对冲燃烧与切圆燃烧技术的共同发展

对冲燃烧与切圆燃烧技术的共同发展华国钧1，施可登2，张书谨31．浙江省电建总公司，浙江杭州315800；2．浙江省火电建设公司，浙江杭州310016；3．浙江省电力试验研究所，浙江杭州310014）摘要：从燃烧经济性、结渣、NO、低负荷稳燃、汽温调节方式、烟温偏差等多个X角度对对冲燃烧锅炉和切圆燃烧锅炉的特点进行了对比，评述它们的发展现状，并对其中多个问题的研究方向提出了意见。关键词：对冲；切圆；燃烧；偏差四角切圆燃烧技术曾经在我国的电站锅炉设计与实际使用中占据了非常重要的位置，特别是从20世纪70年代末大型机组中CE型锅炉技术的引进开始，我国的四角切圆燃烧技术日趋成熟。而从20世纪80年代初以巴威和福斯特惠勒为代表的对冲燃烧技术的引进，又极大地推进了国内对冲燃烧技术的发展，不少300MW以上大型机组采用了对冲燃烧技术。切圆燃烧锅炉的主导地位受到了对冲燃烧锅炉的强有力挑战。以浙江省为例，20世纪80年代末开始上马的300MW以上燃煤机组中，对冲燃烧锅炉的总负荷占62．5％，而切圆燃烧锅炉总负荷只占37．5％。应该说，对冲燃烧与切圆燃烧是各有优势的，例如切圆燃烧时火焰行程长、炉内混合好，对冲燃烧时优越的自稳燃性能，炉膛出口烟温偏差易控制等。并且经过多年的技术进步，它们在各自的弱势方面也取得了长足的进展，例如切圆燃烧中的低负荷稳燃能力，对冲燃烧中的NO排放量等，本文对比了切圆燃烧和对冲燃烧的技术特点，并对两X种燃烧技术的发展现状和发展方向进行了论述。1燃烧经济性对于切圆燃烧来说，其优势在于：（1）煤粉在炉内行程长，炉内停留时间长。（2）受邻角高温烟气的直接冲刷，强化了燃烧。资料显示，目前300MW以上机组中采用四角切圆燃烧技术的烟煤锅炉，其炉效一般在93％左右，燃烧效率在99％左右，贫煤锅炉的热效率也高于90．5％，燃烧效率高于97％。在正常情况下，采用切圆燃烧技术时其燃烧经济性是有保障的。对冲燃烧锅炉采用旋流燃烧器，就燃烧经济性来说，它的优势在于：（1） 旋流燃烧器的一、二次风混合早且强烈，保障了煤粉及时、充分燃尽。（2） 旋流燃烧器对高温烟气的卷吸率高。（3） 对冲燃烧的炉膛的炉膛热负荷易控制均匀。浙江省内所有对冲燃烧炉的炉效率都在93%以上，北仑电厂二期3台IHI的对冲炉效甚至在94％左右。证明对冲燃烧炉的燃烧经济性并不比切圆燃烧炉差。应该说，无论是对冲燃烧还是切圆燃烧，燃烧经济性的问题已甚本解决。尤其是近年来切向燃烧技术中WR型燃烧器等浓淡分离技术的普遍使用，旋流燃烧器中低燃烧速率燃烧器的研发与运用，燃烧经济性问题已不再成为业内关注的首要问题。特别是烟煤的燃烧，其燃烧效率之高，已基本达到了极限。在这方面再做进一步的研究，其收益已有限。2结渣、磨损与高温腐蚀煤种的结渣特性和炉膛容积热负荷、截面热负荷的选取是炉内结渣与否的重要影响因素，在以上参数一定的情况下，采用何种燃烧方式，燃烧器布置方式、燃烧器结构特征等则成为解决结渣问题的核心。对切圆燃烧来说，合理组织切圆大小，控制火焰中心偏斜是控制结渣的关键。切圆直径大于一定值时，结渣趋势随切圆直径的增大而增大，大量熔融、半熔融煤粉颗粒将直接撞击水冷壁，形成结渣，同时磨损水冷壁，发生高温腐蚀。切圆又不能太小，否则高温火焰集中于炉膛中部，不利于着火和稳燃。20世纪80年代发展起来的同心切圆燃烧技术（如图1所示）的普遍使用对解决切圆燃烧中的结渣问题起到了重要作用。