（热能工程专业论文）准恒温燃烧的理论与试验研究.pdf

摘要 我国一直以煤为主要一次能源，这种能源构成在今后相当长的时期内都不会改变， 直至本世纪中叶，煤炭仍将占全部能源的5 0 以上。长期以来，我国动力生产部门一 直存在以下问题： ( 1 ) 锅炉对燃料、负荷的适应性较差。 ( 2 ) 锅炉的热效率不高。 ( 3 ) 锅炉的排放物污染严重。 国内外有不少学者与研究人员一直致力于解决煤燃烧过程中的上述问题，并已取 得了显著成效，但远未达到令人满意的程度。作者在多年工程实践经验的基础上，经 过调查研究发现，炉内燃烧温度，特别是燃烧器区域内燃烧温度不可控制是导致燃料 适应性和利用效率不高的主要原因。为此，本文中提出了在炉内燃烧器区域实现基于 耐火隔热层的可调绝热燃烧的设想。本文的工作将围绕这一思想展开，全文由七部分 组成： 第1 部分介绍了研究背景，简单回顾了动力锅炉燃烧技术的现状，重点回顾分析 了基于耐火隔热层的炉内局部绝热燃烧技术的优缺点及其最新进展。 第2 部分全面论述了锅炉负荷、炉内温度与燃烧三者之间的内在关系：现有结构 的锅炉炉膛，炉内温度与负荷间存在一单调增函数的关系，温度对燃烧起决定性影响， 负荷变化时，燃烧稳定性及燃烧效率下降是锅炉的固有特性。为改变这种不利于燃烧 的负荷温度特性，作者提出了利用可调隔热层技术在燃烧器区域实现准恒温燃烧 的思想，并介绍了其具体实现方法一可调隔热装置m h i d ( m o v a b l eh e a t i n s u l a t i o n d e v i c e ) 定量计算、分析了煤种、负荷变化时，m h i d 对锅炉着火、燃烧及整体热力 特性等的影响。上述研究表明：m h i d 能全面改善锅炉的燃烧与热力性能。 第3 部分主要研究一种基于m o n t e c a r l o 法的辐射传热计算新方法n m c ( an e w m e t h o df o rr a d i a t i v eh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o nb a s e do nm o n t e c a r l o m e t h o d ) 。首先，回 顾了目前用于辐射传热计算的各种方法的优缺点，然后，针对目前基于m o n t e c a r l o 法 辐射传热计算方法f s ( f o r m a ls o l u t i o nm e t h o d ) 中的不足，提出了基于m o n t e c a r l o 法计算吸收、发射性介质中的散射效应，具有较高方向分辨率的辐射强度分布的新方 法。新方法的主要特点是将空间中任一点的入射辐射分为直接辐射与间接辐射，在此 基础上，导出了计算辐射强度的新公式及有关重要的关系式，并以一维灰体平面介质 为例，分别用f s 、n m c 两种方法进行了辐射传热计算，以此来验证n m c 法的有效性。 两种方法的计算结果表明：n m c 法的计算结果与f s 法的计算结果吻合得非常好。 i i i 席氇掭“锄删黛 匆全文公杭 第4 部分利用数值计算方法分析了m h i d 装置对炉内燃烧过程的影响。首先建立 了炉内流动、燃烧、辐射传热的三维数学模型，并针对模拟的具体对象1 3 0 t m 煤粉 炉，编制了计算程序。其中，辐射传热计算采用了第3 部分中所述的新方法n m c 法。最后，利用计算机程序研究了m h i d 对炉内温度分布、空气流场及燃烧效率等的 影响，为m h i d 的设计试验研究提供了参考依据。数值计算的结果表明： ( 1 ) 在炉内燃烧器附近区域加装m h l d 后，可以在期望的负荷范围内将燃烧器区 域的烟气温度维持在所要求的准恒温工况，实现准恒温燃烧。 f 2 ) m h i d 可以大大提高低负荷时的燃烧效率，当m h i d 的隔热面积具有足够大 的调节范围时，可使低负荷时的燃烧效率高于额定负荷时的燃烧效率。 ( 3 ) 低负荷时，m h i d 可增大燃烧器区域火焰的容积，改善温度分布，为入炉燃料 提供充足的着火热源。 第5 部分对m h d 装最设计中的若干问题结构与总体布置、铝基微孔陶瓷隔 热板最佳热物理参数的选择、耐热钢构件工作温度的计算及强度校核、m h i d 的冷却 及其防结渣措施等进行了计算与论证。 第6 部分依次介绍了m h i d 三个阶段的试验新型铝基微孔陶瓷隔热板在煤粉 炉内的考核性试验、组合式微孔陶瓷隔热板在l p g 炉内的试验及m h m 装置在1 3 0 t h 煤粉炉内的试验研究结果。三个阶段的试验研究表明： ( 1 ) 当炉膛维持微负压运行时，m h i d 装置炉内的耐热钢构件均未出现超温，不 需要冷却；当炉膛正压运行时，需要向m h i d 密封腔室内送入冷却空气。 ( 2 ) m h i d 的活动隔热层可以在炉内高温条件下正常工作。 ( 3 ) m h i d 能显著提高炉墙附近的烟气温度，大大降低了炉膛中心至水冷壁炉墙 的温度梯度，有利于改善煤粉气流的着火与燃烧稳定性。 ( 4 ) l p g 试验炉及1 3 0 t h 煤粉炉上的试验结果证明隔热板的传热计算结果是可信 的，同时也验证了炉内三维数值模拟结果。 第7 部分对全文的工作内容进行了简要的总结，并对本课题今后的研究工作提出 了初步建议。 