火电厂锅炉点火技术的应用

火电厂锅炉点火技术的应用

0无油或少油煤粉直接点火技术作为主要的燃料消耗行业，其年消耗至少600万吨燃料，每年增长10%以上，造成能源的巨大浪费，增加了工厂的运营成本。同时随着我国大容量参数机组的数量迅速增长,用电负荷率变化,电网峰谷差不断扩大,特别是在低谷时段,大容量机组被迫频繁启停调峰,增加了电站锅炉点火及稳燃用油。据统计,200MW机组锅炉启动一次需用油50t,一台300MW机组锅炉每年需点火用油400t,稳燃用油15000t,并且由于锅炉在启炉与停炉时投入助燃油,使电除尘器无法投入而造成的环境污染相当严重。因此开发和利用无油或少油煤粉直接点火技术,有效降低点火助燃用油,是降低电厂锅炉运行成本特别是锅炉点火成本以提高发电效益的重要措施。这方面的技术研发与应用对提高我国能源利用效率,减少环境污染,提高企业竞争力将具有重要意义。目前,电站锅炉采用的节能点火技术主要包括两大类:少油量气化燃烧直接点火技术及无油直接点火技术,前者包括小油枪点火、微油点火;后者主要包括等离子点火技术和高温空气无油点火技术,这可能是现代大型发电厂采用的主流节能点火技术。1油少直接燃烧消耗法的测定1.1小油枪燃烧技术1.1.1煤粉点火及燃烧过程机理小油枪点火技术是将油枪布置在一次风燃烧器中,油枪的发热量全部用于煤粉气流的升温、点火,形成了煤粉火焰与油火焰的相互支持,从而产生了以煤代油的燃烧效果。因此,油枪的容量比传统的放置在二次风燃烧器中的油枪小得多。其点火系统由燃油系统、送粉控制系统、辅助系统组成,其中燃油系统包括压缩空气系统、高压风系统及气化小油枪、燃烧室等部分。气化小油枪是利用燃油燃烧释放的大量热量提高空气温度以点燃煤粉气流,实现锅炉的启动或稳燃。其工作机理是:利用压缩空气的高速射流将燃料油直接击碎,雾化成细小油滴并被电弧枪点燃,燃烧产生的热量再对燃油进行初期加热、扩容,在极短的时间内完成油滴的蒸发气化,使燃油直接变成气体燃料,从而大大提高燃烧效率及火焰温度。结合浓淡燃烧的冷态点火启动时,一次风粉混合物经煤粉浓缩器浓淡分离后,浓相煤粉气流进入一次燃烧室与燃油气化燃烧生成的高温火焰混合,析出挥发分并着火燃烧。中心浓相煤粉气流着火后,使回流区温度增高、放出大量热,具有更大的点火及稳燃能量;淡相煤粉气流进入二次燃烧室与浓相着火燃烧的煤粉混合并被点燃,被点燃的煤粉火焰再被喷入炉膛。淡相煤粉气流及周界二次风还分别冷却一、二次燃烧室壁面,可防止燃烧器烧损和结焦;流经燃烧管外的一次风具有冷却壁面的作用。整个点火过程首先点燃部分浓煤粉,并在油、煤粉混烧产生的高温下,再点燃主流煤粉;同时燃烧管内的煤粉浓度大,并与小油枪火焰直接接触,因此较传统的大油枪点火减少了燃油消耗,气化微油点火油枪出力一般仅有30kg/h左右。带油运行时,小油枪煤粉燃烧器燃油热负荷仅占煤粉燃烧器热负荷的6%~13%,理论计算表明冷炉点火节油率可大于72%。此外,小油枪点火燃烧器还具有火焰传播能力强,低负荷稳燃性高,附加阻力小,改造工作量小和安全可靠等优点,因而小油枪点火技术目前在我国中小型电站锅炉中应用最普遍。1.1.2小油枪点火增加了燃油,降低燃油相对于无油点火技术而言,小油枪点火技术仍需燃用较多的燃油;燃烧器的结焦和磨损较严重。