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            ● 煤粉等離子點火技術的原理及國內外研究應用情況

            來源:電力研究院 作者:轉載 時間:2008-06-30 Tag:等離子   點火   燃燒器   煤粉   點擊:
                    長期以來,火力發電機組鍋爐的啟停及低負荷穩燃消耗大量的燃料油。特別是對于新建的火力發電機組,其在試運期間要經過鍋爐吹管、汽機沖轉、機組并網、電氣試驗、機組帶大負荷運行等許多階段,此期間由于鍋爐無法投磨或無法完全斷油運行,因此要耗費大量的燃油。根據原電力部頒布的試運導則中的規定, 600MW機組試運期間燃油消耗的標準定量為9000噸,燃料費用十分可觀。

                我國是一個石油進口大國,國家鼓勵推廣節油和以煤代油技術,國家經貿委資源節約與綜合利用司在“節約和替代燃料油十一五規劃”中明確提出:電力行業等節約和替代燃料油的目標是3800萬噸。

                等離子煤粉點火是使用等離子火炬直接點燃煤粉使用煤粉火焰啟動鍋爐,達到以煤代油的目的。

                1.等離子火炬點燃煤粉的基本原理

                通常所說的用于煤粉點火的等離子體稱之謂熱等離子體。

                小能量等離子火炬(100KW~幾百KW )能夠直接點燃煤粉是因為風粉混合物通過等離子體時具有以下特點:

                1.1  等離子體高溫效應

                   空氣等離子體是靠空氣作為等離體形成氣,等離子體形成氣在等離子發生器陰極的電弧區形成被電離化的等離子氣,這就是溫度可高達3000~10000K的等離子火炬,被用作點燃煤粉的高溫熱源。被點燃的物質應是煤粉與空氣的混合物。等離子炬與空氣煤粉混合物相接觸遇到3000K以上的等離子炬,首先發生物理變化,由于兩者溫度相差極大,煤粉顆粒遇熱急劇膨脹,在0.1~0.005秒內分裂成8~10個細微顆粒,此即所謂的熱爆炸,這使煤粉表面反應面積急劇增大,對加快煤粉的熱化學反應速度與反應能力非常有利。同時,高溫的等離子炬可使煤粉中揮發份的逸出速度加快,其成分包括CO、CO2、CH4、C6H6、 N2和H2O,這些揮發份氣體與等離子氣相火炬直接相互作用進入氣相反應階段。根據熱化學反應原理,高溫的等離子氣體與揮發份氣體化學反應活性加大,反應的活化能值降低,在這段反應過程中又可形成化學反應活性更大、活化能值更低的單個原子氣體(O、H、N、C、S)、原子基團(NH、CH、CN、OH)以及電子氣與相應的正負離子(C-、H-、CO-、N+、SI+、K+),即所謂活化中心。由于進入氣相反應所產生數量巨大的更有利于燃燒的原子、原子基團、電子氣以及各種正負離子將數倍的加快氧化反應,甚至達到爆炸反應的程度,在反應的過程中迅速釋放出大量的熱量加速殘余焦碳升華。這個過程伴隨著碳從煤粉顆粒體積中向反應表面擴散釋出,在均勻工況下燃燒時將加強碳與氧化劑的相互作用。這在一定條件下使火焰前端的傳播速度大大加快。

                    煤粉中碳成分的氣相轉化率以及活性原子、原子團、電子氣、各種正負離子的多少,關鍵在于等離子炬的核心溫度,溫度越高碳成分的活性氣相轉化率越高。當溫度在 1600~1900K時,活性成分不超過1?,當溫度在3000K時,活性成分達到7.5?,當溫度在4000K時,活性成分達到41.5?,接近最大值,此后隨著溫度的升高活性成分緩慢增加。

                1.2  等離子體化學效應

                    在等離子體中,熱電離,光電離,解離和合成導致具有化學活性的組分: 氧原子,臭氧,離子和游離原子團,這些大大改變了在等離子體和其相鄰區域內燃燒的狀態。尤其是氧原子對著火溫度、著火時間影響很大,有研究表明即使在氧化劑中含有少量的(約0.6%),也會使煤粉顆粒的著火溫度降低3/8。使著火前的預熱時間減少2/3。原子氧的這種濃度當T=2500K時就可以在空氣中達到,當T=4000K時,濃度約為25%。

