1、电站锅炉燃烧系统与设备引言：煤粉的燃烧设备包括煤粉燃烧器、点火装置和炉膛。煤粉燃烧器也称为喷燃器，它是煤粉燃烧设备的主要组成部分。其作用是：将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定着火；及时供应空气，使燃料和空气充分混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。燃烧器的性能对燃烧的稳定性和经济性有很大的影响。本文将主要探究四角切圆燃烧锅炉的有关特性 关键词：四角切圆 锅炉 燃烧调节一、 四角切圆燃烧锅炉的炉膛特性1.1 煤粉锅炉的炉膛炉膛是供煤粉燃烧的空间，也称为燃烧室。煤粉燃烧过程的进行不仅与燃烧的结构有关，而且在很大程度上决定于炉膛的结构，决定于燃烧器如何在炉膛中
2、布置及其所形成的炉内空气动力场的特性。炉膛既是燃烧空间，又是锅炉的换热部件，因此它的结构应能保证燃料完全燃烧，同时又应使烟气在到达炉膛时已被冷却到对流受热面不结渣的温度。所以炉膛的结构应能满足如下要求：（1） 应具有足够的空间和合理的形状，以便组织燃烧，减小不完全燃烧热损失；（2） 要有合理的炉内温度场和良好的炉内空气动力特性，既能保证燃料在炉内稳定着火和完全燃烧，又要避免火焰冲撞炉墙，或局部温度过高，防止炉膛水冷壁结渣；（3） 应能布置足够数量的辐射受热面，将炉膛出口烟温降到允许的数值，以保证炉膛出口及其后的受热面不结渣；本文设定锅炉为单炉膛,四角布置摆动式直流燃烧器，切向燃烧，正压直吹式系
3、统，每角燃烧器为六层一次风喷口，燃烧器可上下摆动，炉膛上部布置墙式辐射再热器和大节距的过热器分隔屏以增加再热器和过热器的辐射特性。墙式辐射再热器布置于上炉膛前墙和二侧墙。分隔屏沿炉宽方向布置六大片,起到切割旋转的烟气流以减少进入水平烟道沿炉宽方向的烟温偏差。在锅炉的尾部竖井下集箱装有容量为 5%的启动疏水旁路。锅炉启动时利用此旁路进行疏水以达到加速过热器升温的目的。此 5%容量的小旁路可以满足机组冷热态启动的要求。 炉膛每角燃烧器由风箱风道、燃烧器护板、燃烬风室及水平摆动机构、空气风室、煤粉风室、油风室、挡板风箱、摆动机构及连杆、点火装置、风箱前软管等部件组成。1.2 燃烧器的布置:采用四角切
4、圆燃烧的单切圆布置方式 ，即四角燃烧器一、二次风口的几何轴线相切于炉膛中心同一个假想圆(如图 2-4)。 大型电站煤粉锅炉一般采用三种燃烧方式:四角切向燃烧、前后墙对冲旋流式燃烧和 W 型火焰燃烧。由于四角切圆燃烧方式可在炉膛内形成一个大型旋转火柱，灰粒子与烟气间的混合强烈，同时也延长了粒子在炉膛内的停留时间，使得碳的燃尽效率较高，燃料适应性好，因而被我国电站煤粉锅炉广泛采用。由于切圆燃烧中火焰相互支持，一、二次风混合便于控制等特点，其煤种适应性很强，可以随意地燃用各种高灰分和低挥发份的煤种，适合我国燃煤锅炉煤质逐渐变差和煤种多变的特点，因而采用直流燃烧器切圆燃烧方式更适合我国的国情。在燃烧器
5、高度方向上,根据燃烧器可摆动的特点,考虑到燃烧器下摆时保证火焰充满空间和煤粉燃烧空间,从燃烧器下排一次风口中心线到冷灰斗拐角处留有较大的距离 5560mm,为了保证煤粉的充分燃烧,从燃烧器上层一次风口中心线到分割屏下沿设计有较大的燃烬高度 18959nmI,燃烧器在炉膛高度方向布置见图 2-5四角切圆燃烧方式的传统做法是使一、二次风射流在炉内同向正切或反切于同一假想圆,形成一股一、二次风旋转上升的气流。但在实际运行中,由于炉膛出口处的气流存在残余旋转,从而造成了水平烟道两侧烟气的温度场和速度场分布不均,过热器的热偏差较大,甚至引起爆管;若假想切圆直径过大,则火焰太靠近炉墙,易引起水冷壁结渣和燃
