摘要：前后墙对冲燃烧为我国燃煤电站锅炉中应用较为广泛的燃烧方式，通过将燃烧器在前后墙对冲布置，强化气流的混合燃烧，具有燃烧效率高、布置简单、排放低的优点。本文概述了前后墙对冲燃烧的发展历程和研究现状,分析了前后墙对冲燃烧的现有技术构成和应用,综述了前后墙对冲燃烧的专利申请量、申请人分布及国家分布的特点,总结并预测了前后墙对冲燃烧的发展热点和趋势。
关键词：前后墙，对冲，交错，燃煤，低NOx，腐蚀，历史，趋势
引言
火力发电厂锅炉燃烧形式及火焰形状，对于锅炉炉膛安全监控系统至关重要，针对不同的锅炉燃烧形式，有不同的燃烧器管理和保护的要求。按照燃烧方式及火焰形状，锅炉可以分为四角切圆燃烧方式、前后墙对冲燃烧方式、W型火焰燃烧方式锅炉[1]。前后墙对冲燃烧方式的燃烧器分别布置在锅炉的前墙和后墙。在同一水平面上，前墙和后墙分别有同等数量的燃烧器布置，相对应的燃烧器在同一直线上。一般情况下将前墙（或后墙）上的同一水平位置上的一组燃烧器称为一排燃烧器。一排燃烧器可能有不同数量的燃烧器，例如4个、5个、6个均出现过。一般情况下，前墙有3排燃烧器，后墙有3排燃烧器。前后墙对冲锅炉具有对高温烟气卷吸率高、燃烧充分、炉膛热偏差低等优势[2-5]。
1.前后墙对冲燃烧国内外发展历程及技术研究方向
随着工业革命和蒸汽轮机的产生，燃煤锅炉发电应运而生。19世纪末20世纪初开始有关于燃煤锅炉的专利申请，但均为传统的燃煤装置，技术比较落后。最早的将燃烧器布置在前后墙，形成对冲火焰进行燃烧的专利为1966年由美国福斯特惠勒公司（公开号为US3391675A）提出的，其在锅炉的前后墙上分别布置上下三层燃烧器，每层分别布置4个燃烧器喷口，前后墙上对称分布的燃烧器两两对冲燃烧，形成强烈的混合火焰。随着前后墙对冲燃烧技术的提出，国外在1966年之后的相关专利开始增多，在20世纪80年代末达到高峰。随着技术的逐渐成熟和国际上对环境污染越来越重视，如何降低前后墙对冲燃烧锅炉的NOx排放逐渐成为研究热点。
1977年日本三菱电气公司首先提出分级燃烧理念（公开号为JP特开平6-42709A），通过将燃料分级，可以大幅度降低NOx的排放。随后，苏联制热工程公司也提出了贫氧燃烧技术（公开号为SU2885293A），其在通过在每排两个相邻且相对的燃烧器中采用贫氧燃烧技术，以此降低氮氧化物的排放。采用优化配风方式也可降低NOx排放，1994年能率株式会社首次研究了配风方式对NOx排放的影响，并提出了一种优化配风的方法，其将空气分级，可以达到低NOx和低烟尘的清洁燃烧。
20世纪八十年代开始我国大量引进先进火电技术，燃煤锅炉也随之广泛应用。但对于前后墙对冲燃烧的相关专利申请较少，我国的第一件关于前后墙对冲燃烧相关专利申请为2008年广州市能源监督检测所提出的对冲式煤粉燃烧炉，随后几年，我国对于前后墙对冲燃烧锅炉的研究较多的为东方电气集团东方锅炉股份有限公司、哈尔滨锅炉厂有限公司。主要针对分级配风、降低NOx排放等方向进行了研究。
2016年以后，国内关于前后墙对冲锅炉的申请逐渐减少，这是由于国家对燃煤电厂的投运进行了控制，并且随着污染的加重，寻找清洁能源发电替代燃煤发电逐渐成为主流趋势。但由于目前我国火力发电仍然占主要的供电来源，前后墙对冲锅炉以其特有的优势依然为我国发电领域中重要的工业设备。
2.专利技术分析
2.1专利申请时间分布
