电站锅炉四角切圆燃烧技术刍议.docx

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电站锅炉四角切圆燃烧技术刍议

电站锅炉四角切圆燃烧技术刍议

ProposalsonCornerTangentialCombustionTechnology

吴生来1　毕政益2

【摘要】　根据国内四角切圆燃烧的电站锅炉设计特点，从燃烧经济性、低负荷适应能力、降低NOx排放水平、防止结渣和减轻炉膛出口烟温偏差方面进行了论述，对四角切圆燃烧技术的优缺点及今后的研究方向提出了的意见，并借鉴国外一些先进设计事例为我国电站锅炉的设计提供参考。

【关键词】　四角切圆燃烧技术　设计特点　研究方向

Abstract　Onthebasisofdesignfeaturesofutilityboilerswithcornertangentialfiringathome,thecombustioneconomics,adaptabilitytolowload,toreduceNOxemissionlevel,topreventfromslaggingandmitigatetemperaturedeviationoffluegasatexitoffurnaceetc.arediscussed,theproposalsonadvantagesanddrawbacksofcornertangentialcombustiontechnologyandfutureorientationofresearchareraised,andfinallysomeforeignadvanceddesignexamplesareintroducedasreferenceforChina'sutilityboilerdesign.

Keywords　cornertangentialcombustiontechnology　designfeasures　orientationofresearch

　　我国电站锅炉从国产125MW机组至目前600MW机组，大部分均采用四角切圆燃烧技术，尤其是从70年代末300MW、600MW机组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。

毫无疑问，四角切圆燃烧技术在今后相当长的时间内，仍将是我国电站锅炉采用的主要燃烧方式。

　　四角切圆燃烧由于烟气在炉内旋转上升，使其具有火焰行程长、炉内混合好、燃烧经济性高等特点，受到人们的推崇。

但正是由于这种旋转，在炉膛出口烟道形成烟气能量分布不均、烟温偏差较大等不利一面，引起人们的普遍关注。

　　四角切圆燃烧技术现状如何?

怎样评价四角切圆燃烧技术?

对其今后研究的主攻方向是什么?

本文将结合国外近年来关于四角切圆燃烧技术的一些试验结果和运行实践，提出一些粗浅看法。

1　燃烧器及其布置

　　在我国四角切圆燃烧均采用直流燃烧器，自70年代末主要为CE型煤粉燃烧器，其结构一般包括4个部分，即煤粉喷燃器、燃料风喷嘴、辅助风喷嘴以及燃尽风喷嘴。

燃料风喷嘴设在每只煤粉喷燃器周围；燃尽风喷嘴设在整组燃烧器顶部；辅助风喷嘴在烟煤锅炉采用与煤粉喷燃器相同布置的方法，形成均等配风；在部分贫煤锅炉则采用集中布置方法，形成集中配风。

整组燃烧器在制造厂组装一体，便于现场安装。

　　图1为上海吴泾热电厂等5个电厂整组燃烧器布置图，表1、表2为相应电厂燃烧系统设计参数。

其中上海吴泾热电厂11、12号锅炉和华能福州电厂1、2号锅炉燃烧器为典型CE型煤粉燃烧器，其余3种燃烧器是在CE型燃烧器基础上，结合具体煤种设计而成。

上述5种燃烧器基本上包括了目前四角切圆燃烧方式燃烧器的全部种类。

除了燃烧器的种类不同外，燃烧器四角切圆的方式也形式多样，有单切圆布置、双切圆布置，甚至3切圆布置，有同心同向切圆燃烧系统（CFS-Ⅰ型），有同心反切燃烧系统（CFS-Ⅱ型）等等。

华能福州电厂1150t/h锅炉采用双切圆布置，见图2。

其各角的一次风和二次风以相同的角度射入炉膛，1、3号角和2、4号角分别构成φ1.285m和φ1.480m的同心同向旋转假想切圆。

这种布置方式是最常见的一种切圆方式。

其优点是一、二次风射流刚性好，旋转动量大，穿透能力强，炉内混合好，适用于大部分煤种。

武汉阳逻电厂燃烧器也采用这种布置方式。

华能上海石洞口二厂1900t/h锅炉燃烧器采用三切圆布置方式，1、3号角和2、4号角一次风射流在炉膛中心分别构成φ1.606m和φ1.884m2个假想切圆，而二次风则构成约φ10.000m较大的假想切圆，三切圆同心同向，见图3。

