簡論微油點火煤粉燃燒技術改造及應用

論文摘要：通過對渾江發電公司兩臺670T/h鍋爐微油點火煤粉燃燒技術改造及應用的論述，指出了微油點火煤粉燃燒器系統組成、設備構造、工作原理、節油原理以及取得的節油效果，對于火力發電廠同類型鍋爐機組燃燒器改造及節省燃油工作具有借鑒指導意義。  
　　論文關鍵詞：微油；燃燒技術；燃燒器  
　　  
　　一、原燃燒器設計情況  
　　渾江發電公司兩臺670T/h鍋爐（5號爐、6號爐）均為哈爾濱鍋爐廠生產的中間倉儲式熱風送粉煤粉鍋爐。5號爐原設計為四角切圓布置16只直流式煤粉燃燒器；6號爐原設計為四角切圓布置上兩層為直流式煤粉燃燒器，下兩層為雙通道煤粉燃燒器。  
　　5、6號爐各角四層燃燒器中間設計了蒸汽霧化重油點火油槍（每臺爐4只重油點火油槍）。  
　　鍋爐設計煤種為渾江地區混煤。煤質設計值為：灰份：40.67%，揮發份：22.14%，低位發熱量：16492kj/kg（3945大卡/kg）。從設計值可以看出，渾江發電公司燃用的煤質較劣，而實際運行中，燃用的煤種變化很大，煤質更差，遠遠低于設計值。特別是2004年四季度以來，由于煤炭市場緊缺，燃用的煤質偏離設計值甚遠，實際燃用煤質經常在下列范圍：灰份52%以上，揮發份14%以下，低位發熱量13000kj/kg以下。由此帶來的后果是，鍋爐燃燒穩定性差，耗油量增加，滅火事件多發。  
　　二、燃燒器改造情況  
　　為了穩定燃燒，降低耗油量，減少鍋爐滅火事件，渾江發電公司對5、6號爐燃燒器進行了多次改造。  
　　5號爐原設計為四角切圓布置16只直流式煤粉燃燒器。2001年10月，將原設計的16只直流式煤粉燃燒器均改造為左右型濃淡煤粉燃燒器。  
　　6號爐原設計為四角切圓布置上兩層為直流式煤粉燃燒器，下兩層為雙通道煤粉燃燒器。2002年7月將原有的燃燒器改造成上三層為左右型濃淡煤粉燒器，下一層為直流式煤粉燃燒器。  
　　改造成左右型濃淡煤粉燃燒器后，結果很不理想，一是對煤種適應性較差，燃燒惰性大，當灰份高于50%，揮發份低于13%時，燃燒穩定性較差，經常需要投油穩燃；二是過熱器及再熱器管壁超溫嚴重。  
　　為改變上述燃燒器不良特性，2004年起，渾江發電公司陸續將5、6號爐所有燃燒器均改造為雙通道雙濃淡多突擴式煤粉燃燒器（簡稱雙通道燃燒器）。  
　　雙通道燃燒器改造后，對煤質的適應性較強，燃燒穩定性明顯好轉，但在節約燃油方面還不夠理想，特別是啟、停爐及低負荷運行穩燃耗油量還比較大。主要原因是重油點火油槍在冷態啟爐初期，點火非常困難，燃燒很不完善，大量重油顆粒在沒有著火或完全燃燒的情況下就被冷風帶走；還有一部分重油附著在水冷壁上，在冷卻過程中沿水冷壁流淌到冷灰斗而凝固結塊，致使大量重油被浪費掉。  
　　為解決這一問題，進一步適應煤質需要，最大限度節省燃油，2007年下半年，渾江發電公司陸續將5、6號爐下層4只雙通道煤粉燃燒器改造為哈爾濱國能微油點火設備有限公司設計制造的柴油微油點火煤粉燃燒器。微油點火煤粉燃燒器改造同時，將各角四層燃燒器中間的4只蒸汽霧化重油點火油槍改造為4只機械霧化柴油點火油槍。  
