微油點(diǎn)火燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

微油點(diǎn)火燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年采用鍋爐火油棒的耗油量約為1800萬(wàn)噸，相當(dāng)于700億元。同時(shí),我國(guó)是一個(gè)石油進(jìn)口大國(guó),目前國(guó)際能源緊缺,國(guó)內(nèi)外油價(jià)不斷上漲,節(jié)約點(diǎn)火用油具有非常重要的意義。我國(guó)煤炭資源豐富,石油儲(chǔ)量不足,根據(jù)當(dāng)前煤價(jià)、油價(jià)及其發(fā)熱量計(jì)算,燃料燃燒同樣釋放1MJ的熱量,燃燒柴油的成本大約是115元,而燃燒優(yōu)質(zhì)煙煤的成本是19元,對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃過(guò)程的以煤代油技術(shù),具有極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1高溫燃燒煤粉技術(shù)微油點(diǎn)火燃燒器主要由微油槍點(diǎn)火系統(tǒng)、煤粉燃燒器和控制系統(tǒng)3大部分組成。點(diǎn)火系統(tǒng)由微油燃燒室及高壓點(diǎn)火槍、壓縮空氣、燃燒油系統(tǒng)、壁溫監(jiān)測(cè)、火檢系統(tǒng)等組成。煤粉燃燒器主要由煤粉濃縮器、一次煤粉燃燒室、二次煤粉燃燒室、周界風(fēng)和冷卻風(fēng)室組成。控制系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)程控點(diǎn)火與油槍滅火聯(lián)鎖保護(hù),保證鍋爐安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行,其燃燒火焰狀況見(jiàn)圖1。其工作原理是:先利用壓縮空氣的高速射流將燃料油直接擊碎,霧化成超細(xì)油滴進(jìn)行燃燒,同時(shí)巧妙地利用燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)燃油進(jìn)行加熱、擴(kuò)容,使燃油在極短的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)氣化油槍在正常燃燒過(guò)程中直接燃燒油氣從而大大提高燃燒效率及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰剛性極強(qiáng)、傳播速度極快,火焰呈完全透明狀(根部為藍(lán)色,中間及尾部為透明白色),火焰中心溫度高達(dá)1500~2000℃,可作為高溫火核在煤粉燃燒器內(nèi)進(jìn)行直接點(diǎn)燃煤粉燃燒,從而僅使用少量燃油實(shí)現(xiàn)電站鍋爐啟動(dòng)、停止以及低負(fù)荷穩(wěn)燃。壓縮空氣主要用于燃油霧化、正常燃燒時(shí)加速燃油氣化及補(bǔ)充前期燃燒需要的氧量;高壓風(fēng)主要用于補(bǔ)充后期燃燒所需的氧量以及冷卻油燃燒室。微油量氣化油槍燃燒形成的火焰,在煤粉燃燒器內(nèi)形成溫度梯度極大的局部高溫火核,使進(jìn)入一次煤粉燃燒室的濃相煤粉通過(guò)高溫火核時(shí),煤粉顆粒溫度急劇升高、破裂粉碎,并釋放出大量的揮發(fā)分迅速著火燃燒;然后由已著火燃燒的濃相煤粉在二次煤粉燃燒室內(nèi)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉,實(shí)現(xiàn)煤粉的分級(jí)燃燒,燃燒能量逐級(jí)放大,達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的大大減少煤粉燃燒所需引燃能量,滿足了鍋爐啟、停及低負(fù)荷穩(wěn)燃的需求。氣膜冷卻二次風(fēng)主要用于保護(hù)燃燒室安全,防止結(jié)焦燒損及補(bǔ)充后期燃燒所需氧量。2節(jié)約鍋爐啟動(dòng)燃油為節(jié)約電站鍋爐燃燒用燃油,我國(guó)科研人員在燃燒器和油槍的設(shè)計(jì)上做了大量的工作,早期主要集中在燃燒器的設(shè)計(jì)上,積累了不同煤種燃燒特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了“三高區(qū)”的理論,開(kāi)發(fā)了船體燃燒器、鈍體燃燒器、濃淡燃燒器、雙通道燃燒器等多種形式的燃燒器,收到了一定效果,但這些燃燒器早期改造的目的是節(jié)約低負(fù)荷穩(wěn)燃用油,后期的改造主要考慮降低NOX的效果。