这种布置方式设计意图是增加燃烧器区域水冷壁面的氧化性气氛，防止炉内结渣。

上海吴泾电厂1025t/h锅炉则采用同心反切燃烧系统，其一次风气流在炉膛中心构成φ1.062m和φ1.376m的2个逆时针方向的旋转切圆，而二次风却为φ6.800m顺时针方向旋转切圆，见图4。

其设计思想也是为减轻燃烧器区域结渣倾向。

陕西渭河电厂1025t/h锅炉燃烧器切圆方式更是别具一格，其一次风、三次风为对角对冲布置，A、D、G层二次风偏离一、三次风射流轴线6°构成逆时针方向旋转小切圆，BC、EF层二次风（启旋二次风）偏离一、三次风射流轴线20°构成同心逆时针方向大切圆，而顶部二次风J（消旋二次风）则偏离一、三次风射流轴线20°以顺时针方向送入炉膛，构成同心反切假想切圆，见图5。

其设计目的是减缓炉膛出口左右两侧烟温偏差。

图1　5个电厂锅炉整组燃烧器

图2　华能福州电厂燃烧器切圆布置

图3　石洞口二厂燃烧器切圆布置

图4　吴泾电厂燃烧器切圆布置图

图5　渭河电厂燃烧器切圆

表1　　部分电厂制粉系统设计资料

电厂及机组

上海吴泾电厂11、12号

华能福州电厂1、2号

上海石洞口二厂1、2号

武汉阳逻电厂1、2号

陕西渭河电厂3、4号

机组电功率/MW

300

350

600

300

300

锅炉出力/t.h-1

1025

1150

1900

1025

1025

制粉系统型式

正压直吹式

正压直吹式

正压直吹式

中间仓储式

中间仓储式

磨煤机种类

中速磨

中速磨

中速磨

钢球磨

钢球磨

磨煤机型号

RP863

RP903

HP943

DTM350/700

DTM350/600

磨煤机台数/台

5

5

6

4

4

设计煤种

陕西神木煤

山西晋北烟煤

陕西神木煤

晋东南混合贫煤

铜川贫煤混焦平烟煤

煤质

资

料

Mar/%

16.45

9.61

16.45

6.33

7.15

Aar/%

7.19

19.77

7.19

22.70

31.83

Var/%

23.56

22.32

23.56

8.42

14.31

FCar/%

52.80

47.80

52.80

62.55

46.71

Qnet.ar/kJ.kg-1

22902

22441

22902

23405

19531

表2　　部分电厂燃烧器设计参数（MCR）

电厂及机组

上海吴泾电厂

11、12号

华能福州电厂

1、2号

上海石洞口二厂

1、2号

武汉阳逻电厂

1、2号

陕西渭河电厂

3、4号

燃烧器形式

WR

WR

WR

WR

WR

燃烧器高度/m

8.183

9.986

14.896

8.306

8.080

燃烧器宽度/m

0.660

0.726

0.782

0.660

0.660

一次风量/t.h-1

249.7

230.2

446.4

216.7

262.5

一次风速/m.s-1

24.0

—

—

25.8

28.0

一次风率/%

21.77

18.20

21.80

18.00

20.00

二次风量/t.h-1

901.7

1032.7

1598.4

664.1

749.0

