法律顧問：張友全律師
正文：
百萬機組鍋爐四角切圓燃燒與對衝燃燒方式對比！
1 簡述
1.1 切向燃燒方式
煤粉氣流從布置在爐膛4角（或8角）的直流式燃燒器引入爐膛進行燃燒的方式。一般一、二次風口常為間隔布置，各風口的幾何中心線都分別與中央的一個或幾個假想圓相切。
切向燃燒的特點是靠各角來的風粉混合物協同動作，在爐內形成一個強旋流火球燃燒。煤粉的著火和穩定燃燒是靠點火三角區和上遊鄰角過來的高溫火焰的對流傳熱支持。火焰的形狀不僅與燃燒器布置、參數有關，還與爐膛形狀及假想切圓直徑有關。假想切圓直徑大，有利於著火穩定性，但容易使煤粉氣流刷牆造成爐壁結渣；切圓直徑小，有助於減輕結渣，但鄰角點燃作用延遲。切向燃燒爐內旋轉的火炬有利於煤粉的燃盡；但是爐膛出口的殘餘旋流易引起爐出口煙溫偏差、流量偏差，對過熱器、再熱器管工作不利。
四角切圓燃燒的爐內過程，較之其它燃燒方式（如對衝布置旋流火焰和W型火焰），具有特殊的特質：燃燒器四角布置，一次風粉混合物在離開燃燒器的一段距離內，為受限空間射流，它容易吸引爐內的高溫煙氣；一次風粉混合物射入爐內，受上遊鄰角橫掃過來的高溫火焰的直接衝擊，著火條件優越，著火穩定性好；四角射流互相聯繫，互相影響，一方面加強了一次風和二次風的混合，強化了燃燒，同時使燃燒中的煤粉顆粒外面包著的灰殼互受撞擊，容易脫落，加快了煤粉顆粒內部燃燒，有利於煤粉的燃燼。
四角切圓燃燒系統煤粉噴燃器與二次風噴嘴是分開布置的，燃料風、輔助風和燃燼風是分批加入射流火焰，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風混合的擴散火焰，因此形成了一種較長的火焰結構。這種燃料與空氣混合方式，本身就具有分級燃燒的性質，對於降低NOx的生成起到有利的作用。特別是一次風射流切圓較小、二次風射流切圓較大或一、二次風反切的布置方式，更加推遲了一、二次風的初期混合，加強了空氣分級的效果，更是起到抑制NOx的生成作用。
1.2 對衝燃燒方式
將一定數量的旋流式燃燒器布置在兩面相對的爐牆上，形成對衝火焰的燃燒方式。旋流式燃燒器主要靠自身形成的回流卷吸燃燒室內高溫煙氣來加熱點燃煤粉，因此形成基本獨立的火炬。對衝布置的火炬在燃燒室中心相遇對衝，然後轉彎向上。
旋流式燃燒器前後牆對衝布置和直流式燃燒器切向布置相比，其主要優點是上部爐膛寬度方向上的煙氣溫度和速度分布比較均勻，使過熱蒸汽溫度偏差較小，並可降低整個過熱器和再熱器的金屬最高點溫度。
1.3 對比
應該說，對衝燃燒與切向燃燒是各有優勢的，例如切圓燃燒時火焰行程長、爐內混合好，對衝燃燒時優越的自穩燃性能，爐膛出口煙溫偏差易控制等。並且經過多年的技術進步，它們在各自的弱勢方面也取得了長足的進展，例如切向燃燒中的低負荷穩燃能力，對衝燃燒中的NOx排放量等。
在燃燒經濟性方面：對於切圓燃燒來說，其優勢在於（1）煤粉在爐內行程長，爐內停留時間長；（2）受鄰角高溫煙氣的直接衝刷，強化了燃燒。相關資料顯示，在正常情況下，採用切圓燃燒技術時其燃燒經濟性是有保障的。
對衝燃燒鍋爐採用旋流燃燒器，就燃燒經濟性來說，它的優勢在於（1）旋流燃燒器的一、二次風混合早且強烈，保障了煤粉及時、充分燃盡；（2）旋流燃燒器對高溫煙氣的卷吸率高；（3）對衝燃燒的爐膛熱負荷易控制均勻。有關電廠的運行性能證明對衝燃燒爐的燃燒經濟性並不比切圓燃燒爐差。
應該說，無論是對衝燃燒還是切圓燃燒，燃燒經濟性的問題已基本解決。尤其是近年來切向燃燒技術中WR型燃燒器等濃淡分離技術的普遍使用，旋流燃燒器中低燃燒速率燃燒器的研發與運用，燃燒經濟性問題已不再成為業內關注的首要問題。特別是煙煤的燃燒，其燃燒效率之高，已基本達到了極限。
在結渣、磨損與高溫腐蝕方面：煤種的結渣特性和爐膛容積熱負荷、截面熱負荷的選取是爐內結渣與否的重要影響因素，在以上參數一定的情況下，採用何種燃燒方式，燃燒器布置方式、燃燒器結構特徵等則成為解決結渣問題的核心。
