热电厂1000MW机组锅炉四角切圆燃烧与对冲燃烧方式对比
1 简述
1.1 切向燃烧方式
煤粉气流从布置在炉膛4角（或8角）的直流式燃烧器引入炉膛进行燃烧的方式。一般一、二次风口常为间隔布置，各风口的几何中心线都分别与中央的一个或几个假想圆相切。
切向燃烧的特点是靠各角来的风粉混合物协同动作，在炉内形成一个强旋流火球燃烧。煤粉的着火和稳定燃烧是靠点火三角区和上游邻角过来的高温火焰的对流传热支持。火焰的形状不仅与燃烧器布置、参数有关，还与炉膛形状及假想切圆直径有关。假想切圆直径大，有利于着火稳定性，但容易使煤粉气流刷墙造成炉壁结渣；切圆直径小，有助于减轻结渣，但邻角点燃作用延迟。切向燃烧炉内旋转的火炬有利于煤粉的燃尽；但是炉膛出口的残余旋流易引起炉出口烟温偏差、流量偏差，对过热器、再热器管工作不利。
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），具有特殊的特质：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；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；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，有利于煤粉的燃烬。
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、辅助风和燃烬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。
1.2 对冲燃烧方式
将一定数量的旋流式燃烧器布置在两面相对的炉墙上，形成对冲火焰的燃烧方式。旋流式燃烧器主要靠自身形成的回流卷吸燃烧室内高温烟气来加热点燃煤粉，因此形成基本独立的火炬。对冲布置的火炬在燃烧室中心相遇对冲，然后转弯向上。
旋流式燃烧器前后墙对冲布置和直流式燃烧器切向布置相比，其主要优点是上部炉膛宽度方向上的烟气温度和速度分布比较均匀，使过热蒸汽温度偏差较小，并可降低整个过热器和再热器的金属最高点温度。
1.3 对比
应该说，对冲燃烧与切向燃烧是各有优势的，例如切圆燃烧时火焰行程长、炉内混合好，对冲燃烧时优越的自稳燃性能，炉膛出口烟温偏差易控制等。并且经过多年的技术进步，它们在各自的弱势方面也取得了长足的进展，例如切向燃烧中的低负荷稳燃能力，对冲燃烧中的NOx排放量等。
在燃烧经济性方面：对于切圆燃烧来说，其优势在于（1）煤粉在炉内行程长，炉内停留时间长；（2）受邻角高温烟气的直接冲刷，强化了燃烧。相关资料显示，在正常情况下，采用切圆燃烧技术时其燃烧经济性是有保障的。
对冲燃烧锅炉采用旋流燃烧器，就燃烧经济性来说，它的优势在于（1）旋流燃烧器的一、二次风混合早且强烈，保障了煤粉及时、充分燃尽；（2）旋流燃烧器对高温烟气的卷吸率高；（3）对冲燃烧的炉膛热负荷易控制均匀。有关电厂的运行性能证明对冲燃烧炉的燃烧经济性并不比切圆燃烧炉差。
应该说，无论是对冲燃烧还是切圆燃烧，燃烧经济性的问题已基本解决。尤其是近年来切向燃烧技术中WR型燃烧器等浓淡分离技术的普遍使用，旋流燃烧器中低燃烧速率燃烧器的研发与运用，燃烧经济性问题已不再成为业内关注的首要问题。特别是烟煤的燃烧，其燃烧效率之高，已基本达到了极限。
在结渣、磨损与高温腐蚀方面：煤种的结渣特性和炉膛容积热负荷、截面热负荷的选取是炉内结渣与否的重要影响因素，在以上参数一定的情况下，采用何种燃烧方式，燃烧器布置方式、燃烧器结构特征等则成为解决结渣问题的核心。
