对冲燃烧与切圆燃烧锅炉的对比

杨帆，赵奇

（1.神华（福建）能源有限责任公司，福州 350005；2.神华福能发电有限责任公司，福建石狮 362712）

对冲燃烧与切圆燃烧锅炉的对比

杨帆1，赵奇2

（1.神华（福建）能源有限责任公司，福州 350005；2.神华福能发电有限责任公司，福建石狮 362712）

对燃烧器与配风、水冷壁、NOx控制等锅炉的主要技术环节进行探讨，对比、总结了对冲燃烧和切圆燃烧锅炉的特点和不同。2种燃烧方式具有各自的优、缺点，在实际选择燃煤方式时还需综合考虑。

大型化锅炉；对冲燃烧；切圆燃烧

0 引言

随着我国电力工业的发展，燃煤锅炉超大型化已经成为必然趋势，百万燃煤超超临界机组不断涌现。在燃煤锅炉中，煤粉的燃烧是一个非常重要的环节。从世界范围看，切圆燃烧和对冲燃烧是2种应用最为广泛的煤粉燃烧方式。为了在日后电厂建设中更好地进行锅炉选型及锅炉燃烧控制，分析2种燃煤方式的特点是十分必要的。

1 对冲燃烧与切圆燃烧的特点与不同

1.1 燃烧方式对比

1.1.1 切圆燃烧

燃烧器布置在炉膛4个角上，以一定角度朝向炉膛中央，4个燃烧器相互配合，在中央形成旋流燃烧火焰。切圆燃烧采用直流燃烧器，燃料与空气混合后喷入炉膛中心进行燃烧；同时，锅炉内配有偏转二次风，以不同于火焰旋流的角度进行偏转或反切，控制燃烧和烟气速度分布。

1.1.2 对冲燃烧

燃烧器布置在前、后墙，燃烧器正对，在燃烧器出口形成火焰。对冲燃烧采用旋流燃烧器，一次、二次风与燃料在燃烧器出口完成混合并燃烧。对冲燃烧的燃烧器不具有角度调节功能。

2种燃烧方式如图1所示。

1.2 燃烧器与配风对比

对冲燃烧采用多级配风旋流式燃烧器。一次风为煤粉与空气的混合物，二次风形成旋流，防止火焰贴壁，促进可燃物与空气混合。通过多级配风，在燃烧器出口实现回流，从而实现着火和稳燃。在对冲燃烧中，由于燃烧器之间的互相支持少，所以强调单个燃烧器的性能和单个燃烧器的煤粉空气比。燃烧器为固定式，调节火焰主要通过改变风量和煤粉输入量来实现。由于旋流燃烧火焰是单独组织的，个别燃烧器的停运对运行燃烧器影响小。

图1 切圆燃烧与对冲燃烧

切圆燃烧采用直流式煤粉燃烧器。燃烧器出口煤粉直流射入炉膛，四角燃烧器在炉膛中央形成旋流和稳定火焰。相对于旋流燃烧器，直流燃烧器布置灵活、燃料适应范围广。直流燃烧器各喷口间的距离和出口角度可调整，而旋流燃烧器一次、二次风紧密相临，一般无调整空间。一次、二次风混合早适合挥发分高的煤，对高灰分低挥发分煤种的燃烧效果不如切圆燃烧炉。切圆燃烧中燃烧器间互相支持，因此对单燃烧器性能和煤粉空气比要求不如对冲燃烧高。旋流燃烧器为非完全固定式，水平方向角度固定，垂直方向角度可调，通过调节垂直方向角度，可以控制燃烧、改变火焰高度。

在前、后墙对冲燃烧锅炉中，一面墙上的1层燃烧器对应1台磨煤机，并进行联动控制，一次风和二次风都在燃烧器内。而在切圆燃烧锅炉中，燃烧器被布置在锅炉4个角上，1层4个角上的燃烧器对应1台磨煤机，进行联动控制。切圆燃烧中，二次风为独立的喷口，单独可调，同样也是1层喷口联动。