关键词：低质燃料，锅炉，准恒温，燃烧，试验研究 a b s t r a c t f o ral o n gt i m ei nt h ef u t u r e ，c o a lw i l lt a k ead o m i n a n ts t a t u si nt h ep r i m a r ye n e r g y c o n s u m p t i o ni nc h i n a ，t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sh a v eb e e ne m b a r r a s s i n gc o a l b a s e dp o w e r p r o d u c t i o nd e p a r t m e n t sf o rm a n yy e a r si nc h i n a ： ( 1 ) b o i l e r sh a v eap o o ra d a p t a b i l i t yt ov a r i a t i o n so f f u e lq u a l i t ya n d l o a dl e v e l ( 2 ) b o i l e r sh a v ear e l a t i v e l yl o wc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d t h e r m a le f f i c i e n c y ( 3 ) e x h a u s t sf r o mb o i l e r sp o l l u t ee n v i r o n m e n th e a v i l y s c h o l a r sa n dr e s e a r c h e r sh a v eb e e nd e v o t i n gt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，a n ds o m e p r o g r e s s e sh a v e b e e nm a d e b u tt h es i t u a t i o n sa r ef a rf r o mt h es a t i s f a c t i o n t h ea u t h o r , o nt h e b a s i so fd e c a d e so f e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s ，f i n do u t t h a tu n c o n t r o l l a b i l i t yo f t e m p e r a t u r ei n f u r n a c e s ，e s p e c i a l l yi nt h en e a rb u r n e r sz o n e ，i st h em a i n r e a s o nf o rt h ea b o v ep r o b l e m s i n o r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a ni d e ao fq u a s i c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o ni sp r e s e n t e d b yt h ea u t h o r , a n d t h e r e f o r ea l lw o r k si nt h ep a p e rw i l lb ef o rt h ei d e a t h ep a p e rc o n s i s t so f s e v e n p a r t sa sf o l l o w s ： p a r t1 ：t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c hi si n , e d u c e d ，a n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n sa n d l a t e s tp r o g r e s s e so f p u l v e r i z e d c o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g i e sa r er e v i e w e db r i e f l y f i n a l l y , t h em a i nc o n t e n t so f t h e p a p e r a r el i s t e d p a r t2 ：t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gb o i l e r s l o a dl e v e l ，t e m p e r a t u r e i nf u r n a c ea n d c o m b u s t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n df o u n dt h a tf u r n a c et e m p e r a t u