1　多相气流的火焰稳定
　　煤粉着火的传统观点是：一次风中的煤粉着火靠卷吸回流和炉气来加热，其首位影响因素是一次风量；煤粉着火以后二次风应及时加入，最好分批掺混，其首位考虑因素是煤的挥发份；燃烧器区域如保持高温，有利于着火稳定。为此应保证合适的炉膛截面热强度，此外二次风如延误加入不仅丧失时机，也易影响燃烧器区域温度水平。
　　沃朗斯基对层流煤粉气流绕流V型钝体的火焰稳定问题作了实验研究，还进行了二维煤粉气流燃烧过程的数值计算。研究者注意了两相流中煤粉颗粒的运动惯性比气体大，因而在层流中取用不同的扩散系数作浓度分布的近似计算，因此，即使在小Re数气固两相中颗粒和气体也是有相对滑移的。由此可计算出煤粉气流在钝体后的温度分布以及煤粉挥发物和氧的浓度分布，从而分析了不同参数(来流速度、温度、煤粉浓度、氧浓度和钝体尺寸)下煤粉火焰的灭火临界条件。计算得到的层流煤粉的灭火条件是和实验结果接近的。但是，沃朗斯基未考虑流线弯曲时煤粉颗粒的离心作用，而且还只是分析了小雷诺数(Re=700～2 100)下的层流煤粉火焰的稳定问题。
　　对我国工程实用的旋流式煤粉预燃室的计算和实验(粒径20～100 μm，一次风旋流数S=0.28)表明，煤粉喷出旋流叶片后不远处就有很多颗粒集中在约900 ℃的高温区域，此处煤粉的局部质量浓度为1～3，而原来一次风中的煤粉浓度为0.3～0.5。实验测得，此局部区域中的氧浓度也较高(10%)。这个“三高区”高煤粉浓度、高温和较高氧浓度的区域)就是保持煤粉火焰稳定的煤粉着火有利区。
　　在回流区边缘的这个局部区域中煤粉能有较高的浓度，是因为一次风旋流强度较小，煤粉比气体有较大的轴向运动惯性，和煤粉一起喷出的气体有相对的滑移和分离，气体较多地贴着圆锥形壁面流动，煤粉则在回流区的边界集中，就形成了“三高区”，船形体火焰稳定器较好地体现了“三高区”稳燃原理。煤粉颗粒在此局部区域中被迅速加热、升温，很快析出挥发物并着火燃烧，因而成为稳定的煤粉着火有利区。合理设计的预燃室煤粉颗粒经过此区域着火后，由于根部二次风和出口二次风的及时送入，着火的煤粉就分散到含氧充分的主气流中去，有利于煤粉的迅速燃烬和继续升温。当旋流式煤粉预燃室中一次风旋流强度过大时(旋流数S＞0.6)，煤粉颗粒由于离心作用而会被迅速甩向筒壁，颗粒较长时间处于靠近壁面的温度不高的主气流中，未能形成“三高区”，煤粉不易着火，火焰不易稳定。
　　“三高区”的稳燃原理在解释和稳定煤粉燃烧方面已取得了较好的成功和应用事例。但在其着火过程的燃烧学分析方面还希望做进一步的工作。

2　有限空间内稳焰
　　如果把前述各种措施配上预燃室或其雏型——稳燃腔，那么稳燃性能还可以加强。预燃室结构可以减少着火区的辐射散热，这对升炉点火十分有利，也可以更准确地控制预燃室内的空气供应。

3　煤粉火焰稳定燃烧技术
　　火焰稳定技术在我国的发展是很快的，尤其是各种煤粉燃烧器及其稳燃技术研究成果很多。虽然目前有各种各样的煤粉燃烧器存在，但就其机理而言，可分为旋流式燃烧器和直流式燃烧器2大类。
