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【摘 要】我国是以煤为主要燃料的国家,目前燃煤的火力发电厂仍在为社会提供绝大部分的电力,今后一段时间仍将建设为数众多的燃煤发电机组。为了提高燃料利用效率,国内新建的大型燃煤发电机组均采用了超临界、超超临界技术,机组循环效率大大提高。在锅炉点火技术方面,新建机组绝大多数都采用了等离子或小油枪点火技术,燃油的消耗量也大大降低,很多采用等离子点火技术的燃煤机组在基建调试期间还实现了燃油的零消耗。
【关键词】等离子点火;原理;煤质适用范围
Plasma ignition by pulverized coal
Tang Min
(Shaanxi Dahua Electric Power Design Consulting Engineering Co., Ltd. Xi'an Shaanxi 710032)
【Abstract】China's main fuel is coal country, current coal-fired power plants still provide the community with most of the electricity in the coming period will continue to build a large number of coal-fired generating units. In order to improve fuel efficiency, domestic new large coal-fired generating units have adopted an ultra-critical, ultra-supercritical technology, greatly improving the efficiency unit circle. In the boiler ignition technology, the new units have adopted the vast majority of the plasma or a small oil gun ignition technology, fuel consumption is also greatly reduced, many plasma ignition technology, coal-fired units also achieved in infrastructure during debugging zero fuel consumption .
【Key words】Plasma ignition; Principle; Coal adapting category
1. 引言
大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧轻油、重油或天然气等稀有燃料来实现的,近年来,随着世界性的能源紧张,原油价格不断上涨,火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被作为一项重要的指标来考核,为了减少油(天然气)的耗量,传统的做法是提高煤粉的细度,提高风粉混合物和二次风的预热温度,采用预燃室燃烧器,选用小油枪点火燃烧器等等。
等离子点火系统有以下几大优势:
(1).经济:采用等离子点火装置的运行和技术维护费仅是使用油点火时费用的20%左右。电源的效率较通常使用的可控硅或硅整流高10%,达到了省电的目地。
(2).结构紧凑:一体化的电源,不需要外设隔离变压器、电抗器、限流电阻等大功率设备和器件,设备投入少,占地面积小。另外,由于等离子发生器采用了最新型的结构,不仅电极的寿命大幅延长,体积和重量也比较小,便于现场的安装与维护。
(3).调节范围大:等离子发生器的输出功率调节范围是30～150KW,可以适用于不同的煤种和调峰的需要。
(4) .环保:由于点火时不燃用油品,电除尘装置可以在点火初期投入,因此,减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染;另外,电厂采用单一燃料后,减少了油品的运输和储存环节,亦改善了电厂的环境。