r ea l w a y sd e c r e a s e s a l o n gw i t hb o i l e r s l o a d l e v e la n dt h a tf u r n a c et e m p e r a t u r eh a sad e c i s i v ee f f e c t so n c o m b u s t i o n ；i ti st h ei n l a e r e x t ta t t r i b u t eo f ab o i l e rt h a tc o m b u s t i o ns t a b i l i t ya n de f f i c i e n c y d e c r e a s e sa l o n gw i mt h el o a dl e v e l i no r d e rt oi m p r o v et h eu n p l e a s e da t t r i b u t e a l li d e ao f m a i n t a i n i n gaq u a s i - c o n s t a n tt e m p e r a t u r es t a t ei nt h en e a rb u r n e rz o n eo f af u r n a c ei sp u t f o r w a r d ，a n dt h et h e o r e ma n dp h y s i c a lm e t h o do f t h ei d e ai si n t r o d u c e d ；t h ee f f e c t so ft h e q u a s i - c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ，w h i c hi sb a s e do nm h i d ( m o v a b l e h e a t i n s u l a t i o n d e v i c e ) ，o ni g n i t i o no f f u e l sa n dt h e r m a l p r o p e r t i e so f ab o i l e r , a r ea l s od i s c u s s e dw h e nc o a l r a n k sa n dl o a dl e v e lv a r y t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h em h i d - b a s e dq u a s i - c o n s t a n t t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o nc a l li m p r o v e t h ec o m b u s t i o na n dt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fab o i l e r e n t i r e l y p a r t3 ：t h em e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e so f m e t h o d su s e dt oc a l c u l a t er a d i a t i v eh e a tt r a n s f e r a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d i n o r d e rt oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e s o ft h ef o r m e r m o n t e c a r l ob a s e dm e t h o d s ( f m c ) ，an e wm o n t e c a r l ob a s e dm e t h o d ( n m c ) t oc a l c u l a t et h e d i s c a t t e r i n g e f f e c t sa n dr a d i a t i v e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n 、i t l l h i g h e r r e s o l u t i o nf o r v p a r t i c i p a t i n gm e d i u n l si sp u tf o r w a r d 。