第5章 5.3 室燃燃烧方式及其设备=西安交通大学-锅炉原理

(4) 切圆燃烧时炉内气流的偏斜
炉内气流偏斜的原因？
动量、切圆直径、喷口结构尺寸
假想切圆的直径愈大，气流的旋转动量矩也愈 大，气流偏斜的现象愈严重，甚至会出现火焰 冲刷水冷壁而引起水冷壁结渣，严重影响锅炉 的安全运行。 但假想切圆直径又不能过小，过小则会使炉内 高温火焰集中在炉膛中央，炉膛四周的温度水 平较低，也不利于煤粉气流的着火。
（e）低NOx型燃烧器
降低NOx原理：
主要的燃料型。影响因素：N含量、挥发分、α 、 温度。 抑制方法：低α ；降低温度；促进还原。 历经三代： （1）低α、降低trk、浓淡、烟气再循环、上部几层 停运；
（2）空气分级；
（3）空气分级plus燃料分级
(4) 旋流燃烧器的布置方式
图5-38 旋流燃烧器的布置方式 (a)—前墙布置；(b)—两面墙对冲或交错布置；(b-1)—两面墙交错布置； (b-2)—两面墙对冲布置；(c)—半开式炉膛对冲布置；(d)—炉底布置；(e)—炉顶布置
着火和气流偏斜引起结渣，是煤粉锅炉中的一 对矛盾。
表5-12 固态排渣煤粉炉的假想切圆直径
mm
冷态试验表明，实际测量和观察到的切圆直径要比表中所 列数值要大2.5～4倍。而在热态试验时，由于燃烧引起气体 膨胀，上升动量必然增加，致使旋转动量矩相应减少，而 使热态时的切圆假想直径比冷态时稍小一些。
5. 煤粉火炬的稳燃技术
r w P d dr
2 z
其中
P —气流静压，单位为 MPa。
n
w w r dr
2 z q 0
r
L wz2 P rdr
0
r
须预先知道气流的轴向及切向速度分布，这在 新设计燃烧器时是不可能的。
通常按平均轴向及切向速度来确定，并 以其通过旋流器的结构参数来表示，这 样既给设计工作带来了方便，又可据此 分析旋流器结构参数对旋流强度的影响， 这样的旋流强度称结构旋流强度。
R0 ——圆形喷口直径，m； b0 ——矩形喷口两边中的短边长度，m； x ——计算截面距喷口的距离，m。
对于基本段，射流的流量变化：
ax Q 2.22 0.29 R Q0 0
ax Q 1.2 R 0.41 Q0 0
1 2
射流另一特性为射程。 所谓射程， 是指射流某一截 面上的轴线速度 wm 降低到某一不为零的数值时 (即保持一定的余速，有入认为降到 wm 0.05w0 时)，该截面与喷口之间的距离。
（2）四角切圆燃烧方式
直流燃烧器及其布置
布置在四角，出口气流的几何轴线均切于炉 膛中心的假想圆，故称之。
四角射流着火后相交，相互点燃，利于稳定 着火； 相切于假想圆后，使气流在炉内强烈旋转， 利于燃料与空气的扰动混合； 火焰在炉内的充满程度较好。
（a）喷口的排列方式
烟煤型，前期 混合早， Vdaf>13%
切圆燃烧方式直流燃烧器一次风喷口的布置层数及其热负荷 的参考数值。
表5-9 直流燃烧器的一次风喷口
表5-10
直流燃烧器的一次风率
一次风率确定后，每一个一次风喷口的风量通常是平 均分配的。
表5-11 固态排渣煤粉炉直流燃烧器的一、二次风速推荐值
（3）切圆燃烧方式直流燃烧器的布置
图5-42 切圆燃烧方式直流燃烧器的布置方式 (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 双切圆方式；(e)正反双切圆方式；(f)两角相切，两角对冲方式；(g)双 室炉膛切圆方式；(h)大切角双室炉膛方式
（1）煤粉火炬的稳燃措施
Why? 关系运行经济性和安全性。
煤粉火炬的稳定性，首先要稳定地着火。
煤粉空气混合物较难着火，无烟煤、贫煤以及其 他劣质煤，或者在低负荷运行时。 为了提高低挥发分煤的着火稳定性和低负荷运行 时着火、燃烧的稳定性，过去常用的办法就是投 油助燃。
原理上的措施： 敷设燃烧带；
热风送粉和高热风温度；
旋流强度对旋转射流特性的影响：
回流区（量）、扩展角、射程（即穿透深度）
