∏型布置切圆燃烧锅炉超大型化发展的一些动向及分析展望――介绍一种新的单炉

　　型布置切圆燃烧锅炉超大型化发展的些动向及分析展望介绍种新的单炉膛双切圆燃烧方式章明牛天况2，范卫东张建文2，周月桂曹佳明21.上海交通大学能源工程系，上海200240；2.上海锅炉厂有限公司，上海200245到无双面水冷壁型的单炉膛双切圆布置是明显的发展趋势。阐述单炉膛双切圆燃烧锅炉解决烟温偏差认为600燃贫煤锅炉应优先考虑采用单炉膛双切圆燃烧这方式。

　　0刖目角切圆燃烧与旋流燃烧器前墙或对冲布置样，是世界范围内应用*为广泛的两大煤粉燃烧方式之。由于切圆燃烧中角火焰的相互支持，次风的混合便于控制等特点，其煤种适应性更强，可以较满意地燃用各种低挥发分和高灰分的煤种，从而受到我国电站锅炉工作者的特殊重视。至改革开放前，角切圆燃烧事实上已成为我国各电站锅炉制造厂生产的1001胃以上煤粉锅炉的唯可选炉型。自80年代初开始，我国引进了美国，公司以角切圆燃烧为技术特点带有中速磨直吹式制粉系统的300600亚临界控制循环锅炉设计制造技术，使我国角切圆燃烧电站锅炉的设计制造更上了个台阶。

　　然而，随着大批200300容量等级上应用的些较严重的缺陷也逐步得到了暴露。

　　其中*为突出的问是上炉膛及炉膛出口的水平烟道左右侧的烟温偏差，以及由此而引发的过再热器超温爆管。据90年代中期的运行资料，200机组*大烟温偏差约1000，300机组*大烟温偏差约1500，而600机组则可达200，以上。近年来，国内各大锅炉制造厂有关高校与研究所在这方面进行了大量的研究工作。通过改变燃烧器喷口的安装角度，次风甚至部分次风由正切改为反切，在不同程度上减弱了炉膛出口气流的残余旋转，从而减轻了水平烟道左右侧的烟温偏差。问似乎已经得到了较好的解决。但是，人们也不免会发生这样的担心，反切消旋会不会将切圆燃烧所特有的由于旋转后期混合强烈等优点起消掉呢，此外，锅炉容量再进步增大，问又会如何，除了反章明清华大学工学博士，现任上海交通大学动力与能源工程学院教授博士生导师。从事煤粉气固两相流燃烧及污染物排放控制的教学与研究工作。曾获国家科技进步等奖2项部级科技进步等奖7项。

　　切消旋外，还有没有更简单有效的方法，分析下近年来国外些超大容量切圆燃烧锅炉燃烧器布置方式的变化，对于这些答案的寻求不是无益的。

　　1国外切圆燃烧锅炉超大型化后炉型变化的种趋势根据上海锅炉厂有限公司收集的有关资料美国燃烧工程公司，自1968年为宾夕法尼亚州的073七，咖电厂制造了第台8501评的单炉膛双切圆燃烧锅炉起，至今至少有32台容量大于700的锅炉采用了这种燃烧器的布置方式。与早年前苏联由发展到2001采用丁型布置以及我国*早由1251发展到3001采用的双炉膛布置不同的是，虽然这种燃烧方式也采用了8组燃烧器，在炉内也形成两个切圆，但是炉膛中部却没有双面水冷壁，炉膛是个整体即单炉膛。

　　与公司同属个技术流派的日本菱公司，在超大容量锅炉燃烧器布置方面采取了完全相同的策略。自1989年6月为东京电力公司财电厂3号机生产了第台10001油汽两用炉起，现至少也已有16台这样的机组在运行。其中10台为燃煤机组，包括我国福建新近投产的后石电厂1号锅炉在内。实际*小的机组容量为600丽。

　　切圆燃烧与单炉膛双切圆燃烧方式适用机组容量的张意。由可，菱公司认为单炉膛角切圆燃烧方式适用的锅炉容量上限大约为800，而单炉膛双切圆燃烧方式自500起可直用到，1胃以上。