                1.3  等離子體電物理效應

                    電弧產生等離子體,特別是在高壓下,可能伴隨在燃燒區里產生相當強的電場,這種電場的存在無論在氣相中,還是在非均勻燃燒中,都可能對燃燒過程產生積極影響,可以把煤粉燃料的燃盡程度提高一倍以上[1]。

                    另外,等離子火炬的功率畢竟很小,要用小功率等離子火炬點燃大量的煤粉,不僅需要產生一個3000~10000K的等離子火炬;其次需要一個熱化學反應室,提供一個反應和反應時間的足夠空間,將等離子火炬的能量盡可能的用于使煤粉的揮發份及煤中碳成份的逸發,成為化學反應能力很強的可燃性氣體,然后再與其他未被等離子炬激活的煤粉進行熱化學反應作用,從而加速達到或超過煤粉的實際著火溫度,實現點燃煤粉火炬的目的。

               2. 等離子煤粉點火系統的基本構成

                2.1 等離子點火煤粉燃燒器(簡稱等離子燃燒器)(plasma ignition pulverized coal burner)??由燃燒器本體、濃談分離裝置、等離子發生器耦合接口裝置、方圓節等組成[2]。

                2.2 等離子發生器(或稱等離子點火器、等離子槍)(plasma producer)

                2.3 電源裝置(power supplies)??由隔離變壓器、整流柜、高頻引弧器、連接電纜等組成。如采用IGBT開關電源可省去隔離變壓器。

                2.4  壓縮空氣系統(compressed air system)??由空氣壓縮機、輸送管路及閥門、油(水)氣分離裝置、壓力傳感器及顯示儀表等。如使用廠用儀表氣源可省去空氣壓縮機,如儀表氣源滿足使用要求可省去油(水)氣分離裝置;如采用高壓風作為等離子形成氣則整套系統改為風機系統。

                2.5 冷卻水系統(cooling water system)??由循環水箱、水泵、換熱器、輸送管路及閥門、溫度傳感器、壓力傳感器及顯示儀表等。如采用廠用無鹽循環水,循環水箱、水泵、換熱器可省去。

                2.6 風粉在線檢測系統(air-coal powder online monitoring system)??由靠背管產生差壓信號,用于在線監測一次風速,方便運行人員進行燃燒調整。

                2.7 圖像火焰檢測系統(image flame monitors)??CCD攝像探頭、通信傳輸電纜、顯示與控制柜等組成。

                2.8 控制系統(contral system)??由控制柜本體、直流24V電源、觸摸屏、PLC、工控機、通訊電纜、編程電纜等組成。

                3. 國內外研究發展與應用情況

                    我國和世界上許多專家長期致力于研究點火器和燃燒器以期減少火電機組的油耗。從七十年代初期開始美國CE公司、BW公司和西屋公司等都曾投入大量的人力和財力研究開發等離子技術用于燃煤鍋爐的點火和穩燃。前蘇聯為解決每年2000萬噸鍋爐油耗問題制定5年(1986~1990)計劃,由三個科學院對等離子技術和設備進行研究,至今這項科研工作在俄羅斯國內一直沒有停止過,并于上世紀九十年代初以后在其國內以及蒙古國和北朝鮮得到應用。我國從七十年代中期開始,清華大學、華中工學院、哈爾濱鍋爐廠、武漢鍋爐廠等單位都曾進行過長期的研究和開發并分別在淮北電廠和濰坊電廠做過工業應用試驗,點燃了少量煤粉,但一直沒有研制出工業應用的成功產品,

                    九十年代,澳大利亞太平洋公司研制出容量為50Kw的等離子點火煤粉燃燒器并應用于曼莫拉電廠300MW機組。該產品只適用于揮發份25?以上的煙煤,必須采用氮氣做等離子體形成氣以避免電極燒損,此外煤粉必須采用精細煤粉。因此必須配套使用制氮機、精細粉磨煤機等設備,整套系統設備價格昂貴,且不能燃燒貧煤和無煙煤。

                    俄羅斯和哈薩克斯坦均已經完成了等離子弧點燃煙煤的工業試驗,但設備簡陋、設備損壞率高、部分配套設備如電源技術落后、自動化程度低尚、不能作為工業產品廣泛地推廣應用。1995年11月 30日開始,哈薩克斯坦動科院在中國寶雞電廠先后做了5次工程應用試驗,均因設備損壞而失敗。1997年3月俄羅斯新西伯利亞動科院與我國廣州鑫際等離子有限公司在我國廣東韶關電廠利用煤粉等離子點火技術點燃劣質無煙煤試驗,歷時5年也均因設備損壞而失敗。

