燃烧器减排技术及低氮燃烧技术介绍

3.燃烧器的主要型式
对于以煤为燃料的大型电站锅炉，目前主要采用煤粉燃烧和循环流化床燃烧两大类燃烧方式。 煤粉炉和以油（天然气）为主燃料的大型电站锅炉的燃烧器布置型式主要有墙置式和角置式，此外煤粉炉燃烧器还有炉拱布 置方式。不同的燃烧器布置型式要求配以相应的燃烧器结构型式，燃烧器结构型式主要分为旋流式和直流式两类。 3.1墙置燃烧 3.1.1墙置式旋流燃烧器
不同成分基准之间需要换算，换算系数如下表。
4.1.3煤粉细度 4.1.3.1煤粉细度的定义及计算 送入锅炉燃烧的煤为满足输送和燃烧要求被磨煤机磨制成细粉，绝大部分煤粉 的粒径一般不超过0.2mm。煤粉粒度的分布（也称为煤粉细度）在我国用筛余 量R表示，即未通过筛孔的部分煤粉的质量占全部煤粉质量的百分比（％）， 一般用R90和R200表示，下标90和200分别表示筛孔直径为 90μ m和200 μ m。煤 粉粒度分布的均匀性用均匀性系数n表示，煤粉粒度越均匀越好。n一般在0.8 到1.2之间，n越大表示煤粉粒径的分布越均匀。n的计算如右式。 知道了系数n和某一粒径x1的煤粉粒度分布Rx1后，便可计算其他粒径x2的煤粉 粒度分布Rx2，计算公式如右式。 4.1.3.2 R90与D200的换算 工程中还常用过筛量D200来表示煤粉细度，即通过200目筛子的煤粉质量占全部 煤粉质量的百分比（％），美国200目筛子的筛孔直径为74μ m，约相当于我国 筛孔直径为75μ m的筛子规格，即D200＝100－R75 （％），因此R90与D200之间可 按下面公式换算： 1）已知D200求R90 2）已知R90求D200
3.2角置燃烧 角置燃烧一般均采用直流式燃烧器。 炉膛四角各布置一列燃烧器喷口，可燃混合物和燃烧所 需其余空气可以从不同喷口喷入炉内，在炉膛中整体组织燃烧。 每角燃烧器喷口的中心线与炉膛中心的一个或多个假想圆相切， 燃烧火焰在炉内形成一个大火球，燃料着火所需热源由上游角 的燃烧高温烟气提供，如右图所示。 这种燃烧型式的四面水冷壁热负荷比较均匀；烟气的后 期混合强烈，有利于燃尽；配以摆动式喷口，可以方便的调节 汽温。缺点是烟气的残余旋转易造成炉膛出口两侧的烟温偏差； 如果配风不均匀，易造成火球中心偏移，使火焰冲刷水冷壁， 造成结焦和高温腐蚀；另外如果背火侧补气条件不好也会使火 焰偏斜刷墙。
墙置式燃烧器一般包括前墙布 置燃烧器和前后墙布置燃烧器对冲燃 烧两种情况。这种布置方式的主要优 点是沿炉膛宽度方向的热负荷分布比 较均匀、锅炉低负荷稳燃能力较强、 炉膛不易结焦；但缺点是烟气后期混 合较差，不利于燃料的燃尽；而且单 墙燃烧方式的炉膛火焰充满度较差， 已很少采用。前后墙布置燃烧器的示 意图如下图所示。
4.燃料特性
电站锅炉燃料主要有煤、油和气体燃料。 4.1煤 4.1.1煤的种类 锅炉燃煤主要按干燥无灰基挥发分Vdaf的含量分为褐煤、贫煤、烟煤及无烟煤几种。 无烟煤： Vdaf ≤10％，炭化程度最高，含碳量大，水分、灰分及挥发分含量少，热值高；不易着火和燃尽。 贫煤： Vdaf ：10％～20％，烟煤： Vdaf ：20％～37％，它们的炭化程度低于无烟煤，燃烧特性视具体成分的差异而不 同；一般贫煤和劣质烟煤的着火性能较差。 