微油点火煤粉燃烧技术的改造及应用
微油点火煤粉燃烧技术的改造及应用
摘要：通过对浑江发电公司两台670T/h锅炉微油点火煤粉燃烧技术改造及应用的论述，指出了微油点火煤粉燃烧器系统组成、设备构造、工作原理、节油原理以及取得的节油效果，对于火力发电厂同类型锅炉机组燃烧器改造及节省燃油工作具有借鉴指导意义。
关键词：微油;燃烧技术;燃烧器
一、原燃烧器设计情况
浑江发电公司两台670T/h锅炉(5号炉、6号炉)均为哈尔滨锅炉厂生产的中间仓储式热风送粉煤粉锅炉。5号炉原设计为四角切圆布置16只直流式煤粉燃烧器;6号炉原设计为四角切圆布置上两层为直流式煤粉燃烧器，下两层为双通道煤粉燃烧器。
5、6号炉各角四层燃烧器中间设计了蒸汽雾化重油点火油枪(每台炉4只重油点火油枪)。
锅炉设计煤种为浑江地区混煤。煤质设计值为：灰份：40.67%，挥发份：22.14%，低位发热量：16492kj/kg(3945大卡/kg)。从设计值可以看出，浑江发电公司燃用的煤质较劣，而实际运行中，燃用的煤种变化很大，煤质更差，远远低于设计值。特别是2004年四季度以来，由于煤炭市场紧缺，燃用的煤质偏离设计值甚远，实际燃用煤质经常在下列范围：灰份52%以上，挥发份14%以下，低位发热量13000kj/kg以下。由此带来的后果是，锅炉燃烧稳定性差，耗油量增加，灭火事件多发。
二、燃烧器改造情况
为了稳定燃烧，降低耗油量，减少锅炉灭火事件，浑江发电公司对5、6号炉燃烧器进行了多次改造。
5号炉原设计为四角切圆布置16只直流式煤粉燃烧器。2001年10月，将原设计的16只直流式煤粉燃烧器均改造为左右型浓淡煤粉燃烧器。
6号炉原设计为四角切圆布置上两层为直流式煤粉燃烧器，下两层为双通道煤粉燃烧器。2002年7月将原有的燃烧器改造成上三层为左右型浓淡煤粉烧器，下一层为直流式煤粉燃烧器。
改造成左右型浓淡煤粉燃烧器后，结果很不理想，一是对煤种适应性较差，燃烧惰性大，当灰份高于50%，挥发份低于13%时，燃烧稳定性较差，经常需要投油稳燃;二是过热器及再热器管壁超温严重。
为改变上述燃烧器不良特性，2004年起，浑江发电公司陆续将5、6号炉所有燃烧器均改造为双通道双浓淡多突扩式煤粉燃烧器(简称双通道燃烧器)。
双通道燃烧器改造后，对煤质的适应性较强，燃烧稳定性明显好转，但在节约燃油方面还不够理想，特别是启、停炉及低负荷运行稳燃耗油量还比较大。主要原因是重油点火油枪在冷态启炉初期，点火非常困难，燃烧很不完善，大量重油颗粒在没有着火或完全燃烧的情况下就被冷风带走;还有一部分重油附着在水冷壁上，在冷却过程中沿水冷壁流淌到冷灰斗而凝固结块，致使大量重油被浪费掉。
为解决这一问题，进一步适应煤质需要，最大限度节省燃油，2007年下半年，浑江发电公司陆续将5、6号炉下层4只双通道煤粉燃烧器改造为哈尔滨国能微油点火设备有限公司设计制造的柴油微油点火煤粉燃烧器。微油点火煤粉燃烧器改造同时，将各角四层燃烧器中间的4只蒸汽雾化重油点火油枪改造为4只机械雾化柴油点火油枪。
微油点火煤粉燃烧器既可作为点火燃烧器，也可作为主燃烧器使用。由于采用了微油点火技术、煤粉浓缩技术和逐级放大技术，这种燃烧器除具备微油点火节油性能外，煤粉燃烧器本身还具有良好的稳燃节油性能，所以煤粉燃烧器又称为稳燃燃烧器或节油燃烧器。
该项技术系统简单，操作方便，对煤种适应性强，运行稳定，安全可靠。
三、微油点火煤粉燃烧器系统构造及作用
1.微油点火煤粉燃烧器系统组成
微油点火煤粉燃烧器系统由微油量气化小油枪点火系统、煤粉燃烧系统、控制保护系统三大部分组成。
微油量气化小油枪点火系统由高能点火器、点火油枪、辅助油枪、燃油系统、压缩空气系统等组成。
煤粉燃烧系统由煤粉浓缩器、煤粉燃烧器、周界风冷却系统等组成。
