燃烧设备及其控制方法

电站锅炉燃烧器大致分为直流式、旋流式和双U形三大类。燃烧设备主要通过化石燃料与空气的燃烧释放化学能，并将转换成的热能传递给水-蒸汽工质。所以，锅炉炉内燃烧工况质量的优劣决定锅炉的燃烧效率，影响烟气污染物的排放量。随着环保标准的提升，评判燃烧设备的性能由单一效率指标转向清洁高效的燃烧效果。

图3-4　外高桥电厂2 955 t/h锅炉结构示意图

3.2.2.1　简述

超超临界锅炉的燃烧方式均沿袭制造厂商的成熟技术，如美国CE、日本三菱重工的直流燃烧器四角切圆布置；美国B&W和俄罗斯等旋流燃烧器、前后墙对冲燃烧仍是目前国内外应用最广泛的煤粉燃烧方式；而W形布置锅炉则采用双U形燃烧方式。

1）国外燃烧器布置特点

Alstom-CE首先于1968年为Keystone电厂制造第一台850 MW单炉膛锅炉，燃烧器呈双切圆方式布置。日本三菱重工引进Alstom-CE的燃烧技术专利，其特点是2个切圆之间即炉膛中部无双面水冷壁，炉膛为一个整体——单炉膛，被称为八角双切圆布置燃烧方式。运行结果表明，采用该燃烧技术，其反向旋转的2个火球不仅不存在气流相互干扰和刷墙问题，而且炉膛内热负荷分布均匀，炉膛出口烟温偏差明显减小。

美国B&W公司、俄罗斯等则采用旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式。旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式具有锅炉沿炉膛宽度的烟温及速度分布较为均匀，过热器与再热器烟道左右侧的烟温和蒸汽汽温偏差相对较小的特点。

2）实践成果

我国从125 MW等级锅炉发展到300 MW等级，采用双炉膛布置、直流式双切圆燃烧技术。值得注意的是，采用2个相对独立的反向切圆燃烧方式，使气流对流热偏差叠加辐射热偏差形成互补，有效地降低了炉膛水冷壁出口处的工质温差。这种方式可使工质温差控制在40℃以下。

同样，旋流式燃烧器的对冲布置也利于降低水冷壁出口处工质的温差。

我国的超临界和超超临界锅炉煤粉燃烧技术基于机组的整体设计构思和实现煤粉初期着火稳定性的燃煤经验，采用多级配风控制燃烧区域的煤粉和氧浓度，形成区域性的还原气氛，实现低NOx的排放控制。其措施如下：在喷嘴附近加强热烟气回流，强化着火或低负荷不投油的稳定燃烧；选用相对小功率的燃烧器以均衡火焰温度、降低水冷壁热负荷；在燃烧器布置上，利用炉内空气动力场对流互补，减少热偏差；适当增加炉膛容积和配置燃尽风，进一步实现燃烧高效率、NOx低排放［10］。

不同燃烧方式有着各自的炉内空气动力特性。直流式与旋流式燃烧器使炉内燃烧过程和烟气流动温度场以及由此产生的NOx生成量有较大的差异。一般来讲，前者炉膛烟窗两侧烟气温度差比后者大；而后者产生的NOx的量要比前者要高一些。但就总体燃烧性能而言，两者旗鼓相当。

20世纪90年代末，国内应用计算机数值模拟和炉膛模型试验研究的成果在多台锅炉机组上取得较好的运行效果，即炉内2个反向旋转的火球间不发生气流相互干扰和引发气流冲刷水冷壁墙的问题，且炉膛内热负荷分布均匀，炉膛出口烟温偏差明显减小。这种燃烧器布置方式成为超大型化切圆燃烧锅炉发展的样式。