　　微油點火煤粉燃燒器既可作為點火燃燒器，也可作為主燃燒器使用。由于采用了微油點火技術、煤粉濃縮技術和逐級放大技術，這種燃燒器除具備微油點火節油性能外，煤粉燃燒器本身還具有良好的穩燃節油性能，所以煤粉燃燒器又稱為穩燃燃燒器或節油燃燒器。  
　　該項技術系統簡單，操作方便，對煤種適應性強，運行穩定，安全可靠。  
　　三、微油點火煤粉燃燒器系統構造及作用  
　　1.微油點火煤粉燃燒器系統組成  
　　微油點火煤粉燃燒器系統由微油量氣化小油槍點火系統、煤粉燃燒系統、控制保護系統三大部分組成。  
　　微油量氣化小油槍點火系統由高能點火器、點火油槍、輔助油槍、燃油系統、壓縮空氣系統等組成。  
　　煤粉燃燒系統由煤粉濃縮器、煤粉燃燒器、周界風冷卻系統等組成。  
　　控制保護系統由DCS系統和就地控制箱、火檢保護系統、燃燒器壁溫監測系統、火焰電視監測系統等組成，對點火系統和送粉系統進行控制，實現程控點火與油槍滅火聯鎖保護，保證鍋爐安全穩定可靠運行。  
　　2.微油點火煤粉燃燒器構造及作用  
　　微油點火煤粉燃燒器由高能點火器、點火油槍、輔助油槍、煤粉濃縮器、一次燃燒室、二次燃燒室、周界二次風、壓縮空氣、高壓風（壓力冷風）等部分組成。  
　　高能點火器用于點火油槍點火，點火油槍用于點燃煤粉，輔助油槍用于強化點火燃燒效果，加快煤粉的點火速度，增加煤粉的燃燒強度。  
　　煤粉濃縮器采用雙層煤粉濃縮環結構，以提高煤粉濃縮效果。煤粉濃縮率達63.4%。  
　　一次燃燒室作用：一次風粉混合物經濃淡分離后，濃相煤粉進入一次燃燒室與微油量氣化小油槍氣化燃燒生成的高溫火焰混合，在微油量氣化小油槍高溫火焰作用下析出揮發份并著火燃燒。  
　　二次燃燒室作用：稀相煤粉進入二次燃燒室與濃相著火燃燒的煤粉混合并被點燃。被點燃的煤粉火焰在燃燒過程中噴入爐膛，火焰長度可達5米以上，可直接點燃與其相鄰的主燃燒器。  
　　周界二次風作用：冷卻二次燃燒室外壁，防止燃燒器燒損和結焦，補充煤粉燃燒所需氧量。  
　　壓縮空氣作用：小油槍點火初期用于燃油霧化，正常燃燒時加速燃油氣化并提供燃燒所需氧量。  
　　高壓風（壓力冷風）作用：為小油槍著火初期提供氧量，補充正常燃燒所需氧量。  
　　四、微油點火煤粉燃燒器工作原理  
　　微油點火煤粉燃燒器采用微油點火技術、煤粉濃縮技術、逐級放大技術和氣膜冷卻技術等先進技術。  
　　1.微油點火技術  
　　傳統的機械霧化燃燒方式是，燃油被霧化成﹤200～250μm的油霧液滴，以增加燃油蒸發表面積，提高蒸發速度，實現油霧蒸汽燃燒。但是機械霧化不能從根本上改變燃油液態本質。采用燃油氣化燃燒原理，氣化后的燃油粒度為氣體分子級，其化學反應速率遠遠大于機械霧化產生的油霧液滴。伴隨著氣化反應，油溫也隨之上升，根據燃燒學原理，溫度每提高10℃，化學反應速度將增加2～4倍。微油點火技術就是根據這一原理設計的。  
　　2.煤粉濃縮技術  