　　由此可，国外采用切圆燃烧方式的锅炉制造厂在锅炉超大型化后，燃烧器布置由简单圆布置，这趋势是十分明显的。现在问是，这种布置上的变化是出于制造上便于放大样，还是出于种技术上的考虑，即为解决切圆燃烧锅炉超大型化后所出现问的种必然结果呢，笔者分析认为，答案应该是后者。

　　2单炉膛双切圆燃烧锅炉解决烟温偏差众所周知，引起型布置角切圆燃烧锅炉炉膛出口左右烟温偏差的主要原因是炉膛出口仍存在由切圆燃烧引起的残余旋转，残余旋转与水平烟道中的后向运动迭加，即造成了左右不对称的速度场分布，2不对称的速度场即导致了炉膛出口过热器再热器区域不对称炉内火焰的辐射传热场却是内高外低的对称辐射场。在单炉膛布置条件下，不对称对流传热场与对称辐射传热场的简单迭加，结果总的传热特性仍是左右不对称的。这即是角切圆燃烧锅炉出口过再热器区域烟气侧热偏差的主要成因，圆燃烧锅炉中，如果正确选择切圆的旋向，将两个相对独立燃烧系统的对流热偏差与整体单火焰辐射系统的辐射热偏差进行合理的搭配和补偿，则炉膛出口区域总的烟气热偏差将有可能大大降低，2笔者分析认为，这即是国外型布置切圆燃烧锅炉超大型化后采用单炉膛双切圆燃烧系统布置切圆燃烧锅炉为解决烟温偏差，从设计开始考虑*有效和简便的途径。

　　相反，如果是采用双炉膛双切圆的布置方得辐射与对流偏差互补的效果，其结果只相当于锅炉容量减小半，热偏差略有下降而已。由此可，双切圆燃烧锅炉取消双面水冷壁不仅仅是为了简化制造工艺，更重要的是从消除热偏差的性能设计来考虑的。张意。中间是放大了的颗煤粉炭骸，虚线是它周围相对静止的气体边界层，外边的折线是整个煤粉火炬的外边界。个边界上的氧浓度分别为4与。

　　3单炉膛双切圆燃烧系统特别适用于超大容量贫煤锅炉3.1烟温偏差与煤种的关系实践经验明，同是角切圆燃烧锅炉，油炉的烟温偏差*小，而易燃的烟煤褐煤锅炉也还可以接受，只有燃用难燃的无烟煤贫煤和劣质烟煤锅炉的烟温偏差是*大的。

　　由此可，烟温偏差不仅与炉膛出口的总体残余旋转有关，同时还与某种程度的煤粉颗粒燃烧延迟有关。只有当残余旋转与燃烧延迟同时存在时，烟温偏差的问才会特别突出。

　　因此，从烟温偏差考虑，600丽贫煤锅炉更需采用单炉膛双切圆燃烧系统。反过来讲，600丽烟煤锅炉也许仍可保留单炉膛单切圆的燃烧方式。

　　3.2贫煤锅炉超大型化后的燃尽问3.2.1炭骸燃尽过程的控制要素实际的炭骸燃烧由如下3个相互串联的化学物理过程所组成颗粒面的化学反应；静止边界层内的分子扩散=，大尺度空间的湍流混合①。

　　影响这3个过程进行速率*主要的因素分别是温度粒度与速度。

　　在定条件下，如果某过程进行得*慢，则整个过程进行的速率就由此过程所决定。上述3个过程分别成为控制因素时，燃烧过程就称为进入了化学动力学控制分子扩散控制湍流混合控制状态。这3个控制过程相互转变的条件通常是温度升高或煤粉粒度增大，过程由化学动力学控制转为分子扩散控制；火炬直径增大或气流速度降低，过程由分子扩散控制向湍流混合控制转变。

　　对于前两个过程，般燃烧理论著作中均有比较详细的讨论。对于后过程，概念也是明确的，但还没有比较明确而简单的定量描述可用。而这过程恰恰又是炉子超大型化后燃尽可能碰到问下。

