煤粉炉(第七章)改

第七章煤粉炉及燃烧设备第一节煤粉炉的炉膛及燃烧器第二节旋流燃烧器及其布置第三节直流燃烧器及其布置第四节煤粉火炬的稳燃技术第五节W形火焰燃烧方式第六节煤粉炉的点火装置第七节水冷壁沾污、结渣及安全运行

炉膛是燃料燃烧和热交换（主要是辐射能交换）的场所

保证燃料燃烧完全（燃料在炉膛内有足够的停留时间）

布置合适的受热面、合理组织炉内热交换，满足锅炉容量的要求；同时使烟气到达炉膛出口时被冷却到使其后的对流受热面不结渣和安全工作所允许的温度。煤粉炉炉膛的作用1/2

炉膛出口的NOX和SOX等排放量应符合环保要求；炉膛结构紧凑，金属耗量少、；制造、安装、检修方便。煤粉炉炉膛的作用1/2

影响炉膛设计的主要因素：燃料特性、燃烧方式和排渣方式等。煤粉锅炉炉膛型式炉膛及燃烧器布置方式Π型炉切向燃烧半开式Π型炉切向燃烧Π型炉对冲（交错）燃烧Π型炉前墙燃烧W型炉W燃烧

炉膛

型式

排渣方式固态液态固态固态固态燃烧器型式直流式直流式旋流式旋流式旋流式直流式2/2燃烧器的作用与要求1/2

燃烧器的作用是将燃料与燃烧所需空气按一定的比例、速度和混合方式经喷口送入炉膛。１.保证燃料与空气充分混合、及时着火、稳定燃烧和燃尽，燃烧效率较高；２.能形成良好的炉内空气动力场，火焰在炉内的充满程度好，且不会冲墙贴壁，避免结渣；３.有较好的燃料适应性和负荷调节范围；４.能减少NOX的生成，减少对环境的污染；５.结构简单，流动阻力较小。

进入煤粉炉燃烧器的空气不是一次集中送进的，要对着火、燃烧有利而合理组织、分批送入，按作用不同，可分为三种风：

一次风：携带煤粉送入燃烧器的空气，主要作用是输送煤粉和满足燃烧初期对氧气的需要。通过燃烧器的空气2/2通过燃烧器的空气2/2

二次风：待煤粉气流着火后再送入的空气。二次风补充煤粉继续燃烧所需要的空气，并起气流的扰动和混合的作用。

三次风：对中间储仓式热风送粉系统，为充分利用细粉分离器排出的含有10%～15%细粉的乏气，由单独的喷口送入炉膛燃烧，这股乏气称为三次风。燃烧器的类型与布置

直流燃烧器

直流射流

直流燃烧器的类型

直流燃烧器的布置

旋流燃烧器

旋流射流

旋流燃烧器的类型与布置1/1直流射流空气动力特性

湍流自由射流是直流燃烧器各喷口以较高的初速（Re≥105）和一定的浓度，射入尺寸很大的炉膛空间（炉膛内充满高温、静止介质（烟气），煤粉浓度为零）的煤粉气流。

湍流自由射流除了做整体运动外，流体微团还具有纵向脉动和横向脉动，后者对热质交换起着重要作用。1/51-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布等温自由射流的结构特性及速度分布直流射流空气动力特性1/5W0C0T01-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布直流射流空气动力特性2/5

射流（煤粉气流）自喷口喷出后，沿着轴线方向运动，其边界上的流体微团不断与周围介质发生热质交换和动量交换，将部分周围高温、静止介质卷吸到射流中来，并随射流一起运动。射流横断面不断扩展，流量Q增加；煤粉浓度C下降；温度T升高；轴向速度W逐渐减慢，最后射流的能量完全消失在空间介质中。WH=0，CH=0，TH>T0直流射流空气动力特性3/5

射流核心区

射流中心尚未被周围气体混入，保持初速w0的区域。

湍流边界层

核心区维持初速w0的边界称为内边界；射流与周围气体的分界称为外边界。内、外边界间区域为湍流边界层，其内为射流本身的流体以及卷吸进来的周围气体。1-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布WH=0，CH=0，TH>T0直流射流空气动力特性3/5

转折截面

核心区消失，只在射流轴线保持初速w0的某点对应的截面。在转折截面前的射流段称为初始段，在转折截面后的射流称为基本段。

扩展角

射流外边界线的交点称为源点，其交角称为扩展角。1-喷口；2-核心区；3-边界层；4-外边界；5-内边界；6-源点；7-扩展角；8-速度分布WH=0，CH=0，TH>T0直流射流空气动力特性

