【摘要】 火力发电厂是燃油的使用大户,锅炉启动及稳燃都需要燃烧大量的燃油,其中多数使用重油和重柴油等高粘度、不易燃烧充分的油类以降低成本,直接导致燃烧极易产生黑烟并发生结焦,加大烟气处理的难度。燃油雾化效果的好坏直接影响到燃烧的效果，对电厂的经济效益和环保效益有直接的影响。近年来，我国大型机组投入使用，机组启动耗油量加大。随着电网负荷变化等其他因素,机组启动更加频繁，低负荷时机组稳燃的稳定性至关重要。因此解决燃油雾化问题对于电厂来说,具有很大的实际意义。在初步介绍电厂常用雾化设备的基础上,通过对物理化学理论的分析,提出了一些改进的措施和建议,以资参考。
【关键词】 雾化效果 燃烧 环保效益 经济效益
在当今火力发电厂面临节能降耗和环境污染的大背景下,如何有效的节约能源和尽可能的降低排放、减少污染,是一个迫在眉睫的大问题。而提高燃油的燃烧效率是解决该问题的一个重要方面。各类装置上使用燃油时,一般包含以下几个阶段:
(1)燃料的雾化,由喷嘴完成此项任务。
(2)燃料雾滴的蒸发。
(3)燃料雾与空气的混合。
(4)油气着火和剧烈燃烧。
燃油燃烧属于非均相扩散系的燃烧,而且其燃烧过程的快慢主要取决于后三个过程。实验发现,油雾与空气的混合以及油气混合物发生化学反应的速度是非常迅速的,因此,影响燃油着火时间的主要因素就是蒸发阶段的快慢。
加快蒸发过程,主要有三种手段:采用雾化性能更好的工质、创造更加有利的蒸发条件、增加燃油蒸发的表面积。受燃料种类和物理性质的限制以及电站锅炉炉膛内条件的制约,在电站锅炉内前两种方式的可行性很小,因此,第三种方式就成了最为关键的一点。
由物理化学的理论可知,物体的比表面积反比于物体的体积,因此,减小液滴直径,既将液滴雾化成更小的液滴滴群,是加快液滴蒸发的有效途径。燃油的雾化效果将直接影响到燃料的利用效率、燃烧的时间以及充分性。
1 现有常用油枪分析
油雾化器简称油枪,由头部的喷嘴和连接管组成。通常,油枪可以简单地分为两大类:机械式雾化油枪和介质式雾化油枪。雾化粒度是表示油滴颗粒大小的指标,也是评价油枪性能好坏的指标,最常用的一种衡量雾化颗粒大小的指标就是体面积平均直径(索太尔平均直径SMD)
di为某种液滴的直径,ni为直径为di的液滴数
机械式油枪主要为压力式。而压力式则主要有简单压力式和回油式。
一、 电厂常见油枪简介
1.1 简单压力式油枪
简单压力式油枪的喷嘴本质上是一个旋涡室。重油通过漩涡室上对称分布的开孔,以高速度沿切向流入室内而产生旋流。油流呈漏斗状进入喷嘴孔,并受到压缩,从而显著增加其圆周速度。经过喷嘴的油粒受到轴向力和旋转产生的切向力作用而具有很大的转动动能,因而喷出后就能得到良好雾化,并且有一定的雾化角。油离开喷嘴后通常为一空心圆锥。简单压力式油枪供油系统简单,耗能少,噪音小,但负荷调节比不大,一般为1:1.4,对雾化片加工精度要求高,出力小且易堵。简单压力式油枪只适用于带基本负荷的锅炉。
优点：这种油枪是一种较成熟的油枪，雾化原理比较简单，供油系统也比较简单。油枪利用燃油压力进行雾化，正常工作油压为2.9Mpa.结构如下图：
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缺点：简单压力式油枪对油种适应性差，只能燃烧轻柴油，雾化颗粒度索泰尔系数SMD＜200um,燃烧效率在冷态时为﹥84％，点火会冒黑烟，对环境造成污染。这种油枪的出力调节范围有限，基本不可调。
对简单压力式油枪的改进可从点火冒黑烟和油枪出力不可调两方面进行改善。
改善方案一：在简单压力式油枪喷嘴处增加一路压力空气或蒸汽来增加雾化效果，改善燃烧效率，减少冒黑烟的情况。这种油枪也可称为外混式油枪，结构如下图：
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改善方式二：简单压力式油枪喷嘴处增加一路回油孔。回油式油枪分为内回油和外回油两种,其雾化原理与简单压力式相似。外回油喷嘴在旋流室外的小孔回油,结构复杂,调节比小,应用较少。内回油式喷嘴可以看成两个简单压力式油枪对叠而成。在喷嘴工作时,进入喷嘴的油流被分成喷油和回油两股流出,当进油压力不变时,总的进油量变化不大,只要改变回油量,喷油量就能自行改变,从而达到调节负荷的目的。结构如下图：
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优点：回油式油枪出力大,调节幅度大,一般可达1:(3～5),且容易实现负荷的自动调节
缺点：热回油量大,系统复杂,功率和材料消耗大。
2． Y型雾化油枪