采用数量较多的燃烧器，可解决单只燃烧器功率过大而产生的一些运行问题。

3）设计要点

锅炉性能设计的许多技术参数来自经验数据，所以大容量锅炉设计的燃烧器及布置对锅炉运行的安全性和可靠性尤为重要。

在不同煤种、不同负荷工况下要求精准控制沿炉膛高度上低NOx的煤粉燃烧、碳燃尽度，控制燃烧区域容积热强度（Q/V）、炉膛截面热强度（Q/F）等指标与水冷壁的水动力特性相适应，避免水冷壁内膜态沸腾、水冷壁管上结渣和冲刷腐蚀现象，确保机组安全运行。主要考虑以下几点：①炉膛与单只燃烧器的容量匹配；②单只燃烧器具备降低NOx的性能；③单只燃烧器容量的选择兼顾水冷壁型式的水动力性能；④降低燃烧器组合布置对炉膛出口烟气温度和水冷壁出口处工质的热偏差。

3.2.2.2　直流式燃烧器设计

锅炉燃烧设备通常按照所用燃料以及制造厂的实践经验选用。直流式燃烧器结构相对简单、操控灵活、煤种适应性较好而为大多数用户选用。

1）哈锅燃烧器

哈尔滨锅炉公司燃烧器采用日本三菱公司PM型浓淡燃烧器（见图3-5）和MACT燃烧系统技术（见图3-6）。来自制粉系统的一次风（风煤粉比γ=1∶1）进入PM分离器，分配成浓淡（γ=6∶4～8∶2）两股气流，分别通过浓相和稀相的两只喷口进入炉膛。(www.xing528.com)

图3-5　1 000 MW机组锅炉PM型燃烧器

图3-6　日本三菱制粉、燃烧器与MACT系统

PM主燃烧器上方增设4层附加风喷嘴（AA风）。燃烧器一次风煤比与NOx生成量关系如图3-7所示。低NOx-PMMACT型摆动燃烧器，八角反向双切圆布置，在热态运行中一、二次风喷嘴均可上下摆动，最大摆角为30°，用于再热器蒸汽温度调节［11］。

图3-7　PM燃烧器一次风煤比与NOx生成量关系

①ppm表示百万分之一，是行业习惯用法。

日本三菱公司在PM型燃烧器的基础上，进一步发展了炉内三级燃烧的低NOx燃烧技术。MACT燃烧系统就是在PM主燃烧器上方一定高度增设二层AA风（附加风）喷嘴，达到分级燃烧目的。这样沿整个炉膛高度分成3个燃烧区域，即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽区，这种MACT分级燃烧系统可使NOx生成量减少25%［12］。

2）上锅燃烧器

上锅燃烧器采用强化着火（EI）的煤粉喷嘴（见图3-8），包括上下2只偏置的CFS喷嘴，在主风箱上部设有2层紧凑燃尽风（CCOFA）喷嘴，主风箱下部设一层火下风（UFA）喷嘴，主燃烧器与炉膛出口之间布置热空气通道。燃烧器一次风管内的煤粉浓缩器如图3-9所示。

图3-8　强化着火（EI）的煤粉喷嘴

图3-9　一次风管内的煤粉浓缩器

3.2.2.3　旋流式燃烧器

旋流式燃烧器操控方便，也是用户选用的品种之一。它以调整气流的旋转强度来改变各种气流的混合和燃烧产物。如日立公司采用“扩大回流和缩短火焰”低氮燃煤燃烧技术，保证低NOx下未燃尽碳含量不增加，通过导向衬套将三次风从燃烧器喷口的高温还原区分离出来。

1）东方日立的低NOx燃烧器

其结构如图3-10所示，性能见图3-11。

图3-10　日立NR3型燃烧器

图3-11　燃烧过剩空气系数与排放NOx的关系

2）北京巴威公司的燃烧器

北京巴威公司600 MW锅炉采用B&W公司DRB-4ZTM旋流式煤粉燃烧器。该燃烧器采用双调旋流式配一次风外围的过渡性供风，以实现火焰内脱氮。燃烧器空气供应4个区域（见图3-12），炉膛内C、D区域分别为设定比例的内外二次风，增强卷吸烟气调节燃烧。在炉膛前后墙最高一层燃烧器上方布置燃尽风（OFA）系统，即中心风为穿透力强的手调气流，边缘风具有可调的一定旋转强度。进入OFA喷口的二次风量由风箱入口挡板调节。

图3-12　B&W公司DRB-4ZTM旋流式煤粉燃烧器

A—贫氧区；B—热烟气回流区；C—NOx还原区；D—高温火焰过渡；E—可控二次风混合区；F—燃烬区