對切向燃燒來說，合理組織切圓大小，控制火焰中心偏斜是控制結渣的關鍵。切圓直徑大於一定值時，結渣趨勢隨切圓直徑的增大而增大，大量熔融、半熔融煤粉顆粒將直接撞擊水冷壁，形成結渣，同時磨損水冷壁，發生高溫腐蝕。切圓又不能太小，否則高溫火焰集中於爐膛中部，不利於著火和穩燃。同心切圓燃燒技術的普遍使用對解決切圓燃燒中的結渣問題起到了重要作用。二次風以大切圓噴入爐膛，而一次風粉氣流以小切圓、或對衝、或反向小切圓的形式進入爐膛，形成爐膛中央的富燃料區和水冷壁周圍的富空氣區，減小了一次風衝刷水冷壁的可能性，不僅對於結渣，對減小水冷壁磨損和高溫腐蝕也大有幫助。同時一、二次風的混合更加強烈，有利於煤粉完全燃燒。
相對而言，對衝燃燒爐中旋流燃燒器射流衝牆的機率較切圓燃燒小得多，通過對單個燃燒器的旋流強度、火焰擴散角和一、二次風配比的控制即可實現對爐膛整體粘汙水平的控制。對衝燃燒爐中單個燃燒器功率的選取和燃燒器區域熱負荷的選取是關鍵，因為燃燒器區域結渣問題依然存在。單個燃燒器功率過大，會使燃燒器區域局部熱負荷過高而產生結渣，切換和啟停燃燒器對爐內火焰偏斜的影響較大，一、二次風的氣流太厚，不利於風粉混合；但燃燒器只數減少，相應管道及風箱布置則較簡單。
在低NOx燃燒方面：旋流燃燒器已進行幾代改進，發展成性能優良的低NOx旋流燃燒器其結構特點是將旋流二次風通道分解成兩個通道，通過分級送風實現分級燃燒以降低NOx。低NOx旋流燃燒器中的一次風不旋或弱旋，避免燃燒器出口初期混合強烈而後期混合微弱的缺陷，並且在旋流燃燒器出口形成局部煤粉高濃度區，是獲得良好燃燒的基礎，可以實現低負荷穩燃和低NOx排放。
相對切圓燃燒，對衝爐型的燃燒器更易布置，這為其合理布置燃燒器頂部的過燃風（OFA）噴口提供了便利。過燃風噴口的布置是分級燃燒理論的很好體現，經過不斷的改進和完善，已在大容量鍋爐上廣泛應用。
切圓燃燒時一、二次風射流基本平行進入爐膛，其早期混合併不強烈，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風混合的擴散火焰,因此形成了一種較長的火焰結構。這種與空氣混合的方式符合分級燃燒理論，對降低NOx的生成是有利的。特別是採用CFS、LNCFS的燃燒系統布置方式,更加推遲了一、二次風的初期混合,加強了空氣分級的效果，並配以各種濃淡燃燒器，更是起到抑制NOx生成的作用。
在爐膛出口煙氣偏差方面：四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口普遍存在左右兩側煙溫與煙速的偏差，這是由於切向燃燒鍋爐爐膛出口煙氣存在著相當的殘餘旋轉強度。不過，經過這麼多年的研究，爐膛出口煙溫偏差有了比較大的改善。
對衝爐中旋流燃燒器沿前後牆均勻布置，因此沿護膛寬度方向熱負荷均勻，爐膛出口及水平煙道的煙溫偏差很小且易控制，此為對衝燃燒爐的最大優點之一。
2 1000MW機組情況
目前國內哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠、東方鍋爐廠、北京巴威公司具有形成1000MW機組的超（超）臨界鍋爐的能力。東方鍋爐廠和北京巴威公司的鍋爐採用對衝燃燒方式，哈爾濱鍋爐廠和上海鍋爐廠的鍋爐採用切圓燃燒方式。不過，從目前的業績看，哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠的業績好像多一些，北京巴威公司的業績相對比較少。
2.1 哈爾濱鍋爐廠