卷吸量Q

外边界卷吸的高温烟气量。

圆形喷口的卷吸量大于矩形喷口；一个喷口分成总面积相等的若干个小喷口，卷吸量是增加的；直流Q＜漩流Q；直流射流适用于无烟煤，后期混合好。4/5直流射流空气动力特性4/5

显然，射流卷吸周围气体越多，衰减较快。直流湍流自由射流的卷吸量相对较小，而射流的衰减较慢。

射程L：射流轴向速度wm与射流初始速度w0的比值降低到某一不为零的数值（如0.05）时的截面与喷口间的距离。射程反映轴向速度wm沿射流运动方向衰减的程度，即射流对周围气体的穿透能力。直流射程L

>漩流射程L。

射流的刚度射流组的流动过程射流在有限空间内，抵抗外界干扰不发生偏离轴线的能力。刚度不够，射流偏移到炉墙，可能引起结渣；偏向其他射流，会干扰其正常工作。

射流的初始动量越大，刚度越大。

扩展角θ

θ可决定射流的形状及两相邻射流开始混合点，其位置对煤粉气流着火和氧化剂的及时补充有很大影响，直流湍流自由射流的θ相对较小。直流射流空气动力特性5/5直流燃烧器均等配风

均等配风燃烧器：一、二次风喷口相间布置，即在二个一次风喷口之间均等布置一个或二个二次风喷口，各二次风喷口的风量分配较均匀。

均等配风燃烧器：一、二次风口间距较小，有利于一、二次风的较早混合，使一次风煤粉气流着火后能迅速获得足够的空气，达到完全燃烧。1/3

直流燃烧器的一、二、三次风分别由垂直布置的一组圆形或矩形的喷口以直流湍流自由射流的形式喷入炉膛，根据燃煤特性不同，一、二次风喷口的排列方式可分为均等配风和分级配风。

均等配风适用于燃用高挥发分煤种，常称为烟煤、褐煤型配风方式。

分级配风燃烧器：一次风喷口相对集中布置，并靠近燃烧器的下部，二次风喷口则分层布置，一、二次风喷口间保持较大的距离，燃烧所需要的二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中，强化气流的后期混合，促使燃料燃烧与燃尽。分级配风燃烧器一次风喷口高宽比大，卷吸量大；煤粉气流相对集中，火焰中心温度高，有利于低挥发分煤的着火、燃烧。

直流燃烧器分级配风2/3

分级配风适合于燃用低挥发分煤种或劣质煤，常称为无烟煤和贫煤配风方式。直流燃烧器各层二次风的作用

下二次风防止煤粉离析，避免未燃烧的煤粉直接落入灰斗；托住火焰不致过分下冲，避免冷灰斗结渣，风量较小。

中二次风是均等配风方式煤粉燃烧阶段所需氧气和湍流扰动的主要风源，风量较大。

上二次风提供适量的空气保证煤粉燃尽，是分级配风方式煤粉燃烧和燃尽的主要风源，风量较大。3/3

燃尽风：喷口位于整组燃烧器的最上部（三次风喷口之上），送入剩余15%的空气，实现富燃料燃烧，抑制燃烧区段温度，达到分级燃烧目的，有效减少炉内NOX生成量，有利于燃料的燃尽。周界风：位于一次风喷口的四周，周界风的风层薄；风量小；风速较高。可防止喷口烧坏，适应煤质的变化。此外，可布置的二次风还有侧二次风、中心十字二次风和夹心风等。