对切向燃烧来说，合理组织切圆大小，控制火焰中心偏斜是控制结渣的关键。切圆直径大于一定值时，结渣趋势随切圆直径的增大而增大，大量熔融、半熔融煤粉颗粒将直接撞击水冷壁，形成结渣，同时磨损水冷壁，发生高温腐蚀。切圆又不能太小，否则高温火焰集中于炉膛中部，不利于着火和稳燃。同心切圆燃烧技术的普遍使用对解决切圆燃烧中的结渣问题起到了重要作用。二次风以大切圆喷入炉膛，而一次风粉气流以小切圆、或对冲、或反向小切圆的形式进入炉膛，形成炉膛中央的富燃料区和水冷壁周围的富空气区，减小了一次风冲刷水冷壁的可能性，不仅对于结渣，对减小水冷壁磨损和高温腐蚀也大有帮助。同时一、二次风的混合更加强烈，有利于煤粉完全燃烧。
相对而言，对冲燃烧炉中旋流燃烧器射流冲墙的几率较切圆燃烧小得多，通过对单个燃烧器的旋流强度、火焰扩散角和一、二次风配比的控制即可实现对炉膛整体粘污水平的控制。对冲燃烧炉中单个燃烧器功率的选取和燃烧器区域热负荷的选取是关键，因为燃烧器区域结渣问题依然存在。单个燃烧器功率过大，会使燃烧器区域局部热负荷过高而产生结渣，切换和启停燃烧器对炉内火焰偏斜的影响较大，一、二次风的气流太厚，不利于风粉混合；但燃烧器只数减少，相应管道及风箱布置则较简单。
在低NOx燃烧方面：旋流燃烧器已进行几代改进，发展成性能优良的低NOx旋流燃烧器其结构特点是将旋流二次风通道分解成两个通道，通过分级送风实现分级燃烧以降低NOx。低NOx旋流燃烧器中的一次风不旋或弱旋，避免燃烧器出口初期混合强烈而后期混合微弱的缺陷，并且在旋流燃烧器出口形成局部煤粉高浓度区，是获得良好燃烧的基础，可以实现低负荷稳燃和低NOx排放。
相对切圆燃烧，对冲炉型的燃烧器更易布置，这为其合理布置燃烧器顶部的过燃风（OFA）喷口提供了便利。过燃风喷口的布置是分级燃烧理论的很好体现，经过不断的改进和完善，已在大容量锅炉上广泛应用。
切圆燃烧时一、二次风射流基本平行进入炉膛，其早期混合并不强烈，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。这种燃科与空气混合的方式符合分级燃烧理论，对降低NOx的生成是有利的。特别是采用CFS、LNCFS的燃烧系统布置方式,更加推迟了一、二次风的初期混合,加强了空气分级的效果，并配以各种浓淡燃烧器，更是起到抑制NOx生成的作用。
在炉膛出口烟气偏差方面：四角切圆燃烧锅炉炉膛出口普遍存在左右两侧烟温与烟速的偏差，这是由于切向燃烧锅炉炉膛出口烟气存在着相当的残余旋转强度。不过，经过这么多年的研究，炉膛出口烟温偏差有了比较大的改善。
对冲炉中旋流燃烧器沿前后墙均匀布置，因此沿护膛宽度方向热负荷均匀，炉膛出口及水平烟道的烟温偏差很小且易控制，此为对冲燃烧炉的最大优点之一。
2 1000MW机组情况
目前国内哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂、北京巴威公司具有形成1000MW机组的超（超）临界锅炉的能力。东方锅炉厂和北京巴威公司的锅炉采用对冲燃烧方式，哈尔滨锅炉厂和上海锅炉厂的锅炉采用切圆燃烧方式。不过，从目前的业绩看，哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂的业绩好像多一些，北京巴威公司的业绩相对比较少。
2.1 哈尔滨锅炉厂
燃烧方式采用无分隔墙的八角双火焰切圆燃烧方式全摆动式燃烧器，该燃烧方式的特点是：将整个炉膛作为两个大燃烧器组织燃烧，因此对每只燃烧器的风量、粉量的控制不太严格，操作简单。锅炉负荷变化时，燃烧器按层切换，使炉膛各水平截面热负荷分布均匀，水循环安全可靠；切圆燃烧方式对煤种适应性强，适应煤种的变化；由于炉膛内气流旋转强烈，与煤粉颗粒混合好，且延长了煤粉颗粒在炉内流动路程，有利于煤粉的燃烬；相对于墙式、对冲燃烧方式，具有NOx排放低、不易结焦、燃烧效率高等特点。