图5-33 旋转射流的气流型式 (a)弱旋转气流(封闭气流)；(b)开放气流；(c)全扩散气流
（3）常用的旋流燃烧器
气流旋转方法： 将气流切向引入一个圆柱形导管(蜗壳) 在气流中加装导向叶片
(a) 单蜗壳扩锥型旋流燃烧器
低的一次风率和一次风速； 减小煤粉颗粒细度； 控制锅炉最低运行负荷； 采用性能良好的燃烧器。
理论和实践表明：
要使煤粉火炬稳定地着火，须在一次风喷口出口附 近形成局部 “三高区”。 煤粉在区内被迅速加热、升温，很快析出挥发分并 着火燃烧，煤粉火炬就得以稳定。
也称直流蜗壳式扩锥型旋流燃烧器。二次风气流通过蜗壳旋流器产生旋转，成为旋转射流。 一次风经中心管直流射出，不旋转。一次风中心管出口处有一个扩流锥，使一次风气流扩 展开来，并在一次风出口中心处形成回流区，回流高温烟气，使煤粉气流着火、燃烧稳定。 扩流锥可以用手轮通过螺杆来调节气流的扩展角。扩展角愈大，形成的回流区愈大。一、 二次风两股气流平行向外扩展，由于二次风的动量较大，故可与一次风混合，共同形成一 股旋转射流。这种燃烧器的特点是一次风阻力小，射程远，后期扰动好，煤种的适应性较 好，可以燃用较差的煤，但其扩流锥容易烧坏。
基本段内，轴线上的轴向速度 wm 沿射流流动方向上的变化规律：
对于圆形喷口
对于矩形喷口
wm w0 1.20 2ax 0.41 b0
wm 0.96 w0 s 0.29 R0
w0 ——射流的初始速度，m／s；
对于圆形喷口， ＝0.066～ ——湍流系数， 0.076；对于矩形喷口， ＝0.10—0.12；
5.3 室燃燃烧方式及其设备
5.3.1 煤粉炉 1. 煤粉炉的炉膛 炉膛是锅炉最重要的部件之一。 因为： 是燃烧的场所 也是热交换(主要是辐射热交换)的场所。
要求：
(a) 合理布置燃烧器，确保燃烧良好。 (b) 足够的容积和高度，确保证燃尽度。 (c) 能布置合适量的受热面，满足容量需要；确 保的对流受热面安全。 (d) 确保可靠的水动力特性。 (e) 结构紧凑；便于制造、安装、检修和运行。 炉膛的截面形状：多为矩形。
按出口气流特性：
(1)直流燃烧器。出口为直流射流或 直流射流组； (2)旋流燃烧器。出口为旋转射流。
3. 旋流燃烧器及其布置
一次风和二次风分别用不同的管道与燃烧器连接。
一、二次风的通道也是隔开的。 二次风射流都是旋转射流，一次风射流可旋 或不旋流，但总气流都绕轴线旋转。
旋转射流的一般描述（几个特点）。
无烟煤型， 推迟配风
图5-40 切圆燃烧方式直流燃烧器喷口的布置 (a)均等配风方式；(b)分级配风方式
其它型式的一次风喷口
（2）直流燃烧器的热力参数
增大锅炉容量，靠一次风喷口层数增加。 因为单个喷口的热负荷不可能成正比地增加，否则会导致 炉膛局部热负荷过高而引起结渣；还会因燃烧中心温度过 高，使有NOx增加。 容量增大，炉膛的深度和宽度也会增大，也要求一、二次 风气流有较大的射程。
(c) 轴向叶片旋流燃烧器
用轴向叶片使气流产生旋转的燃烧器称为轴向叶片式旋流燃烧器。
二次风通过轴向叶片的导向，形成旋转气流进入炉膛。轴向叶片可 是固定的，也可是移动可调的。
一次风也有不旋转的和旋转的两种。
这种燃烧器的中心回流区较小、较长，只 适合燃用易着火的高挥发分燃料。在我 国，主要用来燃用 Vdaf ≥25％，低位发热 量 Qar,net ≥16800kJ／kg 的烟煤和褐煤。
应用最广的是四角布置切圆燃烧方式。
（1）直流射流的基本特性
从喷口喷出来的直流射流，是湍流自由射流。
1一喷口；2一射流等速核心区；3一射流边界层；4一射流的外边界； 5一射流内边界；6一射流源点；7一扩展角；8一速度分布 图5-57 等温自由射流的结构特性及速度分布
初始段很短，仅为喷口直径的2～4倍，煤粉 炉中尚处于着火准备阶段。实际锅炉工作中， 主要研究基本段的射流特性。 试验发现，射流在基本段中各截面的速度分 布是相似的，无论对于喷口是矩形或圆形截 面的直流射流，都可用半经验公式加以描述：
wx y 1 wm Rm
3 2