Y型雾化油枪的特点是油孔、气孔和混合孔三者呈Y型相交。油从外管进入喷嘴头部的油孔,蒸汽从内管进入气孔,油和蒸汽在混合孔中撞击初步破碎,形成乳化状态的油气混合物,然后经喷孔喷到炉内雾化。喷孔一般有6-10个,与喷嘴轴线呈对称分布。结构如下图：
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优点：
Y型喷嘴具有雾化质量好(可达50μm),调节比大,耗气量低;而且适合大型锅炉在缺氧状态下的燃烧。
缺点：
由于燃烧有蒸汽参与，蒸汽中含有水分，点炉时会产生黑烟。Y型喷嘴存在保养困难,在油质较差、杂质较多时,喷孔易堵塞的缺点。在电厂实际使用中,发现Y型喷嘴会出现燃油因雾化不佳而焦化堵塞喷口的问题。
改进措施：用压缩空气杂用气源代替蒸汽，燃烧火焰更明亮，黑烟情况明显减少。
3.气泡雾化油枪
气泡式油枪采用两级雾化。在气泡雾化油枪中,首先在混合室内产生气泡两相流,混合室保持一定的压力。然后气泡两相流喷出喷孔,压力突然降低到常压,气泡在内外压差的作用下急速膨胀并发生爆裂,使雾化颗粒可以达到很小的水平，雾化颗粒度索泰尔系数SMD＜40um,燃烧效率为﹥90％。传统的机械雾化和介质雾化主要克服的是液体的粘性力,而气泡式油枪主要克服的是液体表面张力。不同液体的粘性力差别很大,但是表面张力的差别却不大,因此气泡式油枪的使用范围较广。又由于液体的表面张力相对粘性力较小,所以气泡式油枪的能量需求小,同样能量下雾化效果更好。结构如下图：
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优点：
1.气泡雾化油枪压力可调；油压范围为：0.3-1.1Mpa.调节比高达1：4.只需调整燃油压力就可以获得相应的油枪出力，而且不影响油枪雾化和燃烧效率。
2气泡雾化油枪的雾化介质为压缩空气，燃烧时起助燃作用，不会出现冒黑烟的情况。
缺点：
气泡雾化油枪雾化效果好，但缺点是火焰刚性不好，在点火过程中容易出现火焰被吹灭的情况。一般在点火时把二次风开度设到15％左右，待燃烧稳定后再调到正常开度。
由以上的分析可以看出,机械式雾化装置普遍存在雾化颗粒较大,雾化质量差且燃烧不充分容易结焦的缺点。而介质式雾化器是利用高速喷射的介质(空气或蒸汽)来冲击油流,并将其吹散来达到雾化的目的。介质雾化方式在克服燃油的高粘度方面更有优势,因此在应用更广泛。
二、油枪改进设想
2.1 改进措施
(1)增加进入油枪前的准备工作
有理论分析可知,雾化过程主要克服的是液体的表面张力和液体的粘性力。根据表面物理化学的观点,表面张力与相接处两相的密度差成反比,而粘性力与温度成正比,温度的升高又能使高粘度油的密度减小。因此,可以在油枪之前设计一个暖油仓,暖油仓可以是一个高效率的间壁式换热器,换热器可以利用锅炉烟气中的废热对供油进行加热。这样既可以提升燃烧用油的温度,也可以利用烟气中的废热,提高锅炉的整体效率。
(2)使用易汽化的物质
在不更换现有机械式油枪或不改变的油枪基本结构的前提下,可以使用一些高压下是液态,但是常压下是气态的物质,如液化天然气(LNG),添加在燃油当中。将液化天然气添加在燃油当中,可以不改动油枪的基本结构,只要在加压过程中保持一定压力,使LNG不提前气化即可。油枪将添加有LNG的燃油喷出油枪时,由于外界压力急剧下降到常压,LNG 迅速气化,在液体内形成气泡,气泡爆裂将包围在其表面的燃油液膜炸碎,形成细小的液滴,其原理类似与气泡雾化的原理。同时由于LNG可燃,且比重油更加容易燃烧,因此可以起到助燃的效果。
(3)变单级雾化为多级雾化
现有的介质式雾化油枪,通常只有一级,既只有一次雾化。但是单级雾化的效果往往不尽如人意。因此,在现有介质雾化的机理的基础上,采用单级变多级的方式,可以提高燃油的雾化效果。如:在Y型喷嘴的供油管和供气管之间开一个通气口,使高压蒸汽先喷一部分到油中,一方面增加流动的湍流程度,另一方面降低混合物的表面张力。又如:在Y型油枪的供油管道中加一个气泡发生器,是单相液体的流动变为两相流动,在出口处经高速气流撕裂,能达到更好的雾化效果。
(4)机械式和介质式相结合
在介质式油枪的头部添加离心式雾化片,使混合后的两相流在旋流片中做高速离心运动,流动会更加不稳定,不稳定的流动会增加液体内部的扰动。在剪切力和离心力的双重作用下,可以达到更好的雾化效果。
三、结论
通过上述对电厂常见油枪的介绍及改进方案，在保证设备安全稳定运行的基础上，可通过对油枪本体的改造或油系统的改造对燃烧起到较大提升效果，以实现电厂节能降耗、环保生产的效果。
参考资料：气泡雾化油枪燃烧技术的应用 北京 清华大学出版社 2002 275-278
应用气泡雾化油枪全面改造锅炉燃油系统 中国电力 2001 3 23-24