由此益阳电厂尝试在小油枪枪头位置增加1个稳燃腔,将燃油母管油压调至1.3~1.6MPa,回油流量调至5t/h以上(投燃油自动时,油压设定为1.5MPa),增强了小油枪点火的火焰刚性,提高了喷射速度,改良了雾化效果,使燃烧变得更充分、稳定,消除了锅炉点火时冒黑烟的现象。同时当二次风温在150℃以上时,提前启动制粉系统,以煤代油,满足小油枪投粉的需要,可降低启动过程的燃油消耗量。此外将油枪和电弧枪采用空气冷却,使油喷嘴温度远低于碳化温度,能消除油喷嘴的结焦堵塞问题。1.2直接火油喷射技术1.2.1微油点火系统在燃油提取和燃烧过程中的经济效益微油气化燃烧技术是在气化小油枪的基础上发展起来的,其主要特点是利用压缩空气气泡爆破,激波干扰的雾化技术,使燃油在喷出油枪油嘴的时候扩容完全气化成纳米级且分布均匀的超细油滴(颗粒度低于30PM),与普通雾化油枪相比极大增加了气化燃料与空气的接触面积,提高了燃油的燃烧速度和燃烧效率。同时利用燃烧产生的热量对燃料进行初期加热、扩容及后期加热,在极短时间内完成油滴的蒸发气化,提高燃油的燃烧效率,火焰温度高达2000℃以上,极大降低了燃油量,在点火过程中节油率可达到90~95%,取得较好的经济效益。微油点火系统的结构主要包括:气化微油枪、燃油系统、压缩空气系统、高压风系统、煤粉燃烧系统,其中主油枪由进油管、蒸发管、储油罐、喷嘴、进气管及高能点火器等组成。压缩空气系统的功能主要是利用压缩空气将燃油雾化并提供燃烧所需要的初期氧量,同时对燃烧室壁面起到一定的气膜冷却作用。高压风系统主要为气化油枪运行期间提供燃油完全燃烧所需要的氧量,同时在气化油枪停运期间,对油枪及火检探头和高压电缆进行冷却。煤粉燃烧系统由煤粉浓缩器、一次和二次燃烧室、周界冷却风等组成,煤粉浓缩器使用浓缩环,使煤粉自管壁向管中心浓度逐渐增大,为一次燃烧室提供足够的煤粉。周界冷却风主要用于保护喷口安全,防止结焦烧损及补充后期燃烧所需的氧量。总之,气化微油点火技术的燃烧器结构和燃烧方式与小油枪点火的基本相同,煤粉为分级燃烧,燃烧能量逐级放大,达到点火并加速煤粉燃烧,大大减少煤粉燃烧所需的引燃能量,满足了锅炉启停及低负荷稳燃的需求。1.2.2微油点火系统目前微油点火技术的应用较广泛,但主要存在以下不足:点火源安装位置位于一次风管内部,仍然存在燃烧不易控制,启动初期点火能量不足,需投用大油枪;冷态启动时煤粉不完全燃烧现象较严重,飞灰、炉渣含碳量高;喷口处容易结焦;微油火检不稳定,有闪烁现象;油压、压缩空气压力控制困难;油枪无推进装置,造成油枪喷口被堵塞甚至被烧坏。针对油枪在运行中出现的问题,昆明第二发电厂对微油点火油枪系统进行了以下改进:提高一次风风量至120m3/s,推迟煤粉着火,降低燃烧器附近热负荷;减小供油量,一方面只保留一只主油枪,另一方面降低燃油压力,从1.8MPa降至1.2MPa左右;减小压缩空气量,根据燃烧的实际情况,将压缩空气的压力从0.55MPa降为0.4MPa左右;启动暖风机进行暖磨以提高磨煤机出口风温。由此,火焰着火距离合适,低负荷稳燃性提高,结焦得到明显改善。安庆皖江发电厂则选择B层燃烧器进行微油点火技术改造,并采用引热风的办法进行制粉,避免依靠大油枪干燥制粉,减少点火用油量。Liu等认为在微油点火过程中应采用适宜的给煤量才有利于提高其燃烧室内的气流温度。此外,考虑到燃油系统可能含有较多杂质以及油枪油孔较小,故可采用二级过滤,以保证杂质不会堵塞高能气化油枪油孔。