　　旋转射流和直流射流的流动特性有明显的差别：(1)旋转射流不但有轴向速度、径向速度，而且还有切向速度。其显著特点是产生了回流区，在回流区中，轴向速度是反向的，旋转强度愈大，回流区尺寸也随之增大。(2)切向速度衰减很快，轴向速度衰减较慢，但比直流射流衰减快得多，因此在同样的初始动量下，旋转射流射程短。(3)旋转射流的扩展角比直流射流大，旋转强度加大，扩展角随之扩大。旋转射流中的一二次风混合很强烈，但难以控制，一般失之过早。
3.1　旋流式燃烧器
　　旋流式燃烧器分别为：
　　(1)双蜗壳煤粉燃烧器。
　　(2)单蜗壳—扩锥型煤粉燃烧器。
　　(3)切向叶片式旋流煤粉燃烧器。
　　(4)一次风替换型(PAX)旋流燃烧器。这种燃烧器宜于燃烧低挥发份煤种，因为用热风替换乏气作为一次风以后即使是在直吹式制粉系统中也能用上热风送粉。
　　(5)轴向叶片式旋流煤粉燃烧器。除了用轴向叶片使二次风旋转以外，一次风可不旋转，也有的在出口处装有扩锥；有些改型设计的旋流式煤粉燃烧器还具有能燃烧劣质煤和低负荷稳燃的功能。这种新型燃烧器的结构具有2个显著的特点：一是在一次风通道的外壁内侧上布置了来复线型的凸条，可起到弥散煤粉的作用；二是将二次风的旋流蜗壳改成大风箱结构，可改善二次风分配和保持阻力不过大。工业试验及应用表明，这种旋流燃烧器解决了在低负荷或煤质较差工况时燃烧不稳的问题，使锅炉具备了在50%负荷下断油调峰的能力。
　　(6)IHI-WR旋流煤粉燃烧器。这种日本石川岛播磨重工业株式会社(IHI)生产的燃烧器，在入口处采用一台卧式旋风分离器，可使煤粉浓缩，由低负荷喷口喷出。低负荷时该分离器单独运行，高负荷时该分离器还被旁路一部分一次风。由于从低负荷喷口出来的始终是浓煤粉空气混合物，因此它在任何负荷下均有利于着火的稳定。试验结果表明，这种燃烧器能够在其负荷的10%～15%的最低出力下运行。
　　(7)PW型旋流燃烧器。普华煤燃烧技术开发中心的PW型旋流燃烧器的二次风分3级，每级用3根喷枪喷入，着火稳定性很好；一二次风掺混合理且调节灵活系其关键。
3.2　直流式燃烧器
　　大部分直流煤粉燃烧器布置在煤粉炉炉膛的四角或其附近，气流射向炉膛中的假想切圆，在炉膛中合起来形成火焰圈，向上汇集成略有旋转的上升火焰。这种煤粉燃烧器的气流和火炬之间的相互影响的作用很重要。
　　直流式燃烧器分别为：
　　(1)普通型直流煤粉燃烧器(含均等配风和分级配风)。
　　(2)摆动式直流煤粉燃烧器。
　　(3)多功能船形体燃烧器。这种燃烧器利用船体型火焰稳定器，使煤粉气流在喷口射出后不远处，形成一束腰射流。在束腰部的两侧外缘形成高温、高氧和高煤粉浓度的“三高区”，成为引燃煤粉气流的良好着火源，从而达到稳定炉内燃烧的目的。可在低负荷下不投油和启动时节省点火用油，能较好地适应实用煤种的较大幅度的变化，还有抑制燃烧过程中生成NO_x等功能。
　　(4)稳燃腔燃烧器。试验表明(试验用煤为烟煤、贫煤和劣质煤)，煤粉在稳燃腔一出口就着火燃烧，火焰稳定，能在40%～60%的锅炉额定负荷下脱油稳定运行。
　　(5)带有乏气分离器的褐煤直流燃烧器。褐煤的特点是挥发份高、灰分大、灰熔点低，有些年轻褐煤的水分特别高。在燃年轻褐煤时，在直吹式制粉系统中必须抽取高温炉烟作为干燥剂。由于大量惰性成分和水蒸汽的存在使燃烧器出口的煤粉气流不易着火，德国、波兰等国的方案是将从磨煤机来的煤粉空气混合物经过燃烧器入口处的旋流乏气分离器后，浓煤粉空气混合物由下部两层喷口喷入炉膛，含粉较少的乏气则在着火区上方的乏气喷口喷入，从而提高了着火的稳定性。经验表明，这种系统不适宜于水分和灰分含量之和小于60%～65%的褐煤，因为这时在燃烧器区域的炉膛内会使火焰温度过高而引起结渣。
