5—5旋风燃烧方式及其设备

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前置式立式旋风炉燃用粗煤粉。
制粉系统根据不同煤种可用仓储式或直吹 式。对于热风送粉的系统，乏气作三次风喷 口可布置在燃尽室的侧墙上。 煤粉从顶部的叶片式燃烧器送入，二次风 从二次风喷口切向引入，烟气由旋风筒下部 的出口经捕渣管束进入燃尽室，熔渣则从旋 风筒底部渣口排出。
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燃尽室的前墙水冷壁管在过渡烟道内拉稀成4～ 6排捕渣管束，以捕除20％～25％的液态灰渣。
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二次室后墙有折烟角，其作用在于改善燃尽室 内的流动工况，减轻燃尽室炉底死角和流动死滞 区内的堆渣现象。 另外，这种折烟角也有利于提高燃尽室温度。 旋风筒顶部装有叶片型煤粉燃烧器，其两根一次 风道对冲引入，从一次风入口到出口旋流叶片之 前保持有足够的混合长度，以使煤粉分布均匀。
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旋风筒中燃烧所产生的高温烟气，全部进入 锅炉的燃尽—冷却炉膛，进行进一步燃尽和冷 却。较细的煤粉在圆柱形旋风筒中进行悬浮状 燃烧。
渣因高温熔化而粘在筒壁上，形成液态渣 膜。液态渣排出筒外，形成液态排渣。
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旋风炉工作过程见图5—114
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图5—114 旋风炉工作示意图
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整个燃烧器由内外套管组成，向火侧端部 采用耐热合金钢。 固定在出口处的旋流叶片使坏状一次风煤 粉气流在喷入筒体时呈伞形的旋转气流，其 内外两侧均能卷吸高温烟气以帮助着火。二 次风喷口布置在筒体的上部，二次风道切向 引入。
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1一筒体；2一燃尽室；3一冷却炉膛；4一叶片型燃烧器； 5一一次风管道；6一叶片；7一冷却管圈；8一二次风喷口 图5—115 前置式立式旋风炉
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(6) 燃烧效率高
旋风筒中的燃烧既不存在火床燃烧中那种保 持火床层稳定的必要性，也没有悬浮燃烧中燃 料颗粒与空气之间相对速度趋近于零、燃料颗 粒在炉内停留时间很短的缺点。 应该认为，旋风燃烧是一种高热强度和高效 率的燃烧方式。
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旋风炉也具有如下缺点：
(1) 能量消耗高
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从图5—116中轴向速度分布图形可看出， 旋风筒中央有向上的回流。 但热态运行时，由于煤粉气流燃烧时 产生的气体体积膨胀，以及旋转强度比 冷态时有较快的减弱，向上的回流只有 在着火段内才有一定程度的存在。
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• 前置式立式旋风炉的煤种适应范围很广，可燃
用褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤。 对于煤种的限制主要是煤的灰熔点，这与液态 排渣炉相似。
•
这种旋风炉在我国还成功地用于综合利用方面， 其中附烧钙镁磷肥具有较高的经济效益， 因为此时锅炉不仅生产蒸汽，而且还烧制磷肥。
另外，此时还因为加入熔剂会降低灰分熔化温度， 因而煤的灰熔点就不再是限制因素了。
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前置式立式旋风炉，由于其燃烧得到 强化，因而容积热负荷 qV 为一般煤粉炉 的十几倍。 在燃用烟煤时 qV 约为2.2MW／m3， 燃用无烟煤时约为1.25MW／m3。为了 保证有较高的燃尽程度和捕渣率，旋风 筒呈细长形，长径比L／D约为3.5～4.5。
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图5—117所示的为下置式立式旋风炉
• 这种旋风炉主要用在德国。旋风燃烧室置于冷 却炉膛之下，二次风和煤粉沿旋风室割向引入， 烟气由旋风室上部出口排入冷却炉膛。 冷却炉膛与一般煤粉炉一样为矩形截面，在冷 却炉膛和旋筒的交界处，一部分水冷壁拉下形成 圆柱形旋风筒体。 这种旋风室的直径大、二次风速低，所以容积 热负荷较低，约为1.2～1.4MW／m3。可燃用Vdaf ≥12%、 R90 =15%～45%的煤粉。
由于旋风筒的容积较小如果气粉混合物不能及时着火就会降低煤粉在旋风室内的燃尽度同时容易使前置炉不着火而进入二次室强烈燃烧即所谓跑火也有称为脱火使前置炉温度水平明显下降带来的后果是主蒸汽温度急剧上升前置炉渣口暂时不流渣大量的液态渣暂时停留在二次室炉底
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§5—5旋风燃烧方式 及其设备
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1一出渣口；2一旋风室(圆柱形旋风筒体)；3一切向布置 燃烧器；4一矩形冷却炉膛
