1、問題的起因及解決方案
現有燃油鍋爐改燒煤焦油冒黑煙較嚴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難以燃盡；另一方面，燃燒配風不合理，原有穩焰器配風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理來看，重油燃料由于其瀝青質含量較少，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，在爐內易于燃盡。而煤焦油燃料由于瀝青質含量較高，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高溫和周圍的火焰加熱，在產生燃料氣的同時，發生聚縮反應，一面激烈地發泡，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難以燃盡。
研究表明：重油樣品的收到基殘碳率為12. 83%，兩種煤焦油樣品的收到基殘碳率分別為17 .4%和23.3%，是重油殘碳率的1.36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現，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)根據煤焦油的燃料特性（粘度、表面張力等），設計新的油槍噴嘴，提高霧化質量，使得燃油霧化粒徑更細，且具有較好的調節特性；
(2)設計新的穩焰器結構，合理組織燃燒配風、及時地供應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型燃油噴嘴與穩焰器的研究
2.1新油槍噴嘴設計
上海交通大學熱能工程研究所多年來研究開發的Y型噴嘴內部汽液兩相流動及外部霧化模型的設計程序，可進行Y型噴嘴的設計、校核和霧化粒徑及分布的預報，該程序預報結果與采用激光測粒儀實測的結果吻合較好。
根據電廠1號鍋爐運行的實際經驗，確定單支Y型噴嘴的設計出力為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型燃油噴嘴設計時油孔直徑適當放大，噴嘴孔數由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Ⅳ> 2.0。新設計的油槍噴嘴結構見圖1。
按設計程序計算得到的燃煤焦油噴嘴變工況運行特性見圖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．此即不發生倒油、倒汽的安全工作區域。因此，實際油槍的投運方式及油壓、汽壓按此曲線調整。
2.2新穩焰器研究與設計
本燃燒系統包括油燃燒器及油管路系統。油燃燒器系大風箱結構，前墻布置，文丘里平流調風器共8個分上、下兩排，上、下中心距離為2m，上排調風器中心標高為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，兩側中心距為1.76m，距兩側墻水冷壁中心為1.155m。大風箱下面兩側進風，單側進風面積為2×1m2。進風口中心標高4.487 m。大風箱有效容積31.3 m3。各調風器間隔較為均勻，有利于各調風器進風均勻。大風箱被分隔為4個腔室。
平流式調風器采用文丘里縮擴管，其喉部與風箱之間壓差信號大，有利于風量調節，結構見圖3。
調風器進、出口直徑為+575 mm，喉口直徑為∮424 mm，穩焰器外徑為∮320mm，寬100mm，穩焰器葉輪外側壬直面距爐膛內壁約為150mm(原設計)。穩焰器葉片為16片，軸向夾角45°。每個平流式調風器配置一只重油槍，共8只。平流式調風器的主要部件是穩焰器，它一般由一個軸向葉輪組成。穩焰器的作用是：(1)產生一個大小和位置合適的回流區，以滿足穩定著火的要求；(2)通過一定量的旋流風作為根部風，它對早期混合有重要作用。良好的霧化質量和合理配風是保證油燃燒良好的基本條件。合理配風應遵循的原則通常包括：保持火焰根部一定量的根部風、加強早期混合、維持一個適當的回流區、后期混合要強等。其中，“保持火焰根部一定量的根部風”是抑制燃油初期燃燒生成炭黑粒子的重要條件。根部風量一般可控制在15%~30%以內。實際上，對根部風量的控制及送入位置還與燃料特性密切相關。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初期必須送入一定量的空氣促進其燃燒，避免熱分解，同時也強化油焦后期的燃燒。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，熱解的揮發分燃燒與殘碳燃燒過程相對孤立，即分成有較大間隔的兩個階段；而重油燃燒過程中揮發分燃燒與殘碳燃燒階段較連續。從配風角度而言，煤焦油燃燒配風更注重燃油初期助燃空氣較早混入，即要有適量的根部風。
由于對穩燃器現場流場測試較困難，故采用數值模擬的方法來得到調風器及穩焰器配風情況。本次數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表示計算得到的穩焰器出口流場，從大風箱來的空氣量進入文丘里風道，經過風道出口穩焰器后，被其自行分配成兩股氣流，即流經穩焰器的旋流風（一次風）和不經過穩焰器的直流風（二次風）。在穩焰器出口形成了由兩個對稱渦構成的回流區，回流區擴展后的直徑接近穩焰器直徑大小，這對燃油穩燃是極有利的。從圖4可知，流經穩焰器的一次風實際上被排擠到了回流區以外，即在圖中回流區邊界以外。圖5表示穩焰器出口處油槍頭噴出霧化油滴運動軌跡，大部分油滴都噴入了回流區，沒有與大部分一次風及早混合。顯然，已有的穩焰器結構不足以提供煤焦油燃燒特性的根部風，必須對現有穩焰器結構進行適當改造，其出發點是在回流區結構基本不破壞的前提下，在穩焰器出口中心提供一定量的直流風作為根部風。由于根部風的大小與煤焦油實際燃燒情況相關，因此，穩焰器的改造方案是在現場試驗的基礎上確定。
新穩焰器是在原穩焰器結構上做小改動，即從葉片根部端沿徑向去掉一段的葉片，葉片的角度和數目不變（見圖6）。通過現場試驗成功確定了穩燃器的改進結構，根部風通道徑向凈尺寸為20 mm。該穩焰器與新油槍配合良好，燃油燃燒穩定，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，新油槍和新穩焰器(直流根部風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試驗
2005年6月對l號鍋爐燃燒煤焦油采用電廠原油槍進行鍋爐啟動、升負荷和煙塵取樣試驗。利用鍋爐煙道煙塵濃度等速取樣系統，在l號鍋爐尾部煙道完成了鍋爐平均負荷分別為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，取鍋爐負荷的平均值）。對收集的樣品采用天平稱重，得到樣品的質量。采用電廠原油槍時煙塵濃度取樣試驗結果見表l。
更換新設計油槍進行煙塵取樣試驗，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，取樣試驗數據見表2。
試驗結果表明，使用新設計油槍時鍋爐負荷長時間穩定在210t/h左右，最高負荷達220 t/h。新油槍在l號鍋爐較高負荷下能穩定運行。對不同負荷下煙塵取樣量進行稱重，170.5 t/h、189.2t/h、211,8 t/h鍋爐負荷時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行經驗是一致的。其煙塵排放濃度比采用電廠原油槍運行時有一定量的降低。根據試驗數據插值，使用新設計油槍在鍋爐負荷為202.2t/h時30min煙塵取樣量為1.48 g。與電廠原油槍相比，使用新設計油槍煙塵排放量降低了52.7%。同時考慮到新穩焰器的作用，與電廠原油槍和原穩焰器相比，使用新油槍和新穩焰器后1號鍋爐燃燒煤焦油煙塵排放濃度可明顯降低。
4、結 語
(1)使用新設計的油槍及新的穩焰器后，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，爐膛上部過熱器區域煙氣清晰。
(2)使用新設計的油槍及新的穩焰器后，1號鍋爐燃燒煤焦油時，負荷能長時間穩定在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銷售生物質鍋爐，而且還大量銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料，生物質顆粒燃料由木屑顆粒機壓制生產而成。