直流燃烧器各层二次风的作用3/3直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式

切圆燃烧方式直流燃烧器的布置炉膛四角或接近四角布置，四个角燃烧器出口气流的轴线与炉膛中心的一个或两个假想圆相切，使气流在炉内强烈旋转。1/3

切圆燃烧方式的特点

煤粉气流着火所需热量，除依靠本身外边界卷吸烟气和接受炉膛辐射热以外，主要是靠来自上游邻角正在剧烈燃烧的火焰的冲击和加热，着火条件好；

火焰在炉内充满度较好，燃烧后期气流扰动较强，有利于燃尽，煤种适应性强；风粉管布置复杂。一次风煤粉气流的偏斜

切圆燃烧方式实际气流并不能完全沿轴线方向前进，会出现一定的偏斜，严重时会导致燃烧器出口射流贴墙或冲墙。造成炉膛水冷壁结渣

邻角气流的横向推力

其大小取决于四角射流的旋转动量矩。其中二次风射流动量矩起主要作用；一次风射流本身的动量（刚性）则是维持气流不偏斜的内在因素。

2/3

增加一次风动量或减少二次风动量，可减轻一次风射流的偏斜。但一次风速受着火条件限制，不能相应提高；而为加强炉内气流的扰动，二次风速也不宜降低。

假想切圆直径dJX

较大的dJX可使邻角火炬的高温烟气更易达到下角射流的根部，扰动更强烈，有利于煤粉气流着火、燃尽；但dJX过大，射流偏斜增大，容易引起水冷壁结渣；炉膛出口较大的残余旋转会引起烟温和过热汽温偏差,一般切圆直径为：600~1300mm.一次风煤粉气流的偏斜3/3

炉膛和燃烧器的结构特性

燃烧器射流两侧卷吸烟气形成负压，内侧（向火侧）夹角α1大，且有上游邻角气流横扫过来，补气条件充裕；面向炉墙的一侧（外侧）夹角α2小，且需从射流较远处回流烟气或由射流上下两端来补气，补气条件很差，射流两侧因此出现压差，迫使射流偏向压力低的一侧。

直流式燃烧器的布置AA正四角两侧墙两角对冲，两角相切大切角四角切圆大小切圆六角切圆八角切圆双室炉膛切角双室炉膛

旋流燃烧器出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流.一、二次风用不同管道与燃烧器连接，在燃烧器内一、二次风通道隔开。二次风射流均为旋转射流,一次风射流可以是旋转射流,也可以是直流射流。旋流射流空气动力特性

旋流射流具有比直流射流大得多的扩展角，射流中心形成回流区，射流内、外同时卷吸炉内高温烟气，卷吸量大。

旋流燃烧器适用于含挥发分较高的煤种。

从燃烧器喷出的气流具有很高的切向速度和足够大的轴向速度，早期湍动混合强烈。

轴向速度衰减较快，射流射程较短，后期扰动较弱。旋流射流空气动力特性

旋流强度n:

表征旋转射流旋转程度的特征参数，随着n的不同，旋转射流有三种不同的流动状态.

封闭气流:n较小，弱旋或不旋，中心没有回流区或回流区较小，回流区负压小，主射流受到压缩，旋转射流呈封闭状态，其特性接近直流射流。封闭气流开放气流全扩散气流旋流射流空气动力特性

开放气流:

n较大，射流内、外侧的压力差逐渐接近，射流中心形成较大回流区，延长到速度很低处才封闭，形成开放式的结构。封闭气流开放气流全扩散气流（易飞边，烧坏燃烧器）

全扩散气流:n

(旋流强度)

和扩展角很大，射流外卷吸作用强烈，使外侧压力小于中心压力，整个射流向外全部张开，外侧回流区全部消失。旋流燃烧器的类型

旋流燃烧器根据旋流器的结构不同，旋流燃烧器分为：

蜗壳式旋流燃烧器

采用蜗壳作旋流器；

叶片式旋流燃烧器

采用叶片作旋流器。型

式

旋

流

器一

次

风二

次

风蜗壳型双蜗壳单蜗壳叶片+蜗壳旋转直流，带中心扩流锥经蜗壳旋转旋转旋转经叶片旋转叶片型轴向叶片切向叶片直流或弱旋直流或弱旋旋转旋转旋流燃烧器的类型

直流蜗壳式双蜗壳式轴向可动叶轮式

旋流燃烧器的布置

旋流燃烧器前墙布置不受炉膛截面宽、深比限制，布置方便，与磨煤机联接煤粉管道短。主气流上下两端形成明显的停滞旋涡区，炉膛火焰的充满程度较差，炉内火焰的扰动较差，不利于燃烧后期的扰动和混合。

旋流燃烧器的布置燃烧器前后墙或两侧墙布置两面墙上燃烧器喷出的火炬在炉膛中央互相撞击后，火焰大部分向炉膛上方运动，炉内的火焰充满程度较好，扰动性也较强。若对冲的两个燃烧器负荷不相同，则炉内高温火焰将向一侧偏移，造成结渣。