图5—117 下置式立式旋风炉
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2.卧式旋风炉
按照燃料进入方式的不同分为两种
轴向进煤 切(割)向进煤
轴向进煤卧式旋风炉在美国得到了较广泛 的应用，如图5—118所示。
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(3) 锅炉可用率低
旋风炉存在析铁、受热面烟气侧高温腐蚀、 粒化冲渣系统容易发生故障、过热器和高温段 省煤器处容易积灰等均能引起故障停炉，使旋 风炉可利用率降低。 实践表明，旋风炉在投运初期事故率较高， 通过对配煤的摸索，对不合理的设计的改造， 其安全状况、运行周期和可靠程度大体上接近 固态排渣煤粉炉的平均水平。
旋风筒中高速旋转气流使流动阻力剧增。 采用热风送粉，必须有高压风机，这样锅 炉自身消耗的电能就必然增高。
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(2) 煤质适应能力差
对旋风炉炉型来说，能适应各种煤种。但对 于某一特定的旋风炉，因其对燃煤灰分的熔融 特性、灰渣的流动能力极其敏感，尤其是锅炉 负荷较低时，问题愈突出。 对一台已投运的旋风炉，由于受结构特性、 容量大小、制粉系统型式等一系列具体条件的 限制，致使该炉对燃煤品种变动的适应能力变 弱。
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(4) 捕渣率高
旋风筒内高速旋转的气流具有很高的分离熔渣 的能力。立式旋风炉捕渣率一般在70％以上。
(5) 锅炉尺寸紧凑
由于捕渣率高，烟气中挟带的飞灰量少，锅炉 对流受热面的烟速可以提高，而不必担心飞灰对 受热面磨损。烟速提高使传热强化，飞灰量减少， 使除尘器负担减轻，这些都将使锅炉设备布置紧 凑。
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1一二次风喷口；2一蜗壳一次风进口；3一中心风管；4 一出口尾锥； 5一旋风筒流渣口；6一燃尽室；7一总流渣口；8一捕渣 管束；9一冷却炉膛
图5—118 轴向进煤卧式旋风炉
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• 这种旋风炉的旋风筒由水冷壁管弯制拼 装而 成。
燃料经旋流式燃烧器沿轴向送入旋风筒，二 次风以高速(约150m／s)切向喷入筒内，烟气 从后环室喉口进入燃尽室，再经捕渣管束进入 冷却炉膛，熔渣则从后环室下部的一次渣口流 到燃尽室底部，再经二次渣口排出炉子。
虽然旋风炉有以上缺点，但在综合利 用方面是其它炉型无法比拟的。
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二、旋风炉的分类
旋风炉两种类型 :
1.立式旋风炉 2. 卧式旋风炉
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1.立式旋风炉
按照旋风筒与主炉膛的布置方式， 又有前置 式和下置式之分。
图5—115所示为前置式立式旋风炉
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(6) 对流受热面易积灰
旋风炉捕渣率高，使进入对流受热面烟气中 较粗的飞灰颗粒减少，因此丧失了大颗粒飞灰 冲刷对流管束积灰的作用，使锅炉出口对流受 热面积灰严重。
(7) 制造费用高
旋风炉结构复杂，销钉焊接工作量大，因而 制造费用要比同容量的煤粉炉高。
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(8) 旋风燃烧方式只强化了燃烧，而 未能强化传热。
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旋风筒的内外壁上均敷设有保温层，以便在 筒内保持高温。燃料在筒内受热后，迅速着火、 燃烧，直至燃尽而被排出筒外，而燃料在燃烧 中所放出的大量热量则反过来促进了筒内的高 温。
多数旋风炉采用液态排渣。此时，旋风筒内 壁上有液态渣膜存在，一层燃料贴附在熔渣膜 上，使燃料颗粒受到的阻力更大，从而旋转和 前进的速度大大减慢。
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旋风筒内的燃烧过程与空气动力场 有密切关系。 分析和测定表明，筒内各点气流的 切向速度和轴向速度的分布形态如图 5—116所示。
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图5—116 立式旋风筒内冷态空气动力场
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•
从切向速度图可知，靠近筒壁的外圈 气流接近于势位流动，而靠近中央的内 圈气流通过动量交换和物质交换被外圈 气流所带动，也跟着旋转。 由于流体有粘性，内圈气流的运动接 近于刚体的旋转。在距中心0.7～0.9半径 处，切向速度有一最大值，在那里气流 的旋转最为强烈。
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(4) 灰渣物理热损失高
旋风炉的燃烧经济性较高，但高温的灰渣送 至渣沟排掉，尤其是燃用高灰分煤时，其灰渣 物理热损失更大。如果考虑此项热量的回收， 会使旋风炉的热效率大大地提高。
(5) NOX排放量较高
旋风炉燃烧温度比一般煤粉炉高，氮在高温 下生成氧化氮，烟气中NOX较高，对环境影响 较大。
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本节内容