在節(jié)約鍋爐啟動(dòng)用油方面,目前應(yīng)用和正在研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)際上主要集中在點(diǎn)火熱源上,比較典型、可行的有等離子燃燒技術(shù)、高溫空氣燃燒技術(shù)、微油點(diǎn)火燃燒技術(shù)。(1)等離子燃燒技術(shù)的點(diǎn)火熱源是利用強(qiáng)磁場(chǎng)控制下的直流接觸引弧,將壓縮空氣電離成高溫等離子體,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是等離子體的溫度高,可達(dá)4000℃以上,同時(shí)等離子體的化學(xué)活性高,易于煤粉引燃,缺點(diǎn)是陰極容易腐蝕,維護(hù)量大,設(shè)備比較復(fù)雜,且造價(jià)成本高。(2)高溫空氣燃燒技術(shù)是首先將部分空氣加熱到800℃以上,然后利用該高溫空氣攜帶并點(diǎn)燃煤粉,該技術(shù)目前應(yīng)用不多。(3)微油點(diǎn)火燃燒技術(shù)主要是用出力為20~25kg/h的微油氣化油槍代替復(fù)雜的等離子發(fā)生器,實(shí)現(xiàn)了煤粉的分級(jí)燃燒,燃燒能量逐級(jí)放大,達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的,設(shè)備簡(jiǎn)單可靠,維修工作量小,改造造價(jià)低。3微油引流場(chǎng)模擬圖2為某電廠斜入式直流微油煤粉燃燒器的三維模型示意圖,同時(shí)對(duì)該煤粉燃燒器內(nèi)煤粉在微油引燃下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬(見(jiàn)圖3、4)。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,氣膜冷卻風(fēng)在燃燒器壁面附近可維持較高的速度形成高速的保護(hù)膜,以利于燃燒器壁面的冷卻和保護(hù),同時(shí)在燃燒器中心地帶有適當(dāng)?shù)牡退賲^(qū),有利于強(qiáng)化燃燒。4地面二次噴口改造(1)實(shí)例1。新疆瑪納斯發(fā)電廠6號(hào)鍋爐型號(hào)為WG-410T/9.8,燃燒方式為四角切圓燃燒,乏氣送粉,共16個(gè)一次風(fēng)噴口。燃用煤質(zhì)為當(dāng)?shù)責(zé)熋?爐前煤揮發(fā)分Vad=24%~26%,熱值Qnet=21~24MJ/kg。蒸汽流量為410t/h,過(guò)熱蒸汽壓力為9.8MPa,過(guò)熱蒸汽溫度540℃。在2003年機(jī)組大修時(shí)將6號(hào)爐的1、3號(hào)角下層二次風(fēng)噴口(油槍噴口)改為微油冷爐點(diǎn)火燃燒器,現(xiàn)場(chǎng)改造時(shí)間約為10d。大修完成后,于2003年4月冷態(tài)升爐,使用微油點(diǎn)火燃燒器實(shí)現(xiàn)一次冷態(tài)啟動(dòng)成功。同時(shí)通過(guò)了96h考核試驗(yàn),其中有10h為低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn),試驗(yàn)表明微油點(diǎn)火完全可以滿足鍋爐啟動(dòng)升溫、升壓需要。在試驗(yàn)過(guò)程中,多次檢查微油燃燒器內(nèi)部情況發(fā)現(xiàn)一二次燃燒室無(wú)任何結(jié)渣現(xiàn)象。機(jī)組啟動(dòng)一次共耗油200kg,機(jī)組滑停一次共耗油70kg。(2)實(shí)例2。哈二電廠的220t/h鍋爐型號(hào)為HG-205型油改煤鍋爐,燃燒方式為前后墻布置旋流燃燒器,共有6只。制粉系統(tǒng)為中間儲(chǔ)倉(cāng)式乏氣送粉。燃用煤質(zhì)為煙煤,爐前煤揮發(fā)分Vad=20%~24%,熱值Qnet=21MJ/kg左右。將該爐3號(hào)燃燒器改為微油冷爐點(diǎn)火燃燒器。在改造時(shí),維持原一二次風(fēng)風(fēng)率不變,將煤粉濃縮環(huán)由原位置向后移至與二次風(fēng)箱端面平齊,微油點(diǎn)火燃燒器由濃縮環(huán)、一二次燃燒室、二次風(fēng)等組成。2001年11月進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn),試驗(yàn)共持續(xù)5h,冷爐一次點(diǎn)火成功,爐內(nèi)火焰明亮,微油燃燒器火焰長(zhǎng)約為6m。燃燒器本身二次風(fēng)冷卻效果好,燃燒器壁溫約為300℃,燃燒器內(nèi)無(wú)結(jié)渣。該技術(shù)使用至今未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。5煤粉燃燒效果分析臺(tái)州發(fā)電廠6號(hào)爐系上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-420/13.7-M415型單汽包自然循環(huán)、中間再熱懸吊式、四角切圓燃燒、π型露天布置、中儲(chǔ)式、固態(tài)排渣煙煤爐。