燃燒方式採用無分隔牆的八角雙火焰切圓燃燒方式全擺動式燃燒器，該燃燒方式的特點是：將整個爐膛作為兩個大燃燒器組織燃燒，因此對每隻燃燒器的風量、粉量的控制不太嚴格，操作簡單。鍋爐負荷變化時，燃燒器按層切換，使爐膛各水平截面熱負荷分布均勻，水循環安全可靠；切圓燃燒方式對煤種適應性強，適應煤種的變化；由於爐膛內氣流旋轉強烈，與煤粉顆粒混合好，且延長了煤粉顆粒在爐內流動路程，有利於煤粉的燃燼；相對於牆式、對衝燃燒方式，具有NOx排放低、不易結焦、燃燒效率高等特點。
八角布置雙切圓燃燒方式特點：有效地降低爐膛兩側的煙溫偏差。八角布置雙切圓的旋轉方向相反，爐膛出口煙氣沿爐膛寬度方向旋向相反，相互疊加抵消，使爐膛出口煙溫偏差大大降低，有利於鍋爐安全運行。能降低一次風單只噴嘴熱功率，其熱功率僅為常規四角布置切向燃燒方式的50％，為前後牆對衝燃燒方式的62.5％左右。單只噴嘴熱功率的降低，有利於防止水冷壁結焦的產生。溫度場更加均勻，並且溫度水平適中，使鍋爐水循環更加可靠。
燃燒系統設計的主要特點：
a）將整個爐膛作為兩個大燃燒器組織燃燒，因此對每隻燃燒器的風量、粉量的控制簡單。
b）鍋爐負荷變化時，燃燒器按層切換，使爐膛各水平截面熱負荷分布均勻。
c）對煤種適應性強。
d）由於爐膛內氣流旋轉強烈，與煤粉顆粒混合好，而且延長了煤粉顆粒在爐內流動路程。
e）解決了鍋爐爐膛出口左右煙溫偏差問題。
2.2 上海鍋爐廠
上海鍋爐引進的鍋爐有單爐膛單切圓、塔式布置和單爐膛雙切圓、P型布置兩種方式。
鍋爐燃燒方式採用從ALSTOM公司引進的低NOx切向燃燒系統（LNTFSTM），具有以下技術特點：
LNTFS是一種經過考驗的成熟技術，迄今在全球範圍內已有超過200臺的新建和改造鍋爐的成功運行業績，總的裝機容量大於62000MW；
ALSTOM公司至今已經有94臺雙切圓的鍋爐，其中49臺容量大於675MWLNTFS在降低NOx排放的同時，著重考慮提高鍋爐不投油低負荷穩燃能力和燃燒效率；
通過技術的不斷更新，LNTFS在防止爐內結渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨特的效果；
ALSTOM公司最新的燃燒器設計技術，其燃燒器設計改進主要如下：
1、採用CCOFA和SOFA實現對燃燒區域過量空氣係數的多級控制；
2、採用可水平擺動調節的SOFA噴嘴設計，控制爐膛出口煙溫偏差；
3、燃燒器擺動系統設計的改進；
4、採用強化著火煤粉噴嘴設計；
5、帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉輔助風設計；
6、燃燒器採用不分組的型式。
燃燒設備採用低NOx同軸燃燒系統(LN TFSTM)，6臺碗式磨煤機中每臺磨煤機給6層燃燒器中一層燃燒器提供煤粉，整臺鍋爐包括4×6 = 24個燃燒器。每一個燃燒器有2個煤粉噴嘴，包括周界風、上層和下層風、中間風，此外還包括一個偏置風，它處於上層風噴嘴的上面，來隔離火球和水冷壁，以避免水冷壁的CO腐蝕。
在爐膛燃燒器區域，大量火焰沿著爐膛中心循環，同時煤粉與一次風的混合也比較慢。這樣，燃燒過程比較緩慢，可以降低熱力NOx的生成。而且，在燃燒系統中還採用如下措施進一步減少NOx的排放：
(1) 爐膛尺寸的選擇針對燃用煤種有充分的裕度；
(2) 燃燒噴嘴之間有足夠的間距；
(3) 對不同的燃燒器採用分級送風；
(4) 燃燒器區域燃燒空氣過量小於理論空氣量,同時布置分離二次風。
(5) 上排燃燒器和受熱面之間高度可以確保煤粉燃盡。屏式受熱面選擇採用足夠大的橫向節距,這可以保證受熱面不會出現結渣。
煤粉燃燒器為切向燃燒，主風箱設有6層強化著火煤粉噴嘴，在其四周布置有燃料風（周界風），每相鄰兩層煤粉噴嘴之間布置1層輔助風噴嘴，其中包括上下兩隻偏置的CFS（Concentric Firing System）同心切圓噴嘴。在主風箱上部設有兩層CCOFA（Closed-Coupled OFA）緊湊燃盡風噴嘴，在主風箱下部設有一層UFA（Underfire Air）火下風噴嘴。在主風箱上部布置有5層（SOFA分離燃盡風）噴嘴，以降低NOX排放量。
