锅炉原理与设备第四章燃烧设备

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2.分级配风直流燃烧器
分级配凤是指把二次风分级分阶段地送入燃烧
的煤粉气流中。
分级配风燃烧器一次风喷口相对集中布置，并 靠近燃烧器的下部，二次风喷口则分层布置，一、 二次风喷口间保持较大的距离 (160-350mm) ，燃烧 所需要的二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中，强 化气流的后期混合，促使燃料燃烧与燃尽。
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1.均等配风直流燃烧器
均等配风燃烧器一、二次风喷口相间布置， 即在两个一次风喷口之间均等布置一个或两个 二次风喷口，或在每个一次风口的背火侧均等 布置二次风口，各二次风喷口的风量分配较均 匀
均等配风燃烧器一、二次风口间距较小 （ 80-160mm ），有利于一、二次风的较早混合， 使一次风煤粉气流着火后能迅速获得足够的空 气，达到完全燃烧 均等配风适用于燃用高挥发分煤种，常称 为烟煤、褐煤型配风方式
旋流燃烧器的布置燃烧器前后墙或两侧墙布置两面墙上燃烧器喷出的火炬在炉膛中央互相撞击后火焰大部分向炉膛上方运动炉内的火焰充满程度较好扰动性也较强若对冲的两个燃烧器负荷不相同则炉内高温火焰将向一侧偏移造成结渣旋流燃烧器炉顶布置只在采用w火焰燃烧技术的较矮的下炉膛中才应用logo由于人类活动或者自然过程引起某些物质进入大气中达到足够的浓度滞留足够的时间并因此导致大气环境质量下降影响人类生活的现象
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二、炉膛设计参数
炉膛容积热强度（热负荷）qV 表示单位时间、单位炉 膛容积内，燃料燃烧释热的热量。 B Q q ,kW / m V Vf——炉膛容积 qV过大
cal ar , net 3 V f
Vf 过小，单位时间，单位炉膛容积内燃烧过多燃料，烟 气量增多，烟气流速过高，燃料在炉内的停留时间过短， 不利于燃烧的完全燃烧； 布置的水冷壁受热面过少，炉膛及炉膛出口烟气温度偏 高，易结渣；
封闭气流—弱旋转射流 LOGO
开放式射流
全扩散式射流
全扩散式射流（飞边火焰 ） 射流外卷吸作用强烈，使外 侧压力小于中心压力，整个射流向外全部张开，气流离开燃 烧器后，贴墙运动，引起结渣。 开放式旋转射流（开放式火焰 ） n 较大，射流内、外 侧的压力差逐渐接近，射流中心形成较大回流区，延长到 速度很低处才封闭，其着火稳定性主要依赖于炉内烟气温 度。
央互相撞击后，火焰大部分向炉膛上方 运动，炉内的火焰充满程度较好，扰动
性也较强
若对冲的两个燃烧器负荷不相同，则 炉内高温火焰将向一侧偏移，造成结渣
旋流燃烧器炉顶布置只在采用W火焰 燃烧技术的较矮的下炉膛中才应用
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4.5 低NOx燃烧
NOx生成机理 温度型（热力型） NOx ：空气中的氮气在高温下 （1500℃以上）氧化而生成，占NOx总量的10%-20%。 燃料型NOx：燃料中含有的氮化合物（主要是挥发 分中的氮化合物）在燃烧过程中热分解而又接着被氧 化而生成，占NOx总量的75%左右。 快速型NOx：燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离 子团如CH等反应生成的，占NOx总量的5%左右。
一次风 携带煤粉送入燃烧器的空气。主要作用是输送 煤粉和满足燃烧初期挥发分燃烧对氧气的需要。 二次风 待煤粉气流着火后再送入的空气。二次风补充 煤粉继续燃烧所需要的空气，并起气流的扰动和混合的作 用。 三次风 对中间储仓式热风送粉系统，为充分利用细粉 分离器排出的含有 10%～ 15% 细粉的乏气，由单独的喷口送 入炉膛燃烧，这股乏气称为三次风。
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一次风煤粉气流的偏斜
切圆燃烧方式实际气流并不能完全沿轴线方向前进，会出现 一定的偏斜，严重时会导致燃烧器出口射流冲墙贴壁，造成炉 膛水冷壁结渣。
邻角气流的撞击（主要原因） 炉内 气流围绕假想切圆旋转所产 生的旋转动量矩有关，其中二次风 射流的动量矩其主要作用。适当增 加一次风动量或减小二次风动量， 都会减小旋转动量矩，减弱气流的 偏斜。
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采用同向大小双切圆方式，适用于截面深宽比较大的炉 膛或由于炉膛四角有柱子，而不能四角布置，燃烧器只能布 置在两侧墙靠角的位置。可改变气流偏斜，防止实际切圆的 椭圆度过大；采用正反双切圆方式，两股气流反切，可减少 实际切圆的椭圆度；采用两角相切，两角对冲方式，可减少 气流相切时实际假想圆的直径，减低气流的旋转强度，防止 气流的过分偏斜，但却使燃烧后期的混合扰动变差。
锅炉原理与设备
石 油 天 然 气 工 程 学 院
王 春 华
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第四章 燃烧设备