控制保护系统由DCS系统和就地控制箱、火检保护系统、燃烧器壁温监测系统、火焰电视监测系统等组成，对点火系统和送粉系统进行控制，实现程控点火与油枪灭火联锁保护，保证锅炉安全稳定可靠运行。
2.微油点火煤粉燃烧器构造及作用
微油点火煤粉燃烧器由高能点火器、点火油枪、辅助油枪、煤粉浓缩器、一次燃烧室、二次燃烧室、周界二次风、压缩空气、高压风(压力冷风)等部分组成。
高能点火器用于点火油枪点火，点火油枪用于点燃煤粉，辅助油枪用于强化点火燃烧效果，加快煤粉的点火速度，增加煤粉的燃烧强度。
煤粉浓缩器采用双层煤粉浓缩环结构，以提高煤粉浓缩效果。煤粉浓缩率达63.4%。
一次燃烧室作用：一次风粉混合物经浓淡分离后，浓相煤粉进入一次燃烧室与微油量气化小油枪气化燃烧生成的高温火焰混合，在微油量气化小油枪高温火焰作用下析出挥发份并着火燃烧。
二次燃烧室作用：稀相煤粉进入二次燃烧室与浓相着火燃烧的煤粉混合并被点燃。被点燃的煤粉火焰在燃烧过程中喷入炉膛，火焰长度可达5米以上，可直接点燃与其相邻的主燃烧器。
周界二次风作用：冷却二次燃烧室外壁，防止燃烧器烧损和结焦，补充煤粉燃烧所需氧量。
压缩空气作用：小油枪点火初期用于燃油雾化，正常燃烧时加速燃油气化并提供燃烧所需氧量。
高压风(压力冷风)作用：为小油枪着火初期提供氧量，补充正常燃烧所需氧量。
四、微油点火煤粉燃烧器工作原理
微油点火煤粉燃烧器采用微油点火技术、煤粉浓缩技术、逐级放大技术和气膜冷却技术等先进技术。
1.微油点火技术
传统的机械雾化燃烧方式是，燃油被雾化成﹤200～250μm的油雾液滴，以增加燃油蒸发表面积，提高蒸发速度，实现油雾蒸汽燃烧。但是机械雾化不能从根本上改变燃油液态本质。采用燃油气化燃烧原理，气化后的燃油粒度为气体分子级，其化学反应速率远远大于机械雾化产生的油雾液滴。伴随着气化反应，油温也随之上升，根据燃烧学原理，温度每提高10℃，化学反应速度将增加2～4倍。微油点火技术就是根据这一原理设计的。
2.煤粉浓缩技术
由于炉膛结焦、煤质下降及低负荷调峰稳燃需要，近几年的电站锅炉改造中出现了各种煤粉浓缩燃烧器。为了强化燃烧效果，微油点火稳燃燃烧器创造性地引进了煤粉浓缩技术;换言之，微油点火稳燃燃烧器煤粉浓缩技术是在借鉴以往经验的基础上进行改造创新的结果。
3.逐级放大技术
能量逐级放大技术的前提是，引火源具有很高的燃烧强度和后续燃料的迅速引燃。微油点火及稳燃燃烧器点火系统中，气化雾化油枪保证了引火源的燃烧强度。浓相煤粉被引燃时，在一级燃烧室内就形成了“三高区”，即：点火温度高，煤粉浓度高，燃烧强度高。煤粉在高强度的燃烧火核引燃下迅速升温破碎并析出挥发份，进一步增强燃烧效果;浓相煤粉着火后进入二级乃至三级燃烧室与稀相煤粉混合后继续强化燃烧，达到了能量逐级放大效果。
4.气膜冷却技术
由于煤粉在燃烧器筒体内燃烧，燃烧器筒体内烟气温度高达1000℃左右，燃烧器金属壁面的工作环境比较恶劣，极易造成燃烧器结焦、烧损。为防止燃烧器结焦、烧损，在微油点火及稳燃燃烧器系统中引进了航空航天领域的气膜冷却技术，即用稀相一次风冷却一次燃烧室壁面，用送风机压力冷风作为周界二次风冷却二次燃烧室壁面。气膜冷却技术是在燃烧器壁面形成一层冷风气膜，它具有两个重要保护作用：一是将高温燃气与壁面隔开，以避免高温燃气直接对壁面进行对流换热，这是隔热作用;二是将高温燃气与火焰的辐射热量从壁面带走一部分，这是冷却作用。通过这两种保护方式可以有效防止燃烧器结焦和过热烧损。
5.微油量气化小油枪工作原理
微油量气化小油枪利用压缩空气的高速射流将燃油直接击碎，雾化成超细油滴进行点火燃烧，在极短时间内完成油滴的气化蒸发，使微油量气化小油枪直接燃烧气体燃料，从而大大提高了燃烧效率及火焰温度。气化后的燃油火焰刚性强、传播速度快，火焰呈完全透明状，根部为蓝色火焰，中间及尾部为白色透明火焰，火焰中心温度可达1500℃～2000℃。气化后的燃油火焰作为高温火核在煤粉燃烧器内直接点燃煤粉。这种点火方式点火迅速，稳燃性能好，从而实现了以粉代油，节省点火及低负荷稳燃用油的目的。
