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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: 作者: 時間:2009-02-19 Tag: 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。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。

一、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、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。

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%。

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。

二、等離子煤粉點火系統的基本構成

1、等離子點火煤粉燃燒器(簡稱等離子燃燒器)

2、等離子發生器(或稱等離子點火器、等離子槍)

3、電源裝置

4、壓縮空氣系統

     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。

5、冷卻水系統

     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。

6、風粉在線檢測系統

     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。

7、圖像火焰檢測系統

     CCD攝像探頭、通信傳輸電纜、顯示與控制柜等組成。

8、控制系統

     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。

三、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。


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