採用CFS同心切圓燃燒噴嘴有的特點：a）在各種負荷工況下熱分布均勻；b）爐膛煙溫低；c）燃燒完全；d）爐膛出口溫度可控；e）生成NOx最少。
採用SOFA燃盡風噴嘴的特點：a）可調的偏轉角度；b）可調的節距
2.3 東方鍋爐廠
東方鍋爐廠引進了日本日立-巴布科克公司（BHK）的超臨界直流鍋爐技術。採用前後牆對衝燃燒方式。東方鍋爐廠在引進的HT-NR3燃燒器基礎上進行了改進，自主開發了有智慧財產權的燃燒器，在一些工程中進行了應用。
採用最新型低NOx旋流燃燒器（HT-NR3），其基本原理為：快速著火，高火焰溫度，火焰內還原NOx，同時達到高的燃燒效率和低的NOx排放。
燃燒器構造為：在一次風通道中布置煤粉濃縮器，通過火焰穩燃環和煤粉濃縮器的有機結合，達到穩燃、抑制NOx生成；設直流二次風和旋流二次風參與燃燒；二次風通過燃燒器內同心通道送入爐膛，參與燃燒。三次風通道內設有獨立的旋流裝置，從燃燒的不同階段送入爐膛；燃燒器內設有中心風管。
在降低NOx排放措施上採用分級燃燒方式。低NOX旋流燃燒器為單噴口分級燃燒，降低燃料型NOx，燃燒器區域NOx迅速分解。燃盡風採用優化的雙氣流結構，中央部位的氣流採用非旋轉的氣流，它直接穿透進入爐膛中心，補充燃盡所需空氣。邊部風口採用旋轉氣流，在水冷壁面形成氧化性氣氛，可有效防止高溫腐蝕和結渣。採用燃盡風，組織全爐膛的分級燃燒，進一步降低NOx生成。主燃燒區域採用低於0.8～0.9的燃燒化學當量比，保持還原性氣氛，在燃盡風口送入平衡風，達到完全燃燒。
在防止鍋爐結渣的措施上採用具有良好防結渣性能的前後牆對衝燃燒π型爐；鍋爐爐膛設計充分考慮防止爐膛結渣的需要，合理選擇爐膛熱力指標和爐膛結構參數；燃燒器的設計和布置充分考慮防結渣措施；受熱面布置考慮防止結渣；爐膛易結渣區域合理布置吹灰器。
東方鍋爐廠採用單爐膛「Л」型布置、平衡通風、前後牆對衝燃燒方式，低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器，尾部為雙煙道，再熱汽溫採用煙氣擋板調節。
燃燒器採用前、後牆對衝分級燃燒技術。在爐膛前、後牆各分三層布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器，每層布置8支燃燒器，共設有48隻。在最上層燃燒器的上部布置一層燃盡風噴口（AAP），每層10隻。
【一次風】一次風由一次風機提供。它首先進入磨煤機乾燥原煤並攜帶磨製合格的煤粉通過燃燒器的一次風入口彎頭組件進入HT-NR燃燒器，再流經燃燒器的一次風管，最後進入爐膛。一次風管內靠近爐膛端部布置有一個錐形煤粉濃縮器，用於在煤粉氣流進入爐膛以前對其進行濃縮。經濃縮作用後的一次風和二次風、三次風調節協同配合，以達到低負荷穩燃和在燃燒的早期減少NOx的目的。
【二次風、三次風】燃燒器風箱為每個HT-NR3燃燒器提供二次風和三次風。風箱採用大風箱結構，同時每層又用隔板分隔。在每層燃燒器入口處設有風門執行器，以根據需要調整各層空氣的風量。風門執行器可程控操作。
二次風和三次風通過燃燒器內同心的二次風、三次風環形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。燃燒器內設有擋板用來調節二次風和三次風之間的分配比例。二次風調節結構採用手動形式，三次風採用執行器進行程控調節。
三次風通道內布置有獨立的旋流裝置以使三次風發生需要的旋轉。三次風旋流裝置設計成可調節的型式，並設有執行器，可實現程控調節。調整旋流裝置的調節導軸即可調節三次風的旋流強度。在鍋爐運行中，可根據燃燒情況調整三次風的旋流強度，達到最佳的燃燒效果。
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