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W火焰超临界机组富氧燃烧节油点火技术W火焰超临界机组富氧燃烧节油点火技术 乾工科技
W火焰超临界机组富氧燃烧节油点火技术 万立 （广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁530023） 【扌商要】研究w火焰超临界机组燃用无烟煤节油点火技术的选择。对比w火焰超临界机组燃烧无烟煤可采用的节油点火 技术，对比传统微油点火、纯氧点火、富氧点火三种节油技术的特点，从点火效果、工程造价、节油效果、投资回报等多方面来分析。结 果表明:富氧燃烧技术和纯氧燃烧技术比传统微油点火节油效率要高的多，而投资上相差不大；富氧燃烧节油效率更高，施工周期短、 满足小修要求,投资回收期更短。 【关键词】W火焰;超临界；节油；微油点火；纯氧点火；富氧点火
1前言 石油是国民经济发展的基础，电力行业，尤其是火力发电厂 是油料使用大户之一。由于煤炭的着火和燃烧比油、气困难得 多，在锅炉启动和低负荷运行条件下一般采用大量的燃油或燃 气来进行点火和稳燃［，Io据粗略统计，每年仅火力发电厂机组 的启、停及低负荷稳燃用油就达上千万吨。因此有效的节油技 术改进锅炉机组的启、停及低负荷稳燃，大幅度降低火电机组的 燃油消耗，优化我国的能源消费结构,对国民经济可持续发展具 有重要的战略意义。 近年来，国内兴起了多种针对火力发电厂的节油技术，主要 的节油技术有等离子点火和微油点火技术。国内等离子点火和 微油点火技术在四角切圆燃烧锅炉、前后墙对冲燃烧锅炉从 300MW机组到1000MW机组都已经取得应用［2Io 而超临界W型火焰锅炉，由于燃烧器结构异常特殊,使用煤 种煤质一般为无烟煤，挥发分低，着火速度慢,点火和稳燃特别 困难。而等离子点火技术仅用于挥发份较高的煤种，不适用于 W型火焰锅炉，因而W火焰超临界机组燃用无烟煤一般采用微 油点火技术。 在传统微油技术不断发展的基础上，岀现了纯氧点火技术 和富氧点火技术。纯氧点火技术是将微油点火和纯氧助燃两者 功能整合为一体，考虑到传统单一微油点火能量小，对煤种特别 是无烟煤的适应性较差的特点,采用纯氧助燃，提高了点火装置 的煤种适应性,进一步节约了燃油。富氧燃烧在油和煤中都加 入纯氧气,在理论上比纯氧燃烧有更好的燃烧和节油效率。 2微油点火技术的分类 2.1传统微油点火系统 微油点火技术是一种以煤代油的技术。该技术借鉴了等离 子体燃烧器的结构原理,使微量燃油在特殊设计的燃烧器内高 强度燃烧产生高强火焰。该火焰引燃少量煤粉,利用煤粉燃烧 自身的热量引燃更多的煤粉，采用功率放大原理，达到最终点燃 大量煤粉的目的气 微油燃烧技术的两个关键部件分别是微油油枪和煤粉燃烧 器，微油气化油枪与高强度油燃烧室配合,燃烧后形成温度很高 的油火焰。高温油火焰引入煤粉燃烧器一级燃烧区，当浓相煤 粉通过气化燃烧高温火核时，煤粉温度急剧升高、破裂粉碎，释 放出大量的挥发份，并迅速着火燃烧;已着火燃烧的浓相煤粉在 二次室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉,实现了煤粉的分级 燃烧,燃烧能量逐级放大,达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大 大减少煤粉燃烧所需引燃能量。满足了锅炉启、停及低负荷稳 燃的需求。 2.2纯氧微油点火系统 纯氧点火技术是在成熟的传统微油技术的基础上应用纯氧 助燃,采用深入一次风管内部的点火技术，实现逐级点燃、分级 燃烧、能量逐级放大。在二级燃烧室加配氧气系统，在点火过程 中，将纯氧送入点火燃烧器内部参与煤粉气流助燃,通过环形喷 嘴，将氧气送入已被微油火焰点燃的煤粉气流。这样既提高了 点火燃烧器对劣质燃料的应用范围，又能充分发挥燃用优质燃 料的性能,进一步提高点火燃烧器的节油率。 2.3富氧微油点火系统 富氧技术利用氧气的助燃特性，在锅炉点火启动时,经微油 枪向煤粉燃烧器注入压缩氧气。氧气在微油枪喷口处与燃油充 分混合实现纯氧燃烧，形成高温热量回流,并对后续燃油进行加 热、扩容。由于富氧的作用，油滴瞬间蒸发气化，从而大幅度提 高燃油的燃烧效率及火焰温度。