6、烧器烧损变形;若假想切圆直径过小,则着火不稳定,炉内气流扰动强度差,而且还不利于燃料的燃尽。在实际运行过程中,容易发生气流偏斜,导致火焰贴墙、结渣及燃烧不稳定。所以，燃烧器、炉膛、制粉系统以及一二次风系统的布置决定了煤粉的燃烧是否稳定。二、制粉系统的选择与布置制粉系统共分为两类，第一类是中间仓储式制粉系统，磨煤机的制粉量不需与锅炉燃煤量一直，磨煤机的运行方式在锅炉运行过程中有一定的独立性，并可经常保持在经济负荷下运行。第二类是直吹式系统，磨煤机磨制的煤粉全部直接送入炉膛内燃烧，因此，制粉量随锅炉符合的变化而变化。由此可见，对于电厂而言，当然是需要经常保持在经济负荷下运行，所以对于四角切圆燃烧方
7、式，我倾向于选择中间仓储式制粉系统。仓储式制粉系统四角切圆锅炉是燃煤锅炉中比较典型的炉型,其混煤掺烧方式的选取与掺混煤种的特性、粉仓与燃烧器连接方式、粉仓之间的联络方式等密切相关。2.1 粉仓与燃烧器分层连接湖南华润某发电有限公司 300MW 机组 1, 2 号锅炉,仓储式制粉系统、四角切圆锅炉,配 4 套制粉系统, A, B 制粉系统和 C, D 制粉系统分别对应 1, 2 号 2 个粉仓, 1 号粉仓对应 A, B 层燃烧器和 C1, C3 燃烧器, 2 号粉仓对应 D, E 层燃烧器和 C2, C4 燃烧器。湖南大唐某发电有限公司 300MW 机组 1, 2 号锅炉,湖南经投某发电有限公
8、司 300MW 机组 1,2 号锅炉,其粉仓与燃烧器的分层相接方式则是 1 号粉仓对应 A, C 层火嘴和 E2, E4 燃烧器, 2 号粉仓对应 B, D 层和 E1, E3 燃烧器。这种管道布置方式复杂,一次风速调平工作量大,一次风管阻力损失也较大,但对混煤掺烧方式的适应性较强,几乎可适用于各种混煤掺烧方式。2.2 仓储式制粉系统粉仓与粉仓的联络方式输粉裤叉管是一种方便简单、可靠性高的新装置。湖南大唐某发电有限公司 1, 2 号锅炉、湖南华电某发电有限公司 3, 4 号锅炉,选取离 2 个粉仓相近的 B, C 制粉系统,将细粉分离器粉筛下的原单根落粉管设计为裤叉管并装设调节档板,使 B,
9、C 制粉系统可单独或同时向 1, 2 号粉仓输粉,见示意图 1。输粉裤叉管装置能较好地实现不同制粉系统所制煤粉的仓内掺混,并保证混合基本均匀。此外,通过调节挡板位置,还可实现粉位调节,避免频繁启停磨煤机。2.3 粉仓与燃烧器分层连接时混煤掺烧方式的选取在粉仓与燃烧器分层连接系统中,如果混煤的可磨性差异不大、又能保证掺混基本均匀,可优先采用“炉前掺混、炉内混烧”,如大唐湖南某发电有限公司 1, 2 号锅炉就长期使用该混煤掺烧方式。如果混煤的可磨性差异大、又装设有输粉裤叉装置,建议采用“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧” 。如华电湖南某发电有限公司 3, 4 号锅炉就采用该混煤掺烧方式成功地掺烧了晋城
10、无烟煤,使飞灰含碳量由“炉前掺混,炉内混烧”的 20%降到了 10%以下。如果混煤的可磨性差异大、又没有装输粉裤叉装置,建议采用“分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”,此时,某 2 层半火嘴烧好煤、另外 2 层半火嘴烧差煤,可根据各自煤种的燃烧特性采用不同的煤粉细度和配风方式,上下层之间的火焰支持力度也很大,锅炉燃烧较稳定。湖南华润某发电有限公司 1, 2 号锅炉、湖南经投某发电有限公司 1, 2 号锅炉就长期采用“分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”的方式。三、一二次风系统的布置采用均等配风的直流煤粉燃烧器，布置方式如图，燃烧时，要求一次风中的煤粉着火后，应尽快和二次风混合以保证进一步燃烧所需的氧气。在