　　3.2.2湍流混合时间的估算嘴直经队，速度；燃气流量狗。

　　大量的实验结果明，气体扩散火焰的长度可以由01公式进行很好的预测2气比；与分别为燃料气与周围环境的气体另方面，根据自由射流公式可以计算出射流卷吸化学当量空气所需的距离，比较上面两式可，实际火焰长度远大于卷吸化学当量空气所需的距离。其原因即是需要内部混合。如果忽略气体燃料化学反应所需距离差即可用来估计湍流混合所需的时间，Me燃料的化学当量空气量。由此，关于湍流混合的般性结论是十分简明的湍流混合所需的时间正比于喷嘴的出口直径，而反比于喷嘴的出口速度。

　　3.2.3锅炉容量对炭骸燃尽的影响势的张意。到大致300丽容量等级为止，随着锅炉容量的增大，未燃尽炭损失不断下降。

　　这变化趋势为大量运行统计数据所证实，已成为人们的共识。

　　分析其原因，在两个不同的容量区间，原因是不同的。在大约以下的小容量锅炉区段，通常是根据煤种选择炉膛容积热负荷1.1不变意味着炉内燃料的平均停留时间也不变。在这容量区间，由于炉膛温度较低，燃烧通常处于动力控制区域。此时随锅炉容量增大，炉膛温度升高，化学反应速率随之增大，因此未燃尽炭损失也随之下降。在大约100，300咖容量范围内，炉膛温度已经足够高了，燃烧通常已进入分子扩散控制区。此时，虽炉温继续升高，但炭的燃尽速率不再明显增大。然而，在实际锅炉设计上，由于水冷壁受热面的布置原因，炉膛容积热负荷随锅炉容量的增大而下降。而1的下降即意味着燃料在炉内的平均停留时间，的增大。正是因为停留时间，的增大，未燃尽损失才得以进步随容量的增大而下降。

　　当锅炉容量进步增大至300以上时，燃烧逐步进入湍流混合控制区。其原因方面是随火炬尺寸增大，所需的湍流混合时间增加；而另方面，随锅炉容量增大，燃烧器层数增加，比值你办5增大，因而停留时间的分布特性变坏。虽然平均停留时间7继续随炉子容量增大而加长，但实际*短的停留时间却有可能下降。比较所需混合时间厂与炉子可提供的停留时间随容量的变化趋势即可，在这容量区间，如设计不当，炭未燃尽损失电就有可能随锅炉容量的增大而为了不使如上升，结构上的措施与前相适应，首先应该是保证上层燃烧器至大屏底间的距离与炉膛平均上升速度的比值不变，即办，1=0，以保证*上层燃烧器燃料在炉内的停留时间不变。现300设计，通常保证，在18，20m的范围。随锅炉容量增大，断面热负荷办增大，气流平均上升速度1也增大。可，为保证不变，蜘饰也应随容量的增大而加大。这是炉膛设计的问。

　　另方面，为降低所需的混合时间，显然应从燃烧器设计上降低比值叫。也即，提高燃烧器出口风速或缩小燃烧器的直径。在目前普遍采用回转式预热器燃烧器出口风速不可能大幅度提高的情况下，这要求即意味着必须基本上按容量比例增加燃烧器的只数。由此可，如采用常规的角切圆燃烧方式，容量由300增大至600时，燃烧器层数由5层增加至6层，燃烧器只数由20只增加至24只，对于贫煤这类难燃煤种，显然是不够数与锅炉容量成比例增加，因此不会带来任何炭未燃尽损失方面的问。

　　综上所述，对于燃用贫煤的切圆燃烧锅炉容量放大至600等级时，无论从烟温偏差，还是飞灰燃尽的问考虑，采用单炉膛双切圆燃烧方式都是更为可取的。

　　4单炉膛双切圆燃烧系统若干问的讨论4.1火焰辐射的单峰特性如前所述，偏差互补的个基础是炉膛出口具有单峰的火焰辐射场。所以第个问是，在双切圆燃烧条件下，炉内有两个相对独立的燃烧火球，这时炉膛出口的火焰辐射场还能否保持单峰特性根据上海锅炉厂有限公司台6 00单炉膛双切圆燃烧锅炉的初步设计，炉膛尺寸大致是27lX12m.这样，由只火球中心到炉膛出口截面中心的距离大约是lOm.而煤粉火炬的减弱系数在炉膛出口约为21.在此减弱系数的条件下，经过距离后辐射强度将减弱至初始值的13.5.也即是说，在此条件下，中间的受热面完全可以看，两边的火球，辐射场肯定具有中间高两边低的单峰特性。相反，在燃烧器区域，减弱系数可以大到0.7m1.在同样距离衰减后的辐射强度仅为初始强度的1.在此区域，火焰辐射将仍是保持双峰特性的。