目前煤粉燃烧器的类型主要有旋流式和直流式。针对超超临界机组，这些燃烧器有共同的特点：燃烧器配风多级化；设置火焰内还原脱氮措施；采用煤粉浓缩技术，实现燃烧器出口煤粉的浓淡燃烧，同时增强着火区的热烟气回流稳定燃烧；改进燃烬风的配置，提高炉内脱氮效果和燃烧效率。

1.3 水冷壁

由于对冲燃烧和切圆燃烧在燃烧器内的布置不同，2种燃烧形式锅炉水冷壁的结构也不相同。对冲燃烧炉膛下部采用螺旋水冷壁，上部采用垂直水冷壁；切圆燃烧由于燃烧器的布置比对冲燃烧复杂，采用螺旋水冷壁的结构处理难度大，一般只采用一次上升垂直水冷壁。不同的水冷壁结构导致锅炉在制造、安装和运行上存在许多差异。螺旋水冷壁和一次上升垂直水冷壁各项对比见表1。

通过对比可以看出：在管道要求、是否需要节流圈、抗燃烧干扰能力、管间温度偏差方面，螺旋管水冷壁要优于一次上升垂直水冷壁；而在流动阻力、抗结渣能力以及安装和维修方面，一次上升垂直水冷壁要优于螺旋管水冷壁。水冷壁管壁的防磨防爆是锅炉运行中非常重要的一个环节，其核心是控制管壁温度。总体来说，螺旋管水冷壁在抗管壁超温上要优于垂直水冷壁，但其易结渣的特性使得在运行过程中需要及时对管壁进行除渣，以防止传热恶化和爆管。

1.4 NOx的控制对比

燃烧过程中产生的NOx可以分为热力型、燃料型和快速型，其中热力型和燃料型NOx的生成量要远大于快速型，控制它们的生成量就能有效降低NOx总生成量。热力型和燃料型NOx的产生主要受烟气温度峰值和局部过量空气系数的影响，所以在对冲燃烧和切圆燃烧锅炉中，主要通过控制烟气温度和煤粉空气比来实现低NOx燃烧。

分级燃烧通过控制煤粉空气比，使煤粉在锅炉不同高度上分多次完成燃烧，这是对冲燃烧和切圆燃烧锅炉普遍采用的一种燃烧模式。在主燃烧区内生成的NOx在还原区内被还原成NH3和HCN等，再在燃尽区的过量空气环境下反应生成N2，从而达到降低NOx生成量的目的。旋流燃烧器（对冲燃烧）和直流燃烧器（切圆燃烧）都采用了煤粉浓淡分离燃烧技术，使浓、淡燃烧均偏离NOx生成量高的化学当量比燃烧区，从而降低NOx的生成量，同时使燃烧放热在高度方向上的集中度降低，降低了截面热负荷和壁面热负荷。

虽然都采用了分级燃烧和煤粉浓淡分离技术，但由于对冲燃烧和切圆燃烧在燃烧器布置和火焰分布上存在差异，最终NOx的生成量是不同的。对冲燃烧中，火焰集中于燃烧器出口较小的区域内，温度峰值高，会生成大量NOx，同时，由于后期混合差存在局部高氧区，也不利于降低NOx；切圆燃烧在炉膛中央形成大的旋流火焰，温度场更加均匀，温度峰值低，所以能够有效避免生成大量NOx，特别是热力型NOx，同时，旋流的存在可以更好地混合燃料和空气，不易偏离低NOx生成区。

1.5 结焦、结渣和煤种适应性对比

切圆燃烧由于炉膛内存在旋流，所以容易产生气流贴墙，比对冲燃烧更容易结渣和腐蚀，特别是燃用贫煤时，由于燃烧延迟、二次风与一次风的动量流率比大，会使火焰刷墙。但由于在切圆燃烧锅炉中采用了一次上升垂直水冷壁，能在一定程度上减弱结渣和腐蚀。