　　(6)宽调节比(WR)直流燃烧器。美国CE公司生产的这种摆动式直流燃烧器，在可摆动的一次风喷口内装设水平放置的三角形扩锥。扩锥促进卷吸混合，有利于提高煤粉气流的着火性能，使锅炉在低负荷下也能有较好的燃烧稳定性。使用这种燃烧器时锅炉能达到较大的负荷调节比，因此又称之为宽调节比喷口。由于这种煤粉燃烧器的一次风管和喷口相连的弯头中，煤粉向外侧分离，造成煤粉浓度不均匀，利用中间隔板使这种浓度差异一直保持到喷口，从而达到提高煤粉浓度、进行铅直方向浓淡燃烧的目的。这也有利于整个喷口的煤粉气流容易着火和在低负荷下保持燃烧稳定。这种结构和喷口处带有不大的翻边扩锥出口共同使用，可以在低负荷(对于贫煤40%～60%，对于烟煤30%)不用油助燃保持稳定燃烧。
　　(7)U形或W形火焰直流煤粉燃烧器。U形或W形火焰宜于用来燃烧难着火的煤种，因为一二次风混合可灵活明确地加以控制。还可以组织高浓度煤粉着火。当燃用挥发份低于4%的无烟煤粉时，只需占锅炉总热量7%的油助燃即可保持稳定燃烧。
　　(8)钝体燃烧器。其主要原理是加强卷吸，后继研究发现，由于煤粒的惯性而产生局部煤粉富集。良好设计的钝体燃烧器可实现低负荷(50%～60%)稳燃和适应煤种变化的要求，还可燃用劣质煤。
　　(9)复杂射流燃烧器。利用另外的高速射流可产生回流区，并卷吸高温烟气加热主气流并使之着火。这类燃烧器使用的射流形式主要有同向射流和逆向射流2种，其中同向射流燃烧器有：a.扁平射流(风铲式)燃烧器；b.大速差同向射流燃烧器；c.大速差射流型双一次风通道通用煤粉主燃烧器；d.不对称射流(偏置射流)燃烧器。逆向射流燃烧器有：a.单股反吹射流燃烧器；b.多环形逆向(多股)射流燃烧器；c.逆向复式射流燃烧器。
　　(10)夹心风式直流燃烧器。在一次风喷口中间喷出一股速度较高的由二次风分出的夹心风，其着火则是靠窄长一次风口强烈卷吸炉气来保证的。可防止一次风气流的偏转贴壁，在煤粉着火后又可及时补充一些空气。
　　(11)犁形燃烧器。相当于把船形体切成两半，然后首尾相邻地倒装，也能产生“三高区”。
　　(12)PM燃烧器。PM燃烧器的技术关键是浓淡燃烧。实际运行中发现，这种燃烧器除了能够大幅度降低NOx生成量之外，还具有很好的低负荷稳燃性能。
　　(13)变异浓度煤粉燃烧器。为了弥补由于一次风管道弯头的分离作用而使得夹心风切向燃烧器中相对两角的向火侧的煤粉浓度降低的缺陷，在该两角一次风管道弯头后加上变异管和隔板，使煤粉浓度高者由背火转为向火(另两角一次风管道内只加隔板)，这样四个角均为浓煤粉气流向火，淡煤粉气流背火，从而取得了明显的稳燃效果。
　　(14)水平浓缩煤粉燃烧装置。用百叶窗煤粉浓缩器，把一次风煤粉气流分成高浓度煤粉气流，在向火侧的浓喷口喷入炉膛以及另一股淡煤粉气流，在背火侧的淡喷口喷入炉膛。两股气流在同一水平面上，形成水平浓淡燃烧。