旋流燃烧器炉顶布置只在采用W火焰燃烧技术的较矮的下炉膛中才应用。煤粉火炬的稳燃技术

利用燃烧器的各种结构产生局部烟气的回流，增强对煤粉气流供热能力；

用饨体产生回流，如钝体燃烧器等；

用速度差产生回流，如大速差同轴射流燃烧器；

用叶片产生回流，如旋流预燃室；用蜗壳产生回流，如蜗壳式旋流燃烧器；煤粉火炬的稳燃技术

采用各种方法使煤粉气流在进入炉膛之前进行浓缩分离，浓相(0.8～1.2kg煤粉/kg空气)处于炉膛内的向火面，有利于着火和燃烧，煤粉淡相(0.2～0.4kg煤粉/kg空气)处于水冷壁面，可减缓水冷壁遭受煤粉的冲刷磨损、高温腐蚀和结渣。钝体燃烧器钝体燃烧器是在直流燃烧器靠近一次风喷口1出口处安装一个三角形的非流线形物体—钝体2；

煤粉空气流经钝体后，在钝体后面产生一较大的高温回流区3；

煤粉气流由喷口射出，遇到钝体后，由于煤粉颗粒惯性大，在回流区边缘附近集聚，形成一个高煤粉浓度区域；

在钝体的导流下，一次风射流的扩展角显著增大，射流外边界卷吸高温烟气的能力有所增加。

高浓度煤粉的稳燃作用提高煤粉化学反应速度；降低煤粉气流着火温度；

减少煤粉气流的着火热；增加辐射吸热量；降低污染物Nox的排放。高浓度煤粉的稳燃作用稳燃腔煤粉燃烧器稳燃腔煤粉燃烧器由稳燃腔腔体、钝体和煤粉浓淡分离三角滑块组成。

钝体置于稳燃腔腔体中，煤粉气流流经钝体后形成一个回流区，卷吸炉内的高温烟气加热煤粉气流，强化着火、燃烧。稳燃腔煤粉燃烧器

三角形滑块一次风直管段中的三角形滑块可进行煤粉的浓淡分离，在燃烧器出口得到所需的煤粉浓相和淡相进入炉膛燃烧。

稳燃腔腔体

腔体使钝体后回流区封闭，煤粉气流经钝体后一段距离仍汇合成一股气流，不致改变炉内气体动力场；将钝体置于腔体内，钝体前腔体有一渐扩段，相对减低了气流的速度，可避免钝体烧坏，减轻磨损。双通道煤粉燃烧器

原燃烧器一次风喷口上、下侧各开一个一次风口，形成双一次风通道两股一次风以贴壁射流形式进入一突扩室，其间形成高温烟气回流，稳定煤粉的着火和燃烧。

两个一次风喷口两侧壁腰部布置腰部二次风腰部风全开，可屏蔽一次风形成的高温烟气回流，用于调节煤粉着火点位置，避免燃烧器两侧壁过热与结渣。双通道煤粉燃烧器

下一次风口两侧各装1个直径为Φ6～8mm的高速蒸汽射流管流速可在0～音速（音速：1个标准大气压，15℃约为340米／秒）之间调节。高速气流产生的强烈回流与一次风射流产生的烟气回流重合，进一步强化下一次风粉的着火；根据不同煤种对着火热的要求，通过改变高速蒸汽射流的压力可改变高温烟气回流量，适用于极难燃煤种。