                     國內外的研究在理論上也取得了很大進展,如:“煤粉通過4000K以上等離子體時瞬間析出和再造揮發份20~100?,引起煤粉松裂、爆炸燃燒”,“煤粉通過等離子體高溫區域發生熱化學反應的過程及其生成物質”,“煤粉通過等離子高溫區時有C+H2O CO+H2 化學反應再造揮發份”,“作為點火源的等離子體功率與被點燃煤粉的功率比值”等研究成果,為后人的研究奠定了理論基礎。

                    煙臺龍源電力技術有限公司利用前人理論研究成果,在前人工作的基礎上,吸取了他們的經驗教訓,針對他們存在的問題進行攻關,從1997年到2000年歷時3年多,于2000年初在煙臺電廠1#爐(220t/h)上采用四臺等離子點火煤粉燃燒器(不能作為主燃燒器使用)點燃了煙煤,在我國歷史上第一次實現了電站燃煤鍋爐無油啟動和低負荷穩燃。

                   從上世紀七十年代中期至今清華大學在這方面科研開發工作斷斷續續一直未中斷,但未取得實質性進展。最近和俄羅斯有關科研單位有合作意向,正在洽談,結果如何不太清楚,但一直未見其產品應用于實際工程。

                4. 國內某些公司失敗的原因及經驗教訓

                    上世紀九十年代隨著我國經濟體制改革的深入,綜合國力的不斷增強,股份制企業、民營企業的崛起,具備了以企業為投資主體的條件。尤其上世紀九十年代后期隨著我國經濟規模的急劇膨脹,中國由石油出口國變為石油凈進口國,到目前我國石油進口的依賴度已接近 50?,以煤代油,節約燃油已成為國家一項基本的能源政策。一部分掌握國家政策動向的企業,抓住了這一商機,在此領域投入了大量的人力、財力、物力。第一個涉及此領域的企業是廣州鑫際等離子有限公司,該公司于一九九七年與俄羅斯全俄等離子動力股份有限公司新西伯利亞動科院合作,引進其人才、技術和設備,在廣東省韶關電廠6#爐(220t/h)進行了長達五年的工程應用試驗,但最終以失敗而告終。既然俄羅斯的技術在其國內以及蒙古國和朝鮮得到了應用,為什么在我國五年的工程應用試驗以失敗告終呢?根據我們的調查和了解原因是多方面的。其主要原因有:

                4.1  是俄羅斯人對中國的國情不了解,對中國的煤質情況不了解,同樣功率的等離子發生器能夠點燃俄羅斯的優質煙煤點燃不了韶關電廠的劣質無煙煤;

                4.2  忽略了點火條件,即:無油、三冷(冷爐、冷風、冷粉)條件下點燃揮發份≤8?,灰份≥35?的劣質無煙煤。

               4.3  試驗條件不具備,如:供粉系統工作不正常、沒有提供潔凈的等離子發生器冷卻用除鹽水,使用的是普通的江河水,污物堵塞等離子發生器冷卻通道,造成其不能正常工作。

                4.4  是俄羅斯人提供的設備適用于俄羅斯電廠的運行工況,不適用于我國的運行工況,過于簡陋,自動化程度太低。我們要求等離子點火系統所有設備在啟爐點火結束后始終處于熱備用狀態,隨時準備因煤質變化或負荷變化投用等離子點火系統,而俄羅斯電廠的煤熱值高、揮發份高、灰份低,一般均為優質煙煤,燃燒穩定不會熄火,也無需調峰,啟爐點火結束后即可從爐子上拆下等離子發生器備下次啟爐時使用,自動化程度無需太高。

                   盡管工程應用試驗是失敗的,但它給后人留下了很多寶貴的經驗和教訓。具體講有如下經驗教訓:

                1)在技術尚不成熟的情況下,盡可能的不要涉足貧煤、無煙煤,因為其揮發份低、灰份高,要求著火熱大、著火溫度高,要求點火源的功率就要大,其等離子炬與煤粉的燃功比達到1:50,而點優質煙煤燃功比僅為1 :200[3],相比之下要求的點火源功率要小的多。點火源也就是等離子炬的功率加大后帶來的問題是等離子燃燒器也就是馬弗爐(又叫熱化學反應室)的耐溫問題、溫度太高帶來的結渣問題等很難處理。采用耐熱鋼由于其保溫性能差等離子燃燒器內很難達到一千度以上,即使達到,在此溫度下又很難保證其物理機械性能。如采用耐高溫陶瓷雖然解決耐溫和爐溫問題,但又帶來了新的問題,陶瓷容易掛焦結焦以及冷熱急變造成陶瓷內襯的損壞。一旦陶瓷內襯結焦便會迅速長大,堵塞攜粉一次風的流通面積,改變氣流方向,造成氣流紊亂,降低氣膜風對一級管的冷卻效果,最終導致一級管局部過熱而燒穿。其次大功率等離子發生器體積相應較大,在等離子燃燒器上安裝困難,就要考慮使用兩臺等離子發生器同時工作,一般50MW機組φ377一次風管上就需安裝兩臺等離子發生器,運行維護量加大、可靠性降低、成本增加。此外大功率離子發生器的配套設施能力亦相應增大,如:電纜線徑、壓縮空氣設備、水冷卻設備、電源設備等。電源配套電力也非常大, 50MW機組單臺等離子燃燒器就需600KVA,如按四角布置四臺需要2400KVA,占用很大的廠用電力,并且由于電源設備體積龐大還需占用較大專用廠房。總之在初期技術尚不成熟的情況下,如果涉足貧煤、無煙煤,問題多而復雜,成功的把握性很小,廣州鑫際公司就是一個例證。

                2)所謂無油等離子點火是一個理想的目標,刻意的去追求無油沒有多少現實意義,初始階段能夠節約80~90?已經是很好的結果了,待技術成熟后再去追求真正的無油點火的目標,所以不能為了檢驗等離子點火系統的技術先進性、可靠性就一滴油不用。

                3)在可能的情況下盡可能的提供有利于等離子點火系統工作的條件,如投大油槍適當暖爐、鄰爐借熱風或制備熱風啟磨實現熱風送粉等。不能人為設置最不利于等離子點火系統工作的條件和工況,這不利于新技術、新裝備的推廣和應用。

                4)工程應用前應先進行必要的冷態和熱態的數值模擬試驗,確定各種設備結構參數和設備運行參數,并在一比一的試驗臺上進行實際的燃燒試驗,以校驗各種參數的正確性。切不可直接將未經驗證的裝備應用于鍋爐,那是相當危險的,將可能導致供需雙方經濟損失巨大,企業的聲譽也將可能受到損害。

                5)越是試驗裝備其自動化、智能化要求要越高,這樣即便試驗不成功,設備得到了保護,可以從容的對其加以改進或更新,應盡可能的避免電源燒毀、煤粉燃燒器燒穿、等離子發生器電極損毀情況發生,尤其是煤粉燃燒器不能出現故障,更不能發生煤粉在爐內的爆燃事故。火焰檢測及爐膛滅火保護系統應安全可靠,最好采用圖像火檢,或采用圖像實時監控和開關量火檢聯合使用,以避免爆燃事故的發生。

                6)工程應用試驗時要保證其他電站輔機工作正常,如給粉機、磨煤機、風機、水泵等,試驗期間保證煤質穩定、供粉正常。

                7)保證各種介質符合設備運行要求,如無油無水壓縮空氣,潔凈的高壓風,潔凈的符合溫度要求的除鹽水等。

                5. 國內某些公司成功的經驗和存在的問題

                    1997年煙臺龍源電力技術有限公司(以下簡稱龍源公司)在總結寶雞電廠、韶關電廠經驗教訓的基礎上,從煙煤開始起步,從220t/h鍋爐做起,開發出150Kw同軸單氣室電磁壓縮空氣等離子發生器及其配套的全橋控晶閘管直流電源和氣膜冷卻多級燃燒式馬弗爐。2000年初在山東煙臺電廠50MW機組220t/h鍋爐上進行了工程應用試驗取得了成功,龍源公司近幾年在工程應用的實踐中不斷的摸索,取得了一些成果和好的經驗,但是仍然存在以下問題:

                5.1  對煤種的適應性太差,僅適用于優質煙煤,其原因是它采用的同軸單氣室等離子發生器無法將功率做大,這種結構的發生器是仿照原寶雞電廠哈薩克斯坦生產的第一代產品,所不同的是龍源公司將陰極材料由石墨或銅改為純銀,使用壽命有所增加,即便如此在 100Kw出力時也僅能使用40小時(標稱50小時),最大出力120Kw(標稱150Kw)時僅能使用30小時,150Kw以下這種出力的發生器只能用來點燃優質煙煤,無法點燃貧煤、無煙煤,而超過150Kw出力時陰極壽命又太短沒有實用價值。換言之,龍源公司還沒有解決大功率等離子發生器的問題。此外,即便解決了大功率等離子發生器的問題,其針對無煙煤配套的煤粉燃燒器材料耐溫問題、高溫結渣問題他們也沒有得到很好的解決。

                5.2  等離子發生器的電極壽命太短,同軸單氣室等離子發生器基本的工作原理類似于工業上常規的等離子割具,只不過工作電壓較高、功率較大而已,而目前等離子割具的電極材料本身就沒有得到很好的解決,雖然龍源公司采用了貴金屬銀作為陰極材料但其工作壽命也只有30~50小時。由于電極尤其是陰極壽命太短,造成現場頻繁更換電極、維護等離子發生器的工作量極大。

                5.3  等離子發生器結構復雜,主要在兩個方面:一是電磁壓縮線圈體積較大,繞制困難且工作時需通水冷卻,增加了一路冷卻水;二是變極距電動引弧裝置,電機極其減速機構易發生故障。

                5.4  全橋控晶閘管整流電源技術落后,效率低下,僅60%,占用了很大廠用電力資源,電源附屬設備?隔離變壓器體積龐大,需專用廠房布置,增加了用戶的改造費用。

                6. 徐州燃燒控制研究院有限公司(XCC)開發了新一代等離子煤粉點火技術

                   上世紀九十年代,我國點火燃燒控制領域的領軍企業徐州燃燒控制研究院(XCC的前身)就此科研工程對國家政策、行業發展趨勢、市場需求曾進行過廣泛的調研和分析,科研人員還就此撰寫了可行性研究報告。對等離子煤粉點火技術進行攻關,歷時數年。XCC的介入不是對他人工作的簡單重復,而是在總結前人失敗的教訓、成功的經驗的前提下,有所發明、有所創新。

                XCC在等離子煤粉點火技術方面的技術優勢主要有以下幾點:

                6.1  等離子發生器采用同軸雙氣室空氣壓縮的結構,這種等離子發生器不需要另設電磁線圈壓縮電弧,不同于市場上的同軸單氣室電磁壓縮空氣等離子發生器。由于電磁線圈是串接在主回路中需要消耗較多的電能,而且電磁線圈因為發熱需要通冷卻水,又帶走了部分熱量,因此降低了電熱轉換效率。例如在100Kw時,XCC 研制的等離子發生器火焰長度可以達到500mm,而帶電磁壓縮的等離子發生器火焰長度僅有400mm。

            等離子發生器

                                                                                                                                                                                                 等離子發生器

                6.2 陰極采用特殊結構,提高了陰極的壽命。XCC的陰極燒蝕方式采用環形柱面大面積燒蝕方式,不同于市場上的點狀軸向燒蝕。陰極的壽命可以達到200小時以上,陽極的壽命可以達到200~500小時(根據實際輸出功率的不同壽命長短不一)。

            等離子發生器工作原理圖

                等離子發生器工作原理圖

                6.3 等離子點火電源采用大功率開關電源。開關電源系統由多組逆變式開關電源單元及PLC組成,同三相全控橋式晶閘管整流電源相比,具有極強的恒流特性和抗短路能力、體積小、重量輕、效率高、響應速度快、輸出紋波小、對電網的沖擊小等優點,而且不需要單獨的隔離變壓器。另外,開關電源由多個單元并聯工作,采用了冗余控制技術,更換方便,使整個系統的可靠性得到大幅提高。

                兩種電源系統的性能對比:

            兩種電源系統的性能對比

                6.4 解決了等離子發生器與燃燒器的耦合、長距離送火、煤粉濃縮、分級點火功率放大、燃燒器材料耐磨耐高溫、燃燒器冷卻等諸多重大技術問題。具備了用于從50MW到1000MW機組燃煤鍋爐等離子點火煤粉燃燒器的設計和制造能力。

            參考文獻:

            [1] 田發珍. 煤粉鍋爐等離子體點火穩然技術

            [2] 電站鍋爐等離子點火應用指南 國家電力公司

            [3] 韶關電廠等離子點火設計說明. 廣東鑫際等離子成套設備有限公司


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