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四墙切圆锅炉因其独特的燃烧器布置方式，在运行过程中需要充分考虑炉膛中心切圆和四角小切圆的平衡问题。PM燃烧器通过优化设计的弯头结构获得良好的浓淡分离效果和低氮燃烧性能，但同时也带来随燃烧器出力变化，燃烧器特性性能发生变化而导致燃烧控制复杂程度增加的问题。尤其是在复杂煤种条件下，因燃烧调整偏离最佳运行状态导致锅炉出现受热面结渣，超温等，会严重影响锅炉安全运行。 “四墙切圆+PM燃烧器”锅炉结合了两种技术的优点，在复杂条件下对燃烧调整优化。
国内外“四墙切圆”和“PM型燃烧器”相关研究
国家电投集团江西电力有限公司和上海电力大学的段宏波、程鸿、程智海等人以某660MW超超临界锅炉采用四墙切圆燃烧布置方式，针对运行过程中长期存在低负荷时水冷壁温度波动大，高负荷时后屏过热器超温频繁等问题，结合数值模拟分析和现场试验研究发现，燃烧器布置导致的燃烧器出力偏差，燃烧器区域热负荷特性复杂和配风方式不合理是造成燃烧偏差大，引起受热而超温问题的主要原因，提出结合精确配风技术、磨煤机一次风量控制优化和二次风挡板自动控制优化技术，以解决锅炉受热而超温问题[1]。
大连理工大学的贾艳艳博士以我国典型四角切圆燃烧煤粉锅炉为研究对象，建立合理的数学模型和几何模型对超细煤粉再燃过程进行全尺寸三维数值模拟，系统研究了再燃燃料特性和燃烧参数对NOx排放、飞灰含碳量和锅炉热效率的影响规律[2]。
山西鲁能河曲发电有限公司鲁学斌等人通过优化燃煤掺配比例、制粉系统特性优化、炉膛燃烧调整、磨煤机运行方式调整、锅炉尾部烟气调节挡板开度调整、辅机启停运行方式优化、煤水比调节及过热度优化等试验，解决了机组深度调峰期间低负荷工况下锅炉稳定燃烧、水冷壁超温、低负荷投运烟气脱硝等问题。在锅炉及其附属设备未进行任何改造的前提下，实现超临界直流空冷机组在30%额定负荷工况下锅炉未进行由直流运行方式转为再循环运行方式的转换，达到锅炉低负荷期间干态稳定运行，成为国内首台实现30%额度负荷深度调峰的四墙切圆燃烧机组，同时也为其他同类型电厂在机组深度调峰运行方面提供一定的借鉴价值[3]。
江西省电力科学研究院电源技术中心吴英等人针对某电厂2号锅炉600MW超临界机组严重结焦问题，在分析新型墙式切圆燃烧锅炉结构特点基础上，采用试验与数值模拟相结合的方法，通过查看观火孔、逐一吹灰的方法判断出结焦位置不在较为常见的炉膛出口屏式过热器下部，而是在燃烧器喷口附近；分析认为炉内温度分布存在偏差、入炉煤灰熔点低、燃烧器区域截面热负荷高等是炉膛结焦的主要原因，并制定出防治措施，最终成功解决了2号锅炉严重结焦问题[4]。
哈尔滨工业大学的秦明、吴威等人采用实验室冷态模化实验，用PDA测量了分别采用水平浓淡燃烧和垂直浓淡燃烧方式的一次风射流流动特性。实验结果表明：由于燃烧器高宽比的差异，水平浓淡燃烧的气流刚性较强，也说明当燃烧器喷口数量比较多时，在采用这种四墙切圆燃烧时，喷口应该采用分组布置，这样可降低每组燃烧器的高宽比，提高气流的刚性，从而有效减轻气流贴壁的状况。此外, 研究表明采用水平浓淡燃烧的贴壁风速较高，应该予以关注[5]。
为深入了解水冷壁壁面的颗粒冲击特性，哈尔滨工业大学研究人员使用AnsysFluent对660 MW超临界锅炉的燃烧过程进行数值模拟，通过Fluent内冲蚀磨损模型得出燃烧器区域壁面的颗粒质量冲击量；利用Fluent软件的Sample功能输出壁面颗粒数据,将点数据导入Excel处理，得到冲击燃烧器区壁面的颗粒最高速度及颗粒速度值的分布情况[6]。
上海理工大学严祯荣等针对PM型燃烧器，运用RNGk-ε和MIXTURE模型，采用PISO压力-速度耦合和PRESTO压力离散格式模拟了PM型燃烧器的浓淡分离比、进出口压降，并提出浓淡分离性能参数K, 以K值的大小作为结构优化的依据。结果表明：该PM型燃烧器能实现“超浓”、“浓”和“淡”三股粉流，其中NO.7结构的浓淡分离性能较好[7]。
中电华创电力技术研究有限公司靳军等人以某电厂#1锅炉燃烧器由水平浓淡燃烧器改为M-PM燃烧器后，飞灰和大渣含碳量普遍高于改造前，在相同负荷工况下，#1锅炉飞灰和大渣含碳量高于尚未进行改造的#2锅炉。针对#1机组存在的飞灰和大渣含碳量偏高的问题，从入炉煤、制粉系统、运行氧量、运行方式、及低氮燃烧器改造等方面进行分析，得出飞灰、大渣含碳量偏高的原因，给电厂提出针对性的运行及管理建议，实现机组的安全、经济、稳定运行[8]。