• 一、旋风燃烧及其特点 • 二、旋风炉的分类
• 三、旋风炉对燃料的适应性
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一、旋风燃烧及其特点
• 旋风燃烧:空气带动燃料颗粒在圆筒内旋转. • 烧旋风炉:组织旋风燃烧方式的设备。 • 旋风筒:旋风炉中主要进行燃烧的圆筒。Leabharlann 锅炉教研室锅炉原理
• 一台旋风炉可以有一只或数只旋风筒。 旋风炉中，高速的二次风从切向进入筒 内，而燃料则可以从切向，也可以从轴 向进入。 在筒内，二次风携带燃料颗粒旋转前 进，大部分燃料颗粒在离心力的作用下 摔向筒壁。
(2) 燃烧稳定
燃料进入旋风筒后粘附在熔渣膜上，因此， 燃料在筒内有相当长的滞留时间，燃烧室中蓄 积相当多的热量，这有助于维持燃烧过程的连 续性。 蓄积一定热量的灼热熔渣膜，是极其稳定的 燃烧场所。
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(3) 燃烧经济性高
旋风炉具有高的燃烧温度，优良的传热和 传质条件，充分保证了燃料的完全燃烧。化 学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧热损失 较小。 排渣中的含碳量一般均小于0.2％，飞灰中 的含碳量远低于一般煤粉炉，飞灰份额也大 大低于煤粉炉。由于过量空气系数较小，所 以排烟热损失也较小，锅炉效率提高。
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•
q4 可小 这种旋风炉的 q3 几乎等于零， 于1%。因此，虽然 q6 比固态排渣炉高 些，但锅炉效率仍可达到92%。
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这种炉子的捕渣率通常为60%～70%。 旋风筒出口的过量空气系数一般为1.05， R90 煤粉细度 控制在等于或略高于煤的可 燃基挥发分 的数值。 Vdaf
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• 这种旋风炉可燃用 Vdaf≥15％、粒度小 于5mm的煤屑。其容积热负荷在几种旋 风炉中最高，可达3.5～7.0MW／m3。
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• 切(割)向进煤卧式旋风炉主要用于联邦 德国。
它与轴向进煤卧式旋风炉的不同之处仅在 于燃料是在二次风口下以切(或割)向送入旋风 筒。 可以燃用着火困难的低挥发分燃料，一般 燃用 Vdaf >10%的粗煤粉( R90 =40%～ 70%)。由于燃料切向引入，可以防止大量细 粉沿旋风筒轴线涌出，避免机械不完全燃烧 损失增大。
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旋风燃烧方式具有下列优点： (1) 热强度高
由于火焰在旋风筒内高速旋转，扰动极其强 烈，传热、传质条件非常好，燃料颗粒完全处于 扩散燃烧区。 在高温作用下，燃料中的灰分完全熔化成液态 渣。由于扰动强烈，可以采用低氧燃烧，旋风筒 内的过量空气系数一般均小于1.1。
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• 在筒中央，一股圆柱形中心回流由简外 流进来，这是旋转气流中心负压所造成 的(图5—118中蜗壳型燃烧器中心风只能 使中心回流缩短行程，但筒内流动结构 的基本形态不变)。 二次风速愈高，上述各股气流的分界 愈明显。 • 筒内各点切向速度的分布和立式旋风筒 相似。
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卧式旋风筒内的燃烧强度之所以比立 式旋风筒还要高，是由于后锥(也称喇 叭口)的存在使空气动力场和燃烧过程 具有独特性。 图5—119所示为冷态试验中筒内气流 的轴向运动规律。
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图5—119 卧式旋风筒内气流轴向运动的规律
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在靠近筒壁处，气流一面旋转一面向 筒的后端行进，在进入后环室之后又退 出来。 这股退出来的环形旋转气流遇到近中 心另一股向后运动的气流时，就分成两 股，一股经后锥流出旋风筒，另一股又 回向后环室而形成循环气流。
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沿旋风筒身不同的横截面上，切向速度分布 图形以及最大切向速度分量的绝对值的大小均 有所不同。 这是由于有摩擦损耗存在，气流愈往下，旋 转强度愈弱，但基本形态是类似的。 热态运行时，由于筒壁上存在熔渣膜，气流 中含有大量固体颗粒，以及由于高温下气体粘 性的增大，各点切向速度绝对值下降更快一些。 当筒身长度达到4倍直径时，在下端出口附近， 气流的旋转强度已大为减弱。
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前置式旋风筒体由上下两个环形集箱和沿圆 周密布的水冷壁管连接而成。 管子的向火面焊有销钉，敷有耐火材料。筒 的下端有冷却管圈形成的出渣口。
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炉膛也称二次室，下部敷满耐火材料的区域 称为燃尽室，上部则为冷却炉膛。
由旋风筒至炉膛的烟道称为过渡烟道。过渡 烟道由旋风筒的水冷壁管围成，内壁亦敷满耐 火材料。