　　试验结果表明，水平浓缩煤粉燃烧器与普通燃烧器相比可以缩短煤粉气流的着火时间，提高燃烧区域温度和煤粉的燃烬率。在燃用贫煤的锅炉上的运行表明，水平浓缩燃烧器的无油助燃稳定运行负荷范围大，对炉膛条件要求低，且易于与现有燃烧设备对接。
　　(15)煤粉浓淡分流及分路燃烧装置。该技术把垂直浓淡燃烧与预燃室结合起来。该技术用于燃用福建低挥发份无烟煤已取得了较好的效果。
　　(16)一次风更替(PAX)技术，切向燃烧炉如配直吹式制粉也可用PAX技术以达到热风送粉的目的。

4　煤粉火焰稳燃技术的发展前景
　　近几年来，我国电力工业持续发展，每年投产的新机组已连续几年保持10 GW以上，大容量火电机组日益增多。随着发电机组日益向大容量、大机组发展，以及环境保护的要求和意识的增强，电力工业对煤粉燃烧提出了越来越高的要求，概括起来主要有：燃烧的高效率、燃烧的稳定性、低污染以及良好的煤种适应性和快速负荷变化适应性。其中快速负荷变化适应性是工农业生产的季节性等因素，对电力生产提出的要求，这种变化程度可用“电网负荷峰谷比”表示。西方国家的峰谷比一般都较大(美国为1∶0.25～0.30，德国为1∶0.20～0.50)，我国一般为1∶0.70左右。电网调峰的方法是多种多样的，有专用的调峰机组，也有采用频繁的起停方式，更多的又是更方便经济的调峰方式是维持原有机组在低负荷下运行，其中的关键技术是锅炉低负荷燃烧的强化和火焰稳定性。
　　但是，能够同时满足上述要求的燃烧技术目前尚不多见，现有技术大多从某个方面，如稳燃(包括低负荷稳燃及劣质煤稳燃)、低污染等方面入手来解决燃烧问题。国内技术多从稳燃方面着手，而国外技术则以低污染为主。
　　煤燃烧过程是一个非常复杂的湍动流动过程和复杂化学反应过程，贯穿于燃烧器至炉膛(燃烧室)出口的全过程。就稳定燃烧技术而言，除了对燃烧器部分的行为理应进行深入研究之外，显然对炉膛(燃烧室)内部所发生的所有行为也应预以足够的重视，且应优先研究其流动行为(湍动过程)。否则可引起热偏差，严重时可引起过热器和再热器的局部超温爆管。迄今为止，着眼于燃烧器内外行为以稳定火焰和组织炉内良好燃烧的技术与理论已取得了很多突破和进展，有的已取得良好效果，如燃用劣质煤、减少飞灰含碳量、低污染、防结渣、煤种的适应性(互换性)、减少点火用油和满足调峰要求等。但仍然存在一些问题，虽然采取了一些指施，效果仍不理想。这些问题的解决，除了有待于燃烧理论和稳燃技术的突破外，与对炉膛(燃烧室)内空间进行的复杂行为的研究不够也有较大关系。
　　当然，就目前理论和技术状况而言，深入研究炉内行为还有很多困难，特别是燃烧、流动和化学反应的机理研究更是这样。尽管如此，炉内毕竟是煤燃烧和反应过程进行的主要场所，对炉内行为如研究得不全面彻底，现行的诸多问题的突破是难以实现的。期待和相信在不久的将来，将会取得许多理论和技术上的重要突破。

5　结论
　　对燃烧设备进行改进的目的在于：(1)促进着火即提高稳定性，有利于解决低挥发份和劣质煤的燃用困难；(2)加大不投油助燃的负荷调节范围；(3)降低NO_x生成，采用以下措施：提高煤粉浓度或采用浓淡燃烧；在燃烧室出口处组成“三高区”；明确而灵活的配风；热风送粉或一次风更替；使用预燃室结构。

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