（一）直流燃烧器的工作原理

从燃烧器喷口出来的气流称为射流。由直流燃烧器喷出的高速不旋转直流射流射入炉膛空间，炉膛可以近似看作是一个充满静止气体的无限空间，该射流可看作是直流紊流自由射流。

直流燃烧器单个喷口喷出的直流紊流自由射流如图510所示。射流以一定的初速度喷出后，在紊流状态下，气体分子微团一面前进，一面还横向运动。射流的这种横向运动，带动周围静止的气体一起前进，这种现象称为卷吸。卷吸使射流的范围逐渐扩大，流量增加，导致流速逐渐衰减，形成射流初始段和主体段。射流在环境介质（如烟气）中的贯穿能力是用“射程”来表示的。

图510　直流紊流自由射流示意图

图511　旋转射流示意图

（a）旋转自由射流；（b）射流卷吸和混合示意图

影响射程的因素如下。

1.射流初速度

喷嘴出口气流速度（射流初速）越大，射程越远，在喷嘴出口气流速度相同的情况下，喷口尺寸越大，射程越远。

2.喷口形状

矩形喷口射流与圆形喷口射流相比较，当截面大小相当、射流初速相同时，矩形喷口射流的射程较远。采用高初速、大尺寸的矩形喷口可以强化气流，故矩形喷口常被用作二次风或三次风喷口，以便射流能射到火焰深处，增加火焰内部扰动。而圆形喷口射程短，容易被其他气流所卷吸，故有的燃烧器把它用作一次风喷口，但是现代锅炉一次风喷口多数仍采用矩形喷口。

3.喷口尺寸

在喷口通流截面不变的情况下，如果将一个大喷口分为几个小喷口时，可增加射流的卷吸能力，但射程将缩短；反之，将几个小喷口合并起来集中布置的大喷口，射流的卷吸能力减小，射程增加，射流能射到离喷口更远的地方。

上述关于直流紊流自由射流的介绍，可以作为定性分析，但实际上炉膛不是无限空间，喷入的气流与炉内实际烟气也不同，所以，喷入的气流并不是自由射流。因此，实际的炉内空气动力工况必须结合试验，才能掌握其具体规律。

（二）直流燃烧器类型

目前，常用的直流燃烧器有WR型浓淡偏差燃烧器和PM型浓淡偏差燃烧器。

1.WR型浓淡偏差燃烧器

WR（Wide Range Coal Nozzle）燃烧器，即宽调节比燃烧器，是美国CE公司为了改善燃煤锅炉低负荷运行时的着火稳定性能，于20世纪70年代后期研制出来的直流燃烧器。

WR燃烧器的喷口可以做成整体摆动的形式，也可以做成上、下分别摆动的两部分。喷口整体摆动的WR燃烧器如图512所示。一次风粉混合物流过煤粉管道的最后一个弯头时，由于惯性力的作用，大部分煤粉颗粒，尤其是大颗粒紧贴着弯头的外侧进入直管段，形成上浓下稀的煤粉浓度分布。为了保持煤粉浓度的差异，在直管段中布置有水平的浓淡分隔板。否则，经过长约3倍弯头直径的距离后，煤粉浓度场又会变得比较均匀。

图512　WR型燃烧器

1—摆动式喷嘴；2—楔形钝体；3—浓淡分隔板；4—煤粉管弯头

这种燃烧器由于改善了燃料的着火条件，所以可提高锅炉的燃烧效率。与普通直流燃烧器相比，当过量空气系数为1.15～1.40时，锅炉最大出力下的燃烧效率高1%；当过量空气系数降到1.10以下时，普通直流燃烧器的燃烧效率降低较多，而WR燃烧器的燃烧效率几乎没有变化；当锅炉负荷为额定负荷的50%时，WR燃烧器的燃烧效率要比普通直流燃烧器高5%。上述技术特点使燃烧器成为一种高效、低NOx、能适应煤种和负荷变化的多功能燃烧器，尤其适用于燃用贫煤和无烟煤。