褐煤： Vdaf ＞37％，炭化程度较低，水分、灰分和干燥无灰基挥发分含量一般均较高。中低水分褐煤易着火，高水分褐 煤则难着火；均易结焦。 4.1.2成分分析基准及相互换算 燃料的成分分析一般常用元素分析和工业分析两种。燃料的元素分析测定煤中碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、 硫（S）和矿物质（习惯上称之为灰分A）及水分（W）的含量。而工业分析只测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳的 含量。 分析煤的成分时，常用的分析基准有四种，即收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基，具体定义如下。 收到基：以实际入炉煤的成分作为百分之百； 空气干燥基：当煤样在20℃、相对湿度60％的实验室中放置，会失去一些水分，留下的稳定水分称为空气干燥水分，以 这种煤样的成分作为百分之百； 干燥基：去除水分以外的其他含量作为成分的百分之百； 干燥无灰基：把水分、灰分含量除外，以可燃质成分作为百分之百。
1.2 燃料的稳定燃烧 可燃混合物喷入炉内，利用点火设备将它点燃，火焰很快传播到整个气流中，当点火设备撤出后，再进入炉内的可燃 混合物应能继续着火燃烧，也就是保持火焰的稳定而不熄灭。此外着火点的（远近）位置也必须合适。 1.2.1一般火焰的稳定 可燃混合物气流从喷口喷出后，速度是不均匀的，在喷口中心速度较高，四周速度很低，此外离喷口越远，速度 也越低。另一方面火焰传播速度也不均匀。这样可能在气流外周某一圈位置上，气流速度等于火焰传播速度，使 火焰保持稳定，这一圈称为引燃区。从引燃区附近流过的气体，虽然流速超过火焰传播速度，也可以被引燃区的 火焰点燃。由于喷口中心速度最高，因此整个火焰锋面呈圆锥形。气流在火焰锋面处的法向速度等于火焰传播速 度，切向速度使该处火焰点燃靠近中心一些的相邻气流，这样使整个火焰保持稳定。 如果气流速度再增加，虽然在离开喷口更远处气流速度也将降低，但这里可燃气体混合物的浓度太低，火焰可能 已不能传播，将没有引燃区存在，火焰不能保持稳定，这种情况称为脱火。如果气流速度太低，火焰将传播到喷 口内，这种情况称为回火。 1.2.2锅炉内火焰的稳定 燃烧器出口气流速度一般都较高，已超过脱火极限，火焰不能自身保持稳定。从燃烧器喷出的可燃混合物必须不断从 其他方面获得热量，才能被加热到着火温度以上，不断着火，保持燃烧稳定。着火所需热量主要来自于回流的高 温烟气。 对于直流式燃烧器，气流喷出燃烧器后不断吸卷周围的高温烟气，高温烟气将其加热，使之着火。这种从四周吸卷高 温烟气的回流方式叫外回流。 对于旋流式燃烧器，旋转的气流离开燃烧器喷口后在离心力的作用下向四周扩散，在中心形成负压区，使高温烟气回 流，并提供热量点燃可燃混合物。这种烟气回流方式叫内回流。
