知识点：
①层燃炉系统及工作特点
②室燃炉系统及工作特点
③沸腾炉系统及工作特点
④垃圾焚烧炉系统及工作特点
微课视频：
视频讲义：
1. 我们常用的燃烧设备是锅炉，其中按燃料在炉内的气固流动特性又可以分为层燃炉，室燃炉，沸腾炉等不同的炉型。层燃炉也称为火床炉，其特点在于存在一个放置燃料的炉排，一般为金属制作，燃料在炉排上形成均匀的、有一定厚度的燃料层进行燃烧。比较常见的层燃炉炉型包括链条炉、往复炉排炉和抛煤机炉等。链条炉的结构如图（4-5）所示，燃煤经煤斗进入炉内并堆积在炉排上，炉排在外力的驱动下缓慢移动，使得入炉煤在路牌上形成一层均匀的燃料层，并在空气的助燃作用下进行燃烧；入炉空气从各分区送风仓内送入，之所以采用分区送风是为了保证各区域的过剩空气系数可以尽可能达到最佳经济效益，燃尽后的燃料运动到炉排的尾端，在除渣板，也称做老鹰铁的外力作用下进入渣斗内。炉排下方还设置有灰斗，主要用于收集燃煤随炉排缓慢运动过程中泄露的细颗粒等。炉排是链条炉的重要部件，常见的炉排有链带式炉排（图4-6）和鳞片式炉排（图4-8）等，炉排除带动燃料由燃料入口向出渣口移动外，还起到均匀布风，加强燃料扰动等功效，其工作性能对链条炉的运行效率起到关键的作用。链条炉的配风是分区配风的，其配风原则主要基于匹配煤粒燃烧所经历的几个阶段，其中在I区段内煤粒完成预热干燥，在Ⅱ区段内煤粒释放出挥发物并开始着火燃烧，然后进入焦炭燃烧的第Ⅲ区段，该区段又分为氧化层和还原层；最后是燃尽区段，即灰渣形成的区段Ⅳ，不同区段内的配风应当匹配其燃烧状况，在因此沿炉排运动方向上，不同区域的烟气成分及含氧量变化非常显著。为了提升链条炉的锅炉效率，改善其炉内的燃烧状况，常用的优化措施包括分段送风，设置炉拱，包括前后拱，在炉膛喉口处设置二次风，以及分层燃烧技术等。其中，设置炉拱的目的一方面可以强化炉墙对炉排的辐射传热利于燃烧，同时也可以增加烟气回流以加速入炉煤的着火；设置二次风则可以加强炉内扰动，加速可燃物和空气之间的扩散。总的来说，链条炉燃烧由于是单面引火、着火条件相对较差，燃烧层无自行扰动，煤种适应性也比较差，煤中水分及挥发份含量，煤的粒度，粘性及灰分含量对链条炉的工作状况都有较大的影响。
往复式炉排炉是另一种层燃炉系统（图4-13），其特点在于可以利用炉排往复运动来实现给煤、除渣等工作。其炉排的布置可以水平布置也可以倾斜布置，一般用于2~6t/h的蒸汽锅炉或相应容量的热水锅炉。往复式炉排的优点在于煤的着火条件好，煤种的适应性强，结构简单，制造工艺要求不高，金属耗量低等；而缺点也较多，包括炉体高大，侧密封结构比较难处理，易漏风、漏煤；活动炉排片头部因其不断与灼热的煤层接触，容易烧坏等。
抛煤机炉（图4-14）是采用抛煤机+固定炉排或链条炉排的一种炉型，入炉煤是被抛射入炉膛内的，其抛射的动力来源有机械式和风力式两种。抛煤机炉的优点在于，新煤层双面受热，其燃烧条件较好，细煤粒在抛入的炉膛空间中燃烧，相当于在层燃燃烧的基础上增加了一部分悬浮燃烧，有助于提高燃烧效率，且煤种的适应性也更好。但是抛煤机炉的入炉煤粒径不易过大，且由于很多细颗粒在炉膛空间中燃烧，其飞灰量较其它层燃炉而言较多。
