隨著國際原油價格的上漲，重油和渣油價格不斷升高，鍋爐使用重油或渣油作為燃料成本過高，嚴(yán)重制約著燃油電廠經(jīng)濟(jì)效益的增長。煤焦油長期以來一直是作為重要的化工原料，但煤焦油的生產(chǎn)量大于化工的加工量，有大量的煤焦油沒能得到很好地利用。我國每年要進(jìn)口大量的重油用于燃燒，近年來世界的石油價格居高不下，煤焦油的價格較重油低，如果能用煤焦油部分代替重油將有巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。通過對煤焦油的成分與鍋爐所燃用渣油的成分進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)煤焦油的性質(zhì)與渣油比較接近，研究發(fā)現(xiàn)煤焦油可作為燃料代替重油用于燃油鍋爐中。但煤焦油中主要是芳香族等環(huán)狀結(jié)構(gòu)化合物，較難充分燃燒。煤焦油的含碳量為90%左右，比重油高；含氫量為6%左右，比重油低，燃燒時更易生成炭黑，使燃燒不完全并產(chǎn)生大量的煙塵。如何解決燃油鍋爐改燒煤焦油引起的鍋爐冒黑煙問題是一個非常緊迫的課題，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
1、問題的起因及解決方案
    現(xiàn)有燃油鍋爐改燒煤焦油冒黑煙較嚴(yán)重的主要原因是煤焦油燃料特性與重油或渣油存在較大的差別。一方面，改燒煤焦油后仍使用燃燒重油的油槍噴嘴，勢必會引起噴嘴霧化質(zhì)量的下降，初始霧化粒徑偏大，油霧化燃燒形成的焦粒在爐內(nèi)難以燃盡；另一方面，燃燒配風(fēng)不合理，原有穩(wěn)焰器配風(fēng)與煤焦油燃料熱解及燃燒特性不匹配，煤焦油熱解提前，初期缺氧燃燒，高溫裂解成碳黑。這兩個方面的原因造成改燒煤焦油后電廠煙囪冒黑煙較嚴(yán)重，且煙塵粒徑較大。就液體燃料霧化燃燒過程中碳黑形成機(jī)理來看，重油燃料由于其瀝青質(zhì)含量較少，其燃燒形成的碳黑主要是氣相析出型碳黑，即蒸發(fā)的燃料氣在空氣不足的高溫條件下熱分解所生成的固體顆粒，其尺寸很小，在爐內(nèi)易于燃盡。而煤焦油燃料由于瀝青質(zhì)含量較高，其燃燒形成的碳黑主要是剩余型碳黑和積炭，即燃燒時油滴被爐內(nèi)高溫和周圍的火焰加熱，在產(chǎn)生燃料氣的同時，發(fā)生聚縮反應(yīng)，一面激烈地發(fā)泡，一面固化，從而生成空隙率高的絮狀空心微珠，尺寸很大（10一300um），外．形近似球形，形成尺寸較大的碳黑在爐內(nèi)難以燃盡。
    研究表明：重油樣品的收到基殘?zhí)悸蕿?2. 83%，兩種煤焦油樣品的收到基殘?zhí)悸史謩e為17 .4%和23.3%，是重油殘?zhí)悸实?.36倍和1.84倍。采用熱天平對重油和煤焦油燃燒與熱解特性的實驗研究發(fā)現(xiàn)，重油和煤焦油是兩種熱解和燃燒特性差異較大的燃料，相比于重油，煤焦油熱解提前，但更難熱解、難燃盡。因此，煤焦油不能簡單替代重油在重油燃燒器上燃燒。為此提出的改造方案為：
    (1)根據(jù)煤焦油的燃料特性（粘度、表面張力等），設(shè)計新的油槍噴嘴，提高霧化質(zhì)量，使得燃油霧化粒徑更細(xì)，且具有較好的調(diào)節(jié)特性；
    (2)設(shè)計新的穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)，合理組織燃燒配風(fēng)、及時地供應(yīng)燃燒所需空氣量以及保證燃料與空氣的充分混合，從燃燒和燃盡的角度減少碳黑的形成。
2、Y型燃油噴嘴與穩(wěn)焰器的研究
2.1新油槍噴嘴設(shè)計
    上海交通大學(xué)熱能工程研究所多年來研究開發(fā)的Y型噴嘴內(nèi)部汽液兩相流動及外部霧化模型的設(shè)計程序，可進(jìn)行Y型噴嘴的設(shè)計、校核和霧化粒徑及分布的預(yù)報，該程序預(yù)報結(jié)果與采用激光測粒儀實測的結(jié)果吻合較好。
    根據(jù)電廠1號鍋爐運(yùn)行的實際經(jīng)驗，確定單支Y型噴嘴的設(shè)計出力為2 000 kg/h，供油壓力為0.6 MPa，霧化蒸汽壓力為0.6 MPa，蒸汽溫度為260 ℃。根據(jù)電廠已有油槍霧化煤焦油時存在不同程度的油孔堵塞的情況，本Y型燃油噴嘴設(shè)計時油孔直徑適當(dāng)放大，噴嘴孔數(shù)由12孔改為10孔，汽孔直徑為3.6mm，油孔直徑為2.3 mm．混合孔直徑為4.5 mm。霧化油滴粒徑D32<20um，均勻性指數(shù)Ⅳ> 2.0。新設(shè)計的油槍噴嘴結(jié)構(gòu)見圖1。