二次风速/m.s-1

47.6

—

—

46.0

52.0

二次风率/%

78.23

81.80

78.20

61.60

56.00

三次风量/t.h-1

—

—

—

197.3

262.5

三次风速/m.s-1

—

—

—

48.0

54.0

三次风率/%

—

—

—

20.4

24.0

二

次

风

喷

嘴

燃料风喷嘴面积/m2

0.465×4

1.117×4

0.708×4

0.480×4

—

燃料风风率/%

25.0

31.0

22.4

25.5

—

燃尽风喷嘴面积/m2

0.140×4

0.358×4

—

0.100×4

—

燃尽风风率/%

7.5

14.0

—

5.3

—

辅助风喷嘴面积/m2

1.256×4

1.427×4

2.454×4

1.300×4

—

辅助风风率/%

67.5

55.0

77.6

69.2

—

燃烧器布置特点

一层燃尽风，辅助风为均等配风

两层燃尽风，辅助风为均等配风

无燃尽风，燃烧器分上、中、下三组布置，每组燃烧器高3.988m

一层燃尽风，两层三次风，辅助风为集中配风，燃烧器区设有320m2卫燃带

一层燃尽风，两层三次风，辅助风为均等配风，BC、EF层为启旋二次风，J为消旋二次风

2　关于燃烧经济性

　　对于一定的煤种，煤粉颗粒的燃烧速度和燃烬程度主要取决于燃烧氧量的大小、温度的高低和燃尽时间的长短。

对于炉内燃烧，一次风粉混合物进入炉膛，受到炉内高温烟气、燃料风及辅助风的作用，形成一定结构的扩散火焰。

煤粉气流能否在炉内快速燃尽，关键在于煤粉着火的稳定性、燃料风和辅助风的合理混合以及火焰的行程。

　　四角切圆燃烧的炉内过程，较之其它燃烧方式（如对冲布置旋流火焰和W型火焰），具有特殊的性质，

（1）燃烧器四角布置，一次风粉混合物在离开燃烧器的一段距离内，为受限空间射流，它容易吸引炉内的高温烟气。

（2）一次风粉混合物射入炉内，受上游邻角横扫过来的高温火焰的直接冲击，着火条件优越，着火稳定性好。

（3）四角射流互相联系，互相影响，一方面加强了一次风和二次风的混合，强化了燃烧；同时使燃烧中的煤粉颗粒外面包着的灰壳互受撞击，容易脱落，加快了煤粉颗粒内部燃烧，有利于煤粉的燃尽。

（4）根据CE公司的介绍，旋转火球可以使煤粉在炉内旋转2～8周，煤粉颗粒有较长的行程和充分的时间燃尽。

因此，四角切圆燃烧技术从燃烧的经济性来讲，有着优越的条件。

　　90年代以来，上海锅炉厂在吸收CE公司技术的基础上，开发出了带“V”型钝体的浓淡分离宽调节比煤粉燃烧器，见图6。

这种燃烧器在运行中，一次风粉射流绕流“V”型钝体，在钝体尾迹形成高温烟气回流区，在射流内部开劈了一次风粉气流与高温烟气直接混合的途径。

一次风粉射流受到高温烟气的“内外夹攻”，内外着火，扩大了燃烧区域。

这项技术，对四角切圆燃烧来说，无疑起到如虎添翼的作用。

图6　煤粉喷燃器结构简图

　　国家电力公司热工研究院关于四角切圆燃烧锅炉燃烧经济性的试验资料如表3所示。

从表中可以看出，目前投运的300MW、600MW机组，其烟煤锅炉，热效率一般在93%左右，燃烧效率（1-q3-q4）在99%左右；贫煤锅炉，热效率也高于90.5%；燃烧效率高于97%。