所产生的油火焰动量大，刚性 强，传播速度快，中心温度高，使穿过该火焰的煤粉颗粒快速热 解破裂，并释放挥发分着火燃烧，进而点燃燃烧器喷口周围呈富 氧状态的煤粉。其燃烧所产生的热量引燃一次风煤粉,形成小 火点中火，中火点大火的燃烧态势,实现以煤代油，以氧助燃，用 微油富氧燃烧直接点燃煤粉流，启动冷态或热态锅炉。在锅炉 因调峰、停机而处于低负荷燃烧状态，或锅炉日常运行燃烧呈不 稳定状态时，不需投油,仅需向煤粉燃烧器喷口注入高浓度氧气 流，即可有效降低氧气流流经区域煤粉的着火热度，显著提高其 燃烧温度与速度,实现一次风粉在不加油状况下正常燃烧与稳 燃。特殊情况下.也可实行微油富氧燃烧。 3方案比较 3.1点火效果 富氧燃烧方案以及纯氧燃烧方案都采用增加氧气助燃的方 法,相比传统微油点火,增强点火能量，提高煤种适应性,点火效 果更好，节油效果更显著。而富氧技术方案采用的是油和煤都 加入纯氧气，相对于纯氧技术方案只是在煤粉中加入氧气，更能 强化初期的点火效果,理论上对于W型火焰锅炉燃用的难燃无 烟煤应该更加实用。 3.2工程造价 1台600MW等级超临界W火焰燃烧煤粉炉,传统微油改造 工程造价预计在750万左右;富氧燃烧方案的改造量较小、更换 设备较少,但相对传统微油需要配置氧站和配套设备，报价预计 850万左右;纯氧燃烧方案是在传统微油的基础上配置氧气系 统,报价和富氧燃烧相近,约850万左右。 3.3节油效果 600MW等级超临界W火焰燃烧煤粉炉常规大油枪单次冷 态启动用油约160〜200t,采用传统微油点火后，对烟煤节油率较 高,若燃用无烟煤，节油效率只能达到40%左右；富氧燃烧方案 理论计算值6.4吨，实际能控制在10吨以内，能达到90%以上的 效率;纯氧燃烧技术预计节油效率在80%左右。 3.4实际运行经验 纯氧燃烧方案是在传统的微油基础上，在二级燃烧室加配 氧气系统,比传统微油的燃烧效果更好，而传统微油改造在多台 60万千瓦等级W火焰炉上有成熟良好的应用，所以，方案的风险 性较小;富氧燃烧方案虽有应用且多家公司正在进行改造及签 定意向，但在60万千瓦超临界W火焰炉还没有实际的应用，相 对而论,其实际的应用情况和效率还有待实践检验。 3.5存在的问题 总的来说,富氧燃烧技术和纯氧燃烧技术比传统微油点火 节油效率要高的多，而投资上相差不大。而富氧燃烧方案在效 率上更高，施工周期短、满足小修要求，而且对原锅炉的燃烧配 置基本不改动，对机组的燃烧工况影响非常小。然而也必须注 意到富氧燃烧、纯氧燃烧技术可能存在的问题： （1） 由于采用纯氧助燃,燃烧温度有可能提高，在此情况下 要防止燃烧器过烧、水冷壁过热等一系列因温度升高可能引起 的问题。富氧燃烧、纯氧燃烧技术方案都注意采取了合理组织 燃烧器构造,采用二次风气膜保护，喷口材料采用耐热耐磨铸钢 等一些手段来防止高温影响，但由于新技术运行实例不多，高温 问题仍要注意。 （2） 富氧燃烧、纯氧燃烧技术增加了氧气系统，对供氧站以 及氧气管道等一整套氧气系统的安全问题必须加以重视，更要 注意氧气系统不能影响电厂原来其他设备和系统的安全性,应 采取必要的安全措施,进行必要的安全培训。 （3） 富氧燃烧、纯氧燃烧属于新技术，针对本工程W火焰超 临界机组应用的案例还并不多，效果还需要实践的检验。 4经济分析 本文按1台常规600MW等级超临界W火焰炉燃用无烟煤， 将常规大油枪点火改造为微油点火，拟改造2台磨煤机（一般为 双进双岀钢球磨煤机）对应的12只燃烧器，进行经济比较。 4.1节油分析 按节约使用1吨油,需使用2吨煤，油价8元/Kg,煤粉0.7元/ Kg计算，节约部分主要由冷炉启动节油和低负荷稳燃节油组成： （1） 冷炉启动用油 同类型的机组单次冷炉启动用油约160〜200t, 一年冷态启 动4次。按传统微油点火节油率40%,富氧燃烧节油率90%,纯 氧燃烧节油率80%计算。 （2） 低负荷稳燃用油 低负荷稳燃大油枪岀力1.17t/h,传统微油枪岀力0.15t/h（ 一 台燃烧器对应2只微油枪）,用微油枪代替大油枪进行稳燃时按 照两只微油油枪可替代对应的大油枪计算，按一年12只微油燃 烧器/大油枪的稳燃投运时间为100小时（对若需要经常参与调 峰的机组节油改造效益将更为可观）。而在低负荷稳燃的情况 下，富氧燃烧和纯氧燃烧均可不投油，仅需向煤粉燃烧器喷口注 入高浓度氧气流，即可有效降低氧气流流经区域煤粉的着火热 度,显著提高其燃烧温度与速度,实现一次风粉在不加油状况下 正常燃烧与稳燃。特殊情况下，也可实行微油富氧燃烧。这样 耗油量亦大大降低了。具体效益分析见表1。 表1各点火及稳燃技术效益分析
