這是由于切圓燃燒鍋爐爐膛出口煙氣存在著相當(dāng)?shù)臍堄嘈D(zhuǎn)強(qiáng)度。這樣，如何削弱爐膛出口煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，改善進(jìn)入水平煙道的煙氣流動(dòng)狀態(tài)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)減小煙氣偏差而主要是在三次風(fēng)噴口和頂部二次風(fēng)噴口采取一些措施，將三次風(fēng)和頂部二次風(fēng)改為反切圓布置，但收效普遍不明顯。其主要原因?yàn)橥ǔＴO(shè)計(jì)中的三次風(fēng)和頂部二次風(fēng)噴口均未脫離主燃燒器區(qū)域，且其風(fēng)量與風(fēng)速不可能大到足以消除爐內(nèi)主二次風(fēng)氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩的程度。況且爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)上升加強(qiáng)了爐內(nèi)混合，增加了煤粉的燃燒行程，此為切圓燃燒的優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)。硬要在燃燒器區(qū)域的頂部削弱或取消氣流的旋轉(zhuǎn)，是一得不償失之舉。與OAF噴口的設(shè)置類似，消旋噴口的設(shè)置應(yīng)盡量脫離主燃燒器區(qū)域，在不影響燃盡的前提下，提高其噴口位置，加大其風(fēng)量與風(fēng)速，吸收對(duì)沖爐的優(yōu)點(diǎn)，在消旋并控制爐膛出口煙溫的同時(shí)降低NOX的排放。為消除爐膛出口煙氣偏差，部分研究者在爐膛折焰角上，使用不等深度的折焰角來(lái)削弱或消除煙氣偏差，此方法為解決煙氣偏差提供了新的思路。對(duì)沖爐中旋流燃燒器沿前后墻均勻布置，因此沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷均勻，爐膛出口及水平煙道的煙溫偏差很小且易控制，此為對(duì)沖燃燒爐的最大優(yōu)點(diǎn)之一。7結(jié)語(yǔ)對(duì)沖燃燒與切圓燃燒各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但切圓燃燒存在著至今未能很好解決的爐膛出口煙溫偏差問(wèn)題。且隨著機(jī)組容量的增大，爐膛尺寸隨之增大，要維持一二次風(fēng)的良好混合就需要?dú)饬饔懈叩膭?dòng)量，這就使風(fēng)壓必須進(jìn)一步增加，氣流的剛度將很難保證。目前CE公司解決切圓燃燒鍋爐的大容量問(wèn)題是采用長(zhǎng)方形的有中隔墻的雙爐膛結(jié)構(gòu)，但實(shí)際證明分隔墻的工作環(huán)境過(guò)于惡劣。因而切圓燃燒爐將受到大容量的限制。而對(duì)沖燃燒爐的旋流燃燒器可隨鍋爐容量的增大、爐膛寬度的增加而增加，基本不受大容量的制約，因而對(duì)沖燃燒爐的發(fā)展前景較切圓燃燒將更為廣闊。