2. 对燃煤而言，最常见的室燃炉系统是煤粉锅炉，这也是电站锅炉中最主要的一种炉型，其燃烧设备主要由炉膛、燃烧器和点火装置组成。炉膛是煤粉炉的燃烧室，煤粉在气力输送作用下进入炉膛并在很短的时间内完成燃烧。为保证燃烧效率，煤粉炉炉膛应当具有足够的容积和高度，其燃烧器的布置合理，能有效的组织燃烧；炉膛内空气动力特性合理，火焰充满度好，但又不直接冲刷炉墙，避免出现结渣和高温腐蚀现象。炉内辐射受热面应布置合理，并保证可靠的水动力特性，且能够按设计要求冷却炉膛出口烟气，使得炉膛出口烟温达到设计值；炉膛内所布置的燃烧器必须保证燃料和空气在进入炉膛时能充分混合、及时着火和稳定燃烧，其中入炉空气包括将煤粉送入炉膛的一次风，炉内加强燃烧和扰动的二次风以及在制粉系统中回收部分煤粉细颗粒的三次风。对煤粉炉燃烧器有一些基本的要求，包括：1) 能使煤粉气流稳定地着火；2) 着火后，一、二次风及时合理混合，燃烧效率高；3) 火焰在炉内的充满程度好，且不冲墙贴壁，避免结渣。4) 较好的燃料适应性和负荷调节；5) 煤粉气流阻力较小；6) 能有效减少NOx的排放。按照燃烧器出口气流特性可分为直流燃烧器和旋流燃烧器，前者出口气流为直流射流（图4-19），后者出口气流为旋转射流（图4-18）。
其中直流燃烧器一般布置在炉膛四角、炉膛顶部或炉膛中部的拱形部分，从而形成四角切圆燃烧方式、U型火焰或W火焰燃烧方式。四角切圆燃烧方式中（图4-20）每个角的燃烧器出口气流的几何轴线均切于炉膛中心的一个假想圆，四角射流着火后相交，相互点燃，利于稳定着火，且四股气流在炉内强烈旋转，克服了直流射流本身卷吸高温烟气的能力不够强的缺点，有利于燃料与空气的扰动混合，而且火焰在炉内充满程度较好。对于固态排渣煤粉炉的假想切圆直径取值已经有了比较规范的标准（表4-2），采用四角切圆的布置方式使得煤粉炉调节灵活，对煤种适应性强；炉膛结构简单，便于大容量锅炉的布置；而且还有利于减少NOx的排放。而U型或W型火焰布置方式则是在在燃烧室顶部布置燃烧器的燃烧方式（图6-41），由于煤粉从炉膛顶部向下喷射燃烧，燃烧产生的高温烟气正好回流到煤粉气流的根部，最有利于低挥发分煤着火和燃烧。
直流燃烧器喷口的布置根据煤种特性的不同而有所不同，一、二次风喷口的排列方式分为均等配风和分级配风两种，均等配风方式常用于燃烧烟煤、褐煤，是指一、二次风喷口相间布置,或者每个一次风喷口的背火侧均等布置二次风喷口，其喷口间距较小, 二次风风量分配接近均匀。一、二次风的较早混合，煤粉气流着火后能迅速获得足够的空气补充，火焰根部不致缺氧（图4-23）。分级配风常用于燃烧无烟煤、贫煤，是指一次风喷口相对集中布置，并靠近燃烧器的下部，二次风喷口则分层布置，而且一、二次风喷口边缘保持较大的距离,推迟一、二次风的混合，以保证较好的着火条件。常见的直流燃烧器有WR型燃烧器，钝体燃烧器，大速差射流燃烧器等，以WR型浓淡偏差燃烧器为例（图4-25），其工作原理是煤粉气流通过管道弯头转弯，受离心力作用，大部分煤粉紧贴着弯头外侧进入煤粉喷嘴，上部为高浓度煤粉气流，下部为低浓度煤粉气流。其中高浓度煤粉对煤粉火炬的稳燃有许多积极作用，包括能使一次风煤粉气流的着火热减小；加速着火前/后煤粉化学反应速度，并使着火稳定；煤粉气流的着火温度降低；缩短着火时间和着火距离，有利于煤粉的燃尽；还可以增加火焰黑度和辐射，促进着火，并提高火焰传播速度，以及降低NOx的生成量等。