2.PM燃烧器

三菱重工（MHI）开发的PM（Pollution Minimum）直流燃烧器由浓煤粉喷嘴、淡煤粉喷嘴和浓淡分离器组成，如图513所示。它利用分配器弯头的转管及一定的管内流速进行煤粉浓度的重新分配，实现浓淡偏差燃烧的效果，其浓淡比可达9∶1。浓淡偏差燃烧具有明显的降低NOx排放的效果；有利于解决燃用低挥发分煤，出现的磨煤机所需风量与燃烧器最佳一次风量失衡问题，为采用直吹式制粉系统创造条件，实际运行发现，这种燃烧器除了能大幅度降低NOx生成量以外，还具有明显的低负荷稳燃性能。

图513　PM型燃烧器的分配器

（三）直流燃烧器的布置

直流煤粉燃烧器的出口由一组圆形、矩形或多边形的喷口组成。煤粉气流（一次风）、燃烧所需空气（二次风）以及由制粉系统来的乏气（三次风）分别由互相隔绝的不同喷口以直流射流形式喷进炉膛。

直流煤粉燃器可以布置在炉膛四角上，四角燃烧器喷出的四股气流在炉膛中心形成一个或两个假想切圆，这种组织燃烧的方法称为切圆燃烧，我国采用直流煤粉燃烧器的锅炉很多，大都采用此种切圆燃烧方式。另外还有W形火焰燃烧方式和U形火焰燃烧方式。

由于单个直流燃烧器喷口的射流本身卷吸高温烟气的能力不够强，还不足以使煤粉强烈着火，所以直流燃烧器都布置成四角切圆燃烧方式。这样就使得某一角上燃烧器煤粉气流着火所需要的热量，除依靠射流本身卷吸的高温烟气和接受炉膛火焰的辐射热以外，主要靠四角布置中来自上游邻角横扫过来的正在剧烈燃烧的火焰的混合和加热。煤粉气流受到这横扫过来的高温火焰的直接冲击，大大加强了紊流热交换，因此着火稳定性较好。这说明四角布置切圆方式中，四角燃烧器间的相互作用对炉内的着火和燃烧过程有重要的影响。因而在我国的燃煤电站锅炉中，应用最广的是四角布置切圆燃烧方式。

1.四角布置的切圆燃烧方式

直流燃烧器布置在炉膛四角，如图514（a）所示；有的墙形成切角，如图514（b）所示；对于宽度和深度不一致的炉膛，也可把四个燃烧器布置在两侧墙或前后墙，如图514（c）所示；大型锅炉可能出现双炉膛双四角布置，由双面曝光水冷壁把两个炉膛隔开，如图514（d）和图514（e）所示；也有采用单炉膛六角或八角布置，如图514（f）和图514（g）所示；另外，也有采用正反双切圆布置，如图514（h）所示；同向双切圆布置，如图514（i）所示；两角对冲两角相切等布置方式，如图514（j）所示。

每个角的燃烧器出口气流的几何轴线均切于炉膛中心的假想圆，故称四角布置切圆燃烧方式。这种燃烧方式，由于四角射流着火后相交，相互点燃，有利于稳定着火；四股气流相切于假想圆后，使气流在炉内强烈旋转，有利于燃料与空气的扰动混合，而且火焰在炉内的充满程度较好。

图514　切圆燃烧方式直流烟燃烧器布置方式

2.四角布置切圆燃烧的炉内空气动力特性

四角布置切圆燃烧的炉内空气动力特性如图515所示。四角布置的直流燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬，在离心力的作用下，气流向四周扩展，炉膛中心形成真空，即无风区；无风区的外面是气流强烈旋转的强风区；最外围是弱风区。气流在引风机抽力的作用下上升，在炉膛中形成了一个螺旋上升的气流。