11、每一个一次风喷口的上下方都设有二次风喷口，而且喷口间距较小。燃烧器最高层布置上二次风喷口，其作用除供应上排煤粉燃烧器所需空气外，还可以提供炉内未燃尽的煤粉继续燃烧所需空气。燃烧器底层布置下二次风喷口，除了供应所需空气还可以将粗煤粉托起，减少不完全燃烧热损失。一次风管每一层都要布置，而且四个角都要布置。在风箱中，二次风管对角布置，两个二次风喷口中夹着一个一次风喷口。四、大型化方面的问题与发展趋势：随着锅炉容量增加,炉膛容积会相应增加,炉膛宽度与深度亦随之增加,但是它会受到燃烧器射流要保证炉内火焰充满度、炉膛中央形成切圆的限制,一般为了保证炉内火焰形成切圆,炉宽和炉深的上限尺寸为 2224 m。我
12、国外高桥电厂 900 MW 单炉膛的截面尺寸为21.48 m21.48 m。运行情况表明,其燃烧器火焰穿透能力及燃烧组织上未出现问题。随锅炉容量增加,炉膛横截面比容积增加得慢,故炉膛截面热负荷(qf)是随锅炉容量而增大,所以大型锅炉的炉温高,同时烟气上升速度增加,使燃烧器射流上翘,为保证燃烧器射流有足够的穿透深度、不影响气流旋转强度,要求增加燃烧器一、二次风速和燃烧器出口截面积,亦即增加单个燃烧器热功率。可是,一次风速会影响着火,喷口截面太宽会影响煤粉均匀分布与均匀混合,因此燃烧器出口气流穿透深度的提高是有限度的。而且单个燃烧器热效率提高,还会因局部热负荷太高而影响结渣,NOx 增加及超临界参
13、数下水冷壁管局部超温爆管等,因此单个燃烧器热功率是一个比较重要的参数,必须慎重选择。由于单个热功率的限制,必须增加燃烧器只数和层数,以使火焰分散,降低壁面热负荷,也有利于炉内火焰充满度的提高。随着锅炉的大型化，常用的直流燃烧器出现了一些问题:锅炉炉膛变大，四角布置方式的燃烧器的射流刚性不够。随着锅炉容量的增加，炉膛截面也相应增大，炉内温度场、空气动力场的不均匀性更加突出，由于燃烧组织不当，一次风煤粉气流贴壁，特别是在燃煤中含硫量较高及壁面呈现还原性气氛时，常常出现水冷壁严重结渣、高温腐蚀及锅炉烟温偏差等问题，直接危害锅炉运行的安全性、可靠性和经济性。五、燃烧方面的问题（如何调节）5.1 负荷下
14、降时：一、二次风均匀配风：四角射流的相互支撑对切圆燃烧煤粉炉低负荷运行显得尤其重要。若一、二次风配风不均匀，将使火焰偏斜，四角射流的相互引燃作用减弱，汽温烟温偏差增大，严重时会使火焰冲刷水冷壁，造成结焦、高温腐蚀等后果。一次风风率、风速，及煤粉浓度：低负荷时为使锅炉稳定燃烧，在保证煤粉管道不积粉、堵管前提下，应适当降低一次风比例。但一次风风速不宜过低，原因在于：使煤粉气流刚性削弱，气流稳定性变差，扰动减弱，火炬容易摆动，切圆形成不佳；卷吸周围高温烟气量减少，降低了煤粉着火前的加热强度；易产生气粉分层和气粉分布不均、堵管等不良现象；着火点距离喷嘴较近，容易烧环喷嘴。因此对燃烧烟煤的四角切圆燃烧锅