双通道煤粉燃烧器是通过改变腰部二次风风量和高速射流蒸汽压力来控制煤粉着火，达到低负荷稳燃和适应煤种变化的目的。水平浓缩煤粉燃烧器

燃烧器一次风管内采用百叶窗式浓缩器

百叶窗将一次风在水平方向上分成浓、淡两股气流，百叶窗的最后一级叶片可调，用来调节煤粉的浓缩比，以满足各种负荷和煤种变化的需要。

燃烧器出口设置钝体和侧面风钝体用来形成一定的烟气回流起稳燃作用，侧面风可保护水冷壁避免高温腐蚀和结渣。WR燃烧器

煤粉气流通过管道弯头时，受离心力的作用分成浓淡两股，喷嘴中间的水平肋片将其保持到离开喷口以后的一段距离，形成煤粉浓淡偏差燃烧。

WR燃烧器又称直流式宽调节比摆动燃烧器，是一种高浓度煤粉燃烧器。其结构简单，由喷嘴前端板、波纹扩流锥及喷嘴整体套装而成。WR燃烧器

煤粉喷嘴出口处的波纹扩流锥，可在喷嘴出口形成一个稳定的回流区，将高温烟气不断回流到煤粉火炬的根部，以维持煤粉气流的稳定着火。

一次风喷嘴设有周界风，可避免一次风喷口烧坏；由于周界风和一次风首先混合，还可调节一次风煤粉浓度，以适应煤种变化。W型火焰炉膛结构

W形火焰炉膛由下部的拱型着火炉膛（燃烧室）和上部的辐射炉膛（燃尽室）组成。前者的深度比后者约大80～120%。

燃尽室前后墙向外扩展构成炉顶拱，并布置燃烧器，煤粉气流和二次风从炉顶拱向下喷射，在燃烧室下部与三次风相遇后，再1800转弯向上流经燃尽室炉膛，形成W形火焰。W型火焰燃烧方式的特点

炉膛温度高煤粉喷嘴出口处于燃烧中心；炉顶拱的辐射传热可提供部分着火热，同时可减少对燃尽室的放热；着火区水冷壁敷设卫燃带。

较低的NOx生成量

空气沿着火焰行程逐步加入，易实现分级配风，分段燃烧，可控制较低的过剩空气系数。

炉膛内的火焰行程长，增加了煤粉在炉内的停留时间，有利于燃烬。

W型火焰燃烧方式的特点

烟气中的飞灰含量少火焰在下部着火，炉膛底部转弯180°向上流动时，可使烟气中部分飞灰分离出来。

有利于组织良好的着火、燃烧过程可以采用直流燃烧器或轴向可动叶片旋流燃烧器，也可采用高浓度煤粉燃烧器。

有良好的负荷调节性能负荷变化时，下部着火炉膛火焰中心温度变化不大。适用于无烟煤等低挥发分煤的燃烧。旋风分离式煤粉燃烧器

50％的空气和少量（约占10％～20％）煤粉组成的低浓度煤粉气流从旋风分离器上部的抽气管通过燃烧器乏气喷嘴送入炉膛（三次风）。

3/3

50％的空气和80%以上的煤粉形成的高浓度煤粉气流从旋风分离器下部流出，然后垂直向下通过主燃烧器进入炉膛（一次风）。旋风分离式煤粉燃烧器3/3

调节乏气量是适应煤种变化的一种手段。煤质变差，开大乏气调节挡板，抽出的乏气量增加，煤粉浓度随之增加，有利于煤粉气流的着火，燃烧。

主燃烧器两侧有高速二次风气流同时喷入。N0X、S0X的控制技术

影响NOx生成的主要因素：

温度：燃烧过程中，温度越高，生成的NOx量越大；

过剩空气系数：=1.1～1.2范围内，NOx的生成量最大，偏离这个范围NOx的生成量明显减少；

燃煤性质：燃煤中的含N量越高，燃烧过程中转化为NOx也就越多。N0X、S0X的控制技术

低NOx的燃烧技术主要有分级燃烧，再燃烧法，浓淡偏差燃烧，低氧燃烧和烟气再循环等。

硫的脱除技术主要有煤炭脱硫、燃烧过程脱硫和烟气脱硫。对于电站锅炉设备，炉内喷钙脱硫是一种较简便的方法。

分级（空气）燃烧

空气分级燃烧

将燃烧所需的空气分两阶段从燃烧器送入。

第一级

送入理论空气量的80%左右，使燃料在缺氧、富燃条件下燃烧，燃烧速度和炉膛温度降低，抑制了Nox的生成；

第二级

以二次风形式送入剩余空气，使燃料在空气过剩区域燃尽，空气量虽多，但火焰温度较低，生成的NOx也较少，总的NOx生成量降低。分级（空气）燃烧的类型

燃烧室中的分级燃烧

主燃烧器上部设OFA空气喷口。主燃烧器送入约80%的空气量（<1），燃烧器区处于富燃状态；OFA喷口送入剩余空气（燃尽风）（>1），使燃料燃尽。

燃烧室沿高度分成富燃区和燃尽区。分级（空气）燃烧的类型

燃烧器分级燃烧二次风分成两部分送入。

一部分二次风在煤粉着火后及时送入(<1），在火焰根部形成富燃区；剩余的二次风稍迟送入（>1），形成了燃尽区，促进煤粉燃尽。

再燃烧法（燃料分级燃烧）

炉内燃烧分成三个区域：

一次燃烧区（主燃烧区）