二次风以大切圆喷入炉膛，而一次风粉气流以小切圆、或对冲、或反向小切圆的形式进入炉膛，形成炉膛中央的富燃料区和水冷壁周围的富空气区，减小了一次风冲刷水冷壁的可能性，不仅对于控制结渣，对减小水冷壁磨损和高温腐蚀也大有帮助。同时一、二次风的混合更加强烈，有利于煤粉完全燃烧。LlNi1tK>1-T■J■hL：fjai*l4rtSLlNi1tK>1-T■J■hL：fjai*l4rtS- JlI-IIlJ-fCl-I-l."SI!-J.1，八'4.m..]/!.：:片电H心口切相对而言，对冲燃烧炉中旋流燃烧器射流冲墙的几率较切圆燃烧小得多，通过对单个燃烧器的旋流强度、火焰扩散角和一、二次风配比的控制即可实现对炉膛整体粘污水平的控制。对冲燃烧炉中单个燃烧器功率的选取和燃烧器区域热负荷的选取是关键，因为燃烧器区域结渣问题依然存在。单个燃烧器功率过大，会使燃烧器区域局部热负荷过高而产生结渣，切换和启停燃烧器对炉内火焰偏斜的影响较大，一、二次风的气流太厚，不利于风粉混合。但燃烧器只数减少，相应管道及风箱布置则较简单。3低NOX燃烧传统旋流燃烧器的二次风通常采用强旋流，二次风过早与一次风混合，不能在着火区形成局部高浓度区，这有悖于浓淡燃烧原理和分级燃烧原理，不利于低NOX燃烧。后发展起来的目前已被成熟应用的新型旋流燃烧器中大部分采用双通道旋流结构。较为典型的有Babcock双调风燃烧器和IHI－FW双流旋流燃烧器。其结构特点是将旋流二次风通道分解成两个通道，通过分级送风实现分级燃烧以降低NOX。新型双通道旋流燃烧器中的一次风不旋或弱旋，避免燃烧器出口初期混合强烈而后X期混合微弱的缺陷,Babcock双调风燃烧器为典型代表。新型旋流燃烧器出口形成局部煤粉高浓度区,是获得良好燃烧的基础，可以实现低负荷稳燃和低NOX排放，IHI-FW双流旋流燃烧器为此种典型X详见图2。相对切圆燃烧，对冲炉型的燃烧器更易布置，这为其合理布置燃烧器顶部的过燃风（OFA）喷口

供了便利。开发于20世纪70年代中后期的过燃风喷口的布置是分级燃烧理论的很好体现，经过不断的改进和完善，已在大容量锅炉上广泛应用。北仑电厂二期3台IHI的600MW燃煤锅炉就是采用了过燃风分级燃烧的典型布置，其过燃风喷口与最上部燃烧器的距离与各燃烧器层之间的距离一致，同为3.5m（见图3）,其过燃风量占总二次风量的20%〜30%。试验显示，锅炉的过燃风档板开度从50%增加至75%,可使NO降低200〜X300mg/L，效果非常明显。切圆燃烧时一、二次风射流基本平行进入炉膛，其早期混合并不强烈，煤粉火焰是一种边燃烧边同二次风混合的扩散火焰，因此形成了一种较长的火焰结构。这种燃科与空气混合的方式符合分级燃烧理论，对降低NO的生成是有利的。特别是采用CFS、LNCFSX的燃烧系统布置方式，更加推迟了一、二次风的初期混合，加强了空气分级的效果，并配以各种浓淡燃烧器，更起到抑制NO生成的作用。X擀J北仑吧门!门「"汕胡丨1擀J北仑吧门!门「"汕胡丨1和帘已OOOCOOOO但国内切圆燃烧锅炉的OFA喷口的布置尚不尽如人意。过燃风喷口的布置由于受到了大风箱的限制，不易远离燃烧器，且其风压受风箱压力限制，出口风速难以提高，风量难以增大，因而其分级燃烧的效果不明显，对降低NOX的作用不大。如何将对冲炉OFA的设计融入切向燃烧锅炉应是一研究方向。4低负荷稳燃切圆燃烧锅炉的特点是各角间互相引燃，相互作用。20世纪80年代末我国引进CE燃烧技术生产的300MW、600MW机组，烟煤锅炉不投油最低稳燃负荷为炉最大出力的40%BMCR,贫煤炉为60%。