    按設(shè)計程序計算得到的燃煤焦油噴嘴變工況運(yùn)行特性見圖2。圖中p1為霧化蒸汽壓力，p：為油壓，單位均為MPa。G：及K分別為噴油量(kg/h)及汽耗率(%)。p2/p．的允許變化范圍為0.387一13 .148．此即不發(fā)生倒油、倒汽的安全工作區(qū)域。因此，實際油槍的投運(yùn)方式及油壓、汽壓按此曲線調(diào)整。
2.2新穩(wěn)焰器研究與設(shè)計
    本燃燒系統(tǒng)包括油燃燒器及油管路系統(tǒng)。油燃燒器系大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，前墻布置，文丘里平流調(diào)風(fēng)器共8個分上、下兩排，上、下中心距離為2m，上排調(diào)風(fēng)器中心標(biāo)高為9.2 m，至屏底距離為7.7 m。燃燒器橫向距離（以鍋爐中心線為軸對稱布置），中間兩個燃燒器相距1. 84 m，兩側(cè)中心距為1.76m，距兩側(cè)墻水冷壁中心為1.155m。大風(fēng)箱下面兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，單側(cè)進(jìn)風(fēng)面積為2×1m2。進(jìn)風(fēng)口中心標(biāo)高4.487 m。大風(fēng)箱有效容積31.3 m3。各調(diào)風(fēng)器間隔較為均勻，有利于各調(diào)風(fēng)器進(jìn)風(fēng)均勻。大風(fēng)箱被分隔為4個腔室。
    平流式調(diào)風(fēng)器采用文丘里縮擴(kuò)管，其喉部與風(fēng)箱之間壓差信號大，有利于風(fēng)量調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)見圖3。
    調(diào)風(fēng)器進(jìn)、出口直徑為+575 mm，喉口直徑為∮424 mm，穩(wěn)焰器外徑為∮320mm，寬100mm，穩(wěn)焰器葉輪外側(cè)壬直面距爐膛內(nèi)壁約為150mm(原設(shè)計)。穩(wěn)焰器葉片為16片，軸向夾角45°。每個平流式調(diào)風(fēng)器配置一只重油槍，共8只。平流式調(diào)風(fēng)器的主要部件是穩(wěn)焰器，它一般由一個軸向葉輪組成。穩(wěn)焰器的作用是：(1)產(chǎn)生一個大小和位置合適的回流區(qū)，以滿足穩(wěn)定著火的要求；(2)通過一定量的旋流風(fēng)作為根部風(fēng)，它對早期混合有重要作用。良好的霧化質(zhì)量和合理配風(fēng)是保證油燃燒良好的基本條件。合理配風(fēng)應(yīng)遵循的原則通常包括：保持火焰根部一定量的根部風(fēng)、加強(qiáng)早期混合、維持一個適當(dāng)?shù)幕亓鲄^(qū)、后期混合要強(qiáng)等。其中，“保持火焰根部一定量的根部風(fēng)”是抑制燃油初期燃燒生成炭黑粒子的重要條件。根部風(fēng)量一般可控制在15%~30%以內(nèi)。實際上，對根部風(fēng)量的控制及送入位置還與燃料特性密切相關(guān)。如果某種燃油易于熱解，即能在較低溫度下熱解，且熱解的油氣量較大，那么該燃油噴入爐內(nèi)初期必須送入一定量的空氣促進(jìn)其燃燒，避免熱分解，同時也強(qiáng)化油焦后期的燃燒。通過對煤焦油燃燒特性分析可知，煤焦油開始熱解的溫度比重油低得多，但熱解過程較慢，熱解的揮發(fā)分燃燒與殘?zhí)既紵�過程相對孤立，即分成有較大間隔的兩個階段；而重油燃燒過程中揮發(fā)分燃燒與殘?zhí)既紵�階段較連續(xù)。從配風(fēng)角度而言，煤焦油燃燒配風(fēng)更注重燃油初期助燃空氣較早混入，即要有適量的根部風(fēng)。
    由于對穩(wěn)燃器現(xiàn)場流場測試較困難，故采用數(shù)值模擬的方法來得到調(diào)風(fēng)器及穩(wěn)焰器配風(fēng)情況。本次數(shù)值模擬以實物為對象，完全遵循其幾何條件、邊界條件，不做任何簡化。圖4表示計算得到的穩(wěn)焰器出口流場，從大風(fēng)箱來的空氣量進(jìn)入文丘里風(fēng)道，經(jīng)過風(fēng)道出口穩(wěn)焰器后，被其自行分配成兩股氣流，即流經(jīng)穩(wěn)焰器的旋流風(fēng)（一次風(fēng)）和不經(jīng)過穩(wěn)焰器的直流風(fēng)（二次風(fēng)）。在穩(wěn)焰器出口形成了由兩個對稱渦構(gòu)成的回流區(qū)，回流區(qū)擴(kuò)展后的直徑接近穩(wěn)焰器直徑大小，這對燃油穩(wěn)燃是極有利的。從圖4可知，流經(jīng)穩(wěn)焰器的一次風(fēng)實際上被排擠到了回流區(qū)以外，即在圖中回流區(qū)邊界以外。