旋流燃烧器是指煤粉气流或热空气通过旋流器时，发生旋转，从喷口射出后即形成旋转射流。这种燃烧器能够形成利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合最常见的旋流燃烧器包括1. 单蜗壳扩锥型旋流燃烧器，在该燃烧器内二次风气流通过蜗壳旋流器产生旋转，一次风经中心管直流射出，不旋转，出口处有一个扩流锥。其特点是：一次风阻力小,射程远，后期扰动好，有较好的煤种适应性，但其扩流锥容易烧坏。第2种是双蜗壳旋洗燃烧器，在此燃烧器内一、二次风都旋转,方向通常相同,蜗壳入口处装有舌形挡板，中心管装置点火用的重油喷嘴。有利于加强前期的混合，适用烟煤和褐煤，但煤种适应范围不广，运行阻力较大。第3种是轴向叶片旋流燃烧器，该燃烧器利用固定或沿轴向移动可调的轴向叶片导向使气流产生旋转，其中心回流区较小、较长，只适合燃用易着火的高挥发分燃料。第4种是切向叶片式旋流燃烧器，该燃烧器通过可动的切向叶片变成旋转气，流阻力较小，通过改变叶片角度，可以调节旋流强度及回流区大小。旋流燃烧器的布置方式一般有前墙布置、前后墙对冲或交错布置等。一般来说，锅炉容量较小，前墙单排或多排布置；锅炉容量大，则前后墙或两侧墙对冲或交错布置，单排或多排布置。若燃烧器布置在前墙，可以不受炉膛截面宽深比的限制，但炉膛火焰充满度较差，火焰的扰动较差。若燃烧器布置在前后墙或两侧墙时，冷灰斗处便会形成停滞旋涡区。火焰充满程度较好，扰动性也较强。若燃烧器布置在炉顶，煤粉火炬可沿炉膛高度自由向下发展，炉内火焰充满程度也较好。但其缺点是引向燃烧器的煤粉及空气管道特别长，只在采用W火焰燃烧技术的较矮的下炉膛中才应用。
在煤粉炉中，为了保证燃烧效率并减少排烟热损失，其过剩空气系数取值较小，而煤粉在炉内的一次停留时间也较短，为保证充分燃烧，炉膛温度一般较高，火焰中心温度可高达1500℃，因此除燃料型NOX生成外，还有大量热力型NOX生成。为减少煤粉锅炉NOX的生成量常采用的方法包括：空气分级燃烧（图4-33），燃料分级燃烧，烟气再循环或者低NOx燃烧器或者燃烧系统等。虽然采用的技术方法不同，但其根本途径都是在易生成NOX的区域通过降低炉内温度或氧气浓度，制造缺氧、富燃料燃烧的还原性气氛来实现低NOX生成和排放的。
3. 除层燃燃烧方式和以煤粉炉为代表的室燃燃烧方式外，流化床燃烧方式是介于层燃与煤粉燃烧之间的一种洁净燃烧方式，其中循环流化床燃煤锅炉已经成为媲美煤粉炉的另一种大型化商业化应用的电站锅炉，最大机组容量已达600MW。当流化风通过位于炉膛底部的布风装置进入装有一定厚度的床料后，由于气体对炉膛内床料的曳力作用，炉内床料层将依次经历固定床，移动床（流动床），鼓泡床，湍流床，快速床，密相气力输送和稀相气力输送的气固流动状态（图4-39）。若在炙热的床层内加入燃料，甚至是热值较低的劣质燃料，均可在强烈的气固流动中被充分燃尽，其燃料适应性极好，气固混合和燃烧强度大，且与煤粉炉相比，燃料颗粒在炉内的一次停留时间也比较长，有利于大颗粒燃料的充分燃尽。常见的流化床锅炉包括鼓泡床锅炉和循环流化床锅炉。鼓泡床炉内床层处于鼓泡床状态，气固滑移速度相对不高，床温维持在900℃左右，可以燃用劣质燃料，燃烧热负荷高，金属耗量和成本较低；低温燃烧也可以有效减少热力型NOX的生成，实现炉内脱硫，且负荷调节性能好，且灰渣易于综合利用。但鼓泡床锅炉也存在一些缺点，比如锅炉热效率低，运行电耗大，埋管受热面磨损严重等。