最早关于前后墙对冲燃烧的专利申请诞生于1927年，由美国燃烧工程有限公司提出的，其将燃烧器分布在锅炉前后墙对称布置，形成对冲火焰。但是在1966年之前，相关专利申请较少，近60年国内外专利申请变化量如图1、2所示。
国外前后墙对冲燃烧专利申请起步较早，从图1中可以看出，国外专利申请量从1966年之后开始上升，1975年-1985年之间申请量最大，达到鼎盛时期，随后开始下降，说明国外对前后墙对冲燃烧的研究已较为成熟，相关专利逐渐减少，在2000年之后又进入一个上升时期，说明对前后墙对冲燃烧技术又有了一定突破，2010年之后，申请量逐渐减少，说明伴随着不可再生能源的枯竭与环境污染等问题的出现，国外在着力于研究新的能源替代燃煤锅炉，因此对燃煤前后墙对冲燃烧的研究进入衰退期。
国内前后墙对冲燃烧的专利申请起步较晚，从图2可以看出，第一件相关专利申请诞生于2008年，2011年之前申请量较低，2012年申请量达到一个小高峰，这主要得益于我国逐渐由技术引进型向自主研发进行转变，同时我国经济技术发展进入快速上升时期，燃煤锅炉发电为我国主要的电力来源，在工业领域占有越来越重要的地位。在2012年之后，申请量有所降低，国内对前后墙对冲燃烧的研究达到了瓶颈期，但紧接着2016年又达到一个高峰，此时我国对如何提高燃煤锅炉发电效率的研究越来越重视，后续几年申请量有所降低，随着国内外对环境保护的要求越来越高，我国也在着力研究清洁能源替代燃煤发电，因此近几年对燃煤锅炉的申请量较少。
2.2专利产出国分析
对专利申请的国别进行分析，从图3中可以看出，我国前后墙对冲燃烧的专利申请占全球申请量的比例最大，为31.8%，其次为日本，占比25.5%，苏联、美国、欧洲分别占比21.8%、14.6%、3.3%，另外，其余国家也有一些相关专利申请。
2.3主要分类号分布及应用领域分析
对前后墙对冲燃烧的主要分类号进行分析统计（参见4）可以看出，前后墙对冲燃烧的分类号主要集中在F23C5/28（形成对冲火焰，例如冲击火焰）,可以看出，在检索过程中使用该分类号可以较为准确的获得对比文件。另外，在大组F23C5/00(以燃烧器的配置或安装为特征的燃烧设备)中也涉及前后墙对冲燃烧的相关专利，并且在大组F23D14/00(燃烧气体燃料的燃烧器)下的子分类号中也涉及燃烧器对冲布置的相关专利。其次在F23C7/00(以空气供应装置为特征的燃烧设备)、F23C99/00(不包含在本小类其他组中的技术主题)、F23C5/32(形成旋转火焰，即火焰作螺旋形或螺线形运动)中也有涉及，体现了对前后墙对冲燃烧不同方向的研究和分类号的分布多样性。
3.专利技术发展热点以及发展趋势预测
随着环境问题的日趋严峻，尤其是近几年华北地区雾霾天气的大面积肆虐，大气污染物的排放引起了人们极大的关注。现急需在提高燃煤锅炉效率的同时，降低燃煤锅炉的排放，同时也要提高锅炉的整体结构性能。目前，前后墙对冲燃烧的发展趋势和热点可以归纳为以下几点：
（1）多墙面布置对冲锅炉：现有煤粉对冲锅炉多采用前后墙(或单墙)对冲燃烧方式，煤粉燃烧器布置在前后墙，而侧墙没有燃烧器。由于采用空气分级的低氮燃烧技术，燃烧器区域过剩空气系数一般在0.7～0.85之间，造成主燃区缺氧成为富燃区，炉内整体还原性气氛浓厚，尤其在水冷壁两侧墙附近有大量还原性气氛，而水冷壁两侧墙又没有布置燃烧器和通风喷口，不能及时氧化消除两侧墙的还原性气氛，容易造成两侧墙的高温腐蚀，同时两侧墙浓厚的还原性气氛在后期无法完全燃尽，降低锅炉效率。采用多墙面布置技术可以减缓水冷壁的高温腐蚀，同时可以加强煤粉的燃烧，提高锅炉效率，目前对多墙面布置的对冲锅炉国内外研究的较少，为今后的发展热点。