八角布置双切圆燃烧方式特点：有效地降低炉膛两侧的烟温偏差。八角布置双切圆的旋转方向相反，炉膛出口烟气沿炉膛宽度方向旋向相反，相互叠加抵消，使炉膛出口烟温偏差大大降低，有利于锅炉安全运行。能降低一次风单只喷嘴热功率，其热功率仅为常规四角布置切向燃烧方式的50％，为前后墙对冲燃烧方式的62.5％左右。单只喷嘴热功率的降低，有利于防止水冷壁结焦的产生。温度场更加均匀，并且温度水平适中，使锅炉水循环更加可靠。
燃烧系统设计的主要特点：
a）将整个炉膛作为两个大燃烧器组织燃烧，因此对每只燃烧器的风量、粉量的控制简单。
b）锅炉负荷变化时，燃烧器按层切换，使炉膛各水平截面热负荷分布均匀。
c）对煤种适应性强。
d）由于炉膛内气流旋转强烈，与煤粉颗粒混合好，而且延长了煤粉颗粒在炉内流动路程。
e）解决了锅炉炉膛出口左右烟温偏差问题。
2.2 上海锅炉厂
上海锅炉引进的锅炉有单炉膛单切圆、塔式布置和单炉膛双切圆、P型布置两种方式。
锅炉燃烧方式采用从ALSTOM公司引进的低NOx切向燃烧系统（LNTFSTM），具有以下技术特点：
LNTFS是一种经过考验的成熟技术，迄今在全球范围内已有超过200台的新建和改造锅炉的成功运行业绩，总的装机容量大于62000MW；
ALSTOM公司至今已经有94台双切圆的锅炉，其中49台容量大于675MWLNTFS在降低NOx排放的同时，着重考虑提高锅炉不投油低负荷稳燃能力和燃烧效率；
通过技术的不断更新，LNTFS在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果；
ALSTOM公司最新的燃烧器设计技术，其燃烧器设计改进主要如下：
1、采用CCOFA和SOFA实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制；
2、采用可水平摆动调节的SOFA喷嘴设计，控制炉膛出口烟温偏差；
3、燃烧器摆动系统设计的改进；
4、采用强化着火煤粉喷嘴设计；
5、带同心切圆燃烧方式（CFS）的多隔仓辅助风设计；
6、燃烧器采用不分组的型式。
燃烧设备采用低NOx同轴燃烧系统(LN TFSTM)，6台碗式磨煤机中每台磨煤机给6层燃烧器中一层燃烧器提供煤粉，整台锅炉包括4×6 = 24个燃烧器。每一个燃烧器有2个煤粉喷嘴，包括周界风、上层和下层风、中间风，此外还包括一个偏置风，它处于上层风喷嘴的上面，来隔离火球和水冷壁，以避免水冷壁的CO腐蚀。
在炉膛燃烧器区域，大量火焰沿着炉膛中心循环，同时煤粉与一次风的混合也比较慢。这样，燃烧过程比较缓慢，可以降低热力NOx的生成。而且，在燃烧系统中还采用如下措施进一步减少NOx的排放：
(1) 炉膛尺寸的选择针对燃用煤种有充分的裕度；
(2) 燃烧喷嘴之间有足够的间距；
(3) 对不同的燃烧器采用分级送风；
(4) 燃烧器区域燃烧空气过量小于理论空气量,同时布置分离二次风。
(5) 上排燃烧器和受热面之间高度可以确保煤粉燃尽。屏式受热面选择采用足够大的横向节距,这可以保证受热面不会出现结渣。
煤粉燃烧器为切向燃烧，主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在其四周布置有燃料风（周界风），每相邻两层煤粉喷嘴之间布置1层辅助风喷嘴，其中包括上下两只偏置的CFS（Concentric Firing System）同心切圆喷嘴。在主风箱上部设有两层CCOFA（Closed-Coupled OFA）紧凑燃尽风喷嘴，在主风箱下部设有一层UFA（Underfire Air）火下风喷嘴。在主风箱上部布置有5层（SOFA分离燃尽风）喷嘴，以降低NOX排放量。