2. 等离子点火煤粉燃烧器工作原理
等离子点火技术的基本原理是以大功率电弧直接点燃煤粉。该点火装置利用直流电流(大于200 A)在介质气压大于0.01 MPa的条件下通过阴极和阳极接触引弧,并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体。其连续可调功率范围为50～150 KW,中心温度可达6 000 ℃。一次风粉送入等离子点火煤粉燃烧器经浓淡分离后,使浓相煤粉进入等离子火炬中心区,在约0.1 s内迅速着火,并为淡相煤粉提供高温热源,使淡相煤粉也迅速着火,最终形成稳定的燃烧火炬。
等离子燃烧器采用内燃方式,为三级送粉,由等离子发生器、风粉管、外套管、喷口、浓淡块、主燃烧器等组成。在一级燃烧室内点燃少量煤粉,随火焰的传播和二次风的补给引燃剩余煤粉,逐级燃烧,完成持续稳定的点火和稳燃。煤粉按器燃烧过程分为三个区域,即点火燃烧区、混合燃烧区。强化燃烧区。由于燃烧器的壁面要承受高温,因此加入了气膜冷却风。燃烧器壁面采用气膜冷却技术,可冷却燃烧器壁面,防烧损,防结渣。
3. 煤质适用范围
目前,等离子点火技术对锅炉煤质还有一定的适用范围。当煤质较好时可以保证燃烧稳定且燃烧效率较高,当煤质较差时会造成燃烧效率下降。因此,现阶段无燃油系统电厂在选址时最好选择设计燃用烟煤的电厂。褐煤也可以用作无燃油电厂的燃料,但必须对原煤的干燥进行特殊的考虑。燃用贫煤和无烟煤的火电机组目前还不适合于取消燃油系统。
根据对国内电力煤炭市场的分析,满足无燃油电厂煤质要求的火电机组可达到50%以上,特别是新建的超超临界火电机组,煤质基本上全部满足无燃油电站的要求。随着等离子点火技术的不断发展进步,其适用的煤质范围将不断扩大,将有越来越多的火电厂可建设成为无燃油系统电站。
4. 等离子点火燃烧器燃烧率
等离子点火过程煤粉燃烧率低是等离子点火过程必经过程,这是由于等离子点火能量决定的,一是煤粉不可能在燃烧初期完成较充分的燃烧,二是大量的煤粉在火炬风包粉后期混合燃烧,三是炉内的炉膛温度水平的高低决定了燃烧率的大小。故此,点火过程燃烧率的变化随着炉膛温度水平的提升,由低到高发生变化。
炉膛温度水平的建立是等离子点火装置燃烧率变化的前提。在锅炉冷态工况下投运等离子点火装置,从点火初期炉膛温度水平100℃提高到400℃,在通常的点火煤量下需要3~4h。当炉膛出口烟气温度大于400℃时,炉膛火焰充满,火焰中心逐渐明亮,燃烧器喷口火焰稳定,煤粉燃烧较好。这时等离子点火燃烧率逐步提高到较高的水平85%以上。等离子燃烧器在锅炉点火初期,一次风管道煤粉浓度变化较好的适用范围:煤粉浓度0.31~0..38Kg/Kg。等离子冷态点火过程煤粉的燃烧率的变化以点火后3~4h为分界点:煤粉粒径中分布越是趋于一致,而且平均粒径越小,炉膛温度水平越高,煤质中挥发份越大,煤粉燃烧率越高。而点火初期过大的气膜风不利于燃烧器喷口着火稳定,通常在点火期间尽可能不开或者少开周界风。着火稳定后气膜风逐步增加,对等离子燃烧器壁温工程的改善较明显,同时可提高燃烧器在点火初期的稳燃特性。
5. 点火过程煤粉爆燃性
锅炉等离子点火过程中炉膛内部煤粉积存易引起爆燃,爆燃使烟气容积突然增大,炉膛来不及排出这部分烟气容积而使炉膛压力突升,通常等离子点火炉膛压力的变化小于0.5kpa。当爆燃造成炉压保护动作(大于2.5KPa)时,炉膛的尖峰压力通常大于4kpa,甚至更高。从煤粉爆燃浓度方面分析,磨煤机初始出力15t/h左右(250Kg/min=4.17Kg/s),初步估算,假定120s之内煤粉没有点燃,而进入炉膛的煤粉未能被引风机排出。由于炉膛容积为8156m3,此时全炉膛可燃混合物积存容积的炉膛内煤粉浓度为(120×4.17)/8156=0.061.即使将炉膛有效容积按炉膛内煤粉浓度为0.122;即使将炉膛有效容积按炉膛容积的三分之一可燃混合物积存容积计算,炉膛内煤粉浓度为0.18.。当炉膛煤粉空气混合物的浓度在0.3~0.6Kg/m3(烟煤),我们称其浓度为易发生爆燃浓度。安全的煤粉浓度为0.1~0.2Kg/m3,炉膛负压、点火煤量、点火成功时间、炉膛温度水平是构成煤粉爆炸的主要因素。假定爆燃过程是定容绝热过程,我们可以根据一下公式估算爆燃后的炉膛压力。
