燃油锅炉改烧煤焦油热解特性及雾化喷嘴设计

燃油锅炉改烧煤焦油热解特性及雾化喷嘴设计

随着国际原油价格的提高，重油和渣油的价格不断上涨。重油和渣油用作锅炉的燃料成本非常高，严重限制了燃料电厂的经济效益。煤焦油长期以来一直是作为重要的化工原料,但煤焦油的生产量大于化工的加工量,有大量的煤焦油没能得到很好地利用。我国每年要进口大量的重油用于燃烧,近年来世界的石油价格居高不下,煤焦油的价格较重油低,如果能用煤焦油部分代替重油将有巨大的经济社会效益。通过对煤焦油的成分与锅炉所燃用渣油的成分进行分析比较,发现煤焦油的性质与渣油比较接近,研究发现煤焦油可作为燃料代替重油用于燃油锅炉中。但煤焦油中主要是芳香族等环状结构化合物,较难充分燃烧。煤焦油的含碳量为90%左右,比重油高;含氢量为6%左右,比重油低,燃烧时更易生成炭黑,使燃烧不完全并产生大量的烟尘。如何解决燃油锅炉改烧煤焦油引起的锅炉冒黑烟问题是一个非常紧迫的课题。1煤焦油和重油燃料燃烧方法对比现有燃油锅炉改烧煤焦油冒黑烟较严重的主要原因是煤焦油燃料特性与重油或渣油存在较大的差别。一方面,改烧煤焦油后仍使用燃烧重油的油枪喷嘴,势必会引起喷嘴雾化质量的下降,初始雾化粒径偏大,油雾化燃烧形成的焦粒在炉内难以燃尽;另一方面,燃烧配风不合理,原有稳焰器配风与煤焦油燃料热解及燃烧特性不匹配,煤焦油热解提前,初期缺氧燃烧,高温裂解成碳黑。这两个方面的原因造成改烧煤焦油后电厂烟囱冒黑烟较严重,且烟尘粒径较大。就液体燃料雾化燃烧过程中碳黑形成机理来看,重油燃料由于其沥青质含量较少,其燃烧形成的碳黑主要是气相析出型碳黑,即蒸发的燃料气在空气不足的高温条件下热分解所生成的固体颗粒,其尺寸很小,在炉内易于燃尽。而煤焦油燃料由于沥青质含量较高,其燃烧形成的碳黑主要是剩余型碳黑和积炭,即燃烧时油滴被炉内高温和周围的火焰加热,在产生燃料气的同时,发生聚缩反应,一面激烈地发泡,一面固化,从而生成空隙率高的絮状空心微珠,尺寸很大(10~300μm),外形近似球形,形成尺寸较大的碳黑在炉内难以燃尽。研究表明:重油样品的收到基残碳率为12.83%,两种煤焦油样品的收到基残碳率分别为17.4%和23.3%,是重油残碳率的1.36倍和1.84倍。采用热天平对重油和煤焦油燃烧与热解特性的实验研究发现,重油和煤焦油是两种热解和燃烧特性差异较大的燃料,相比于重油,煤焦油热解提前,但更难热解、难燃尽。因此,煤焦油不能简单替代重油在重油燃烧器上燃烧。为此提出的改造方案为:(1)根据煤焦油的燃料特性(粘度、表面张力等),设计新的油枪喷嘴,提高雾化质量,使得燃油雾化粒径更细,且具有较好的调节特性;(2)设计新的稳焰器结构,合理组织燃烧配风、及时地供应燃烧所需空气量以及保证燃料与空气的充分混合,从燃烧和燃尽的角度减少碳黑的形成。2y油喷雾器与平火焰器的研究2.1y型燃油喷嘴上海交通大学热能工程研究所多年来研究开发的Y型喷嘴内部汽液两相流动及外部雾化模型的设计程序,可进行Y型喷嘴的设计、校核和雾化粒径及分布的预报,该程序预报结果与采用激光测粒仪实测的结果吻合较好。根据电厂1号锅炉运行的实际经验,确定单支Y型喷嘴的设计出力为2000kg/h,供油压力为0.6MPa,雾化蒸汽压力为0.6MPa,蒸汽温度为260°C。根据电厂已有油枪雾化煤焦油时存在不同程度的油孔堵塞的情况,本Y型燃油喷嘴设计时油孔直径适当放大,喷嘴孔数由12孔改为10孔,汽孔直径为3.6mm,油孔直径为2.3mm,混合孔直径为4.5mm。雾化油滴粒径D32<20μm,均匀性指数N>2.0。新设计的油枪喷嘴结构见图1。按设计程序计算得到的燃煤焦油喷嘴变工况运行特性见图2。图中p1为雾化蒸汽压力,p2为油压,单位均为MPa。G2及K分别为喷油量(kg/h)及汽耗率(%)。p2/p1的允许变化范围为0.387~13.148,此即不发生倒油、倒汽的安全工作区域。因此,实际油枪的投运方式及油压、汽压按此曲线调整。2.2煤焦油调风器及稳理解分配数值模拟本燃烧系统包括油燃烧器及油管路系统。油燃烧器系大风箱结构,前墙布置,文丘里平流调风器共8个分上、下两排,上、下中心距离为2m,上排调风器中心标高为9.2m,至屏底距离为7.7m。燃烧器横向距离(以锅炉中心线为轴对称布置),中间两个燃烧器相距1.84m,两侧中心距为1.76m,距两侧墙水冷壁中心为1.155m。大风箱下面两侧进风,单侧进风面积为2×1m2。进风口中心标高4.487m。大风箱有效容积31.3m3。各调风器间隔较为均匀,有利于各调风器进风均匀。大风箱被分隔为4个腔室。