这些实测的数据一方面表明，在正常情况下，采用四角切圆燃烧技术，可以获得较高的燃烧经济性。

同时也说明，对于大多数煤种，关于燃烧经济性的问题基本解决。

特别是烟煤的燃烧，其燃烧效率之高，基本达到了极限，在这方面再做进一步的研究，收益不会很大。

表3　　300MW、600MW机组锅炉燃烧经济性试验资料

电　厂

平圩电厂

哈尔滨三电厂

上海石洞口二厂

华能福州电厂

吴泾热电厂

深圳妈湾电厂

渭河发电厂

武汉阳逻

　　锅炉编号

2号

3号

2号

2号

12号

1号

4号

1号

制造厂

哈尔滨锅炉厂

哈尔滨锅炉厂

ABB-CE

日本三菱

上海锅炉厂

哈尔滨锅炉厂

上海锅炉厂

上海锅炉

机组额定出力/MW

600

600

600

350

300

300

300

300

设计煤种

淮南烟煤

鹤岗烟煤

神木烟煤

晋北烟煤

神木烟煤

晋北烟煤

钢川贫煤

晋东贫煤

Mar/%

7.70

8.88

16.45

9.61

16.45

9.61

7.15

6.33

Aar/%

26.37

28.10

7.19

19.77

7.19

19.77

31.83

22.70

Var/%

26.71

22.64

23.56

22.32

23.56

22.32

14.31

8.42

FCar/%

39.22

40.38

52.80

47.80

52.80

47.80

46.71

62.55

Qnet.ar/kJ.kg-1

22868

20525

22902

22441

22902

22441

19531

23405

燃烧氧量/%

3.08

3.80

3.50

2.47

2.91

2.95

3.87

4.04

飞灰可燃物/%

1.18

2.75

0.94

3.51

1.11

3.78

3.36

4.73

燃烧效率/%

99.56

99.17

99.93

98.97

99.87

99.14

97.41

98.83

锅炉热效率/%

92.87

93.72

93.78

93.85

93.84

92.88

90.52

92.48

　　少数电厂由于煤粉细度偏粗、预热器漏风大、引风机裕度不足、运行风量小等原因，会产生运行经济性较低的现象，但这不是燃烧器本身的问题。

3　关于无油助燃最低负荷

　　锅炉无油助燃稳定运行最低负荷是现代锅炉技术性能的一个重要指标，是衡量机组调峰能力的一个重要参数。

采用四角切圆燃烧技术的锅炉由于各角着火燃烧互相支持，互相作用，在炉内形成一个整体火球，具有良好的着火燃烧条件，因此具有较强的低负荷适应能力。

80年代末我国引进技术生产的300MW、600MW机组采用CE燃烧技术，锅炉设计低负荷都比较低，烟煤锅炉无油助燃稳定运行最低负荷为40%BMCR，贫煤锅炉为60%BMCR。

90年代由于普遍采用了WR煤粉燃烧器，进一步提高了煤粉着火稳定性，烟煤锅炉最低负荷降为30%BMCR，贫煤锅炉降为55%BMCR。

　　国内目前所做的无油助燃稳定运行最低负荷试验结果如表4所示，从表中可以看出，试验锅炉基本都能达到设计保证值。

现在部分新投产300MW以上机组电厂人为地定为50%BMCR为最低负荷，这是较为保守的。

可以说，目前我国生产的300MW以上机组和引进的一些先进技术水平的机组，基本上都能在30%～40%BMCR负荷不投油稳定运行。

这个运行水平可以满足我国电力生产的需要。

表4　　部分锅炉无油助燃最低负荷试验结果

电厂及机组编号

华能福州电厂1号

山东石横电厂1号

上海吴泾电厂11号

上海吴泾电厂12号

外高桥电厂2号

陕西渭河电厂3号

技术合同保证

值/t.h-1

30%BMCR

345

40%BMCR

410

35%BMCR

359

35%BMCR

359

35%BMCR

359

55%BMCR

564

性能试验实测

值/t.h-1

108MW

336

136MW

458

113MW

365

114MW

371

120MW

360

178MW

539

4　关于低NOx燃烧

　　四角切圆燃烧系统煤粉喷燃器与二次风喷嘴是分开布置的，燃料风、辅助风和燃尽风是分批加入射流火焰，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。

这种燃料与空气混合方式，本身就具备有分级燃烧的性质，对于降低NOx的生成起到有利的作用。

特别是一次风射流切圆较小、二次风射流切圆较大或一、二次风反切的布置方式，更加推迟了一、二次风的初期混合，加强了空气分级的效果，更是起到抑制NOx的生成作用。

热工研究院对国内50多台未采用任何低NOx措施的早期国产锅炉NOx排放水平的普查发现，四角切圆燃烧的锅炉NOx排放量为600～1000mg/m3，前后墙对冲燃烧的锅炉NOx排放量为850～1200mg/m3，这说明四角切圆燃烧本身有低NOx生成的基础。