P2=P1[1+Vr×QrV×Cv×T1]
式中:P1——炉膛出压;
P2——炉膛爆燃后出压;
Qr——原煤发热量;
T1——炉膛温度;
Cv——炉内介质定容比。
由此可见,影响压力升高的主要因素为可燃混合物积存容积与炉膛容积比值Vr/Vo可燃物积存量多,Vr/V比值越大。可燃混合物单位容积发热量Qr除了与燃料特性有关外,海域燃料和空气的浓度比有关。在理论空气量时Qr值高,空气量超过爆炸极限时混合物成为不可燃。爆燃前温度介质温度T1越低,爆炸后的炉膛压力升高越大。因此,在点火和机组启动过程中,冷态点火的爆燃性可能性低,爆燃压力尖峰值搞;热态点火的爆燃性可能性大,爆燃压力尖峰值低。总之,从多次直吹式制粉系统的多次点火中,爆燃性较大的是双进双出磨煤机系统启动点火过程,中速直吹式系统的点火爆燃性较低,主要表现是双进双出磨煤机料位的建立与磨煤机启动至煤粉着火存在时间差,而此过程煤粉燃烧率很低,未燃煤粉颗粒在在炉膛不断积聚,易发生煤粉的爆燃。
6. 结束语
目前,燃煤发电机组仍是我国发电行业的主力,还有众多的超临界、超超临界机组正在规划建设之中。与此同时,随着等离子煤粉点火技术不断发展进步,在技术上已完全具备了替代锅炉油枪点火设备的条件。如果在采用等离子点火技术的基础上完全取消电厂的燃油系统,可以为用户节约大量的建设费用,同时简化了电厂燃料系统,消除了传统火电厂存在的一大安全隐患,使电厂的运行更加安全、高效。
如果在现有超超临界发电技术的基础上进一步采用等离子点火技术,可以建成以煤为单一燃料的无燃油系统电站,将在经济性、安全性方面远远超越传统的燃煤电站,实现经济、环保、高效、安全的目标,这将是未来火力发电技术的发展方向。
参考文献
[1] 岑可法. 锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的原理与计算。1994,6
[2] 黄少鄂国外电站锅炉运用煤粉无油点火燃烧系统的技术特点。2005,3
[3] 魏建鹏煤粉等离子点火过程的安全性。 2009.1
[文章编号]1006-7619(2009)09-11-860
[作者简介]唐敏 (1982.3- ),女,助理工程师。
【关键词】等离子点火;原理;煤质适用范围
Plasma ignition by pulverized coal
Tang Min
(Shaanxi Dahua Electric Power Design Consulting Engineering Co., Ltd. Xi'an Shaanxi 710032)
【Abstract】China's main fuel is coal country, current coal-fired power plants still provide the community with most of the electricity in the coming period will continue to build a large number of coal-fired generating units. In order to improve fuel efficiency, domestic new large coal-fired generating units have adopted an ultra-critical, ultra-supercritical technology, greatly improving the efficiency unit circle. In the boiler ignition technology, the new units have adopted the vast majority of the plasma or a small oil gun ignition technology, fuel consumption is also greatly reduced, many plasma ignition technology, coal-fired units also achieved in infrastructure during debugging zero fuel consumption .