在鼓泡床的基础上，通过提升流化风速，从而使得炉内气固流动状态向快速床甚至气力输送状态转变，且在炉膛出口安装颗粒收集回收装置将离开炉膛的固体颗粒送回炉内循环燃烧换热，便形成循环流化床燃烧方式，简称CFB。CFB燃烧系统主体由流化床燃烧室即炉膛、飞灰分离收集装置、飞灰回送器、外置换热器等组成。其中燃烧室以二次风入口为界分为两个区，下部为大颗粒还原气氛燃烧区，上部为小粒子氧化气氛燃烧区，在燃烧室内受热面完成大约50%燃料释热量的传递过程。燃烧室出口设置飞灰分离收集装置，最常见的是旋风分离器，利用烟气切向射入分离器时的离心力，将固体颗粒分离下来，并通过回送装置送回炉膛。分离器是CFB锅炉关键部件之一，将对燃烧室的气动、传热特性、飞灰循环、燃烧效率、锅炉出力和蒸汽参数，脱硫率，负荷调节范围等产生影响。飞灰回送装置主要是将分离器收集下来的飞灰送回燃烧室循环燃烧，且保证流化床内高温烟气不经过送灰器短路流入分离器，其运行性能对锅炉燃烧可控性、锅炉负荷调节起决定性作用。外置式换热器并非CFB锅炉必要的部件，在某些炉型上安装使用，用于布置省煤器、蒸发器、过热器、再热器等受热面，经受热面换热后的低温飞灰送回炉膛可用于控制炉膛床层温度。
CFB锅炉按其分离器形式可分为旋风分离器型、惯性分离器型、炉内卧式分离器、炉内旋涡分离器型、组合分离器型等。若按分离器工作温度可分为高温分离器型、中温分离器型、低温分离器型、组合分离器型。按燃烧室压力可分为常压流化床锅炉和增压流化床锅炉，后者可与燃气轮机组成联合循环动力装置。还可以按有无外置式换热器进行区分等等。无论如何分类，所有CFB锅炉都具有以下优点：1)对燃料适应性广，2)燃烧效率高达95-99% ，3)燃烧强度大，4)可炉内加石灰石脱硫，5)炉膛温度较低，减少 NOx排放；6)负荷变化范围大，调节特性好；7)给煤点数量少；8)炉膛内无埋管磨损；9)灰渣含碳量低，活性好，可综合利用。同样，CFB锅炉也存在自耗电高，炉墙及受热面磨损较严重等缺点，还需要进一步在设计和运行中进行优化。总体而言，CFB锅炉现已成为媲美煤粉炉的唯一大型化商业化应用的洁净煤燃烧发电技术，在我国乃至世界的火电行业发挥越来愈大的作用。
4. 最后，我们来简单了解一下垃圾焚烧炉系统。垃圾焚烧炉并非一种新的燃烧方式，而采用传统的层燃炉或者流化床炉的燃烧方式来实现燃烧垃圾。其工艺及设备与采用同样燃烧方式的燃煤锅炉基本一致。采用层燃燃烧方式时，垃圾入炉粒径要求不高，一般经过简单的干燥破碎后即可送入炉膛内。而若采用流化床燃烧方式时，垃圾需要破碎为8mm以下的颗粒以适应流化床内的气固流动状态，其预制成本较高，但燃烧强度和燃尽效果更好。重庆垃圾焚烧发电技术研究院与美国卡万塔公司合作，提出了一种垃圾气化燃烧的工艺流程，并完成了中试实验。其基本思路是将垃圾优先在气化炉的还原性气氛下完成气化，气化合成气送入旋风燃烧室完成燃烧，而气化后的固体残余物则送入燃尽室进行燃尽，其中燃尽室内处于氧化性气氛条件下，其燃烧产生的烟气即可作为气化室的一次风。这种垃圾先气化后再燃尽的燃烧方式可有效提升垃圾燃烧效率，减少排烟热损失和污染物排放，而净化后的垃圾合成气可直接作为燃料燃烧再冲转燃气轮机发电。学有余力且有兴趣的同学可以去参观了解一下位于我校KF栋的垃圾气化燃烧中试基地，可更加直观的了解其工艺及设备。
