對沖燃燒與切圓燃燒技術(shù)的共同發(fā)展

對沖燃燒與切圓燃燒技術(shù)的共同發(fā)展華國鈞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X角度對對沖燃燒鍋爐和切圓燃燒鍋爐的特點進(jìn)行了對比，評述它們的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其中多個問題的研究方向提出了意見。關(guān)鍵詞：對沖；切圓；燃燒；偏差四角切圓燃燒技術(shù)曾經(jīng)在我國的電站鍋爐設(shè)計與實際使用中占據(jù)了非常重要的位置，特別是從20世紀(jì)70年代末大型機組中CE型鍋爐技術(shù)的引進(jìn)開始，我國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沖燃燒技術(shù)的引進(jìn)，又極大地推進(jìn)了國內(nèi)對沖燃燒技術(shù)的發(fā)展，不少300MW以上大型機組采用了對沖燃燒技術(shù)。切圓燃燒鍋爐的主導(dǎo)地位受到了對沖燃燒鍋爐的強有力挑戰(zhàn)。以浙江省為例，20世紀(jì)80年代末開始上馬的300MW以上燃煤機組中，對沖燃燒鍋爐的總負(fù)荷占62．5％，而切圓燃燒鍋爐總負(fù)荷只占37．5％。應(yīng)該說，對沖燃燒與切圓燃燒是各有優(yōu)勢的，例如切圓燃燒時火焰行程長、爐內(nèi)混合好，對沖燃燒時優(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)過多年的技術(shù)進(jìn)步，它們在各自的弱勢方面也取得了長足的進(jìn)展，例如切圓燃燒中的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，對沖燃燒中的NO排放量等，本文對比了切圓燃燒和對沖燃燒的技術(shù)特點，并對兩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)性對于切圓燃燒來說，其優(yōu)勢在于：（1）煤粉在爐內(nèi)行程長，爐內(nèi)停留時間長。（2）受鄰角高溫?zé)煔獾闹苯記_刷，強化了燃燒。資料顯示，目前300MW以上機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)時其燃燒經(jīng)濟(jì)性是有保障的。對沖燃燒鍋爐采用旋流燃燒器，就燃燒經(jīng)濟(jì)性來說，它的優(yōu)勢在于：（1） 旋流燃燒器的一、二次風(fēng)混合早且強烈，保障了煤粉及時、充分燃盡。（2） 旋流燃燒器對高溫?zé)煔獾木砦矢?。?） 對沖燃燒的爐膛的爐膛熱負(fù)荷易控制均勻。浙江省內(nèi)所有對沖燃燒爐的爐效率都在93%以上，北侖電廠二期3臺IHI的對沖爐效甚至在94％左右。證明對沖燃燒爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性并不比切圓燃燒爐差。應(yīng)該說，無論是對沖燃燒還是切圓燃燒，燃燒經(jīng)濟(jì)性的問題已甚本解決。尤其是近年來切向燃燒技術(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)與運用，燃燒經(jīng)濟(jì)性問題已不再成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的首要問題。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)渣問題的核心。對切圓燃燒來說，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，結(jié)渣趨勢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)展起來的同心切圓燃燒技術(shù)（如圖1所示）的普遍使用對解決切圓燃燒中的結(jié)渣問題起到了重要作用。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，不僅對于控制結(jié)渣，對減小水冷壁磨損和高溫腐蝕也大有幫助。同時一、二次風(fēng)的混合更加強烈，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心口切相對而言，對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，通過對單個燃燒器的旋流強度、火焰擴散角和一、二次風(fēng)配比的控制即可實現(xiàn)對爐膛整體粘污水平的控制。對沖燃燒爐中單個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，因為燃燒器區(qū)域結(jié)渣問題依然存在。單個燃燒器功率過大，會使燃燒器區(qū)域局部熱負(fù)荷過高而產(chǎn)生結(jié)渣，切換和啟停燃燒器對爐內(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)箱布置則較簡單。3低NOX燃燒傳統(tǒng)旋流燃燒器的二次風(fēng)通常采用強旋流，二次風(fēng)過早與一次風(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燃燒原理，不利于低NOX燃燒。后發(fā)展起來的目前已被成熟應(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)特點是將旋流二次風(fēng)通道分解成兩個通道，通過分級送風(fēng)實現(xiàn)分級燃燒以降低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詳見圖2。相對切圓燃燒，對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年代中后期的過燃風(fēng)噴口的布置是分級燃燒理論的很好體現(xiàn)，經(jīng)過不斷的改進(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IHI的600MW燃煤鍋爐就是采用了過燃風(fēng)分級燃燒的典型布置，其過燃風(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（見圖3）,其過燃風(fēng)量占總二次風(fēng)量的20%?30%。試驗顯示，鍋爐的過燃風(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。切圓燃燒時一、二次風(fēng)射流基本平行進(jìn)入爐膛，其早期混合并不強烈，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風(fēng)混合的擴散火焰，因此形成了一種較長的火焰結(jié)構(gòu)。這種燃科與空氣混合的方式符合分級燃燒理論，對降低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，加強了空氣分級的效果，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但國內(nèi)切圓燃燒鍋爐的OFA噴口的布置尚不盡如人意。過燃風(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，因而其分級燃燒的效果不明顯，對降低NOX的作用不大。如何將對沖爐OFA的設(shè)計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是各角間互相引燃，相互作用。20世紀(jì)80年代末我國引進(jìn)CE燃燒技術(shù)生產(chǎn)的300MW、600MW機組，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，使對沖燃燒鍋爐的低負(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，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。其共同點是將由分離器分離過的超高濃度煤粉氣流送入燃燒器噴口。北海道的一臺改用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式燃燒器調(diào)節(jié)汽溫。一般以燃燒器擺動噴嘴輔以減溫水控制再熱汽溫，而過熱汽溫則完全由減溫水控制。這種方法的優(yōu)點在于對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。其缺點在于擺動噴嘴對汽溫的控制不夠精確，經(jīng)常需要再熱器減溫水的幫助。對沖爐廣泛采用過熱、再熱煙氣檔板來控制汽溫。一般以過熱、再熱煙氣檔板輔以減溫水控制再熱汽溫。其缺點是對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，對尾部煙道的磨損也有不利之處。其優(yōu)點在于檔板對汽溫控制精確，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便、控制可靠。無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。相對于燃燒器擺動噴嘴對主汽溫與再熱汽溫的同向控制，煙道擋板對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，可利用另一方（再熱汽溫或主汽溫）汽溫的余量來平衡，不會出現(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熱汽減溫水量過大的情況。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狀態(tài)成為解決問題的關(guān)鍵。目前國內(nèi)針對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。其主要原因為通常設(shè)計中的三次風(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)動量矩的程度。況且爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)上升加強了爐內(nèi)混合，增加了煤粉的燃燒行程，此為切圓燃燒的優(yōu)點與特點。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，吸收對沖爐的優(yōu)點，在消旋并控制爐膛出口煙溫的同時降低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，此為對沖燃燒爐的最大優(yōu)點之一。7結(jié)語對沖燃燒與切圓燃燒各有其優(yōu)缺點，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題。且隨著機組容量的增大，爐膛尺寸隨之增大，要維持一二次風(fēng)的良好混合就需要氣流有更高的動量，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題是采用長方形的有中隔墻的雙爐膛結(jié)構(gòu)，但實際證明分隔墻的工作環(huán)境過于惡劣。因而切圓燃燒爐將受到大容量的限制。而對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，因而對沖燃燒爐的發(fā)展前景較切圓燃燒將更為廣闊。