切圆燃烧的炉内空气动力特性对煤粉的着火和燃烧都有很大的影响。从着火角度来看，从每一角的燃烧器喷出的煤粉气流，都受到来自上游邻角正在剧烈燃烧的高温火焰的冲击和加热，使之能很快着火燃烧，并以此再去点燃下游邻角的新煤粉气流，相邻的煤粉气流能互相引燃；再加上每股煤粉气流本身还能卷吸部分高温烟气和接受炉膛辐射热，因此，直流燃烧器四角布置切圆燃烧的着火条件是十分理想的。从燃烧角度来看，直流射流的射程长，在炉膛烟气中的贯穿能力强，着火后的煤粉火炬强烈旋转，使炉内的温度、氧浓度更均匀，加强了煤粉与空气的后期混合，也加速了煤粉的燃烧，所以煤粉气流的燃烧条件也是理想的。从燃尽的角度来看，气流螺旋上升，不仅改善了火焰在炉内充满度，均匀了炉内的热负荷，而且延长了煤粉在炉内的停留时间，这对煤粉的燃尽也是很有利的。由于切圆燃烧方式创造了良好的着火、燃烧和燃尽条件，因而对煤种的适应性广，故得到了广泛的应用。

3.四角布置切圆燃烧的炉内射流偏斜

图515　切向燃烧的炉内空气动力特性

Ⅰ—无风区；Ⅱ—强风区；Ⅲ—弱风区

在燃烧过程中，从燃烧器喷口射出的气流并不能保持沿喷口几何轴线方向前进，实际会出现一定程度的偏斜，气流会偏向炉墙一侧，使实际气流的切圆直径总是大于假想切圆直径。由于一次风煤粉气流动量最小，刚性最差，因此，一次风煤粉气流的偏斜也最厉害。当发生严重偏斜时，会导致煤粉气流贴附或冲击炉墙，引起水冷壁结渣等，故应减少一次风煤粉气流的偏斜。

造成射流偏斜的根本原因是四角布置方式的直接影响。射流与假想圆相切，这样就造成射流轴线与两边炉墙的夹角一边大，一边小，如图516（a）所示。此时射流两边同时卷吸烟气，在其周围形成负压区，炉膛中的烟气则不断地向负压区补充，由于夹角大的右侧（即A侧）空间大，补气比较充分，而夹角小的左侧（即B侧）空间小，补气就显得不足，所以A侧的压力将大于B侧的压力，产生一个由右向左的推力，使射流向左偏斜，如图516（b）所示，这就是射流产生偏斜的直接原因。

影响射流偏斜的主要因素如下：

（1）假想切圆直径。国内外的试验和运行证实，炉内实际切圆直径，远比设计的假想切圆直径大得多，如图517所示。较大的切圆可使邻角火炬的高温烟气更易于达到下角射流的根部，有利于煤粉气流的着火。同时切圆直径大，炉内旋转气流的旋转强度也大，扰动更强烈，使燃烧后期混合加强，有利燃尽；但切圆直径增加，将使两侧补气差异增大，一次风射流更易发生偏斜。

图516　射流偏斜

（a）补气情况；（b）偏斜

图517　假想切圆直径与实际切圆直径

（2）上游邻角射流的横向推力与射流刚性。切圆燃烧的炉膛中，上游邻角射流对下游射流产生一定的横向推力，推动气流强烈旋转，同时也迫使下游射流向炉墙一侧偏斜。推力的大小决定于上游射流的总动量，其中主要是二次风的动量。因此，增加一次风的动量或减小二次风的动量（即降低二次风与一次风的动量比），可减轻一次风偏斜。一次风动量越大，射流刚性越强，一次风射流抵抗偏斜的能力越强，射流的偏斜也就越小。

（3）燃烧器的结构特性。燃烧器的高宽比或一次风喷口的高宽比越大，整组射流的刚性及一次风射流的刚性就越低，一次风射流的偏斜就越严重。(www.daowen.com)