t h em a i n f e a t u r eo fn m cm e t h o di st h a tt h ei n c i d e n t r a d i a t i o ni n t e n s i t ya ta n y p o i n ti nm e d i u m i sd i v i d e di n t od i r e c ta n di n d i r e c tp a r t s a n do nt h e b a s i s ，an e wf i ，r m u l a t oc a l c u l a t er a d i a t i v ei n t e n s i t ya n ds o m ei m p o r t a n tr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nf m ca n dn m cm e t h o d sa r cd e d u c e d f i n a l l y , r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o ni s d o n ew i t hf m ca n dn m cm e t h o d sf o rao n e d i m e n s i o n a lg r a ym e d i u mt ov a l i d a t en m c m e t h o d ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h er e s u l t sb yt h et w om e t h o d sd e m o n s t r a t et h a tt h er e s u l t sb y n m c a g r e e sw e l lw i t ht h a tb y f m c p a r t4 ：f i r s t l y , t h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e i so ff l o w , c o m b u s t i o na n d r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e ri nf u r n a c ea r ee s t a b l i s h e d t h e nan m n e r i c a ls i m u l a t i o np m g r a mb a s e d o nt h e s em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rap u l v e r i z e d - - c o a l - f i r e d 13 0 t hb o i l e ri sw r i t t e na n d d e b u g g e d t h en m c m e t h o di sa d o p t e db yt h ep r o g r a m f i n a l l y , t h ee f f e c t so fm h i do n p r o f i l e so ft e m p e r a t u r ea n da i rf l o wi nt h ef u r n a c ea n dc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hc a n p r o v i d er e f e r e n c e i n f o r m a t i o nf o rd e s i g no fm h i da n ds e m i i n d u s t r i a l e x p e r i m e n t a r c s t u d i e db ym e a n so f t h e p r o g r a m ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) w h e nam h i d ，w h i c h i sb a s e do nm i c r o p o r o u sc e r a m i cb o a r d s ，i si n s t a l l e do nt h e f u r n a c ew a t e r w a l lt u b ei nt h en e a rb u r n e rz o n e ，aq u a s i c o n s t a n tt e m p e r a t u r es t a t eo ft h eh o t g a si nt h e n e a rb u r n e rz o n ec a nb em m n t m n e dw i t h i ne x p e c t e dw i d el o a dr a n g e ( 2 ) c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ff u e l sc a nb ei n c r e a s e dr e x n a r k a b l ya t1 0 wl o a dl e v e l s u n d e rq u a s i c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，a n dt h ee f f i c i e n c ya tl o wl o a d sm a yb eh i g h e r t h a nt h a ta tt h er a t e dl o a dw h e nt h er e g u l a t i n gs c o p eo fh e a t i n s u l a t