4.1投资回报 节油及资金情况如下，项目属一次性投资而长期收益，具体 投资回报视机组运行状况定。具体经济性分析见表2。 表2各点火及稳燃技术经济性分析
可以看岀富氧燃烧投资回收期最短.纯氧燃烧次之，传统微 油点火最长。 5结论 W火焰超临界机组燃用无烟煤应采用微油点火技术，富氧 燃烧技术和纯氧燃烧技术比传统微油点火节油效率要高的多， （下转第105页） 查莫迪图，得入=0.016 故 号四击*蒔;即 心宀x 尚=°"16 x W *基T958巳 可见改造后从烘房废气输送到RTO,废气在管道流动的压 降减少了 690多Pa。 3气体状态的调节 如图1所示，在气体状态调节段通过管道截面的变化，使气 体状态参数岀现波动，为气体的减压增速准备所需的最佳条 件。烘房废气的最佳减速增压条件由实验测得。
图1气体经过变截面调节到理想状态后降压增速示意图 焦耳和汤姆逊在1852年进行的节流试验表明，气体在管道 中流动时，流经截面突然缩小的闸门、孔口、多孔塞等装置后，又 流进截面和原来相同或相近的管道，当这个过程气流与外界既 无热量交换又无功量交换，气体的焙值不变。对理想气体，因焙 是温度的单值函数，故节流前后温度不变。对实际气体,由于焙 是温度和压力的函数，所以节流前后虽焙值不变,温度却会发生 变化。节流过程是等焙过程，不是定焙过程，节流过程的压力、 流速和恰值变化示意于图2。
图2焦-汤节流效应压强、速度和燈值变化示意图 过截面突然变小的管道流动到RTO,废气的恰值降低，压强降 低，速度大幅度上升。如图3所示。
图3理想状态气体经过小管道进入TRO内腔的压强、速度和燈值变化 由于RTO内腔的压强为-69 Pa，废气输送管气体理想状态 段的压强约为R=Pi-613.97=1500-195.8=1304.2Pa ,所以在降压 增速时能利用的极限压强为，若通入RTO管道直径为500mm, 即可为废气大约增加2156W的流动能量。(假设经过降压增速增 加的速度是8m/S ,由于1373.2N/m2乘以膨胀体积 "W X8m/s = 2156m) 4结束语 汽车整车制造企业涂装车间烘房废气需要输送到RTO进行 处理,本文根据节流的焦-汤效应,改造废气的输送管道,将改进 后的管道分为三段:气体输送段、气体状态调节段和气体理想状 态段;在管道最后一段的废气，经过小管道把废气输送到RTO, 废气压强减少速度增加,实现在减少RTO端的风机情况下也可 以按量输送废气。本文通过合理设计管道能节约一个风机，对 企业生产来说可节约能源与成本。在气体管路计算过程中，气 体降压增速的效果虽然没有准确的数据说明，但降压增速是气 体流动的一个事实。本文研究过程受到现实条件的限制，如果 想利用这个方案为企业节约能源，只要设计实验测定标况下的 废气密度、废气黏度、废气最佳降压增速的状态参数即可。必须 指岀的是,气体的降压增速区别于液体，气体的降压增速受截面 突变前气体状态的影响，不同的状态导致不同的降压增速效果。
根据节流效应，如果管道界面变小，即废气在理想状态下通 (上接第71页)
而投资上相差不大。而富氧燃烧方案在效率上更高，施工周期 短、满足小修要求，而且对原锅炉的燃烧配置基本不改动，对机 组的燃烧工况影响非常小，投资回收期更短，所以推荐采用富氧 燃烧技术,其次采用纯氧燃烧技术。但同时要注意由于富氧燃 烧、纯氧燃烧属于新技术，需要重视燃烧温度升高，氧气系统的 安全性等一系列问题。 采用微油点火技术，对环境无不利影响，而经济效益将随机 组运行长期收益。 参考文献 [1] 韩才元，徐明厚.煤粉燃烧[M].北京:科学出版社,2001:193-206. [2] 姚文达，李硕，郭秀峰.电站锅炉微油点火技术现状与发展[J].华电技术, 2008,30(1):14-18. [3] 刘定平.SC-DF燃烧器的节油稳燃机理及应用[J].武钢技术,2002,40(1): 47-50.
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