4.烟气在炉膛出口的残余旋转

切圆燃烧方式的锅炉，炉内气流旋转上升，产生的旋转动量矩较大，同时，因为高温火焰的黏度很大，到达炉膛出口处就会存在较大残余旋转。残余旋转是指炉膛出口截面上烟气的残余旋转动量矩与断面上全部气流的旋转动量矩的比值，比值越大，表示残余旋转越大。

随锅炉容量的增加，炉膛出口扭转残余有增大的趋势，200MW、300MW、600MW机组锅炉炉内空气动力场模化试验表明，残余旋转较大的锅炉水平烟道左右两侧平均速度之比可达1.24、2.0和2.5。增加的原因是：随锅炉容量增加，锅炉四角射流动量随容量成比例增加，致炉膛气流出口扭转残余增加。

残余旋转会使炉膛出口及水平烟道的烟速和烟温分布不均匀程度加大，引起较大的热偏差，导致过热器超温或结渣。

现代大容量锅炉的炉膛上部均布置有大量屏式受热面（分隔屏过热器、后屏过热器和屏式再热器）。对于逆时针旋转切圆燃烧锅炉，上炉膛左侧烟室内烟气流动阻力大于右侧，因此，左侧烟气流量低于右侧流量，但左侧烟室内气流的运动机理比右侧复杂，存在一个气流衰减、滞止和反向加速的过程，气流扰动强烈，而右侧气流运动情况简单，为平稳加速流向水平烟道的过程。由于左侧烟室内气流强扰动产生的对流强化效应，造成了炉膛左侧受热面吸热多于右侧；而另一方面，右侧气流的惯性速度指向炉后，其主气流只经过屏式受热面的下部区域甚至不经过屏式受热面就直接进入了炉后，使得右侧烟室中的烟气充满程度远低于左侧烟室，左右侧烟气主流走向示意如图518所示，这些导致屏式受热面出口工质温升呈左高右低分布特性。

图518　上炉膛中的烟气流走向示意图

为减轻残余旋转对锅炉工作的影响，常采取以下措施：

（1）减小假想切圆直径。炉内切圆直径增大，特别是燃烧器上部切圆直径增大，会导致炉膛出口气流扭转残余增大，故减小炉内切圆直径，有利于减小扭转残余。

（2）在炉膛上部布置偏置的前分隔屏。有研究人员提出了在炉膛上部布置偏置前分隔屏的方法，以便更好地起到分割和导向炉膛出口气流的作用，同时还可消除水平烟道内烟速左右分布的不均匀。

（3）布置反切风。将一次风或部分二次风、燃尽风、三次风与主体旋转气流反切，即该部分射流与主体射流以一定夹角从相反的旋转方向喷入炉膛，是消除炉膛出口气流扭转残余、降低水平烟道内左右侧烟气偏差的有效手段。

反切方案一般有如下几种：

1）部分一次风反切，其余二、三次风正切。

2）部分或全部二次风反切，一、三次风和其余二次风正切。

3）三次风反切。

4）两角对冲，另两角燃烧器相切。

选择以上各种反切方案时，必须结合燃用煤质、锅炉和燃烧器实际结构等情况，综合考虑残余扭转的减弱，飞灰可燃物损失，炉膛出口烟温，炉内燃烧和结渣等因素，优化反切方案。在工程实际中，应首先考虑一次风反切；反切风旋转动量矩过小时，对水平烟道烟气偏差改善效果不明显，而过大时又会使炉内气流整体反旋；一、二次风反切角度都不宜过大，二次风反切角过大，会影响上游高温烟气对一次风气流的点燃，而一次风反切角过大，会造成一次风气流贴墙引起水冷壁结渣和磨损，所以建议反切角度最大不应大于20°～30°。

（四）切圆布置直流煤粉燃烧器的配风

根据煤种的不同，直流煤粉燃烧器的一次风喷口和二次风喷口有不同的布置方式。可以把二次风喷口布置在一次风喷口的上部、下部、侧边、中间或四周，目的都是为了能使燃料稳定地着火，煤粉与空气能有效地混合，完全燃烧和避免结渣。根据燃烧器中一、二次风喷口的布置情况，直流煤粉燃烧器可分为均等配风和分级配风两种。