煤粉燃烧器 燃烧器的作用 直流燃烧器 低负荷稳燃及低NOx煤 粉燃烧技术 低负荷稳燃技术
旋流燃烧器
煤粉炉炉膛 炉膛的要求 评价炉膛结构的参数
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低NOx煤粉燃烧技术 W型火焰燃烧技术
W型火焰炉膛结构
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燃料性质
•燃煤中的含N量越高，燃烧过程中转化为NOx也 就越多。 燃烧区中氧的浓度 •燃烧区中氧浓度增大，不论热力NOx还是燃料 NOx其生产量都将增大。
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常见的低NOX燃烧技术 低过量空气燃烧（低氧燃烧） •在保证完全燃烧的情况下，使燃料在炉内总体过量空气 系数较低的工况下燃烧。 浓淡偏差 •在炉膛多只燃烧器中，选择几只燃烧器使部分燃料在空 气不足条件下燃烧，即燃料过浓或富燃料燃烧，其余燃 烧器使燃料在空气过量条件下燃烧，即过淡或富空气燃 烧。 •在燃烧器的燃烧区域内，因燃料燃烧不完全，燃烧温度 下降，从而抑制NOx的生成。因富燃料火焰较长，富空气 火焰较短，若两者配合适当，相互补充，可实现燃料的 完全燃烧。最适宜用在燃气锅炉上。
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三、直流燃烧器
直流燃烧器的一、二、三次风分别由垂直布置的 一组圆形或矩形的喷口以直流湍流自由射流的形式 喷入炉膛，根据燃煤特性不同，一、二次风喷口的 排列方式可分为均等配风和分级配风。
直流射流的主要特点：
沿流动方向的速度衰减比较慢
具有比较稳定的射流核心区
一次风和二次风的后期混合比较强
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假 想 切 圆 直 径 dim 较 大 的 dim可使邻角火炬的高温烟气更 易达到下角射流的根部，扰动 更强烈，有利于煤粉气流着火、 燃尽；但dim过大，射流偏斜增 大，容易引起水冷壁结渣；炉 膛出口较大的残余旋转会引起 烟温和过热汽温偏差。
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4.3 旋转射流和旋流煤粉燃烧器的射流特点
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分级配风燃烧器一次风喷口高宽比大， 卷吸量大；煤粉气流相对集中，火焰中心 温度高，有利于低挥发分煤的着火、燃
烧 。
分级配风适合于燃用低挥发分煤种或
劣质烟煤，常称为无烟煤、贫煤型配风方
式 。
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3.直流燃烧器各层二次风的作用
下二次风 防止煤粉离析，避免未燃烧的煤粉直接落 入灰斗；托住火焰不致过分下冲，避免冷灰斗结渣，风量 较小
qV过小
Vf过大，炉内温度较低，燃料燃尽困难。
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随着锅炉容量增大， qV呈下降趋势。 这是因为燃煤量增大后，要求保证燃料在炉内有足够的 停留时间，因而必须增大炉膛容积。与此间时，又要求 布置足够的水冷壁来冷却烟气，并防止水冷壁管内出现 传热恶化。但是容积与几何尺寸的三次方成正比，而壁 面积与几何尺寸的二次方成正比，因而容积的增长速度 比壁面积要快，为了布置足够的水冷壁，炉膛容积相对 地增长得多。因此，当容量增大时， qV呈下降趋势。
四角切圆燃烧方式
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切圆燃烧方式的特点
煤粉气流着火所需热量，除
依靠本身外边界卷吸烟气和接受 炉膛辐射热以外，主要是靠来自 上游邻角正在剧烈燃烧的火焰的 冲击和加热，着火条件好。 火焰在炉内充满度较好，燃烧 后期气流扰动较强，有利于燃尽， 煤种适应性强 风粉管布置复杂
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切圆燃烧方式直流燃烧器的布置
（a）正四角布置 （b）正八角布置 （c）大切角正四角布置 （d）同向大小双切圆 （e）正反双切圆 （f）两角相切，两角对冲置 （g）双室炉膛切圆方式 （h）大切角双室炉膛方式 LOGO
正四角布置：中小容量煤粉炉常采用。炉膛截面为正 方形或接近正方形的巨型，燃烧器布置在四个角上，燃烧 器喷口的几何轴线和炉膛两侧墙的夹角接近相等，射流两 侧的补气条件差异很小，气流向壁面的偏斜较小，因而煤 粉火炬的充满程度较好，热负荷较均匀。 大切角正四角布置：大容量锅炉常采用。把炉膛四角 切去，在四个切角上安装燃烧器。除具有正四角布置的特 点外，还可形成切角形水冷壁。既可增大燃烧器喷口两侧 的空间，使两侧补气条件差异更小，射流不易偏斜；切角 水冷壁形成燃烧器的水冷套，保护喷口前墙布置，前后墙对冲或交错 布置
若锅炉容量较小，一般将旋流燃烧器布置在前墙，单 排或多排布置；若锅炉容量较大，采用前后墙或两侧墙 对冲或交错布置，单排或多排布置