2直接燃料消耗技术2.1等距燃烧技术2.1.1等离子燃烧技术等离子燃烧装置主要由等离子发生器、直流电源系统、点火燃烧器、控制系统、辅助系统等子系统组成。等离子发生器为强磁场控制下的空气载体等离子发生器,它由电子发射枪、稳弧线圈、阴极、阳极组成。电源采用全波整流并具有衡流性能。阴、阳极的磁稳线圈均为水冷结构。线圈在高温(250℃)情况下具有抗2000V直流电压击穿能力。在冷却水及压缩空气满足条件后,首先设定电源的工作输出电流(300A~400A),阴极在直线电机的推动下,与阳极接触,电源按设定的工作电流工作,系统处在短路状态;当输出电流达到工作电流后,直线电机推动阴极缓慢离开阳极,在阴极离开阳极的瞬间即产生电弧,电弧在线圈磁场的作用下被拉出喷管外部,气压为0.01~0.03MPa的压缩空气在电弧的作用下,被电离为具有稳定功率的高温等离子体,该等离子体在专门设计的燃烧筒中形成温度大于5000K、温度梯度极大的局部高温区,其能量密度高达105~106W/cm2,煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用,并在1×10-3s内迅速释放出挥发性易燃物,并使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行,使混合物组分的粒级发生了变化,大大减少了促使煤粉燃烧所需的引燃能量。目前,等离子燃烧器共有两种型式,一种是上述兼有主燃烧器功能的等离子燃烧器,通常用于直吹式制粉系统;另一种是专门用于点火及稳燃的等离子燃烧器,它单独地布置在主燃烧器旁边,通常适用于中间贮仓式制粉系统。在锅炉点火和稳燃中等离子点火技术优势明显:等离子燃烧器是在内燃方式的基础上,利用双筒结构将部分煤粉推至燃烧器出口,内外筒形成同心双层并联通道,有利于着火燃烧,增强了燃烧效率,降低飞灰含碳量及有害气体的排放;等离子点火过程稳定可靠,点火过程中不发生爆燃、不产生二次燃烧现象;等离子燃烧器的出力可以在一定的范围内变动,能最大限度地节约燃油,并满足锅炉冷态点火时的投入;等离子燃烧器的主要外形尺寸一般与传统燃烧器相同,便于技术改造。因此等离子点火技术在不同级别的电站锅炉点火及稳燃中得到了一定的应用。2.1.2等离子点火技术等离子点火技术在实际应用中仍存在以下不足:点火需大功率变压器和放电电极,使得变压器很庞大,需要另设冷却系统;当点火器数目较多时,切换极为不便,需另外增加设备,从而使投资加大。此外,电极容易老化,点火燃烧器的使用寿命短,阴极平均寿命仅为35h,阳极寿命不足200h;对保证连续引弧所需满足的条件苛刻,阳极易受煤粉污染,另外,结焦问题也难以完全避免;锅炉冷天启动前期燃烧效率较低。由此人们采取了多种措施对等离子点火燃烧器进行技术改造,在冷态和温态启动时分别采用最佳的一次风速并适当增大二次风量,这样能防止燃烧器结焦,增强燃烧的稳定性;巨化公司热电厂将燃烧器的圆形(Φ474mm)风筒改成具有较大截面积的矩形风筒(480mm×490mm),使风筒截面积增大了约33%,并大于原下二次风嘴截面积15%,以增强燃烧器的冷却效果,降低风筒和喷口温度;同时为了消除燃烧室结焦渣,割除了一级燃烧室和过渡筒的中隔板,在风筒下部安装排渣器,自动排出煤灰固化后形成的焦渣,提高点火的可靠性。广州恒运热电厂在等离子点火燃烧器中采用了一级气膜冷却技术,一方面避免了煤粉的贴壁流动及挂焦,另一方面解决了燃烧器的烧蚀问题。