6.微油点火煤粉燃烧器工作原理
微油量气化小油枪通过燃油气化燃烧产生高温火焰，在煤粉燃烧器一次燃烧室内形成温度梯度较大的高温火核，进入一次燃烧室的浓相煤粉遇到高温火核时，煤粉颗粒温度急剧升高而破裂粉碎，挥发份迅速析出并着火燃烧。着火燃烧的浓相煤粉进入二次燃烧室时，再与稀相煤粉混合并将稀相煤粉点燃，促使煤粉分级燃烧，燃烧能量逐级放大，达到了煤粉迅速点火并强化燃烧的效果。这种点火方式可以大大减少煤粉燃烧所需的引燃能量，以满足锅炉冷态启动、滑参数停止以及低负荷稳燃需要。
五、微油燃烧技术节油原理
1.油枪布置方式节油
传统的锅炉点火大油枪一般都布置在二次风喷口内，锅炉冷态启动时，首先点燃大油枪以提高炉膛烟气温度，高温烟气通过对流将热量传给一次风射流，这种高温烟气与一次风的对流换热，约为油枪燃烧产生热量的20%。而微油点火煤粉燃烧器是将油枪布置在一次风喷口内，这种油枪布置方式最多只用大油枪的20%油量来点燃煤粉，所以可节约近80%的燃油。
2.分级燃烧方式节油
节油燃烧器针对不同煤质设计2～3级煤粉燃烧室，第一级煤粉燃烧室进口风量一般为一次风管风量的20%～30%，煤粉浓度约为风管内煤粉浓度的2～3倍。根据煤粉着火热计算公式，一次风量与风粉气流所需着火热基本成比例关系，利用分级燃烧原理，在上述基础上又可节油80%～90%。
微油点火节油燃烧器与常规煤粉燃烧器相比，其主要优点是：小油量气化燃烧着火迅速，燃烧充分，火力强大，着火后的高温火焰在燃烧器筒体内以极短的时间直接点燃煤粉并迅速燃烧，然后向炉内喷出高温火焰。相邻煤粉燃烧器煤粉喷出后被高温火焰和烟气回流加热点火燃烧，而不必使用大油枪点火。所以用油量较少。
综合上述两种节油方式，使用微油点火节油燃烧器，可直接节油95%以上。扣除因节油而多消耗煤粉的费用，综合节油率可达90%以上。
六、微油点火煤粉燃烧器改造效果
浑江发电公司微油点火煤粉燃烧器设计煤种为：灰份≤48%，挥发份≥16%，低位发热量≥14000kj/kg。微油量气化小油枪出力为40～120kg/h，大油枪出力为：0.8～1.5t/h。
微油点火煤粉燃烧器改造后收到了良好的节油效果，启、停炉及低负荷稳燃耗油量明显下降。
5、6号炉原重油点火系统冷态启炉每次耗(重)油50吨以上，最高达到过87吨;滑参数停炉每次耗(重)油10吨以上。而微油点火煤粉燃烧器改造后冷态启炉每次耗(柴)油可控制在15吨以内，滑参数停炉每次耗(柴)油不超过2吨。按经济价值计算——
冷态启炉每次至少节约资金：
0.33万元×50(t)-0.63万元×15(t)=7.05万元
滑参数停炉每次至少节约资金：
0.33万元×10(t)-0.63万元×2(t)=2.04万元
启停炉一次可以节约资金9万元以上。
这只是在燃用劣质煤情况下，微油点火煤粉燃烧器改造后的节油效果。如果燃用设计煤种，其节油效果会更加明显。
七、结论
通过以上分析论述，可以得出如下结论：
1.综合节油率高
微油点火煤粉燃烧器通过小油量点火油枪气化燃烧形成的高温火核直接点燃煤粉。这种点火方式点火迅速，稳燃性能好，实现了以粉代油、节省燃油的目的。在锅炉启、停和低负荷稳燃方面可节约大量燃油，综合节油率达90%以上。
2.自动化程度高
微油点火节油燃烧技术配套设计的控制系统，通过就地控制箱或PLC与DCS系统联络(单独DCS组态画面)，将重要参数传输到锅炉FSSS保护系统。通过DCS系统独立的操作画面，结合炉内火焰监视系统，运行人员可在集控室进行远程操作，整个过程也可设定全自动完成。
3.系统安全可靠
微油点火煤粉燃烧器系统简单，对煤种适应性强，操作方便，运行稳定。煤粉燃烧器采用多级气膜冷却技术，可以有效避免燃烧器结焦、烧损现象，运行安全可靠。