　　由于爐膛結焦、煤質下降及低負荷調峰穩燃需要，近幾年的電站鍋爐改造中出現了各種煤粉濃縮燃燒器。為了強化燃燒效果，微油點火穩燃燃燒器創造性地引進了煤粉濃縮技術；換言之，微油點火穩燃燃燒器煤粉濃縮技術是在借鑒以往經驗的基礎上進行改造創新的結果。  
　　3.逐級放大技術  
　　能量逐級放大技術的前提是，引火源具有很高的燃燒強度和后續燃料的迅速引燃。微油點火及穩燃燃燒器點火系統中，氣化霧化油槍保證了引火源的燃燒強度。濃相煤粉被引燃時，在一級燃燒室內就形成了“三高區”，即：點火溫度高，煤粉濃度高，燃燒強度高。煤粉在高強度的燃燒火核引燃下迅速升溫破碎并析出揮發份，進一步增強燃燒效果；濃相煤粉著火后進入二級乃至三級燃燒室與稀相煤粉混合后繼續強化燃燒，達到了能量逐級放大效果。  
　　4.氣膜冷卻技術  
　　由于煤粉在燃燒器筒體內燃燒，燃燒器筒體內煙氣溫度高達1000℃左右，燃燒器金屬壁面的工作環境比較惡劣，極易造成燃燒器結焦、燒損。為防止燃燒器結焦、燒損，在微油點火及穩燃燃燒器系統中引進了航空航天領域的氣膜冷卻技術，即用稀相一次風冷卻一次燃燒室壁面，用送風機壓力冷風作為周界二次風冷卻二次燃燒室壁面。氣膜冷卻技術是在燃燒器壁面形成一層冷風氣膜，它具有兩個重要保護作用：一是將高溫燃氣與壁面隔開，以避免高溫燃氣直接對壁面進行對流換熱，這是隔熱作用；二是將高溫燃氣與火焰的輻射熱量從壁面帶走一部分，這是冷卻作用。通過這兩種保護方式可以有效防止燃燒器結焦和過熱燒損。  
　　5.微油量氣化小油槍工作原理  
　　微油量氣化小油槍利用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細油滴進行點火燃燒，在極短時間內完成油滴的氣化蒸發，使微油量氣化小油槍直接燃燒氣體燃料，從而大大提高了燃燒效率及火焰溫度。氣化后的燃油火焰剛性強、傳播速度快，火焰呈完全透明狀，根部為藍色火焰，中間及尾部為白色透明火焰，火焰中心溫度可達1500℃～2000℃。氣化后的燃油火焰作為高溫火核在煤粉燃燒器內直接點燃煤粉。這種點火方式點火迅速，穩燃性能好，從而實現了以粉代油，節省點火及低負荷穩燃用油的目的。

　6.微油點火煤粉燃燒器工作原理  
　　微油量氣化小油槍通過燃油氣化燃燒產生高溫火焰，在煤粉燃燒器一次燃燒室內形成溫度梯度較大的高溫火核，進入一次燃燒室的濃相煤粉遇到高溫火核時，煤粉顆粒溫度急劇升高而破裂粉碎，揮發份迅速析出并著火燃燒。著火燃燒的濃相煤粉進入二次燃燒室時，再與稀相煤粉混合并將稀相煤粉點燃，促使煤粉分級燃燒，燃燒能量逐級放大，達到了煤粉迅速點火并強化燃燒的效果。這種點火方式可以大大減少煤粉燃燒所需的引燃能量，以滿足鍋爐冷態啟動、滑參數停止以及低負荷穩燃需要。  
　　五、微油燃燒技術節油原理  
　　1.油槍布置方式節油  
　　傳統的鍋爐點火大油槍一般都布置在二次風噴口內，鍋爐冷態啟動時，首先點燃大油槍以提高爐膛煙氣溫度，高溫煙氣通過對流將熱量傳給一次風射流，這種高溫煙氣與一次風的對流換熱，約為油槍燃燒產生熱量的20%。而微油點火煤粉燃燒器是將油槍布置在一次風噴口內，這種油槍布置方式最多只用大油槍的20%油量來點燃煤粉，所以可節約近80％的燃油。  