　　4.2双切圆火焰的相互干扰问单炉膛双切圆燃烧系统中两个反向旋转的火球会不会来回摆动相互干扰，也是人们比较关心的问。笔者年前所完成的项工作用角射流相互作用的动量平衡原理构造的简化模型，可以很好地预报角切圆燃烧炉内的实际切圆直径。根据这简化模型，射流的偏转和切圆的形成主要取决于射流相互作用的位置，也即炉膛的燃烧器矩形的尺寸，而受周围边界的影响较小。因此可以预计，两只切圆相互独立，不会有大的干扰。

　　统的冷态模化试验与计算机模拟计算的结果。可，这燃烧方式的炉内烟气及气固两相流场与两个角切圆炉膛并起来是十分相似4.3保持燃烧器矩形比与炉膛宽度的矛盾众所周知，为保证切圆燃烧炉内的气流工任，计算机模拟计算结果况较好，希望炉膛的燃烧器矩形应尽可能接近正方。在单炉膛双切圆燃烧锅炉中，考虑到炉膛前后墙中间的两只燃烧器间需留定间隔以及整个锅炉的汽水系统的布置，燃烧器矩形比偏离1较远。在此情况下，有可能出现炉内的倒字气流，造成其它的燃烧问。

　　从目前的经验来看，这问不是不可能解决少冷角燃烧器偏角直至对冲布置等，已能有效地防止倒字气流的出现。当然，这也是需进步深入研究的课之。

　　4.4燃烧器只数与深度分级燃烧问与常规的切圆燃烧锅炉相比，单炉膛双切圆燃烧系统燃烧器只数较多，燃烧器的布置与运行都要相对复杂些，这是肯定的。但是如果换角度，与旋流燃烧器相比，则燃烧器只数大致还是相当的。比如，目前运行较好的北仑港电厂2号炉，600舰机组，旋流燃烧器只数是36只。而在单炉膛双切圆燃烧系统中，燃烧器5层布置，总的只数是40只；如果燃烧器层数降到4层，则总只数只有32只。可两种情况下燃烧器的总只数还是相当的。

　　同样是旋流燃烧器，华能南通电厂300，机组燃烧器32只，飞灰燃尽与特性都非常好；而江阴利港电厂300丽机组采用16只旋流燃烧器，燃尽，都变得很不理想。这再次证明了燃烧器只数及尺寸对锅炉运行性能的影响是至关重要的。因此，对于超大型的贫煤锅炉，在考虑布置与运行方便的同时，千万不能忘记燃烧经济性方面可能出现的问。

　　5结论1国外切圆燃烧锅炉超大型化后，燃烧器布置由简单的角布置变化到无双面水冷壁的单炉膛双切圆布置，这趋势是十分明显在无双面水冷壁的单炉膛双切圆燃烧锅炉中，通过切圆旋向的正确选择，对流热偏差与辐射热偏差可相互补偿，总的烟气热偏差有可能大大降低。

　　对于超大型贫煤锅炉，为保证飞灰的燃尽，应考虑增加燃烧器只数。采用单炉膛双切圆燃烧方式，有利于这问的解决。

　　综上，笔者认为600燃贫煤锅炉应优先考虑采用单炉膛双切圆燃烧这燃烧方式。建议但相对简化了布置与运行，同时火焰中心下移。

　　有可能采用分离的燃尽风80，以实现深度国外大型电站锅炉设计动向，上海锅炉厂有限公司内部1866，陈熙译。燃烧空气动力学1.北京科大力发展洁净燃烧技术上，6页