锅炉燃烧系统及设备概述

锅炉燃烧系统及设备概述

煤粉锅炉的燃烧设备由燃烧室(炉膛)和燃烧器两部分组成。煤粉炉的燃烧器包括作为主燃烧器的煤粉燃烧器、辅助燃烧的油燃烧器及点火装置或等离子点火燃烧器。煤粉主燃烧器主要有直流燃烧器和旋流燃烧器两种。

一. 炉膛

炉膛是燃料燃烧的场所，又是热交换的部件。因此炉膛在保证燃料完全燃烧的同时，应合理布置受热面以满足锅炉容量的要求，保证炉膛出口烟气温度不超过允许值，使其后的对流受热面不结渣和不超过安全工作所允许的温度。

理论上，炉膛的结构应满足下列要求：

1)具有良好的空气动力场。

2)具有合理的热负荷。

本工程600MW超临界本生直流锅炉炉膛尺寸大小，是依据所其燃用煤质的着火特性、结渣特性、燃尽特性、粘污特性等种种特性，以及要满足所规定的燃烧效率和控制NOX产生量，选定与燃烧器、容量、配置和其它各项相一致的各种部份尺寸。炉膛的几何尺寸以及其计算数据(包括炉膛容积热负荷，炉膛断面热负荷，燃烧器区域热负荷等)以及炉膛布置将根据上述煤和灰的特性进行设计和选取的，当在所有工况下燃用特定的设计和校核煤种的时候，炉膛的设计和燃烧器的布置能确保水冷壁管屏的任何一部分，过热器和再热器不会被火焰冲刷，燃烧器之间也不相互影响。

炉膛的设计能保证燃烧完全，并且在炉膛内不发生不可控制的结渣。当锅炉的出力为B?-MCR的时候，炉膛出口的平均烟气温度将大大低于灰的初始变形温度。沿炉膛宽度方向的对称点上，炉膛出口烟气温度的偏差不大于50°C。

另一方面在设计负荷改变时热容量改变剧烈的超临界变压锅炉的时候，要能够适应负荷的高速变化、启动和停止等要求，以达到合理地确定炉膛尺寸、提高效率。

本工程的炉膛主要几何尺寸和热力指标如下表：

二. 燃烧器

燃烧器是锅炉的主要燃烧设备，其作用是布置燃料和空气的充分混合、及时着火和稳定燃烧。燃烧器的型式很多，按出口气流的流动性可以分为直流燃烧器和旋流燃烧器。直流燃烧器的出口射流是不旋转的直流射流和直流射流组，直流燃烧器一般都布置成四角切圆燃烧方式；旋流燃烧器的出口射流是一边旋转，一边向前作螺旋运动，旋流燃烧器均布置成墙式对冲燃烧方式。

第二节燃烧系统的设计及布置

一. 燃烧系统设计指导思想

由于本工程设计煤种和校核煤种不易结渣，着火稳定性、燃尽特性较好。因而本工程煤粉燃烧器的设计指导思想：主要考虑煤粉的着火稳定、燃尽性、负荷调节能力、炉内结渣和水冷壁高温腐蚀、低NOX排放、较低负荷不投油稳燃等方面，同时还充分重视飞灰对尾部对流受热面的磨损问题。

图1为本工程燃烧系统设计的指导思想简图。

降低N O x 和未燃尽碳的措施

N O x

N O x 、未燃尽碳量

N

主要目的

停留时间

未燃尽碳

效果 图1燃烧系统的设计指导思想简图

针对降低N O x 的效果

针对降低未燃尽碳的效果

U

二. 燃烧系统的布置

本工程燃烧系统采用前后墙对冲燃烧，燃烧器采用新型的HT－NR3低NOx燃烧器。燃烧系统共布置有12只燃尽风喷口，24只HT-NR燃烧器喷口，共36个喷口。燃烧器分3层，每层共4只，前后墙各布置12只HT-NR燃烧器；在前后墙距最上层燃烧器喷口一定距离处布置有一层燃尽风喷口，每层6只，前后墙各布置6只。