表1 螺旋水冷壁和一次上升垂直水冷壁的对比

相对于对冲燃烧，切圆燃烧适应煤种范围广、负荷变化能力强，这是因为切圆燃烧在燃烧调节上更加灵活，手段也更多。除了对冲燃烧采用的风量控制外，切圆燃烧还可以调节燃烧器竖直方向偏转角度、二次风量和风角度，并进行二者的耦合调节。在我国电厂煤质多变、经常参与调峰的背景下，切圆燃烧要优于对冲燃烧。

1.6 炉型选择

煤粉燃烧方式的选择一般和炉型的选择同时进行，目前应用最为广泛的炉型是塔式炉和Π型炉。

塔式炉布置为单烟道，烟气中灰粒在重力作用下上升速度慢，对受热面磨损小，更适用于高灰分煤种。对流烟道中的烟气速度场均匀，这对燃用高灰分或灰的腐蚀性强的煤有利。塔式炉中过热器、再热器及省煤器均为水平布置，且都在炉膛上部，能从根本上解决烟温偏差所带来的过热器、再热器超温问题，因此塔式炉一般采用切圆燃烧。

塔式炉占地面积小，但锅炉高度较高，百万千瓦机组锅炉大板梁顶标高达到115m，投资、检修费用高，且地震风险大的地区不宜采用塔式炉。我国东南沿海地区由于夏季台风频发，过高的塔式炉也不适用。目前，德国超（超）临界锅炉一般都采用塔式炉。

我国电站锅炉习惯采用Π型布置方式，Π型双烟道布置的主要优点是锅炉高度较低，费用较低，安装简单。对于燃用优质煤的1000MW锅炉，总建造费用在炉型选择中起决定性作用。

2 双切圆燃烧

虽然在NOx的控制、燃烧调节的灵活性等方面，切圆燃烧要优于对冲燃烧，但传统四角切圆燃烧由于炉膛中心为旋流式燃烧，导致炉膛出口两侧烟温偏差远大于对冲燃烧。为了解决这一问题，部分大容量锅炉在设计中采用了双切圆燃烧。

如图2所示，双切圆燃烧采用2个相对独立的反向切圆燃烧。通过反向的旋流式燃烧，让炉膛出口流动热偏差大大降低。双切圆燃烧具有炉内烟气温度场和热负荷分配较为均匀、单只燃烧器热功率小的优点，双切圆燃烧炉膛相当于2个尺寸较小的单切圆炉膛，对保证直流燃烧器的火焰穿透力和改进燃烧组织均有利。

图2 双切圆燃烧

反向双切圆燃烧由于炉膛内存在2个旋流燃烧火焰，所以产生了2个火球相互配合、防止偏斜等问题，比对冲锅炉和传统四角切圆在燃烧控制上要更复杂。但双切圆燃烧不仅有切圆燃烧的众多优点，同时还能大幅度减小炉膛的出口温度偏差，因此，如果其在控制方法上能得到长足进步，将有良好的应用前景。

3 结束语

从源头上来说，切圆燃烧与对冲燃烧的特点和不同是由于二者组织燃烧的方式不同。本文从燃烧器类型和布置、水冷壁结构、NOx的控制、炉型选择等多个方面对切圆燃烧与对冲燃烧进行了分析，可以看出，2种燃烧方式都有各自的优、缺点，不存在绝对优于对方的情况。在实际选择燃烧方式时需要综合考虑燃用煤种、电厂选址、建设费用和周期、后期维护难度等多方面因素。

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（本文责编：弋洋）

TK 229.6

：B

：1674-1951（2015）06-0054-03

杨帆（1986—），男，福建连江人，工程师，工学博士，从事火力发电厂技术管理方面的工作（E-mail：neoyang2004＠163.com）。

2014-07-09；

2014-11-25

赵奇（1982—），男，湖北孝感人，助理工程师，从事发电运行锅炉专业方面的工作（E-mail：525219377＠qq.com）。