【Key words】Plasma ignition; Principle; Coal adapting category
1. 引言
大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧轻油、重油或天然气等稀有燃料来实现的,近年来,随着世界性的能源紧张,原油价格不断上涨,火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被作为一项重要的指标来考核,为了减少油(天然气)的耗量,传统的做法是提高煤粉的细度,提高风粉混合物和二次风的预热温度,采用预燃室燃烧器,选用小油枪点火燃烧器等等。
等离子点火系统有以下几大优势:
(1).经济:采用等离子点火装置的运行和技术维护费仅是使用油点火时费用的20%左右。电源的效率较通常使用的可控硅或硅整流高10%,达到了省电的目地。
(2).结构紧凑:一体化的电源,不需要外设隔离变压器、电抗器、限流电阻等大功率设备和器件,设备投入少,占地面积小。另外,由于等离子发生器采用了最新型的结构,不仅电极的寿命大幅延长,体积和重量也比较小,便于现场的安装与维护。
(3).调节范围大:等离子发生器的输出功率调节范围是30～150KW,可以适用于不同的煤种和调峰的需要。
(4) .环保:由于点火时不燃用油品,电除尘装置可以在点火初期投入,因此,减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染;另外,电厂采用单一燃料后,减少了油品的运输和储存环节,亦改善了电厂的环境。
2. 等离子点火煤粉燃烧器工作原理
等离子点火技术的基本原理是以大功率电弧直接点燃煤粉。该点火装置利用直流电流(大于200 A)在介质气压大于0.01 MPa的条件下通过阴极和阳极接触引弧,并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体。其连续可调功率范围为50～150 KW,中心温度可达6 000 ℃。一次风粉送入等离子点火煤粉燃烧器经浓淡分离后,使浓相煤粉进入等离子火炬中心区,在约0.1 s内迅速着火,并为淡相煤粉提供高温热源,使淡相煤粉也迅速着火,最终形成稳定的燃烧火炬。
等离子燃烧器采用内燃方式,为三级送粉,由等离子发生器、风粉管、外套管、喷口、浓淡块、主燃烧器等组成。在一级燃烧室内点燃少量煤粉,随火焰的传播和二次风的补给引燃剩余煤粉,逐级燃烧,完成持续稳定的点火和稳燃。煤粉按器燃烧过程分为三个区域,即点火燃烧区、混合燃烧区。强化燃烧区。由于燃烧器的壁面要承受高温,因此加入了气膜冷却风。燃烧器壁面采用气膜冷却技术,可冷却燃烧器壁面,防烧损,防结渣。
3. 煤质适用范围
目前,等离子点火技术对锅炉煤质还有一定的适用范围。当煤质较好时可以保证燃烧稳定且燃烧效率较高,当煤质较差时会造成燃烧效率下降。因此,现阶段无燃油系统电厂在选址时最好选择设计燃用烟煤的电厂。褐煤也可以用作无燃油电厂的燃料,但必须对原煤的干燥进行特殊的考虑。燃用贫煤和无烟煤的火电机组目前还不适合于取消燃油系统。
根据对国内电力煤炭市场的分析,满足无燃油电厂煤质要求的火电机组可达到50%以上,特别是新建的超超临界火电机组,煤质基本上全部满足无燃油电站的要求。随着等离子点火技术的不断发展进步,其适用的煤质范围将不断扩大,将有越来越多的火电厂可建设成为无燃油系统电站。
4. 等离子点火燃烧器燃烧率
等离子点火过程煤粉燃烧率低是等离子点火过程必经过程,这是由于等离子点火能量决定的,一是煤粉不可能在燃烧初期完成较充分的燃烧,二是大量的煤粉在火炬风包粉后期混合燃烧,三是炉内的炉膛温度水平的高低决定了燃烧率的大小。故此,点火过程燃烧率的变化随着炉膛温度水平的提升,由低到高发生变化。