　　尽管四角切圆燃烧有较好的低NOx燃烧条件，但是至今为止，我国自己制造的采用四角切圆燃烧技术的锅炉，尚未有十分有效的低NOx燃烧器。

对于易着火易燃尽的煤种，运行中可以通过低氧燃烧来降低NOx排放量，而对于燃烧反应较慢的煤种，一般是以稳定着火强化燃烧为目的，NOx排放水平难以顾及。

引进CE公司技术的国产300MW、600MW机组锅炉，一般通过整组燃烧器顶部加装的燃尽风喷嘴，其风量一般小于二次风总量的14%，作为降低NOx的手段。

热工研究院对吴泾电厂等部分锅炉进行了改变燃尽风量专项试验，以观察燃尽风对锅炉NOx排放水平的影响，结果见表5。

从表5可以看出，

（1）吴泾电厂11号锅炉NOx排放量较低，其主要原因一是煤质好，可以低氧运行（运行氧量小于3%），减少NOx的生成；二是一、二次风反切燃烧系统减缓了一次风粉气流与辅助风的前期混合，起到了低NOx燃烧的作用。

对于这类优质烟煤，目前采用的四角切圆燃烧技术完全满足低NOx燃烧，NOx排放量之低，已经达到国际先进水平。

（2）阳逻电厂1号锅炉NOx排放量较高，其主要原因是燃煤中N含量偏高；同时由于煤粉喷嘴布置相对紧凑、燃烧器区域没有卫燃带、运行氧量不宜减小（燃用贫煤，氧量小飞灰可燃物会增加），因此NOx排放量偏高。

对于这类煤种，还有待于进一步开发高效低污染燃烧技术。

（3）表5中NOx测试结果是在锅炉其它运行条件不变、仅改变燃尽风档板开度测得的。

测得数据表明，改变燃尽风档板开度，即改变燃尽风量，对NOx排放没有明显的影响，即使将燃尽风档板置全开和全关状态进行对比，也收不到理想的效果。

出现这种现象的原因，主要是燃尽风量偏小、风速偏低以及燃尽风喷嘴距下面的主燃烧器较近所致。

表5　　国产300MW、600MW机组锅炉NOx排放量

电厂及

机组编号

Nar/%

测试负荷

/MW

燃尽风挡

板开度/%

NOx排放量（O2=6%）

/mg.m-3

吴泾电厂

11号炉

0.69

～300

100

400

～300

80

402

～300

60

400

妈湾电厂

1号炉

0.79

281.4

100

604

287.3

50

582

287.8

30

587

哈尔滨第

三电厂

3号炉

0.57

581.8

0

769

581.6

50

731

582.0

100

659

阳逻电厂

1号炉

0.94

294.0

0

1107

297.4

100

1248

　　CE型锅炉所有二次风均从炉膛两侧墙大风箱引出，这种大风箱结构虽然对整组燃烧器的布置起到结构紧凑、风道简单、安装方便的作用，但同时对燃烧器的合理布置缺乏灵活性。

燃尽风喷嘴的布置一方面由于大风箱的限制，不易远离主燃烧器；另一方面受风箱炉膛差压的限制，出口风速难以提高。

　　图7、图8分别为德国2个电厂四角切圆燃烧锅炉的燃烧器组，图7为Heilbrom电厂750MW机组燃烧器布置情况，该燃烧器自下而上分为4组，每组2层煤粉喷燃器，在每组燃烧器上部设有1层燃尽风喷嘴，距离主燃烧器顶部约8m处又设有2只风速为60m/s的燃尽风喷嘴，且装在炉膛四周水冷壁中部。

该锅炉NOx排放量为500mg/m3左右。

图8为Walsum电厂410MW机组燃烧布置情况，整组燃烧器煤粉喷燃器为4层，且为双调风旋流燃烧器，每只煤粉喷燃器上部配有1只分级风喷嘴，分级风喷嘴与主燃烧器轴线为双切圆布置。