20世纪90年代普遍采用WR燃烧器后，进一步提高了着火稳定性，烟煤锅炉最低负荷降为30%BMCR，贫煤锅炉降为55%BMCR。旋流燃烧器的自稳燃特点，使对冲燃烧锅炉的低负荷稳燃能力明显优于切圆燃烧锅炉。旋流式燃烧器其低负荷稳燃能力之强，甚至能降到额定负荷的20%。这方面最先进的有石川岛播磨的IHI-WR-PC燃烧器和B&W的PAX燃烧器。其共同点是将由分离器分离过的超高浓度煤粉气流送入燃烧器喷口。北海道的一台改用IHI-WR-PC燃烧器的600MW锅炉，其不投油最低稳燃负荷达90MW。5汽温调节方式目前切圆燃烧普遍采用摆动式燃烧器调节汽温。一般以燃烧器摆动喷嘴辅以减温水控制再热汽温，而过热汽温则完全由减温水控制。这种方法的优点在于对流受热面布置较容易，制造成本较低，汽温调节范围较大，控制灵敏。其缺点在于摆动喷嘴对汽温的控制不够精确，经常需要再热器减温水的帮助。对冲炉广泛采用过热、再热烟气档板来控制汽温。一般以过热、再热烟气档板辅以减温水控制再热汽温。其缺点是对流受热面布置较受约束，档板的节流增加了烟风系统阻力，对尾部烟道的磨损也有不利之处。其优点在于档板对汽温控制精确，再热汽减温水可只作为事故喷水使用，且档板的操作灵活简便、控制可靠。无再热器减温水使再热器系统阻力减少，而且大大有利于炉效的提高。相对于燃烧器摆动喷嘴对主汽温与再热汽温的同向控制，烟道挡板对主汽温与再热汽温的控制是反向的，即在解决任何一方（主汽温或再热汽温）偏低或偏高的同时，可利用另一方（再热汽温或主汽温）汽温的余量来平衡，不会出现类似于燃烧器摆喷嘴控制中为解决再热汽温的偏低而使过热汽减温水量过大的情况。6烟气偏差四角切圆燃烧锅炉炉膛出口普遍存在左右两侧烟温与烟速的偏差，这是由于切圆燃烧锅炉炉膛出口烟气存在着相当的残余旋转强度。这样，如何削弱炉膛出口烟气的残余旋转，改善进入水平烟道的烟气流动状态成为解决问题的关键。目前国内针对减小烟气偏差而主要是在三次风喷口和顶部二次风喷口采取一些措施，将三次风和顶部二次风改为反切圆布置，但收效普遍不明显。其主要原因为通常设计中的三次风和顶部二次风喷口均未脱离主燃烧器区域，且其风量与风速不可能大到足以消除炉内主二次风气流的旋转动量矩的程度。况且炉内气流旋转上升加强了炉内混合，增加了煤粉的燃烧行程，此为切圆燃烧的优点与特点。硬要在燃烧器区域的顶部削弱或取消气流的旋转，是一得不偿失之举。与OAF喷口的设置类似，消旋喷口的设置应尽量脱离主燃烧器区域，在不影响燃尽的前提下，提高其喷口位置，加大其风量与风速，吸收对冲炉的优点，在消旋并控制炉膛出口烟温的同时降低NOX的排放。为消除炉膛出口烟气偏差，部分研究者在炉膛折焰角上，使用不等深度的折焰角来削弱或消除烟气偏差，此方法为解决烟气偏差提供了新的思路。对冲炉中旋流燃烧器沿前后墙均匀布置，因此沿炉膛宽度方向热负荷均匀，炉膛出口及水平烟道的烟温偏差很小且易控制，此为对冲燃烧炉的最大优点之一。7结语对冲燃烧与切圆燃烧各有其优缺点，但切圆燃烧存在着至今未能很好解决的炉膛出口烟温偏差问题。且随着机组容量的增大，炉膛尺寸随之增大，要维持一二次风的良好混合就需要气流有更高的动量，这就使风压必须进一步增加，气流的刚度将很难保证。目前CE公司解决切圆燃烧锅炉的大容量问题是采用长方形的有中隔墙的双炉膛结构，但实际证明分隔墙的工作环境过于恶劣。因而切圆燃烧炉将受到大容量的限制。而对冲燃烧炉的旋流燃烧器可随锅炉容量的增大、炉膛宽度的增加而增加，基本不受大容量的制约，因而对冲燃烧炉的发展前景较切圆燃烧将更为广阔。