平流式调风器采用文丘里缩扩管,其喉部与风箱之间压差信号大,有利于风量调节,结构见图3。调风器进、出口直径为ϕ575mm,喉口直径为ϕ424mm,稳焰器外径为ϕ320mm,宽100mm,稳焰器叶轮外侧垂直面距炉膛内壁约为150mm(原设计)。稳焰器叶片为16片,轴向夹角45°。每个平流式调风器配置一只重油枪,共8只。平流式调风器的主要部件是稳焰器,它一般由一个轴向叶轮组成。稳焰器的作用是:(1)产生一个大小和位置合适的回流区,以满足稳定着火的要求;(2)通过一定量的旋流风作为根部风,它对早期混合有重要作用。良好的雾化质量和合理配风是保证油燃烧良好的基本条件。合理配风应遵循的原则通常包括:保持火焰根部一定量的根部风、加强早期混合、维持一个适当的回流区、后期混合要强等。其中,“保持火焰根部一定量的根部风”是抑制燃油初期燃烧生成炭黑粒子的重要条件。根部风量一般可控制在15%~30%以内。实际上,对根部风量的控制及送入位置还与燃料特性密切相关。如果某种燃油易于热解,即能在较低温度下热解,且热解的油气量较大,那么该燃油喷入炉内初期必须送入一定量的空气促进其燃烧,避免热分解,同时也强化油焦后期的燃烧。通过对煤焦油燃烧特性分析可知,煤焦油开始热解的温度比重油低得多,但热解过程较慢,热解的挥发分燃烧与残碳燃烧过程相对孤立,即分成有较大间隔的两个阶段;而重油燃烧过程中挥发分燃烧与残碳燃烧阶段较连续。从配风角度而言,煤焦油燃烧配风更注重燃油初期助燃空气较早混入,即要有适量的根部风。由于对稳燃器现场流场测试较困难,故采用数值模拟的方法来得到调风器及稳焰器配风情况。本次数值模拟以实物为对象,完全遵循其几何条件、边界条件,不做任何简化。图4表示计算得到的稳焰器出口流场,从大风箱来的空气量进入文丘里风道,经过风道出口稳焰器后,被其自行分配成两股气流,即流经稳焰器的旋流风(一次风)和不经过稳焰器的直流风(二次风)。在稳焰器出口形成了由两个对称涡构成的回流区,回流区扩展后的直径接近稳焰器直径大小,这对燃油稳燃是极有利的。从图4可知,流经稳焰器的一次风实际上被排挤到了回流区以外,即在图中回流区边界以外。图5表示稳焰器出口处油枪头喷出雾化油滴运动轨迹,大部分油滴都喷入了回流区,没有与大部分一次风及早混合。显然,已有的稳焰器结构不足以提供煤焦油燃烧特性的根部风,必须对现有稳焰器结构进行适当改造,其出发点是在回流区结构基本不破坏的前提下,在稳焰器出口中心提供一定量的直流风作为根部风。由于根部风的大小与煤焦油实际燃烧情况相关,因此,稳焰器的改造方案是在现场试验的基础上确定。新稳焰器是在原稳焰器结构上做小改动,即从叶片根部端沿径向去掉一段的叶片,叶片的角度和数目不变(见图6)。通过现场试验成功确定了稳燃器的改进结构,根部风通道径向净尺寸为20mm。该稳焰器与新油枪配合良好,燃油燃烧稳定,火焰明亮,火焰尾部无火星,火焰根部和尾部的烟气清晰,烟气中无明显弥散的固体小颗粒存在。因此,新油枪和新稳焰器(直流根部风20mm)可作为项目改造的最终方案。3锅炉负荷试验2005年6月对1号锅炉燃烧煤焦油采用电厂原油枪进行锅炉启动、升负荷和烟尘取样试验。利用锅炉烟道烟尘浓度等速取样系统,在1号锅炉尾部烟道完成了锅炉平均负荷分别为171.2t/h、189.0t/h、202.2t/h时的烟尘取样(取样时间为30min,每间隔5min记录一次,取锅炉负荷的平均值)。对收集的样品采用天平称重,得到样品的质量。采用电厂原油枪时烟尘浓度取样试验结果见表1。更换新设计油枪进行烟尘取样试验,采用同样的等速取样方法,在1号锅炉尾部烟道完成了锅炉平均负荷分别为211.8t/h、189.2t/h和170.5t/h的取样试验,取样试验数据见表2。试验结果表明,使用新设计油枪时锅炉负荷长时间稳定在210t/h左右,最高负荷达220t/h。新油枪在1号锅炉较高负荷下能稳定运行。对不同负荷下烟尘取样量进行称重,170.5t/h、189.2t/h、211.8t/h锅炉负荷时30min烟尘取样量分别为1.14g、1.36g和1.56g。随着锅炉负荷的增加,烟气粉尘浓度逐渐增加,这与烟囱排烟目测情况和电厂实际运行经验是一致的。其烟尘排放浓度比采用电厂原油枪运行时有一定量的降低。根据试验数据插值,使用新设计油枪在锅炉负荷为202.2t/h时30min烟尘取样量为1.48g。与电厂原油枪相比,使用新设计油枪烟尘排放量降低了52.7%。同时考虑到新稳焰器的作用,与电厂原油枪和原稳焰器相比,使用新油枪和新稳焰器后1号锅炉燃烧煤焦油烟尘排放浓度可明显降低。4燃烧煤焦油时