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常用的旋流燃烧器
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旋流燃烧器的布置
燃烧器前后墙或两侧墙布置
两面墙上燃烧器喷出的火炬在炉膛中
4.2 煤粉燃烧器的射流特点
一、燃烧器的作用
燃烧器的作用是将燃料与燃烧所需空气按一 定的比例、速度和混合方式经喷口送入炉膛。 其主要作用为：
向锅炉炉膛内输送燃料和空气；
组织燃料和空气及时、充分地混合； 保证燃料进入炉膛后尽快、稳定地着火，迅 速、完全地燃尽。
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二、通过燃烧器的空气
中二次风 是均等配风方式煤粉燃烧阶段所需氧气和 湍流扰动的主要风源，风量较大 上二次风 提供适量的空气保证煤粉燃尽，是分级配 风方式煤粉燃烧和燃尽的主要风源，风量较大
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4.直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式
四角切圆燃烧方式直流 燃烧器的布置 炉膛四角或接近四角布 置，四个角燃烧器出口气 流的轴线与炉膛中心的一 个或两个假想圆相切，使 气流在炉内强烈旋转。
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4.8 煤粉锅炉炉膛
一、燃烧煤粉对炉膛的要求
炉膛是燃料燃烧和热交换（主要是辐射热交换）的场所 有利于着火、稳燃，并使燃料燃烧完全；
将烟气冷却到煤灰的熔点温度以下，保证炉膛内所有受 热面不结渣;
布置足够的蒸发受热面，不发生传热恶化; 有合适的热强度 降低NOx生成量; 对煤质和负荷变化有较好的适应性。
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射流两侧“补气”条件的 影响 燃烧器射流两侧卷吸 烟气形成负压，向火侧受到 上游邻角气流的撞击，补气 充裕，压力较高；背火侧补 气条件差，压力较低，射流 两侧因此形成压差，迫使射 流偏向压力低的一侧，甚至 迫使气流贴墙，引起结渣。
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燃烧器的高宽比（h/d）对 射流弯曲变形影响较大 高 宽比愈大，射流形状愈宽而 薄；其“刚性”就愈差，因 而，射流愈容易弯曲变形。
一、旋转射流
旋流燃烧器出口气流是一股绕燃烧器轴线旋 转的旋转射流 一、二次风用不同管道与燃烧器连接，在燃 烧器内一、二次风通道隔开。二次风射流均为 旋转射流 , 一次风射流可以是旋转射流 , 也可以 是直流射流。
旋流燃烧器是一组圆形喷口。
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二、旋转射流的特点
从燃烧器喷出的气流不但具有轴向速度，而且具有很高的 切向速度，早期湍动混合强烈。 旋流射流具有比直流射流大得多的扩展角，射流中 心形成回流区，射流内、外同时卷吸炉内高温烟气， 卷吸量大。 轴向速度衰减较快，射流射程较 短，后期扰动较弱。
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三、旋流强度n
表征旋转射流旋转程度的特征参数，定义为气流相对于轴线 的旋转动量矩M与气流的轴向动量K及定性尺寸L乘积的比值，即
n M KL
随着n的不同，旋流燃烧器形成三种不同的射流状态 封闭式气流（封闭式火焰） n 较小，出口气流旋流强度很小， 射流中心不出现回流区或回流区很小，基本上是封闭气流。在火 焰根部卷吸高温烟气，形成回流区；可卷吸火焰自身燃烧放出的 热量，具有一定的自稳定着火能力。但回流量小，不适合燃烧难 燃的煤
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空气分级
•把燃烧用的空气由原来的一股分为两股或多股。在
燃烧开始阶段加入部分空气，造成一次气流燃烧区 域的富燃料状态，燃料部分燃烧，使得有机结合在 燃料中氮的一部分生成无害的氮分子，从而抑制燃 料NOx的生成。作为完全燃烧用的其余二次风，喷射 到富燃料区域的下游，形成二次燃烧区，实现燃料 的完全燃烧。
W型火焰燃烧技术的特 点
4.1 电站锅炉的燃烧设备
性能良好的燃烧设备应满足的条件：
将燃料和燃烧用空气送入炉膛，形成良好的空气 动力场，保证燃料迅速稳定着火。
及时供应空气，与燃料适时混合，使燃料达到完 全燃烧。
燃烧稳定，炉内不结焦。
良好的燃料适应性。
NOX的生产量控制在允许范围内。
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影响NOx生成的主要因素 火焰温度和高温下的燃烧时间（或 滞留时间） •燃烧过程中，温度越高，生成的NOx量 越大，尤其是热力 NOx 量在 2000 ℃以上 时几乎瞬间内完成。在 1600-2000 ℃内， 若持续时间较长， NOx 易生成；若时间 较短， NOx的生产速度减慢。在1500℃ 以下时热力 NOx 的生成速度显著减慢， 但燃料NOx的生成并不减慢。