燃烧设备系统为前后墙布置，采用对冲燃烧、旋流式燃烧器系统，风、粉气流从投运的煤粉燃烧器、燃尽风喷进炉膛后，各只燃烧器在炉膛内形成一个独立的火焰。

前、后墙各布置3层HT－NR3燃烧器，每层4只；同时在前、后墙各布置一层燃尽风喷口，其中每层2只侧燃尽风（SAP）喷口，4只燃尽风（AAP）喷口。每只煤粉燃烧器布置有一只250kg/h的小油枪（机械雾化），用于启动油枪和煤粉燃烧器的点火及维持煤粉燃烧器的稳燃；前墙中排和后墙中排每只燃烧器中心布置有启动油枪（蒸汽雾化），单只出力4700kg/h，共8只。。

燃烧器层间距为4.9571m，燃烧器列间距为3.6576m，上层燃烧器中心线距屏底距离约为28.5m，下层燃烧器中心线距冷灰斗拐点距离为2.3977m。最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为4.2232m，燃尽风距最上层燃烧器中心线距离为7.0046m。

燃烧器配风分为一次风、内二次风和外二次风，分别通过一次风管，燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。其中内二次风为直流，外二次风为旋流。

其示意图见图2。

图2 燃烧器布置简图

1.煤粉燃烧器的配风

在巴布科克-日立公司HT-NR3燃烧器中，燃烧的空气被分为三股，它们是：直流一次风、直流二次风和旋流三次风。如图3所示。

图3 HT-NR3的配风示意图

【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。

2.燃尽风(OFA)

燃尽风采用优化的双气流结构和布置形式。燃尽风风口包含两股独立的气流：中央部位的气流是非旋转的气流，它直接穿透进入炉膛中心；外圈气流是旋转气流，用于和靠近炉膛水冷壁的上升烟气进行混合。外圈气流的旋流强度和两股气流之间的分离程度由一个简单的调节杆来控制。调节杆的最佳位置在锅炉试运行期间燃烧调整时设定。这样，可通过燃烧调整，使燃尽风沿膛宽度和深度同烟气充分混合，既可保证水冷壁区域呈氧化性特性，防止结渣；同时可保证炉膛中心不缺氧，达到高燃烧效率。

同时，燃尽风口的布置采用巴布科克-日立公司最优化的布置形式。前后墙的燃尽风口均布置6个，使燃尽风沿炉宽方向燃尽风覆盖了整个一次风。这种布置可有效的防止出现煤粉颗粒逃逸现象，有利于降低飞灰可燃物，同时又可防止燃烧器区域靠近两侧墙处结焦。

3.燃烧器配风控制：

燃烧器每层风室的入口处均设有风门挡板，所有风门挡板均配有执行器，可程控调节。全炉共配有16个风门用执行器，（参见图4）执行器上配有位置反馈装置，执行器具有故障自锁保位功能。

图4 燃烧器的配风控制示意图

为使每个燃烧器的空气分配均匀，在燃烧器区域设有大风箱，大风箱被分隔成单个风室，每个燃烧器一个风室。大风箱对称布置于前后墙，设计入口风速较低，可以将大风箱视为一个静压风箱，风箱内风量的分配取决于燃烧器自身结构特点及其风门开度，这样就可以保证的燃烧器在相同状态下自然得到相同风量，利于燃烧器的配风均匀。

大风箱和燃烧器的载荷通过风箱的壳体，传递给支撑梁；支撑梁的一端与壳体相连，另一端与固定在钢结构上的恒力弹簧吊架相连。风箱简图见图5。这样，大风箱和燃烧器的载荷不由螺旋水冷壁支撑，避免了对螺旋水冷壁造成损坏。

第三节HT-NR旋流煤粉燃烧器（加入定电旋流燃烧器工作原理）

通过燃烧器和炉膛设计的匹配来实现降低NOx生成量、低负荷稳定燃烧、充分燃尽。东方锅炉集团股份有限公司采用巴布科克?日立公司(Babcock Hitachi k.k.)的技术为本工程提供的燃烧系统设计方案具有如下优势：