目前等离子点火技术难以达到冷炉冷粉点火,需要在磨煤机进口的一次风道上安装暖风器,将一次风加热到160~170℃才能启动点火磨煤机。同时在等离子点火前需要用小油枪或大油枪预热锅炉1~2h。因此,还不能做到真正的无油点火,需要保留锅炉的燃油系统。2.2无空气香味燃烧技术2.2.1部分燃用高、低挥发油分煤种的电厂的研究分析高温空气直接点燃煤粉气流技术是在蓄热式高温空气燃烧技术的基础上发展起来的,该技术由于采用加热与点燃分开,实现中心首先着火,进而点燃煤粉气流,因而能防止一定的结焦,点火过程便捷,并且锅炉启动时电除尘器能够正常工作,减小了锅炉在启停炉时对环境造成的危害等优点,此外该点火技术还具有火焰稳定性高、燃烧速率高、NOx的排放量少、节省大量的优质燃油等优点。目前,我国部分科研院所对其开展了相应的研究,并且在部分燃用高、低挥发分煤种的电厂分别取得了成功。高温空气无油点火技术由中频感应空气加热技术和高温空气煤粉直燃技术两部分组成。中频感应空气加热技术原理是:感应式高温空气加热器的水冷线圈通电后产生强的交变磁场,处于交变磁场中的感应管受电磁感应作用产生感应电动势,在其内部形成交变感应电流—涡流。涡流克服感应管自身电阻生成焦耳热,当感应管被加热并迅速升温至1300℃左右时,由鼓风机送出的常温空气进入感应管内,迅速升温到1000℃左右,使空气的迅速升温并大大超过了燃料的着火温度。高温空气煤粉直燃技术则是指高温空气被引至点火燃烧器内和一次风粉混合,煤粉气流以多相燃烧方式着火燃烧,释放出来的挥发分在气相环境中或煤粒表面上燃烧,产生的热量或者使环境温度升高或者使煤粒本身被迅速加热,完成煤粉气流着火。从燃烧动力学来看,高温可以使火焰稳定,火焰的稳定极限随温度的提高而加宽。同时,高温使可燃物成分析出量增大,即提高着火阶段参加燃烧的可燃物浓度,使燃烧速率提高,增强着火性和燃烧的稳定性;另外,空气温度越高,火焰的熄灭应变能力越强,火焰也越稳定,需要的氧浓度就可以降低。当然,煤粉浓度是煤粉气流着火特性最主要的影响因素,因此煤粉浓度的改变将引起着火温度的显著改变。2.2.2高温空气无油点火技术目前高温空气无油点火技术作为一种新型点火技术在炼钢、化工领域的气化燃料中得到成功应用,但在以化石燃料为主的电站锅炉中还处在推广应用的试验阶段,仅少数电站锅炉进行高温空气无油点火技术改造,在改造时主要是将最下层煤粉燃烧器及其下面的二次风喷口摆动机构解列,改造为高温空气无油点火燃烧器,整组燃烧器由全部摆动改为部分摆动。同时可将高温空气无油点火技术与PRP燃烧装置相结合,利用PRP燃烧装置预热一次风而不是二次风,从而提高其点火过程中火焰的稳定性并能稳定燃烧低挥发性煤。目前在高温空气无油点火技术应用中,存在的主要技术问题是:由于煤粉在电热腔内燃烧,仍存在结焦现象;电热管材料的寿命较短。但还没有有效的办法来克服这些制约因素,因此限制了高温空气无油点火技术的广泛应用。研究表明采用环流风能遏制煤粉着火过程中在点火室内壁结焦的可能性。此外在某一给定工况下,煤粉的稳定着火只发生在一定的煤粉浓度范围内,随着煤粉浓度的过度升高,着火距离将拉长,着火变得不稳定。因此在具体应用中应根据锅炉燃烧情况对各参数进行调整。目前,国内已研制出了循环流化床锅炉高温空气点火技术,该技术将电磁感应加热与循环流化床锅炉床下点火有机地结合,通过独特的结构设计,将空气温度从常温加