i o na r e ao ft h em h i di s s h m c i e n t p a r t5 ：o nt h eb a s i s e so f c h a p t e r2 ，4 ，s o m ep r o b l e m sr e l e v a n tt od e s i g no f m h i ds u c h a ss t r u c t u r e ，o v e r l l ll a y o u kd e s i r e dt h e r m o p h y s t e a lp a r a m e t e r so fa 1 2 0 3 一b a s e dm i r e o p o r o u s c e r a m i cb o a r d s ，w o r k i n gt e m p e r a t u r ea n ds t r e n g t ho ft h eh e a t - r e s i s t a n ts t e e l ，a f cd i s c u s s e d ， a n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nd e t a i l s l a g g i n go ns u r f a c eo fm h 【dw i l lm a k ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o fm t t l di m p o s s i b l e i no r d e rt o p r e v e n tt h es l a g g i n g ，a l l a i r - f l o w - d r i v e n a u t o m a t i c a ls w i n g - d a m p e r - b a s e db u m e ri sd e v i s e d t h eb u r n e r sj e tc a na u t o m a t i c a l l y c h a n g ei t sd i r e e t i o na ti t so u t l e tb ym e a r l 8o ft h ed a m p e rw h e n a i rf l o w r a t ei nt h eb u r n e r v a r i e s ，a n dt h ei m a g i n a r yt a n g e n t i a lc i r c l ei n 女t l r - n a c ec a nb ea u t o m a t i c a l l yc h a n g e dt ot h e d e s i r e dw h e nb o i l e r sl o a dv a r i e s ，t h e r e f o r e ，t h ep u l v e r i z e d - c o a l a i rm i x t u r ef l o wc a na v o i d i m p a c t i n gf l l r n a e ew a t e r w a l la n dt h es l a g g i n gc a nb ep r e v e n t e d f i n a l l y , t h 。e x p e r i m e n t a l r e s u l t so f t h eb u r n e ru n d e rc o l da i rc o n d i t i o na r ei n t r o d u c e d p a r t6 ：t h r e es t a g e so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm h i da r ei n t r o d u c e d w h i c hi n c l u d e s ： e x p e r i m e n to fab l o c ko fm i c r o p o r o u sc e r a m i cb o a r di nap u l v e r i z e d - c o a l - f r e db o i l e rf o r v i h i g h t e m p e r a t u r e r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e ；e x p e r i m e n t i nal p g 缸u a c cf o r t e s t i n g h e a t r e s i s t a n ta n dt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h em i c r o p o r o u sc e r a m i cb o a r d s ；s e m i i n d u s t r i a l e x p e r i m e n ti n at a n g e n t i a l l yp c - f i r e d1 3 0 t hb o i l e rf o r f e a s i b i l i t yo fm h i d