15、炉应该有一个比较合适的一次风速范围，一般在 2535m/s 范围，低负荷运行时择低限来调试。锅炉总风量：锅炉总风量在于保证燃烧所需的氧量，一定的过量空气对煤粉燃烧和燃尽是必须的。燃用烟煤时，炉膛出口过量空气系数 在 1.151.25 范围内。低负荷时，为保证过热器、再热器蒸汽温度以及排烟温度维持在较好水平，可适当增大锅炉运行的总风量，炉膛出口的空气过量系数一般控制在 1.251.4 范围内，对应的氧量在 4.2%6%之间。一、二次风温：低负荷时，由于炉膛出口温度降低、烟气量减少，故二次风温比高负荷时要低，必要时可以通过热风再循环及投入暖风器等措施来提高二次风温度。二次风配风方式: 低负荷时二次
16、风的配风方式应根据火嘴的投停方式作相应调整。适当减少投运火嘴之间的二次风量，有利于煤粉的着火和稳燃；为提高蒸汽温度及排烟温度，可采用“正宝塔”形配风方式，适当抬高火焰中心。煤粉细度：尽可能使煤粉磨得更细。5.2 煤质变差时由于正常运行中入炉煤不能保证设计煤种,入炉煤煤质偏离设计煤质很多,给锅炉的正常安全运行,尤其是低负荷的稳定运行构成很大威胁。通过对强化燃烧问题的探讨,从运行角度系统分析了影响稳定燃烧的各种不利因素,并对涉及燃烧系统的有关运行方式进行了优化,使锅炉的稳燃能力和抗干扰能力大大提高协调方式下的总风量控制：在总风量增加不十分显著的情况下,人为改变氧量设定值,通过氧量修正回路减少总风量
17、。而当调至氧量修正回路无效或不明显时,可适当开大运行给粉机的入口插板,提高煤粉浓度(一次风煤粉浓度),从而降低给粉机转速,减少总风量至正常范围内,相对提高炉内燃烧温度。一次风煤粉浓度的增加又促进了稳定着火和强化燃烧。在低负荷阶段,尽量减少制粉系统的运行套数：燃用低挥发分贫煤的煤粉锅炉,为保证煤粉的燃尽,设计的制粉系统煤粉细度均较小,故不可避免的造成三次风带粉偏大的问题。在锅炉低负荷时制粉系统运行套数的减少,即减少了进入炉膛的三次风带粉量。由于三次风着火放热减少,相对增加了运行给粉机的转速和进入炉膛的一次风煤粉量,使整个炉膛的断面热负荷增加,炉膛温度提高,有利于一次风火嘴的着火和火焰传播,强化了
18、锅炉的燃烧稳定性。优化给粉机运行方式,进一步提高锅炉的断面热负荷：优化措施是对总风量进行控制,同时尽可能地减少给粉机的运行台数。一般在不投油 200MW 负荷以下,保持下三层(A、B、C、D 层)给粉机运行,即给粉机的运行台数不超过 12 台。给粉机运行台数的减少,可有效增加运行给粉机的给粉量,进而提高燃烧器区域的温度水平和断面热负荷,从而大幅度提高火焰中心的温度、绝热燃烧温度的提高,又促进燃烧反应的反应速度,增强着火的稳定性和增加火焰的传播速度。降低一次风率,减少着火热量：由于炉内煤粉气流着火需要一定的预热时间和着火热量,而煤粉的着火热量 Q 正比于一次风量,因此,通过适当降低一次风压,来降
19、低一次风率,从而降低了煤粉着火需要的热量,促使煤粉提前着火。由于一次风率的降低,一次风中的煤粉浓度增加,对于不同的煤质和不同的燃烧器都存在一个最佳着火煤粉浓度的问题,而挥发分含量较低的贫煤和无烟煤,最佳着火煤粉浓度往往较高。因此,煤粉浓度在一定范围内的适当提高,对煤粉气流的着火燃烧更有利。热偏差大时：将部分二次风改为反切圆布置，通常在燃烧器顶部的燃尽风喷嘴上做文章。其实炉内火球旋转方向取决于动量矩较大的主射流，反切布置的喷嘴射流进入炉内后，受 主 射 流 的 引 射 作 用， 改变 旋 转 方 向，汇入主射流中，不可能出现既有顺时针方向旋转气流、又有逆时针方向旋转气流在炉内共存，炉内烟气旋转方