国外PM型燃烧器二十世纪末就已得到成功应用，如日本三菱重工有限公司（MHI）Okamoto Akiyasu等人通过结合PM燃烧器、MACT（三菱先进燃烧技术）炉内NOx去除系统和高细度MRS（三菱旋转分离器）粉碎机进行圆角燃烧，实现低NOx燃烧。二十世纪末就有30台燃煤低氮氧化物锅炉交付使用，燃烧技术已在欧洲、亚洲和美洲获得许可[9]。
日本三菱重工火电站1号燃煤超临界滑压运行锅炉，采用由三菱重工有限公司（MHI）提供的垂直炉水壁，该锅炉采用A-PM燃烧器和MRS II粉碎机实现高效率和低NOx排放。该公司Kaneko Shozo等人研究报道了锅炉的设计特点和运行成果，如：(1)采用膛线管的竖式炉水壁高，炉水壁可靠，(2)A-PM燃烧器和MRS II磨煤机低NOx，低未燃烧碳，(3)排煤时锅炉效率91.8%[10]。
国内外燃煤锅炉燃烧数值模拟的相关研究
北京交通大学的魏国强以解决某电厂600MW墙式燃烧器对冲布置燃煤锅炉存在的过热器和再热器减温水量严重超过设计值的实际问题为研究背景，结合电厂锅炉的实际运行情况，从理论和数值模拟等方面对炉内流场、温度场、氧浓度场、一氧化碳浓度场、二氧化碳浓度场、颗粒燃尽率及氮氧化物生成情况进行的数值模拟研究，指出通过配风的优化组织可改善锅炉燃烧设计煤种时的炉内燃烧特性，达到增加蒸发受热面区域热负荷、降低对流受热面热负荷，进而降低减温水量、提高锅炉的安全性和经济性。使用Phoenics3.6和Fluent6.3等商业软件，预先设计好的不同旋流数、不同风量配比的模拟工况，对锅炉炉内流动和燃烧过程及氮氧化物的生成量等进行数值模拟研究，提出煤粉优化配风燃烧方式，对炉内煤粉燃烧过程所采用的数值模拟模型，在对比电厂实际数据基础上确定最适合的数值模拟模型，通过数值模拟达到燃烧组织优化的目的[11]。
辽宁科技大学的曾永建运用计算流体动力学CFD软件对褐煤燃烧过程进行数值模拟，对单个燃烧器进行了冷态场的模拟及在热态对Fluent子模型进行设置，比较了褐煤动力学参数、挥发分析出模型和褐煤水分对燃烧的影响；模拟分析了全尺寸锅炉中水分和富氧的变化对煤粉着火、燃烧的影响以及物质浓度的变化规律[12]。
华北电力大学的赵砣以某电厂一台600MW超临界W型火焰锅炉出现局部高温导致水冷壁爆管、炉膛结渣及NOx排放高于设计值等问题为背景，运用CFD软件对其燃烧过程进行数值模拟，研究不同煤种和不同负荷对炉内温度场、组分场等的影响，并对拱下二次风倾角进行优化研究。创建了锅炉燃烧数值模拟的数学模型，对煤粉分离燃烧器进行数值模拟，得出浓淡煤粉气流中风煤比，为锅炉内的燃烧模拟提供了数据支持[13]。
浙江大学的杨玉博士采用激光多普勒测速仪对一款HT-NR3型低NOx旋流燃烧器的气固两相流动特点进行实验测量，采用DEM-CFD方法研究了其一次风管道结构对煤粉气流的浓淡分离作用。优化设计了一种新型的低NOx煤粉旋流燃烧器，用数值模拟和实验的方法研究了该旋流燃烧器的火焰形状、结构和低氮性能等特点。从新型旋流燃烧器一次风管中喷出的颗粒能穿入回流区很长的距离，并通过回流区扩散到二次风区域，这种气粉结构能够形成一个大的还原性气氛区，有利于降低NOx的排放[14]。
哈尔滨工业大学Cao, Qing-xi等人开展了600MW超超临界锅炉流动、传热和燃烧过程的数值模拟研究，煤粉锅炉采用计算流体动力学CFD，采用日本三菱先进的PM燃烧器燃烧技术，NOx的生成量较低，炉出口NOx排放量为216mg/kg，满足初始NO浓度。根据选择性非催化还原(SNCR)技术工艺的要求，SNCR工艺的合适区域为炉内67m高的水平横截面左右。在该区域内，NOx的浓度从靠近水壁到炉膛中心逐渐减少，这有利于从水壁中注入还原剂，同时未燃烧的NO很少，只存在于两个侧向水壁附近的有限区域，这对NOx的去除影响很小。作者根据温度变化提出了一种在SNCR工艺中注入还原剂的方法[15]。
日本三菱重工有限公司Satom, Susumu等人采用循环流体动力学CFD方法, 分析了传统低NOx燃烧器粉煤灰中NOx和未燃烧碳的产生机理，提出开发新的燃烧器新概念：(1)在燃烧器喷嘴整个表面上创建一个大的、均匀的点火区域，以获得比传统的低NOx燃烧器更好的点火性能。(2)根据煤的燃烧特性得出最佳的燃烧温度，二次空气的供应在优化的时间，以优化氧气浓度。(3)火焰内含有的还原物质（挥发性物质和炭）能有效降低了NOx，同时可促进未燃烧碳的燃烧。作者通过在试验炉内的燃烧试验，开发了新的M-PM燃烧器燃烧器，从试验炉内的燃烧试验结果来看，与传统的低NOx燃烧器相比，使用该新型燃烧器可以显著减少飞灰中的NOx排放和未燃烧的碳，所得到的飞灰中NOx排放或未燃烧的碳可从25%减少到30%的结果[16]。