t h et h r e e e x p e r i m e n t ss h o w t h a t ： ( 1 ) m h i dc a nw o r ks a f e l ya n dt h et e m p e r a t u r e so f a l lt h eh e a t - r e s i s t a n ts t e e lp a r t si n t h ep c - f i r e df u r n a c ea r eu n d e rt h ea l l o w a b l ew h e nt h ef u r n a c ep r e s s u r ei sl o w e rt h a nt h e a t m o s p h e r e ；a n dc o o l i n ga i rs h o u l db es e n ti n t o t h es e a l i n gc a v i t yb e t w e e nt h ef u r n a c e w a t e r w a l la n dm h i dw h e nt h ef u r n a c ep r e s s u r ei sh i g h e rt h a nt h ea t m o s p h e r e ( 2 ) m h i d c a nm o v e u p a n dd o w n f r e e l yd u r i n gt h ee x p e r i m e n ti nt h ep c - f i r e d b o i l e r ( 3 ) m h i dc a l lr e m a r k a b l yi n c r e a s et h et e m p e r a t u r eo fh o tg a s e si nt h en e a rf u m a c e w a t e r w a l la n db u r n e rz o n e ，m a i n t a i naq u a s i c o n s t a n tt e m p e r a t u r es t a t ei nt h ez o n e s ，a n d i m p r o v es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f c o m b u s t i o n a tl o wl o a dl e v e l s ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t si nl p ga n dp c - f i r e df u r n a c es h o wt h a t ：t h er e s u l t so ft h eh e a t t r a n s f e rc a l c u l a t i o nf o r d e s i g n o fc e r a m i cb o a r di n c h a p t e r 5a r e c o n v i n c i b l e ，a n d s i m u l t a n e o u s l yd e m o n s t r a t et h a t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si n c h a p t e r4a r ea l s o b e l i e v a b l e p a r t7 ：as u m m a r yo nt h ep a p e ra r em a d ea n dt h ef u r t h e rw o r ki nt h ef u t u r ea b o u tt h e q u a s i c o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o m b u s t i o na r er e c o m m e n d e d k e y w o r d s ：l o w r a n kf u e l ，b o i l e r , q u a s i - c o n s t a n t t e m p e r a t u r e ， c o m b u s t i o n ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s 1 绪论 1 1 课题研究背景 燃料的安全高效利用一直是燃烧领域里的主要研究课题。长期以来，我国的动力 生产部门一直存在以下问题【i o l ： ( 4 ) 锅炉对燃料、负荷的适应性较差。 ( 5 ) 锅炉的热效率不高。 ( 6 ) 锅炉的排放物污染严重。 近二十年来，我国火力发电机组的装机容量快速增加，电网容量越来越大，电网 负荷的昼夜及季节性峰谷差越来越大。目前，我国电力的约7 0 来自火力发电，电网 调峰的任务主要由火力发电厂承担，其中，有、相当部分由中小型燃煤锅炉机组承担。 因此，要求燃煤锅炉对负荷的变化具有良好的适应性尽可能低的稳燃负荷与较高 的燃烧效率。另外，由于燃料资源的市场化配置，越来越多的发电企业燃用低质燃料 与混合燃料。这一变化要求锅炉对燃料的变化具有良好的适应性不结渣、能稳定、 高效燃烧。 