1.均等配风直流煤粉燃烧器

均等配风方式的一、二次风喷口相间布置，即在两个一次风喷口之间均等布置一个或两个二次风喷口，或者在每个一次风喷口的背火侧均等布置二次风喷口。

均等配风方式的一、二次风喷口间距相对较近，一、二次风从喷口流出后能很快混合，煤粉气流着火后不至于因空气跟不上而影响燃烧，故适用于挥发分较高的烟煤和褐煤。

典型的均等配风直流煤粉燃烧器喷口布置方式如图519所示。

图519（a）和（c）所示均等配风燃烧器为一、二次风喷口间隔布置，即在每个一次风喷口的上下方都有二次风喷口，喷口间距较小，故这种布置方式只适用于挥发分较高且很容易着火的烟煤和褐煤。燃烧器最高层为上二次风喷口，其作用除供应上层煤粉燃烧器所需空气外，还可提供炉内未燃尽的煤粉继续燃烧所需空气。燃烧器最低层为下二次风喷口，其作用除供应下排煤粉燃烧器所需空气外，还能把煤粉气流中析出的粗煤粉托住，使其燃烧，从而减少机械不完全燃烧热损失。一次风从两侧卷吸炉内高温烟气，有利于点燃；喷口之间有一定距离，可以平衡气流两侧压差，气流偏斜较小。一、二次风喷口可做成固定不动或上下摆动，上下摆动倾角范围为±20°。摆动式喷口可通过改变喷口倾角的办法来改变一、二次风的混合时机，以适应不同煤种的需要，还可调整炉内火焰中心的位置来调节汽温。二次风喷口内部可装设油喷嘴，必要时可以投油助燃。

图519（b）所示为侧二次风均等配风燃烧器，其一次风喷口在内侧（向火侧），二次风喷口在外侧（背火侧）。一次风在向火侧布置有利于煤粉气流卷吸高温烟气和接受炉膛空间的辐射热，同时也有利于接受邻角燃烧器火炬的加热，改善了煤粉着火；二次风布置在背火侧，可以防止煤粉火炬贴墙和粗煤粉离析，并可在水冷壁附近区域保持氧化性气氛，不致使灰熔点降低，这些都有助于避免水冷壁结渣；此外，这种并排布置降低了整组燃烧器的高宽比，增强了气流的穿透能力，有利于燃烧的稳定和完全。这种燃烧器适合于烧贫煤和挥发分低的烟煤。

图519　均等配风直流煤粉燃烧器

（a）锅炉容量400t/h，适用烟煤；（b）锅炉容量220t/h，适用贫煤和烟煤；（c）锅炉容量220t/h，适用褐煤；（d）锅炉容量927t/h，适用褐煤

图519（d）所示为大功率褐煤均等配风燃烧器，每只燃烧器分两层布置，在大容量锅炉中多采用多层布置，每一层均可看成是一个均等配风的燃烧器。

在大、中型煤粉锅炉四角布置切圆燃烧方式直流燃烧器的一次风喷口中，有时还布置有一个狭长形的二次风喷口，因其形状和布置位置不同而分别称为周界风、夹心风和十字风，如图520所示。

在燃用低挥发分煤的切圆燃烧方式，直流燃烧器的一次风喷口四周有时常布置一层二次风，称为周界风，如图520（a）所示。周界风具有冷却一次风喷口和防止煤粉从一次风中分离出来的作用。

为了避免周界风妨碍一次风直接卷吸高温烟气的不利影响，又出现了夹心风。所谓夹心风就是在一次风喷口中间竖直地布置一个二次风喷口，如图520（b）所示。夹心风的风速高于一次风速，其风量占二次风总量的10%～15%。夹心风的作用在于能及时补充煤粉气流着火后燃烧所需要的空气，但却不影响着火；并能提高一次风射流的刚性，使一次风射流减少偏斜；强化了煤粉气流的湍流脉动，有利于煤粉和空气的混合；减少了射流的扩展角，使煤粉气流不易冲墙贴壁，有利于防止炉内结渣。