整组燃烧器顶部的燃尽风喷嘴分别布置在各墙水冷壁中部，并以60m/s的风速增加其在炉内的穿透能力。

该锅炉NOx排放量不超过500mg/m3。

如果我国目前生产的CE型燃烧器也吸收类似上述燃烧器布置方式的灵活性，有可能会进一步降低NOx排放量。

图7　Heilbronn电厂750MW机组燃烧器布置图

图8　Walsum电厂9号锅炉燃烧器布置图

5　关于炉内结渣

　　对于易结渣煤种，锅炉设计上常采用的方法除在吹灰器布置上采取措施外，还有增加炉膛容积尺寸，降低锅炉容积热负荷和断面热负荷，燃烧器分段布置或采用较小功率喷燃器降低燃烧器区域热负荷等措施。

对于四角切圆燃烧系统来说，还多一个有效措施，限改变一二次风切圆大小和旋转方向。

　　上海吴泾电厂1025t/h锅炉燃用的神木煤，属结渣性煤种，上海锅炉厂在设计上采用一二次风同心反切OFS-Ⅱ型燃烧系统，事实上比较有效地防止了炉内结渣。

上海外高桥发电厂4台1025t/h锅炉采用同样的设计方案，燃烧同样的煤种，也收到预期的效果。

华能上海石洞口二厂同样燃烧神木煤，但运行表明，该锅炉燃烧器区域水冷壁常出现结渣现象。

这说明同心反切燃烧系统确实具有较好的防结渣效果。

这也是四角切圆燃烧技术的一个优点所在。

　　上海电力建设启动调整试验所对吴泾电厂1025t/h锅炉进行了炉内冷态空气动力场试验，结果见图9。

从图可以看出，该锅炉强风环呈椭圆形，比设计的辅助风切圆大，椭圆长短轴和炉膛边长比例相似。

强风环在长轴方向距水冷壁约0.8m，短轴方向约0.5m。

在炉膛水冷壁周围，还存在有贴壁风，贴壁风高风速区集中在水冷壁中心处，最高达16m/s以上。

试验时在炉内A层燃烧器断面布置有飘带，飘带轨迹观察表面，未发现飘带紧贴炉墙和直接撞击水冷壁现象。

气流旋转方向为顺时针方向，同辅助风旋转方向一致。

图9　炉内空气动力场及贴壁风气流分布

　　上海发电设备成套设计研究所用CO2气体作为一次风介质，对该锅炉进行了试验台模拟试验，测得结果表明，CO2浓度最高点连线也为椭圆形，椭圆长短轴和炉膛中线重合且与炉膛边长比例相似。

椭圆在长轴方向距炉墙约4m（按试验台比例放大至炉膛实际尺寸计），在短轴方向约3.5m。

结合图9分析，可以发现，同心反切燃烧系统一次风切圆小，二次风切圆大，二次风包着一次风，水冷壁附近基本是纯空气气流，为高氧化气氛，因此具有防止结渣的效果。

同时由于水冷壁周围有贴壁风，可以冲刷水冷壁壁面，以保持水冷壁的正常清洁。

　　由于实际的一次风为煤粉空气混合物，其动量远较CO2气体动量大，在实际运行的锅炉中，在惯性作用下，一次风高浓度区将会更加接近炉膛中心。

　　虽然吴泾电厂1025t/h锅炉采用同心反切燃烧系统无疑是十分成功的，而且还取得了燃烧经济性高，NOx排放低、变负荷范围宽等多重收获，但是不应忽视，神木煤具有易着火、易燃尽的特点给燃烧器的切圆灵活布置提供了有利的基础。

而对于一些着火燃尽困难的煤种，一、二次风反切是否会引起飞灰可燃物上升，对于着火燃尽困难而又结渣的煤种，防止结渣能否采用一、二次风反切燃烧系统，同样是一个需要进一步研究的内容。

6　关于炉膛出口烟温偏差

　　四角切圆燃烧锅炉炉膛出口普遍存在左右两侧烟温偏差，这是四角切圆燃烧技术的主要问题