燃料特性及负荷的频繁变化会给锅炉的安全、经济运行带来以下不利影响： ( 1 )燃料品质变劣时，燃烧器区域内的烟气温度不能满足高效稳燃的要求，从而 使燃烧效率下降。对于燃煤锅炉，还将使最低不投油稳燃负荷上升，锅炉的负 荷调节能力下降。为适应负荷调节要求，锅炉往往投油助燃或两班制启停运行， 这样的运行方式对于燃煤锅炉机组既不经济，又会导致机组的疲劳寿命损耗。 ( 2 )燃料品质变优时，燃烧器区域内的烟气温度过高。对于燃煤锅炉，容易引发 炉内结渣，影响锅炉的安全运行。 ( 3 )燃料品质频繁变化时，使燃烧偏离最佳的空气，燃料配比工况。 ( 4 )燃料品质或负荷频繁变化时，往往引起锅炉汽温超温或汽温偏低现象，影响 锅炉过、再热器的安全及机组的循环热效率。 由于现役锅炉设计时未能充分预计到上述变化，锅炉的最低不投油稳燃负荷普遍 偏高，低负荷燃烧效率较低。如燃用低挥发分无烟煤的四角切圆煤粉炉，其长期不投 油稳燃负荷大多高于额定负荷的7 0 ，对于燃用屹俨5 左右无烟煤的四角切圆煤粉 炉，尽管采用了多种高稳燃性能的燃烧器，在额定负荷时也需陪油燃烧，低负荷时的 飞渣含炭量可高达4 0 左右。最近几年投产的锅炉设计时虽然采取了相关措施，但对 煤种、负荷频繁、大幅度的变化仍难满足锅炉用户的要求。制约燃煤锅炉最低不投油 稳燃负荷、燃烧效率及结渣的关键因素是燃烧器区域内的温度水平，该温度主要取决 于燃烧器区域内燃料的燃烧放热量与该区域内烟气向水冷壁辐射放热量之间的平衡； 影响锅炉汽温特性的关键因素是炉内水冷壁的吸热量与炉膛出口烟气焓之间的比值。 由于现役锅炉的炉膛结构及燃烧器不能主动调节燃烧器区域内的烟气温度，因此，负 荷或燃料品质下降时，燃烧器区域内的烟气温度必随之下降，当负荷降至一定值时， 燃烧器区域内的烟气温度将低于稳定燃烧所需的最低温度。因此，现有结构的锅炉难 以适应燃料品质与负荷大幅度的变化。 综上所述，研究开发对燃料、负荷变化具有良好适应性的燃烧新技术对改善现役 锅炉的总体性能具有重要的现实意义，同时，该技术也将为未来锅炉的设计提供新的 技术支持。正是在此背景下，作者开展了本课题的研究。本课题主要针对中小型燃煤 锅炉及低热值燃气锅炉进行研究，同时，该课题是华中电力集团公司及湖南省电力公 司资助攻关项目“电站煤粉炉调峰节煤节油技术可调卫燃带的设计与研究”、 “燃煤锅炉可调卫燃带的设计与工业性试验研究”的一部分。 1 2 高效稳燃技术现状及进展 目前，国内外主要从炉型选择、炉内热负荷设计、新型燃烧器的研究与开发、炉 内绝热燃烧等方面着手解决锅炉的燃料、负荷适应性，实现安全、稳定、高效燃烧， 并使锅炉具有良好的热力特性。 1 2 1 炉型的选择 对于大型锅炉。目前主要采用四角切圆燃烧炉膛与w 火焰燃烧炉膛。四角切圆燃 烧锅炉因结构简单，可靠性高，具有较好的炉内气流充满度与着火、燃烬性能，在国 内外得到了广泛的应用，在数量上有明显的优势。四角切圆燃烧锅炉也存在以下不足： 不投油稳燃负荷偏低，对于低挥发分无烟煤，长期不投油稳燃负荷大多在6 0 以上； 四角配风不均易导致炉内火焰中心偏斜，气流直接冲刷炉墙而导致结渣；因在炉膛出 i ：l 存在气流的残余旋转，往往引起过热器产生较大的热偏差。与四角切圆燃烧锅炉相 比，w 火焰炉具有不投油稳燃负荷低，负荷调节范围较大。炉内火焰中心不易偏斜， 炉膛出口两侧烟温差小等优点。w 火焰炉稳燃负荷低的主要原因是在前后炉拱及左右 两侧墙水冷壁上敷设了大面积的耐火隔热层，在燃烧器区域形成了一局部绝热燃烧空 间，使得该区域内的烟气温度始终维持在较高水平。如燃用低挥发分无烟煤的3 0 0 m w 的w 火焰炉，炉内敷设的耐火隔热层面积通常达5 0 0 1 5 0 0 m 2 ，而同容量的四角切圆 燃烧锅炉，燃烧器区域四周炉墙上耐火隔热层的敷设面积约为6 0 3 0 0 m2 ，远小于w 火焰炉。由于w 火焰炉的上述优点及近年来燃料资源配置形势的变化与锅炉负荷的调 节要求，国内采用w 火焰锅炉的用户正在迅速增加。 1 2 2 炉内热负荷设计 t 。燃烧器区域平均烟温 e 燃料的着火温度 t m - 最低负荷时燃烧器区域平均烟温 t 。额定负荷时燃烧器区域平均烟温 q 矿炉内壁面热负荷 q 。最低壁面热负荷 q 。- 额定负荷时壁面热负荷 图1 - 1 炉膛壁面热负荷与稳定着火及负荷适应性问的关系 炉膛热负荷的设计是否合理对锅炉的燃料、负荷适应性将起决定性的影响。锅炉 通常按设计燃料选择炉膛容积热负荷、断面热负荷及燃烧器区域壁面热负荷，并对校 核燃料进行校核。燃烧器区域内的烟气温度与热负荷间存在一单值函数关系，如图1 - 1 示。对稳定着火与燃烧起决定性影响的是燃烧器区域内的烟气温度，只有当燃烧器区 域内的烟温高于燃料的着火温度，并将入炉燃料气流加热至着火温度时，燃料才能稳 定着火、燃烧。要使锅炉具有良好的负荷适应性，就要求在不导致锅炉结渣的前提下 具有尽可能高的曩。值( 见图1 - i ) ；要使锅炉具有良好的燃料适应性，就要求q p m 值对 应下的死。值高于锅炉所燃用的各种燃料的乃值，g 。值对应下的7 k 低于燃料( 煤) 的灰熔点温度。由于以下原因，给锅炉热负荷的设计带来了困难： ( 1 ) 目前尚不能简单、准确计算炉膛燃烧器区域内烟气温度与热负荷间的关系， 设计时大多凭工程经验确定炉膛热负荷，因而容易使所选择的热负荷偏离 最佳热负荷。 ( 2 ) 锅炉运行中，由于炉膛结构的不可变性及实际燃料的频繁变化，经常出现 燃料的着火温度正高于z k 以及灰熔点度低于z k 的情况，因而导致燃烧不 稳或炉内结渣。 工程应用中热负荷选择设计不当或燃料特性发生变化时经常导致炉内结渣、燃烧 不稳、燃烧效率低、过热汽温过高或偏低。华能岳阳电厂从英国b a b c o c k 公司引进的 1 1 6 0 t hw 型煤粉炉【3 。设计燃用晋东南无烟煤与贫煤各占5 0 的混煤。其产1 0 ， d t = 1 4 0 0 。8 - - 1 5 0 0 ，f 1 5 0 0 ，在燃烧器区域敷设了5 2 0 m 2 的隔热层，投产后在额 定负荷时出现了严重的结渣现象。经现场测试，发现燃烧器区域内的最高温度达2 0 0 0 以上。改造后，去掉了3 0 的隔热层，提高了燃烧器区域的水冷度，降低了燃烧器区 3 域内烟气的温度，消除了结渣现象。射阳港电，一一台燃用尸2 1 4 8 煤的 s g 一4 2 0 1 3 7 - m 4 2 1 a 型锅炉【4 】，炉膛壁面热负荷设计过低，使得燃烧不稳定，额定负荷 时的过热汽温t , r = 5 3 0 5 ，t , r ：5 2 3 ，燃烧效率只有9 5 2 5 。荷泽电厂一台燃用无 烟煤的s g 4 2 0 t h m 4 1 9 锅炉【5 】，设计断面热强度为4 3 m w m 2 ，设计容积热强度为 0 1 7 2 m w m 3 。运行时燃烧器区域的烟气温度高达1 6 0 01 7 0 0 ，超过了煤的灰熔温 度f t = 1 5 2 0 ，导致了较严重的结渣。 以上的例子说明，仅靠热负荷的设计是难以满足锅炉安全、稳定、高效燃烧及燃 料、负荷适应性要求的。 1 2 3 新型燃烧器的研究与开发 提高锅炉燃料、负荷适应性的另一种比较有效的办法是研究开发各种高效、高稳 燃性能的燃烧器。燃烧器对燃料、负荷适应性的含义有两点：一是对确定的燃料，能 在较宽的负荷范围内使燃料稳定着火、高效燃烧：二是在一定的负荷范围内，能使多 种燃料安全、稳定、高效燃烧。燃烧的稳定性包括两方面的含义：一是燃烧着的火焰 的稳定性；二是入炉燃料着火的稳定性。当燃料特性及配风状况一定时，特定环境( 反 应器) 中火焰的稳定性主要取决于该系统温度水平的高低，而温度水平又取决于燃烧 放热与反应器散热之间的热平衡。在实际的燃烧反应器中，该热平衡同时受到燃料气 流在炉内停留时间、燃料的发热量、燃料气流初温的影响。对于进入炉内的燃料气流， 其着火的稳定性主要取决于燃料气流在炉内的吸热速度、所能达到的温度水平及燃料 本身的着火温度，而影响吸热速度及温度水平的因素有炉内的热力学及空气动力学条 件、燃料气流的速度等 6 q o 。 对于煤粉燃料，为了解决低质煤及低负荷时的稳定燃烧问题，目前已开发出了多 种高稳燃性能与高燃烧效率的燃烧器。从稳燃机理上讲，可将这些燃烧器分成两大类： 第一类是降低燃料气流着火热量的燃烧器，第二类是强化炉内高温烟气对入炉燃料气 流传热能力的燃烧器。 第一类燃烧器的设计思路是：当炉内高温烟气对入炉燃料气流的传热能力一定时， 尽可能的减小入炉燃料气流的着火热达到其着火温度时所需吸收的热量。降低燃 料气流着火热的有效办法是提高燃料的浓度。基于这一思想设计出来的燃烧器称为燃 料浓缩燃烧器或浓淡燃烧器。目前，国内大多数燃用劣质煤的锅炉采用了煤粉浓缩燃 烧技术。从实现方法上来看，浓淡燃烧器通过采用特殊的结构或设备，使煤粉气流在 燃烧器出1 ：3 被分成两股，其中一股煤粉浓度较高，另一股煤粉浓度很低。按照煤粉浓 缩的位置，浓缩技术可分成三种。一是燃烧器出口浓缩技术 1 1 - 1 5 】。如钝体燃烧器、简 4 单弯头型浓淡分离燃烧器、带偏转板的弯头型浓淡燃烧器、在燃烧器喷咀出口带简单 三角锥体及波纹锥的弯头型燃烧器、燃烧器内部的百叶窗、扭曲导向板、阻力块、导 向板分离浓淡燃烧器、大速差射流燃烧器、多功能船形燃烧器、扁平射流燃烧器、犁 形燃烧器、基于旋风分离的浓缩型煤粉燃烧器、p a x ( p r i m a r ya i re x c h a n g e ) 燃烧器 等；二是原始浓缩技术。原始浓缩是指在煤粉气流离开煤粉仓或磨煤机时使煤粉浓度 提高的方法。前民主德国、希腊等国家在燃用高水分褐煤时在风扇磨煤机中采用了这 种方法【l 。前苏联在一台3 0 1 0 5 k w 的煤粉炉上进行了原始浓缩燃烧试验，浓度高达 4 0 5 0 k g k g 的煤粉空气混合物由压气泵通过压缩空气来输送，一次风管只输送空气， 在燃烧器出口前的合适位置再将高浓度煤粉注入到一次风中去，形成浓度为o 9 k g k g 左右的煤粉气流进入炉膛燃烧；三是燃烧器前浓缩技术。如带乏气分离器的直流煤粉 燃烧器【1 ”、借助于弯头惯性实施浓淡分离的w r 宽调节比燃烧器、将旋风分离器与燃 烧器组合成一体的浓淡燃烧器【1 8 。9 1 、具有浓淡分离作用，同时实现极低污染物排放的 p m ( p o l l u t i o n m i n i m u m ) 型燃烧器【2 0 j 、直吹式制粉系统中在燃烧器入口利用弯头惯性 力将排粉分成浓淡两股( p r i m a r y a i r e x c h a n g e ) 的p a x 燃烧器、在燃烧器入口处装设 一台卧式旋风分离器实施浓淡分离以保证低负荷稳燃的旋流燃烧器、实现煤粉浓度可 变的浓淡燃烧器 2 1 】、在炉膛横断面上实现水平浓淡分离的水平