2
wx ——在距喷口 x 处与轴线垂直的截面上任意点的轴向速度，m／s； wm ——上述截面上轴线的速度，m／s；
y ——任意点到射流轴线的距离，m；
Rm ——该截面的半宽度，即是轴线与外边界的距离，m。
(5) 旋流燃烧器的运行参数
旋流燃烧器的主要运行参数是一次风率 r1 及一次风速 w1 ，二次风率 r2 及二次风速 w2 ，一、二次风速比 w2 / w1 和热风温度等。
4. 直流燃烧器及其布置
由一组矩形或圆形的喷口组成，一、二次 风都是不旋转的直流射流。 可布置在炉膛四角、炉膛顶部或炉膛中部 的拱形部分，相应形成四角布置切圆燃烧 方式，W火焰燃烧方式和U型火焰燃烧方 式。
(d) 切向叶片式旋流燃烧器
一次风也有旋转和不旋转两种，二次风则通过可动的切向叶 片，变成旋转气流送入炉膛。
图为拔伯葛公司的一 次风不旋转的切向可 动叶片旋流燃烧器的 示意图。
这种燃烧器的二次风道中装有8片(一般可为8～16片) 可动叶片，改变叶片的角度，可使二次风产生不同 的旋流强度，以改变高温烟气回流区的大小。
a)理想流线 b)实际流线
（2）旋流强度及其影响
决定旋转强烈程度的特征参数旋流强度 n 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
M n KL
旋转动量矩 M，其单位为(kg·m )／s ：
2
2
M wz wq rdA
A
r
0

2
射程反映了轴线速度 wm 沿射流运动方向的衰减情 况，也反映了射流对周围气体的穿透能力。
射流的扩展角决定了射流的外边界线，即射 流的形状。
对于圆形喷口 对于矩形喷口
tg

2
3.4
tg

2
2.4
式中 ——经验系数。 对于圆形喷口， ＝0.07～0.08； 对于矩形喷口， ＝0.10～0.11。
这种燃烧器的阻力较小，为使一次风能形成回流区，常在一次风出口 中装有一个多层盘式稳焰器。多层盘式稳焰器的锥角为75o，气流通过 时可在其后形成中心回流区，固定各层锥形圈的固定板，每隔120o装置 一片，相邻锥形圈的定位板可以略有倾斜，并错开布置，使通过的一 次风轻度旋转。锥形圈还有利于把已着火的煤粉按希望的方向送往外 圈的二次风中去，以加速一、二次风的混合。这种稳焰器可以前后移 动，以调节中心回流区的形状和大小。
炉膛的几何特性是它的宽度b 、深度a 和高度h。
2. 燃烧器
燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备。 作用： 保证燃料和燃烧用空气在进入炉膛时能充分 混合、及时着火和稳定燃烧。
空气，一般不集中送入，按对着火、燃 烧有利而合理组织、分批送入的。
按作用，一次风、二次风和三次风。
对煤粉炉燃烧器基本要求：
(1) 能使煤粉气流稳定地着火； (2) 着火以后，一、二次风能及时合理混合， 确保较高的燃烧效率； (3) 火焰在炉内的充满程度好，且不会冲墙贴 壁，避免结渣； (4) 有较好的燃料适应性和负荷调节范围； (5) 阻力较小； (6) 能减少NOx的生成，减少对环境的污染。
(b) 双蜗壳旋洗燃烧器 一、二次风都是通过各自的蜗壳而形成旋转射流的。
一、二次风旋转的方向 通常相同，有利于气流 的混合。中心装有一根 中心管，可以装置点火 用的重油喷嘴。在一、 二次风蜗壳的入口处装 有舌形挡板，可以调节 气流的旋流强度。
出口气流前期混合很强烈，其结构简单，适于燃用挥发分较高的烟煤和 褐煤，也能用于燃烧贫煤，所以小型煤粉炉常采用它。 但舌形挡板调节性能不很好，燃料的适应范围不广；阻力较大，不宜用 于直吹式制粉系统；燃烧器出口处的气流速度和煤粉浓度分布都不很均 匀，所以在燃用低挥发分的现代大、中型锅炉就很少用它。
0
wz wq rd dr
—气流密度； wz —该截面上某点的气流轴向速度； wq —该截面上同一点的气流切向速度； r —该点相对于轴线的旋转半径； A —该截面上气流的横截面积。
轴向动量 K，单位为(kg·m)／s2：
K பைடு நூலகம் w P dA
2 z A
r
0

2
0