炉膛放热强度

8.3.3　炉膛放热强度

炉膛的截面形状大多为矩形，它的几何特性是宽度W、深度D和高度H。炉膛的主要热力特性是单位时间内输入的平均热量，也称炉膛热功率或称炉膛热负荷或称炉膛放热强度。在锅炉设计、运行中必须注意的炉膛热负荷有以下几种：

（1）炉膛容积热负荷

单位时间送入炉膛单位容积中的平均热量（以燃料的收到基低位发热量计算）称为炉膛容积热负荷，用q_V表示。

式中：B_j为燃料消耗量，kg/s；Q_net，ar为燃料收到基低位发热量，kJ/kg；V_l为炉膛容积，m³。

在进行相关计算中，应说明炉膛容积热负荷是BMCR工况还是BRL工况。对其它热负荷也应如此。

q_V基本反映了在炉内流动场和温度场条件下燃料及燃烧产物在炉膛内停留的时间。q_V愈大，炉膛容积V_l愈小，锅炉愈紧凑。但q_V过大，则单位时间内在单位炉膛容积内的燃煤量过大，炉内烟气量增大，烟气流速加快，使燃料在炉内的停留时间缩短，不能保证燃料充分燃尽。同时会使炉膛壁面积相对较小，布置足够的水冷壁有困难，这不但难以满足锅炉蒸发量的需要，而且会使燃烧区域及炉膛出口的烟气温度升高，从而导致炉内及炉膛出口后的对流受热面结渣。q_V愈小，说明炉膛容积愈大，停留时间愈长，对燃料燃尽愈有利，燃用煤等固体燃料时炉壁结渣的可能性也愈少，排出NO_x浓度也可能有所降低。但q_V过小，则会使炉膛容积过大，炉内温度水平降低，燃尽困难，甚至着火也困难。因此，q_V的大小应合适。

设计锅炉时，q_V的选取除与锅炉容量有关外，还与燃烧方式、燃料特性有关。对于采用固态排渣、切向燃烧、配300MW～600MW机组的煤粉锅炉，当燃用的煤种V_daf＞25%时，q_V（BMCR）的上限值可取85～115kW/m³；当燃用的煤种V_daf＜25%时，可取80～105kW/m³。大容量锅炉的要比小容量锅炉选得小一些^［2］。

（2）炉膛截面热负荷

按燃烧器区域炉膛单位截面来计算，单位时间送入炉膛的平均热量称为炉膛截面热负荷q_a，即

式中：F为燃烧器区域炉膛截面积，m²。

q_a反映了炉膛水平断面上燃烧产物的平均流动速度。q_a愈小，断面平均流速愈低。一般认为此时气粉流的湍流脉动和混合条件可能减弱，会使燃烧强度和着火稳定性受到影响，但在高温区的停留时间有所增加，也会有利于减轻水冷壁表面的结渣和高温腐蚀。

选定了q_V，决定了炉膛容积后，还必须把炉膛的形状和尺寸决定恰当，才能达到预期的燃烧效果。

q_a可以确定炉膛的截面，也就决定了炉膛横截面的周界长度，亦即决定了燃烧器区域内所能敷设的水冷壁（辐射受热面）的数量，从而决定了燃烧器区域的温度水平，这关系到燃料的着火以及燃烧器区域水冷壁的结渣。

如果q_a值选得过高，说明炉膛截面积小，炉膛横截面周界也小，炉膛呈瘦高形，燃料在燃烧器区域放出的热量，周围没有足够的水冷壁受热面去吸收这些热量，而使温度过高，这当然对着火有利，但却容易引起燃烧器附近的受热面严重结渣。对于亚临界压力锅炉，还可能使水冷壁管内发生传热恶化。如果q_a选得过低，炉膛呈矮胖形，则烟气不能充分利用炉膛容积，烟气在离开炉膛时还未得到足够的冷却，会使炉膛出口烟温过高，后续受热面上发生结渣；同时q_a过低，燃烧器区域的温度降低，对着火不利。

因此，q_a的大小也必须合适。设计锅炉时，q_a的选取除与锅炉容量有关外，还与燃烧方式、燃料特性和排渣方式有关。对于采用固态排渣、切向燃烧、配300MW～600MW机组的煤粉锅炉，当燃用的煤种V_daf＞25%时，q_a（BMCR）可取4.0～5.1MW/m²；当燃用的煤种V_daf＜25%时，可取4.2～5.2MW/m²。大容量锅炉的q_a要比小容量锅炉选得大一些^［2］。

在多层布置燃烧器的大容量锅炉中，还必须考虑每层燃烧器的截面热负荷，以考核各层燃烧器局部地区的温度水平。一般各层燃烧器的截面热负荷q_ac近似相等，即

式中：n为燃烧器层数。

（3）燃烧器区域壁面热负荷

大容量锅炉为了减少NO_x的排放量，趋向于采用单个热功率较小的燃烧器，同时燃烧器采用多层布置，而且每层燃烧器在高度方向的间距加大，使燃烧器区域的温度水平降低。这样，单纯用炉膛截面热负荷q_a来判断煤粉着火的稳定性和结渣的可能性已经不够严格，这时可采用燃烧器区域壁面热负荷作为补充指标。

按照燃烧器区域炉膛单位炉壁面积来计算，单位时间送入炉膛的平均热量称为燃烧器区域炉壁热负荷q_r，式如

式中：F_r为燃烧器区域炉壁面积，m²。

对直流燃烧器组织切向燃烧的炉膛F_r，式如

式中：W、D和h₂分别为炉膛的宽度、深度和最上层燃烧器煤粉喷口与最下层燃烧器煤粉喷口中心线之间的铅直距离。参见图11.5。

对于旋流式燃烧器，Babcock公司建议，以最上排燃烧器以上1.52m和最下排燃烧器以下1.52m之间的距离为燃烧器区域的高度。

q_r可以在一定程度上反映炉内燃烧中心区的火焰温度水平。q_r愈小，该区的温度愈低些。相对较大的燃烧器区域空间和较低的温度水平有利于减轻该区壁面结渣倾向。q_r与q_a一样，反映了燃烧器区域的温度水平。但q_r还能反映火焰的分散或集中情况。q_r愈大，说明火焰愈集中，燃烧器区域的温度水平就愈高，这对燃料的稳定着火有利，但却容易造成燃烧器区域的壁面结渣。

q_r的推荐值为：褐煤，0.93～1.16MW/m²；无烟煤及贫煤，1.4～2.1MW/m²；烟煤，1.28～1.40MW/m²。对于采用固态排渣、切向燃烧、配300MW～600MW机组的煤粉锅炉，q_r（BMCR）的上限值可取1.2～2.0MW/m²。大容量锅炉的q_r要比小容量锅炉选得大一些^［2］。

（4）燃尽区容积热负荷

燃尽区容积热负荷是锅炉输入热功率与燃尽区炉膛容积的比值，可按下式计算：

式中：V_m为炉膛燃尽区容积，对切向及墙式燃烧方式，V_m＝W×D×h₁，m³；对拱式燃烧，V_m＝W×D_U×h₁。各符号的意义参见图11.5。

q_m的数值基本反映了最上层喷口喷出的煤粉在炉内的最短可能停留时间。q_m愈小，停留时间愈长，该层煤粉射流的燃尽愈可得到保证，也有利于降低屏区入口局部烟温，避免沾污结渣倾向。

对于采用固态排渣、切向燃烧、配300MW～600MW机组的煤粉锅炉，q_m（BMCR）的上限值可取200～260kW/m³。大容量锅炉的q_m要比小容量锅炉选得大一些^［2］。