综上所述，为提高锅炉在复杂煤种条件下的安全性、经济型和负荷响应速率，扩大煤质适应范围，研究“四墙切圆+PM燃烧器”复杂煤种自适应燃烧控制技术，以制粉系统管路数值模拟分析得出的燃烧器出力偏差变化规律为基础，结合制粉系统试验和燃烧调整试验，采取数值模拟、燃烧优化试验和自动控制相结合的方法，可实现单个二次风小风门和燃烧相关参数，在复杂煤种条件下，以数值模拟分析结果为依据的锅炉燃烧优化控制策略自适应调整。从研究趋势看，已有研究人员利用“有限元分析”数值模拟计算方法得到不同燃烧器入口风速下“燃烧器浓相和淡相的浓度比例”和“每台磨煤机不同煤粉管之间的风速偏差”的理论解，依据理论解计算得到每个燃烧器配风挡板的最佳调整开度，实现每个燃烧配风挡板的自动控制。
参考文献：
[1] 段宏波；程鸿；程智海，660MW四墙切圆锅炉燃烧优化技术研究. 发电设备. 2022,36(1):285-289
[2] 贾艳艳, 四角切圆燃煤锅炉超细煤粉再燃技术数值试验研究. 大连理工大学化工过程机械博士论文2008年
[3] 鲁学斌；姚力，600MW超临界四墙切圆燃烧机组深度调峰技术研究. 电力学报. 2021,36(3):283-290
[4] 吴英；毛晓飞等，600MW四墙切圆燃烧超临界锅炉结焦防治技术. 中国电力. 2013,46(5):1-5
[5] 秦明；吴少华等，四墙切圆浓淡燃烧器射流特性的实验研究. 节能技术. 2015,33(1):66-68
[6] 吴威；秦明等，四墙切圆锅炉水冷壁颗粒冲击特性数值模拟. 哈尔滨工业大学学报.2020,52(1):21-27
[7] 严祯荣；杨茉；罗晓明，超超临界锅炉PM型燃烧器的浓淡分布特性研究.2010,31(8):1379-1382
[8] 靳军；刘聪；李广伟，M-PM燃烧器灰渣含碳量偏高原因分析.电站系统工程.2019,35(6):19-22
[9] Okamoto Akiyasu等，Development of pulverized coal fired low NOx A-PM burner and performance in Misumi No.1 1000MW boiler. American Society of Mechanical Engineers, Fuels and Combustion Technologies Division (Publication) FACT. 1999,23(1):299-303
[10] Kaneko Shozo等，Design and operation experience of a 1000MW ultra supercritical coal fired boiler with steam condition of 25.4MPa 604/602℃. Technical Review - Mitsubishi Heavy Industries. 1999,36(3):61-65
[11] 魏国强, 600MW燃煤电站锅炉燃烧优化组织数值模拟研究. 北京交通大学工程热物理硕士论文2008年
[12] 曾永建，30MW预干燥燃褐煤锅炉富氧燃烧的数值模拟. 辽宁科技大学动力工程硕士2016年
[13] 赵砣, W型火焰锅炉燃烧特性模拟. 华北电力大学动力工程硕士论文2018年
[14] 杨玉, 大型电站锅炉低NOx煤粉旋流燃烧器流动和燃烧的研究. 浙江大学工程热物理博士论文2015年
[15] Cao,Qingxi；Wu,Shaohua等, Numerical simulation of furnace process in a 600 MW ultra supercritical boiler utilizing selective noncatalytic reduction technology
[16] Amano, Iwamaro等，Low NOx burner for coal fired steam generator.
Kami Pa Gikyoshi 2014,68(6):625-628