炉膛温度水平的建立是等离子点火装置燃烧率变化的前提。在锅炉冷态工况下投运等离子点火装置,从点火初期炉膛温度水平100℃提高到400℃,在通常的点火煤量下需要3~4h。当炉膛出口烟气温度大于400℃时,炉膛火焰充满,火焰中心逐渐明亮,燃烧器喷口火焰稳定,煤粉燃烧较好。这时等离子点火燃烧率逐步提高到较高的水平85%以上。等离子燃烧器在锅炉点火初期,一次风管道煤粉浓度变化较好的适用范围:煤粉浓度0.31~0..38Kg/Kg。等离子冷态点火过程煤粉的燃烧率的变化以点火后3~4h为分界点:煤粉粒径中分布越是趋于一致,而且平均粒径越小,炉膛温度水平越高,煤质中挥发份越大,煤粉燃烧率越高。而点火初期过大的气膜风不利于燃烧器喷口着火稳定,通常在点火期间尽可能不开或者少开周界风。着火稳定后气膜风逐步增加,对等离子燃烧器壁温工程的改善较明显,同时可提高燃烧器在点火初期的稳燃特性。
5. 点火过程煤粉爆燃性
锅炉等离子点火过程中炉膛内部煤粉积存易引起爆燃,爆燃使烟气容积突然增大,炉膛来不及排出这部分烟气容积而使炉膛压力突升,通常等离子点火炉膛压力的变化小于0.5kpa。当爆燃造成炉压保护动作(大于2.5KPa)时,炉膛的尖峰压力通常大于4kpa,甚至更高。从煤粉爆燃浓度方面分析,磨煤机初始出力15t/h左右(250Kg/min=4.17Kg/s),初步估算,假定120s之内煤粉没有点燃,而进入炉膛的煤粉未能被引风机排出。由于炉膛容积为8156m3,此时全炉膛可燃混合物积存容积的炉膛内煤粉浓度为(120×4.17)/8156=0.061.即使将炉膛有效容积按炉膛内煤粉浓度为0.122;即使将炉膛有效容积按炉膛容积的三分之一可燃混合物积存容积计算,炉膛内煤粉浓度为0.18.。当炉膛煤粉空气混合物的浓度在0.3~0.6Kg/m3(烟煤),我们称其浓度为易发生爆燃浓度。安全的煤粉浓度为0.1~0.2Kg/m3,炉膛负压、点火煤量、点火成功时间、炉膛温度水平是构成煤粉爆炸的主要因素。假定爆燃过程是定容绝热过程,我们可以根据一下公式估算爆燃后的炉膛压力。
P2=P1[1+Vr×QrV×Cv×T1]
式中:P1——炉膛出压;
P2——炉膛爆燃后出压;
Qr——原煤发热量;
T1——炉膛温度;
Cv——炉内介质定容比。
由此可见,影响压力升高的主要因素为可燃混合物积存容积与炉膛容积比值Vr/Vo可燃物积存量多,Vr/V比值越大。可燃混合物单位容积发热量Qr除了与燃料特性有关外,海域燃料和空气的浓度比有关。在理论空气量时Qr值高,空气量超过爆炸极限时混合物成为不可燃。爆燃前温度介质温度T1越低,爆炸后的炉膛压力升高越大。因此,在点火和机组启动过程中,冷态点火的爆燃性可能性低,爆燃压力尖峰值搞;热态点火的爆燃性可能性大,爆燃压力尖峰值低。总之,从多次直吹式制粉系统的多次点火中,爆燃性较大的是双进双出磨煤机系统启动点火过程,中速直吹式系统的点火爆燃性较低,主要表现是双进双出磨煤机料位的建立与磨煤机启动至煤粉着火存在时间差,而此过程煤粉燃烧率很低,未燃煤粉颗粒在在炉膛不断积聚,易发生煤粉的爆燃。
6. 结束语
目前,燃煤发电机组仍是我国发电行业的主力,还有众多的超临界、超超临界机组正在规划建设之中。与此同时,随着等离子煤粉点火技术不断发展进步,在技术上已完全具备了替代锅炉油枪点火设备的条件。如果在采用等离子点火技术的基础上完全取消电厂的燃油系统,可以为用户节约大量的建设费用,同时简化了电厂燃料系统,消除了传统火电厂存在的一大安全隐患,使电厂的运行更加安全、高效。
如果在现有超超临界发电技术的基础上进一步采用等离子点火技术,可以建成以煤为单一燃料的无燃油系统电站,将在经济性、安全性方面远远超越传统的燃煤电站,实现经济、环保、高效、安全的目标,这将是未来火力发电技术的发展方向。
参考文献
[1] 岑可法. 锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的原理与计算。1994,6
[2] 黄少鄂国外电站锅炉运用煤粉无油点火燃烧系统的技术特点。2005,3
[3] 魏建鹏煤粉等离子点火过程的安全性。 2009.1
[文章编号]1006-7619(2009)09-11-860
[作者简介]唐敏 (1982.3- ),女,助理工程师。