1.1.2.2火焰的传播 火焰的传播分为层流火焰传播和湍流火焰传播两种。若可燃混合物气流处于静止或层流状态时，其火焰的传播称为 层流火焰传播；若可燃混合物气流处于湍流状态时，其火焰的传播称为湍流火焰传播。工程中的火焰传播基本上都是湍 流火焰传播。 层流火焰传播速度主要受温度、压力、燃料浓度及燃料性质影响。试验表明，火焰传播速度随温度的增大而增大， 随压力的增大而减小（对大多数气体燃料而言），反应能力越强的燃料其火焰传播速度也越快。在温度、压力一定的条 件下，某一燃料的火焰传播速度存在一极大值，该极大值一般处于过量空气系数略小于1的情况下，因为此时的燃烧温度 达到最大值。此外试验证明，可燃混合物气流只有在一定的浓度范围内，火焰才能传播。当混合物气流中燃料的浓度高 于某一最高浓度或低于某一最低浓度时，燃烧只能局限在点火火源附近，火焰不能传播。该浓度范围又叫做着火浓度范 围，有时也叫做爆炸浓度范围。 爆炸浓度该范围存在的原因是，当气流燃料浓度太低时，混合物反应析出的热量太低，不足以将邻近的混合物加热 到着火温度，所以火焰不能传播；而当气流燃料浓度过高时，氧量不足，混合物不能充分燃烧，同样不能析出足够的热量 所以火焰也不能传播。温度、压力和惰性气体含量都可以影响着火浓度范围。 湍流火焰传播机理与层流火焰有很大不同。湍流火焰传播速度远大于层流火焰传播速度。对于煤粉气流，湍流火焰 的传播速度可超过200cm/s，而层流火焰传播速度不超过100cm/s。由于可燃混合物自喷口喷出后马上扩散，风速逐渐下 降，当与火焰传播速度相等时而稳定着火。一般希望煤粉气流的着火点离喷口出口的距离为0.3～0.5m。
3.1.2墙置式直流燃烧器 墙置式直流燃烧器主要用于配风扇磨 的高水分褐煤燃烧。由于风扇磨所能 提供的压头较小，因此磨煤机沿炉膛 四周布置，尽可能减小磨煤机到燃烧 器的沿程阻力损失。 磨煤机数量一般为6台或8台，每台磨 煤机带一列燃烧器。燃烧器采用直流 式，布置在水冷壁墙上形成切圆燃烧， 如右图所示。
•3.3 炉拱燃烧
•炉拱燃烧一般应用于难于着火和燃尽的无烟煤和低挥发分的贫煤。燃烧器一次风喷口直立布置（ 略有倾斜）在前后墙水冷壁的炉拱上面，大部分燃烧所需空气从前后水冷壁垂直墙上分段供给， 每个燃烧器的火焰首先向下俯冲后再折向往上形成 U形火焰，燃烧后的高温烟气被吸卷为燃料着 火提供所需热量。前后墙的火焰共同在炉膛中形成W形，故这种燃烧方式一般称为W型火焰燃烧 方式，如下图所示。锅炉下炉膛区域敷设有适量的卫燃带，因此燃烧区域温度水平较高，有利于 煤粉的着火；同时火焰行程较长，有利于燃尽。但这种燃烧方式的缺点是NOx排放量高以及锅炉 重量大、成本高。 •炉拱燃烧方式所配燃烧器即可采用直流燃烧器也可采用旋流燃烧器。
1.2.3影响火焰稳定性的因素 影响火焰稳定性的因素主要包括回流区的大小、可燃混合物的初温、燃烧器区域的烟气温度及燃料性质等。 1.2.3.1回流区的大小 回流区越大，回流的烟气量越多，回流区域内的温度就越高，燃料着火越稳定，着火点更靠近喷口。 对于直流式燃烧器，回流主要依靠外回流。外回流区的体积一般比内回流区的大得多，但是，如果组织不好，回流的烟气不 是来自高温区域，这样的回流则不利于着火。因此一般直流式燃烧器采用四角布置燃烧方式，使每个燃烧器的火焰流向 下游相邻燃烧器的出口，以向其提供可吸卷的高温烟气。由于燃烧器出口气流速度一般都比较高，因此燃烧器喷口中还 装有稳燃器，可使气流产生一个小的内回流区，有利于保证稳定着火。 对于旋流式燃烧器，回流主要依靠内回流，但气流四周也卷吸烟气，也有外回流区，它也有助于火焰的稳定。