HT-NR3燃烧器在空气动力特性上具有良好的燃烧稳定性

HT-NR3燃烧器具有高的燃烧效率

HT-NR3燃烧器采用了NOx的焰内分解技术,有效的降低NOx生成

采用燃尽风(AAP)控制燃烧反应当量，进一步降低NOx

每只燃烧器配有250kg/h容量的小油枪，能大量节约燃油

一. 墙式对冲燃烧方式的特点

在切圆燃烧方式锅炉中，由于炉膛内烟气的旋转，机组通常会遇到出口烟气能量的偏差，一般烟温偏差达100℃左右，偏差严重的甚至达到300℃。在旋转烟气流中，灰粒子受离心力的作用，部分有冲刷和贴到水冷壁上，造成结渣和水冷壁腐蚀的问题。在燃用高灰份煤也会遇到水冷壁管磨损问题。通过将更多的风布置在靠近壁面的位置，这些问题会有所缓解，但是这种燃料和风的分离不可避免地会影响到燃尽。

与此形成鲜明对比的是：对冲旋流方式燃烧锅炉单个旋流燃烧器具有良好的燃料、空气分布旋流燃烧方式的燃烧器射流在喷入炉膛时依靠射流旋转时产生的中心回流来稳定燃烧。其特点是单一燃烧器可以组织燃烧。旋流燃烧器也分输送煤粉的一次风与助燃的二次风。旋

流燃烧器稳定燃烧的关键是通过气流的切向旋转在燃烧器出口中心附近形成稳定的、合适的轴向回流区。旋流燃烧器的旋转强度决定旋流燃烧器的工作特性。旋流强度既要足够的大以满足稳定着火的需要，同时又要避免过大的旋流强度造成火焰刷墙．引起燃烧器区域炉壁结渣。在中小容量的锅炉中，主要采用单面墙布置的方式。在大容量锅炉中，随着炉膛容积的增大，都采用前后墙布置的方式。从单个旋流燃烧器的特点来看，前期的混合比较强烈，后期的混合显得比较薄弱。利用前后墙对冲布置的方式就弥补了后期混合的不足。

另外，由于依赖于炉膛的火球点燃，火焰稳定和不投油稳燃负荷一直是四角切圆式燃烧系统的一个问题。相反，墙式燃烧系统的燃烧器具有自稳燃能力，也具有较大的调节比。

图8 燃烧器外二次风气动执行器示意图

1)大风箱入口风门用电动执行器

燃烧器及燃尽风各层风室的风量分配是通过调节各风室入口风门挡板的开度来实现的。锅炉前、后墙大风箱分别分隔为四个独立的风室，每个风室入口左右两侧

设有一风门执行器，全炉共布置有16个风门用电动执行器。所有风门挡板的调节均由电动执行器的动作来完成

2)燃烧器前冷却风管道系统

在燃烧器一次风弯头前须设置冷却风管道系统，其主要设备为带执行器的关断阀和逆止阀。运行基本要求为：

a.在启动油枪投运时（关断阀开启），提供燃烧初期的空气。

b.燃烧器停用时（关断阀开启），提供冷却空气冷却燃烧器一次风管。

c.燃烧器投煤时，关断阀关闭

3)大风箱

为使每个燃烧器的空气分配均匀，在锅炉前后墙燃烧器区域对称布置有2个大风箱。大风箱被分隔成单个风室，每层燃烧器一个风室。大风箱对称布置于前后墙，设计入口风速较低，可以将大风箱视为一个静压风箱，风箱内风量的分配取决于燃烧器自身结构特点及其风门开度，这样就可以保证燃烧器在相同状态下自然得到相同风量，利于燃烧器的配风均匀。