圖5表示穩(wěn)焰器出口處油槍頭噴出霧化油滴運(yùn)動軌跡，大部分油滴都噴入了回流區(qū)，沒有與大部分一次風(fēng)及早混合。顯然，已有的穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)不足以提供煤焦油燃燒特性的根部風(fēng)，必須對現(xiàn)有穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改造，其出發(fā)點(diǎn)是在回流區(qū)結(jié)構(gòu)基本不破壞的前提下，在穩(wěn)焰器出口中心提供一定量的直流風(fēng)作為根部風(fēng)。由于根部風(fēng)的大小與煤焦油實際燃燒情況相關(guān)，因此，穩(wěn)焰器的改造方案是在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上確定。
    新穩(wěn)焰器是在原穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)上做小改動，即從葉片根部端沿徑向去掉一段的葉片，葉片的角度和數(shù)目不變（見圖6）。通過現(xiàn)場試驗成功確定了穩(wěn)燃器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，根部風(fēng)通道徑向凈尺寸為20 mm。該穩(wěn)焰器與新油槍配合良好，燃油燃燒穩(wěn)定，火焰明亮，火焰尾部無火星，火焰根部和尾部的煙氣清晰，煙氣中無明顯彌散的固體小顆粒存在。因此，新油槍和新穩(wěn)焰器(直流根部風(fēng)20mm)可作為項目改造的最終方案。
3、燃油鍋爐改燒煤焦油的熱態(tài)試驗
    2005年6月對l號鍋爐燃燒煤焦油采用電廠原油槍進(jìn)行鍋爐啟動、升負(fù)荷和煙塵取樣試驗。利用鍋爐煙道煙塵濃度等速取樣系統(tǒng)，在l號鍋爐尾部煙道完成了鍋爐平均負(fù)荷分別為171.2 t／h、189.0 t/h、202.2 t/h時的煙塵取樣（取樣時間為30min，每間隔5min記錄一次，取鍋爐負(fù)荷的平均值）。對收集的樣品采用天平稱重，得到樣品的質(zhì)量。采用電廠原油槍時煙塵濃度取樣試驗結(jié)果見表l。
    更換新設(shè)計油槍進(jìn)行煙塵取樣試驗，采用同樣的等速取樣方法，在1號鍋爐尾部煙道完成了鍋爐平均負(fù)荷分別為211.8 t/h、189.2 t/h和170.5t/h的取樣試驗，取樣試驗數(shù)據(jù)見表2。
    試驗結(jié)果表明，使用新設(shè)計油槍時鍋爐負(fù)荷長時間穩(wěn)定在210t/h左右，最高負(fù)荷達(dá)220 t/h。新油槍在l號鍋爐較高負(fù)荷下能穩(wěn)定運(yùn)行。對不同負(fù)荷下煙塵取樣量進(jìn)行稱重，170.5 t/h、189.2t/h、211,8 t/h鍋爐負(fù)荷時30 min煙塵取樣量分別為1.14 g、1.36g和1,56 g。隨著鍋爐負(fù)荷的增加，煙氣粉塵濃度逐漸增加，這與煙囪排煙目測情況和電廠實際運(yùn)行經(jīng)驗是一致的。其煙塵排放濃度比采用電廠原油槍運(yùn)行時有一定量的降低。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)插值，使用新設(shè)計油槍在鍋爐負(fù)荷為202.2t/h時30min煙塵取樣量為1.48 g。與電廠原油槍相比，使用新設(shè)計油槍煙塵排放量降低了52.7%。同時考慮到新穩(wěn)焰器的作用，與電廠原油槍和原穩(wěn)焰器相比，使用新油槍和新穩(wěn)焰器后1號鍋爐燃燒煤焦油煙塵排放濃度可明顯降低。
4、結(jié)  語
    (1)使用新設(shè)計的油槍及新的穩(wěn)焰器后，l號鍋爐燃燒煤焦油的情況得到明顯改善。爐膛火焰穩(wěn)定，火焰根部和尾部無明顯火星，火焰尾部無沖墻，爐膛上部過熱器區(qū)域煙氣清晰。
    (2)使用新設(shè)計的油槍及新的穩(wěn)焰器后，1號鍋爐燃燒煤焦油時，負(fù)荷能長時間穩(wěn)定在210t/h左右，煙囪無明顯黑煙。
    (3)與原油槍對比，使用新油槍時鍋爐煙塵排放量有所下降，達(dá)50%左右，緩解了燃油鍋爐改燒煤焦油后引起的鍋爐冒黑煙問題，富通新能源不但生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，而且還大量銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒專用的生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料由木屑顆粒機(jī)壓制生產(chǎn)而成。