采用CFS同心切圆燃烧喷嘴有的特点：a）在各种负荷工况下热分布均匀；b）炉膛烟温低；c）燃烧完全；d）炉膛出口温度可控；e）生成NOx最少。
采用SOFA燃尽风喷嘴的特点：a）可调的偏转角度；b）可调的节距
2.3 东方锅炉厂
东方锅炉厂引进了日本日立-巴布科克公司（BHK）的超临界直流锅炉技术。采用前后墙对冲燃烧方式。东方锅炉厂在引进的HT-NR3燃烧器基础上进行了改进，自主开发了有知识产权的燃烧器，在一些工程中进行了应用。
采用最新型低NOx旋流燃烧器（HT-NR3），其基本原理为：快速着火，高火焰温度，火焰内还原NOx，同时达到高的燃烧效率和低的NOx排放。
燃烧器构造为：在一次风通道中布置煤粉浓缩器，通过火焰稳燃环和煤粉浓缩器的有机结合，达到稳燃、抑制NOx生成；设直流二次风和旋流二次风参与燃烧；二次风通过燃烧器内同心通道送入炉膛，参与燃烧。三次风通道内设有独立的旋流装置，从燃烧的不同阶段送入炉膛；燃烧器内设有中心风管。
在降低NOx排放措施上采用分级燃烧方式。低NOX旋流燃烧器为单喷口分级燃烧，降低燃料型NOx，燃烧器区域NOx迅速分解。燃尽风采用优化的双气流结构，中央部位的气流采用非旋转的气流，它直接穿透进入炉膛中心，补充燃尽所需空气。边部风口采用旋转气流，在水冷壁面形成氧化性气氛，可有效防止高温腐蚀和结渣。采用燃尽风，组织全炉膛的分级燃烧，进一步降低NOx生成。主燃烧区域采用低于0.8～0.9的燃烧化学当量比，保持还原性气氛，在燃尽风口送入平衡风，达到完全燃烧。
在防止锅炉结渣的措施上采用具有良好防结渣性能的前后墙对冲燃烧π型炉；锅炉炉膛设计充分考虑防止炉膛结渣的需要，合理选择炉膛热力指标和炉膛结构参数；燃烧器的设计和布置充分考虑防结渣措施；受热面布置考虑防止结渣；炉膛易结渣区域合理布置吹灰器。
东方锅炉厂采用单炉膛“Л”型布置、平衡通风、前后墙对冲燃烧方式，低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃烧器，尾部为双烟道，再热汽温采用烟气挡板调节。
燃烧器采用前、后墙对冲分级燃烧技术。在炉膛前、后墙各分三层布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃烧器，每层布置8支燃烧器，共设有48只。在最上层燃烧器的上部布置一层燃尽风喷口（AAP），每层10只。
【一次风】一次风由一次风机提供。它首先进入磨煤机干燥原煤并携带磨制合格的煤粉通过燃烧器的一次风入口弯头组件进入HT-NR燃烧器，再流经燃烧器的一次风管，最后进入炉膛。一次风管内靠近炉膛端部布置有一个锥形煤粉浓缩器，用于在煤粉气流进入炉膛以前对其进行浓缩。经浓缩作用后的一次风和二次风、三次风调节协同配合，以达到低负荷稳燃和在燃烧的早期减少NOx的目的。
【二次风、三次风】燃烧器风箱为每个HT-NR3燃烧器提供二次风和三次风。风箱采用大风箱结构，同时每层又用隔板分隔。在每层燃烧器入口处设有风门执行器，以根据需要调整各层空气的风量。风门执行器可程控操作。
二次风和三次风通过燃烧器内同心的二次风、三次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。燃烧器内设有挡板用来调节二次风和三次风之间的分配比例。二次风调节结构采用手动形式，三次风采用执行器进行程控调节。
三次风通道内布置有独立的旋流装置以使三次风发生需要的旋转。三次风旋流装置设计成可调节的型式，并设有执行器，可实现程控调节。调整旋流装置的调节导轴即可调节三次风的旋流强度。在锅炉运行中，可根据燃烧情况调整三次风的旋流强度，达到最佳的燃烧效果。