為減少鍋爐升停爐與助燃用油,在機(jī)組大修時(shí)對(duì)下排1、3號(hào)角一次風(fēng)噴咀進(jìn)行微油氣化燃燒點(diǎn)火燃燒器改造,更換該層原一次風(fēng)主燃燒器,安裝兩只微油氣化燃燒點(diǎn)火燃燒器及相應(yīng)輔助系統(tǒng)。既可作為鍋爐啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火燃燒器及低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器使用,在正常運(yùn)行時(shí)又可作為主燃燒器使用。大修后于2005年12月鍋爐首次啟動(dòng)點(diǎn)火,點(diǎn)火時(shí)采用投1、3號(hào)角微油油槍運(yùn)行,油槍著火良好。繼而直接投入1、3號(hào)角下排給粉機(jī)運(yùn)行,煤粉著火較好、燃燒穩(wěn)定。啟動(dòng)期間燃用的煤種揮發(fā)分為左右收到基),低位發(fā)熱量平均為20068kJ/kg。啟動(dòng)期間煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。啟動(dòng)初期,6號(hào)機(jī)組在并網(wǎng)前進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn),試驗(yàn)期間鍋爐保持微油槍及下排1、3號(hào)角給粉機(jī)運(yùn)行,能滿足汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至全速的需要。可代替原鍋爐投用下排4支大油槍燃燒的作用。在機(jī)組并網(wǎng)后投用中排1、3號(hào)給粉機(jī)運(yùn)行時(shí),煤粉著火良好。當(dāng)負(fù)荷增至30MW左右,分別試投下排及中排2、4號(hào)給粉機(jī)運(yùn)行時(shí),煤粉著火較好,但著火點(diǎn)較遠(yuǎn)。當(dāng)投運(yùn)給粉機(jī)達(dá)6臺(tái)以后,各一次風(fēng)噴咀煤粉著火良好。直至機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行,一直未投大油槍。6號(hào)爐自大修后投入運(yùn)行2個(gè)多月以來(lái),下排1、3號(hào)角微油燃燒器運(yùn)行良好,沒(méi)有發(fā)生結(jié)焦以及一次風(fēng)管堵塞等異常情況。2006年2月低負(fù)荷消缺時(shí)曾投用了微油槍助燃。此次,臺(tái)州發(fā)電廠6號(hào)爐大修后啟動(dòng),在啟動(dòng)初期及低負(fù)荷時(shí)僅投用微油燃燒器點(diǎn)燃煤粉,而以往在常規(guī)啟動(dòng)時(shí)一般均需投用4支油槍助燃,節(jié)油效果相當(dāng)明顯。因機(jī)組改造后試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程投用微油槍系統(tǒng)共投運(yùn)88h,實(shí)際耗油8.18t,而按原方式啟動(dòng)大油槍的耗油為0.9t/h,在啟動(dòng)初期及低負(fù)荷時(shí)一般均需投用4支油槍助燃,需耗油88×4×0.9=316.8t,節(jié)約燃油約為308.6t,節(jié)油率可達(dá)97%,節(jié)油效果相當(dāng)明顯。通過(guò)跟蹤取樣分析數(shù)據(jù)可得出,冷態(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí),由于點(diǎn)火初期爐膛溫度和一、二次風(fēng)溫均較低,此時(shí)投入給粉機(jī)時(shí),煤粉燃燒效率約80%;隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,爐膛溫度及一、二次風(fēng)溫提高,改善了煤粉的燃燒條件,煤粉燃燒效率逐步提高到84.33%和87.54%;在點(diǎn)火8h后,煤粉燃燒效率已達(dá)95.56%,平均燃燒效率按80%計(jì),實(shí)際煤粉消耗量約為:308.6×2.08/0.80=802.36t。綜合計(jì)算可節(jié)約燃料費(fèi)用308.6×4840-802.36×428=115萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益可觀(油價(jià)為4840元/t,煤價(jià)為428元/t包括制粉電耗)。6微油氣點(diǎn)火技術(shù)目前,微油點(diǎn)火燃燒技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)4