　　2.分級燃燒方式節油  
　　節油燃燒器針對不同煤質設計2～3級煤粉燃燒室，第一級煤粉燃燒室進口風量一般為一次風管風量的20%～30％，煤粉濃度約為風管內煤粉濃度的2～3倍。根據煤粉著火熱計算公式，一次風量與風粉氣流所需著火熱基本成比例關系，利用分級燃燒原理，在上述基礎上又可節油80%～90％。  
　　微油點火節油燃燒器與常規煤粉燃燒器相比，其主要優點是：小油量氣化燃燒著火迅速，燃燒充分，火力強大，著火后的高溫火焰在燃燒器筒體內以極短的時間直接點燃煤粉并迅速燃燒，然后向爐內噴出高溫火焰。相鄰煤粉燃燒器煤粉噴出后被高溫火焰和煙氣回流加熱點火燃燒，而不必使用大油槍點火。所以用油量較少。  
　　綜合上述兩種節油方式，使用微油點火節油燃燒器，可直接節油95％以上。扣除因節油而多消耗煤粉的費用，綜合節油率可達90％以上。  
　　六、微油點火煤粉燃燒器改造效果  
　　渾江發電公司微油點火煤粉燃燒器設計煤種為：灰份≤48%，揮發份≥16%，低位發熱量≥14000kj/kg。微油量氣化小油槍出力為40～120kg/h，大油槍出力為：0.8～1.5t/h。  
　　微油點火煤粉燃燒器改造后收到了良好的節油效果，啟、停爐及低負荷穩燃耗油量明顯下降。  
　　5、6號爐原重油點火系統冷態啟爐每次耗（重）油50噸以上，最高達到過87噸；滑參數停爐每次耗（重）油10噸以上。而微油點火煤粉燃燒器改造后冷態啟爐每次耗（柴）油可控制在15噸以內，滑參數停爐每次耗（柴）油不超過2噸。按經濟價值計算——  
　　冷態啟爐每次至少節約資金：  
　　0.33萬元×50（t）－0.63萬元×15（t）＝7.05萬元  
　　滑參數停爐每次至少節約資金：  
　　0.33萬元×10（t）－0.63萬元×2（t）＝2.04萬元  
　　啟停爐一次可以節約資金9萬元以上。  
　　這只是在燃用劣質煤情況下，微油點火煤粉燃燒器改造后的節油效果。如果燃用設計煤種，其節油效果會更加明顯。  
　　七、結論  
　　通過以上分析論述，可以得出如下結論：  
　　1.綜合節油率高  
　　微油點火煤粉燃燒器通過小油量點火油槍氣化燃燒形成的高溫火核直接點燃煤粉。這種點火方式點火迅速，穩燃性能好，實現了以粉代油、節省燃油的目的。在鍋爐啟、停和低負荷穩燃方面可節約大量燃油，綜合節油率達90%以上。  
　　2.自動化程度高  
　　微油點火節油燃燒技術配套設計的控制系統，通過就地控制箱或PLC與DCS系統聯絡（單獨DCS組態畫面），將重要參數傳輸到鍋爐FSSS保護系統。通過DCS系統獨立的操作畫面，結合爐內火焰監視系統，運行人員可在集控室進行遠程操作，整個過程也可設定全自動完成。 
　　3.系統安全可靠  
　　微油點火煤粉燃燒器系統簡單，對煤種適應性強，操作方便，運行穩定。煤粉燃燒器采用多級氣膜冷卻技術，可以有效避免燃燒器結焦、燒損現象，運行安全可靠。