图520　一次风喷口中布置的二次风

（a）周界风；（b）夹心风；（c）十字风

在某些燃用褐煤锅炉的切圆燃烧直流燃烧器的一次风喷口中，为了使煤粉气流着火后能迅速补充氧气，常在一次风喷口中安装许多十字形排列的二次风小喷口，如图520（c）所示，这种二次风称为十字风。十字风有利于减少火焰对大尺寸的一次风喷口内壁面的辐射传热，可以起到保护一次风喷口的作用；较高速的十字风可以加强一次风射流的刚性，使一次风不易偏斜；在一次风喷口停用时，还可以用十字风来继续冷却喷口。

2.分级配风直流煤粉燃烧器

分级配风方式将一次风喷口集中布置在一起，一、二次风喷口分层布置，二次风分级分阶段送入燃烧的煤粉气流中，且一、二次风喷口保持较大的距离，以便控制一、二次风的混合时间，这对于无烟煤的着火与燃烧是有利的。故此种燃烧器适用于无烟煤、贫煤和劣质烟煤。

典型的分级配风直流煤粉燃烧器喷口布置方式如图521所示。

分级配风直流燃烧器的特点如下：

（1）一次风喷口狭长，高宽比比较大，这样可以增大煤粉气流的着火周界，增加对高温烟气的卷吸能力，有利于煤粉气流着火。但狭长喷口会使气流刚性（刚性指气流在外界干扰下不改变自己流动方向的能力）减弱，可能造成气流过分偏斜而贴墙，形成炉墙结渣。

（2）一次风喷口集中布置，煤粉燃烧放热集中，可提高火焰中心温度，有利于煤粉的着火与燃烧。

（3）一、二次风喷口的间距较大，使一、一二次风混合时间比较迟，有利于无烟煤和劣质烟煤的着火。

（4）二次风分层布置，可按着火和燃烧的需要分级分阶段将二次风送入燃烧的煤粉气流中，既有利于煤粉气流的前期着火，又有利于煤粉气流后期的燃烧。

（5）一次风喷口的周围或中间还可布置有一股二次风，分别称为周界风和夹心风，如图521所示。周界风和夹心风的风速高，可以增强气流刚性，防止气流偏斜，也能防止燃烧器烧坏，但周界风或夹心风量不能过大，否则会影响着火稳定。

图521　分级配风直流煤粉燃烧器

（a）锅炉容量160t/h，适用无烟煤（周界风）；（b）锅炉容量220t/h，适用无烟煤（夹心风）；（c）锅炉容量670t/h，适用无烟煤（夹心风）；（d）670t/h锅炉燃烧器四角布置

（6）该型燃烧器用于无烟煤、贫煤、劣质烟煤时，都采用高温热风送粉，目的是提高一次风初温，保证着火的稳定性。此时，制粉系统的乏气作为三次风送入炉膛，三次风温只有100℃左右，大量低温三次风进入炉内，会对整个燃烧过程产生很大的影响。如三次风喷口布置不当，会影响主气流着火与燃烧，使机械不完全燃烧热损失增加，此外还会使火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而引起炉膛出口附近结渣、过热器超温等问题，故应合理布置三次风喷口。

三次风喷口一般布置在燃烧器的最上方，距相邻二次风喷口有较大间距，以减小其对主煤粉气流燃烧的影响；同时三次风喷口应有一定的下倾角，以便起到压火的作用，还可以增加二次风在炉内的停留时间，有利于三次风中细煤粉的燃尽，减少机械不完全燃烧热损失；此外三次风速不宜过低，这样可加强对主煤粉气流的扰动作用，从而改善燃烧，降低不完全燃烧损失。