增大内回流区 和烟气回流量主要依靠增大每个燃烧器气流的旋流强度，旋流式燃烧的气流旋流强度一般均可调节，因此旋流式燃烧器 独立性较强，不像四角切圆燃烧方式那样考虑炉内整体组织燃烧。 1.2.3.2可燃混合物的初温 可燃混合物的初温越高，将其加热到着火温度所需的热量就越少，气流就更容易着火，因此着火就更稳定，着火点就更近。 由于着火热主要用于加热空气，因此，提高可燃混合物的初温主要是提高预热空气的温度；对于煤粉气流，提高煤粉浓 度可降低煤粉气流的着火热，有利于着火。 1.2.3.3燃烧器区域的烟气温度 回流烟气的温度不仅取决于燃料在这一区域的燃烧程度，还和散热（受热面的吸热）等因素有关。因此减少燃烧器区域的辐 射吸热，可提高燃烧器区域烟气温度，此时回流的烟气温度也会高一些，可使着火更加稳定。 1.2.3.4燃料性质 燃料的化学反应能力越强，就越容易着火，如原油比重油更容易着火。此外对于燃油，雾化质量越好，则油滴越细，燃烧越 快，着火越稳定。对于煤粉气流，煤粉越细，则煤粉气流越容易着火。
1.燃烧的基本原理
燃烧一般指燃料在空气中的剧烈氧化放热反应，释放出的热量能使该反应过程自动维持。燃烧过程存在两个基本阶段， 即着火阶段和着火后的稳定燃烧阶段。 1.1燃料的着火 从工程应用角度看，燃料的着火方式有两类：自燃和点பைடு நூலகம்。 1.1.1自燃 1.1.1.1自燃的定义 在一定条件下，燃料和空气的混合物通过缓慢的氧化放热反应，不断的积累热量和活性粒子，随着混合物温度的升高， 在没有明火接近的条件下，自动着火燃烧。如煤堆、积粉和空预器上黏附的油垢等均可能产生自燃现象。 1.1.1.2自燃的条件 自燃的条件是燃料和空气的反应放热速度高于散热速度，致使热量不断积累，燃料温度不断升高，燃料最终自燃。 1.1.1.3自燃温度 自燃温度（或称自燃点）不是一个常数，它不仅和燃料本身的特性有关，还和散热条件等有关，散热条件越差，自燃温 度越低。而且往往更有实际意义的不是自燃温度，而是能引起自燃时的介质温度，介质温度越高，自燃所需的时间越短。 自燃温度较低的燃料并不一定就更容易被点燃。如氢气的自燃温度比褐煤的高，但却比褐煤更容易被点燃。 1.1.2点燃 1.1.2.1点燃的定义 利用外部能源去接触可燃混合物，使其在靠近外部能源传入的部分先行发生剧烈的氧化反应而着火，然后火焰传播到整 个混合物中去。
2.燃烧器的主要作用
燃烧器的主要作用是将燃料和燃烧所需空气按一定的型式送入炉膛，使燃料能及时着火、稳定燃烧、充分燃尽，燃烧器及炉 膛不结焦，锅炉NOx排放量低等，亦即要满足安全、经济和环保三方面的要求。 上述要求主要是通过合理的燃烧方式、燃烧器布置、燃烧器结构和燃烧器设计参数等来实现；同时锅炉本体也应有合理的设 计。
谢 佳 2017.07
目录
一.燃烧设备基础知识
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 燃烧的基本原理 燃烧器的主要作用 燃烧器的主要型式 燃料特性 燃烧系统方案 制粉系统计算 燃烧器计算及参数 燃烧器结构
二.东方锅炉超低氮燃烧技术
1. 2. 3. 4. 四角炉超低氮燃烧技术 W火焰炉超低氮燃烧技术 对冲炉超低氮燃烧技术 CFB超低氮燃烧技术