（2）降低NOx：虽然近几年国家大力发展清洁能源，核电、燃气轮机发电、水电等大型电站相继建成，但目前，火电依然为我国主要的电力来源。煤的燃烧是造成我国大气污染的一个重要原因，其中67%的排放是由于煤燃烧造成的，燃烧产生的NOx主要来自三个方面：助燃空气中含有的氮气在炉膛的高温下被氧化生成的NOx，即热力型NOx；燃料中含有的氮氧化物在燃烧过程中分解、氧化生成的NOx，即燃料型NOx；燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团发生反应生成的NOx，即瞬发型NOx。虽然现有技术中已经存在对如何降低前后墙对冲燃烧的NOx排放有大量相关研究，但是基于我国目前的国情以及可持续发展的理念，进一步降低前后墙对冲燃烧的NOx排放仍为目前的发展热点。
（3）降低水冷壁高温腐蚀：我国电站锅炉燃用煤质较杂，往往与设计燃料的特性存在一定偏差，煤质经常性变化及配煤掺混燃烧不合理往往带来结渣、沾污和高温腐蚀等问题，其中高温腐蚀问题对锅炉运行可靠性的影响最大，随着燃煤锅炉容量和参数的提高，锅炉水冷壁问题也相应提高，也导致了高温腐蚀现象的发生；此外，为了达到NOx超低排放的要求，大多数电厂采用分级配风等低氮燃烧方式，主燃烧区域的欠氧燃烧进一步加剧了水冷壁的高温腐蚀。由于前后墙对冲燃烧锅炉的燃烧器和燃尽风喷口均布置在炉膛的前、后墙上，在两侧墙上均未布置任何空气补给装置，因此侧墙中间区域附近氧浓度极低，呈现出明显的还原性气氛，造成该区域内水冷壁高温腐蚀严重。因此，如何降低前后墙对冲燃烧水冷壁的高温腐蚀，提高锅炉的整体结构性能为今后的发展趋势。
4.总结
通过上述对前后墙对冲燃烧技术及其专利的分析，我们得知前后墙对冲燃烧现阶段发展已经由初期的技术引进转变为自主研发阶段，取得了阶段性的成果，为我国能源的利用和发展提供了很多技术性的支持，但在发展的过程中还是需要不断积累实践经验，发现问题、解决问题。通过对现有技术的分析和研究有助于在审查过程中站位于本领域技术人员，更好地进行检索，服务于审查过程，引导该领域向积极的、有益的方向快速发展。
参考文献：
[1]周谟铁.前后墙对冲燃烧锅炉优化试验方法探讨[J].电力与电工.2010(03)
[2]周思远，黄孝彬，闫顺林.针对600MW前后墙对冲燃烧优化模型的确立与分析[J].应用能源技术.2011(10)
[3]胡修奎.东方600MW亚临界机组前后墙对冲燃烧锅炉开发设计[J].东方电气评论.2006(04)
[4]潘凤萍.前后墙对冲锅炉油燃烧器自动管理策略[J].广东电力.2010(01)
[5]丘纪华，李敏，孙学信，刘永刚.对冲燃烧布置锅炉水冷壁高温腐蚀问题的研究[J].华中理工大学学报.1999(01)
论文作者:李佳玉,李蕾
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
标签：对冲论文; 锅炉论文; 燃烧器论文; 专利申请论文; 燃煤论文; 水冷论文; 我国论文; 《当代电力文化》2019年第09期论文;