20、向只能有一个。四角切圆燃烧技术的一个显著优点就是利用火球旋转，加强炉内混合，增加煤粉颗粒的燃烧行程。如果为了降低炉膛出口烟温偏差，从而削弱或取消炉内的旋转。结渣严重时：结渣严重时，会发生传热恶化，因为温度的不均匀，更严重的后果是发生超温爆管。在锅炉运行时，若炉膛出现结渣，应提高一次风温、延迟二次风混入的时间以降低着火热，在锅炉停炉检修时把结渣处清理干净。q4 大时：q4（机械不完全燃烧损失）是由于灰中含有未燃尽的碳造成的热损失。所以要通过调节工况使煤燃尽。升高一次风温：升高一次风的温度可以使煤中的水分蒸发，降低煤燃烧所需的着火热。增加磨煤机出力：通过增加磨煤机出力可以使煤粉磨得更细，增大燃烧反
21、应的表面积。Nox 过高时：NOx 过高时，在相同负荷、维持总空气量不变的条件下，根据分级燃烧原理，将配风方式从均等配风改为缩腰配风，主燃烧区域的氧浓度降低，既能降低主燃烧区域的火焰温度，又能抑制燃料中氮形成的中间产物与氧化产物，可以在锅炉热损失不变的情况下降低 NOx 的浓度。六、过热器金属壁温偏差方面问题：计算过热器热偏差时作以下假设：(1) 不考虑沿联箱长度方向静压的变化，即满足P=P0=Pp(2) 各并列管子的尺寸（长度、直径） 、受热面和阻力系数完全相同，即 Kp=K。(3) 蒸汽在进入计算级过热器前经过充分混合，即各管圈进口工质的温度相同，在这种情况下，热偏差将导致出口工质的焓和温
22、度的不同。(4) 热负荷沿管长不变，工质物性（比定压热容 Cp 等）不随温度变化。(5) 过热蒸汽被看作是理想气体。受热面并联管组中个别管子的焓增hp 与并联管子的平均焓增h0的比值称为热偏差系数 ：=hp/h0h0=Q0F0/G0hp=QpFP/Gp所以 =(Qp/Q0)（Fp/F0）/（Gp/G0）=qF/G式中 Qp、Q0偏差管、并联管平均的单位面积吸热率，KJ/（s）Fp、F0偏差管、并联管每根管子的平均受热面积，；Gp、G0偏差管、并联管每根管子的平均流量，kg/s；q、F、G热力不均系数，结构不均系数和流量不均系数。当这些系数的数值趋于 1 时，被视为是“均匀”的，其值与1 的偏差
23、越大，热偏差就越大1. 热力不均导致流量不均时的计算公式G/G0=-（t2-t1）o（Q/Q0）/4(t0+273)2. 热力不均导致蒸汽出口温度不均的计算公式t2=（t2-t1）o（Q/Q0）1+（t2-t1）o/4(t0+273)3. 热力不均导致过热器出口处管外壁温度不均的计算公式tw=t2+(tn-t2)o（Q/Q0）1+0.8 t2-t1）o/4(t0+273)式中 G,G0并联管组偏差管子流量的偏差值和平均管子的流量,kg/s；Q，Q并联管组偏差管子吸热量的偏差值和平均管子的吸热量，kg/s;t1,t2,(t2-t1)o并联管组进、出口平均温度和管子的平均温升，；t0管子出口的内壁
24、温度，tn=t2+q/2，；，q，2管子外、内径之比，管子的平均热流量及蒸汽对管壁的放热系数。调节原理：增大一次风温、一次风速。将部分二次风改为反切圆布置，减小烟气流速偏差和残余旋转。参考文献：【1】 叶江明主编，电厂锅炉原理及设备，中国电力出版社，2010.1.【2】 徐宝山，600MW 机组锅炉燃烧器布置方式对炉内空气动力场影响的研究及评价，华北电力大学，2001.5.【3】 段学农、朱光明、宾谊沅、雷霖、焦庆丰，仓储式制粉系统四角切圆燃烧锅炉混煤掺烧方式探索，湖南电力，2010.【4】 李小文，四角切圆燃烧煤粉低负荷无油稳燃技术，2000.【5】 郭广领、王炳东、刘先航，强化锅炉低负荷稳燃的措施，2003.【6】 王学栋、栾涛、程林、胡志宏，锅炉燃烧调整对 NOx 排放和锅炉效率影响的试验研究.【7】 石广富，四角切圆燃烧锅炉低负荷燃用贫瘦煤的运行措施，淮北国安电力有限公司，2007.