大风箱和燃烧器的载荷通过风箱的壳体，传递给支撑梁；支撑梁的一端与壳体相连，另一端与固定在钢结构上的恒力弹簧吊架相连。

4)燃烧设备固定

燃烧器固定装置用于固定燃烧设备，燃烧器固定装置及燃烧器同水冷壁的连接只能承受燃烧设备自身及其保温的荷载。

5)密封风管道

为保证燃烧器各部件的冷却，在运行时必须将各个密封风、冷却风、吹扫空气阀打开，以确保燃烧器各部件不出现高温烧损。

2.HT-NR燃烧器的具体特点

1)利用火焰中NOx还原技术

在HT－NR燃烧器中，旋流燃烧器能够单独地控制火焰结构的优点被发挥得淋漓尽致，用于加速火焰内的NOx还原。在含有固有氮化物的煤中，这个还原方法是很有效的。因为煤中固有氮化物可快速转变成气相，使得这种化学反应过程更容易。通过控制燃烧的进程，产生还原性媒介质与生成的NO反应化合，在火焰内完成了NO的还原。同时火焰被维持在一个高温下，使得它能够避免发生延迟燃烧。

2)利用稳燃环实现快速点火和高火焰温度

巴布科克-日立公司(Babcoak Hitachi k.k)新的创新火焰稳燃环装在煤粉喷口的末端。图9示出稳燃环同传统结构相比较的结果。在传统的燃烧器中，二次风和带煤粉的一次风从煤粉喷口末端一道出去，并逐步混合。在这样的状况下，若着火被延迟，同时在靠近燃烧器处由于火焰温度还低，很难取得高燃烧效率。而在HT－NR燃烧器中，靠近燃烧器处有个负压区，热烟气回流促进着火并提高了燃烧效率。HT－NR燃烧器侧这个特点非常适合高燃料比（燃料比FR:固定碳/挥发分）煤的燃烧，可获得一个稳定的火焰和低的未燃尽碳损失。

同时，在稳燃环中安装了导流环，可使二次风和三次风向外扩展。因此，火焰还原区域扩大，火焰长度被缩短，扩大的还原区域提高了“焰内还原NOx”的能力。

图9 稳燃环的效果

3)性能优越的煤粉浓缩器

煤粉浓缩器安装在煤粉燃烧器的中心，如图10所示。煤粉燃烧器末端的断面是逐渐扩展的。煤粉粒子具有相对高的动量，具有沿直线运动的特性。空气具有较低的动量，运动中趋于进入喷口中心。通过煤粉粒子和空气的动量的差异，煤粉粒子聚集在稳燃环附近。高煤

粉浓度提高了快速点燃和火焰的稳定能力，极大的降了低NOx排放及提高了不投油稳燃能力。

从图中看出，在传统燃烧器中，煤粉在喷口附近分布均匀，没有明显的峰值区域。在HT-NR燃烧器中，装设有旋流器，使一次风产生旋转。在离心力的作用下，煤粉颗粒由于其动量大，煤粉颗粒多数被甩到了靠近温度低的二次风区域，靠近高温回流区处的颗粒很少，没有形成火焰稳定的高温、高浓度区域。在HT-NR3燃烧器中，煤粉颗粒稳燃环附近出现了明显的分布峰值区域，形成了高浓度的区域。

HT-NR系列燃烧器有一创新的装置——煤粉浓缩器（P.C. Concentrator ，PCC）。煤粉浓缩器对提高火焰的稳定性十分有效。特别是在HT－NR3燃烧器中，通过优化的煤粉浓缩器的结构参数，煤粉浓缩器的性能得到了最大可能的提高。通过火焰稳燃环和煤粉浓缩器的有机结合，实现了火焰的最大稳定。

图10 煤粉浓缩器的机理示意图

4)HT-NR燃烧器的调整和控制简单

巴布科克-日立公司认为一旦HT-NR3燃烧器在试运行期间的燃烧调整中被调整到获得最佳性能后，在今后的运行中就不需要进一步的调整。在燃烧器的整个寿命期间，所有的旋流调节器和挡板都固定在这个最佳位置，即使燃煤煤质在很大的范围内变化，燃烧器也能够获得最佳的性能。

NOx控制的调节是通过改变燃烧器的化学当量来实现的：即调节燃烧器和燃尽风之间的风量比例。