世界上最重要的煤油资源电站锅炉微油点火技术现状与发展

世界上最重要的煤油资源电站锅炉微油点火技术现状与发展

1煤代油在煤基身份的应用前景广阔随着经济的发展，中国是世界上第二大石油消费国和海外消费国之一。我国煤炭资源相对丰富,而石油资源相对短缺。以煤代油是一项非常重要的能源政策,研究开发推广以煤代油的技术和产品是我国正在执行的长期能源战略的一部分。我国火力发电机组的启停及低负荷稳燃需消耗大量的石油资源,据统计,年耗油量约1800万t,其中锅炉点火启动及稳燃用油约900万t。随着新机组的陆续投运,燃油消耗还会激增。节约锅炉点火和稳燃用油势在必行。2火炬点火技术锅炉点火和稳燃中以煤代油的节油技术,按年代可以划分为5代。(1)?第1代马费炉点火技术。前苏联卫国战争时,出现了以煤代油电站煤粉锅炉点火设备,该种设备仅能在小型煤粉炉中使用。基本结构:在主燃烧器的侧墙上设有人工投煤固定炉排,炉排上方为辅助一次煤粉气流。以人工手烧炉排火焰点燃辅助一次风煤粉气流,用辅助一次风煤粉气流火焰点燃主燃烧器。解放初期我国电站锅炉曾广泛采用马费炉点火装置,后被火把点火取代。(2)?第2代预燃室点火和各种稳燃装置技术。20世纪70年代末,在世界能源危机的阴影下,各国纷纷采取应对措施以改变能源窘迫状况。我国的措施是:节省燃用油,燃油锅炉改烧煤,推广劣质煤燃烧技术。电站锅炉点火和稳燃出现了大量的预燃室和稳燃装置,以煤代油来节省燃油消耗。根据统计,当时全国各电厂预燃室多达12种类型,稳燃措施或装置多达10余种。目前,预燃室点火稳燃装置大多已被淘汰,但各种稳燃装置技术仍有一些被保留至今,包括日本三菱公司首创的浓淡型稳燃技术、华中理工大学的钝体稳燃技术、西安交通大学夹心风稳燃技术和清华大学多功能(船型)技术等。(3)?第3代少油点火技术。将油枪直接安放在燃烧器一次风口,配以简单的点火装置。由于节油第1期姚文达,等:电站锅炉微油点火技术现状与发展·15·率有限,现已被淘汰。(4)?第4代等离子点火技术和第5代微油点火技术是现代大型机组锅炉点火和稳燃过程中,以煤代油的主流节油技术。3等距燃烧和微油燃烧的技术比较3.1等离子点火技术等离子发生器工作原理如图1所示。等离子发生器由电源、线圈、阳极、阴极组成。由电源送来200~600A电流至发火端,用25kV高频线圈将两电极之间的间隙击穿,空气电离成等离子体并形成高温电弧,然后用等离子高温电弧直接点燃一次风煤粉气流。等离子点火燃烧器结构如图2所示。等离子点火技术具有无油点火的显著优点,虽然结构和材料已经过多次改进并取得可喜的成绩,但到目前为止,尚不能称为完全成熟产品。早在20世纪60年代,美国CE公司、B&W公司、西屋公司、原苏联动力科学研究院,就已开始利用等离子电弧直接点燃煤粉气流的研究,但直到20世纪80年代才完成了实验室试验和半工业试验。1995年澳大利亚太平洋国际电力公司研制出50?kW等离子煤粉燃烧器,应用于曼莫拉电厂300?MW机组,但该技术只适用于挥发分大于25%的烟煤。设备费用昂贵,不能应用于贫煤与无烟煤。20世纪90年代初,俄罗斯与哈萨克斯坦动力科学研究院完成了等离子电弧点燃烟煤的工业试验,因设备简陋、损坏率高,不能作为工业产品推广应用。20世纪90年代初期,我国在淮北电厂、潍坊电厂做过等离子点火的工业性试验,但无正式的工业应用产品。1995年哈萨克斯坦动力科学研究院在我国宝鸡电厂先后做了5次试验,点燃挥发分为13%的铜川贫煤。正常运行3?h8?min,后因设备故障和设备损坏而失败。1997年,俄罗斯西伯利亚动力科学研究院与我国广州鑫际等离子有限公司在广东韶关电厂#6炉(220?t/h)进行了燃烧劣质无烟煤的试验,历经5年,最后因设备损坏而失败。烟台龙源电力技术有限公司1997年~2000年在烟台电厂#1炉采用4台等离子点火煤粉燃烧器,成功地点燃了烟煤。此后,该公司先后完成200余台锅炉等离子点火改造,其运行情况较复杂,有些机组效果显著,也有一些机组很不成功。目前,等离子点火技术存在以下问题:设备可靠性差,准确无误的投运率低;许多情况下不能正常运行;等离子点火装置在低负荷时,往往不能直接点燃煤粉气流,容易造成锅炉低负荷灭火事故;原煤特性变化很大,不能点燃煤粉气流;设备易发生故障点多,故障不易及时发现,日常维修工作量大。产生上述问题主要有4个原因。(1)?点火功率小,点火能量有限且很难增大,煤质发生变化时难以应对。目前,国内等离子发生器的最大功率为300?kW,相当于24?kg/h轻柴油的热功率,燃烧难着火煤种时不能点燃煤粉气流,当煤种多变时不易点燃煤粉气流。(2)?启动过程复杂。水、电、气、风缺一不可,且响应时间较长,容易出现各种技术故障,如阳极和阴极冷却水泄漏,影响等离子点火器的使用。(3)?电极寿命有限,特别是电子发射头、阴极头是易损件。电流大小不同,其寿命不一,一般阴极寿命仅20~30?h,多次拉弧不成功或经常掉弧时需要检查或更换阴极;投运期间经常需要更换阴极,无法保证用于低负荷稳燃;阴极易损坏,调整和维修不及时不能点燃煤粉气流;在拉弧过程中,阳极和阴极处于短路状态,可能造成阳极损坏;阳极由不同材料拼焊而成,在焊缝处因材料的膨胀系数不一致,容易开焊而漏水。(4)?机械故障多,维护工作量大,需要有专人经常维护,否则无法投入使用。3.2煤粉气流点火技术微油点火燃烧器工作原理主要有4点特征(其工作原理如图3所示)。·16·华电技术第30卷(1)?煤粉浓缩。首先通过煤粉浓缩环对煤粉气流进行初步煤粉浓缩,然后通过两级文丘里管进一步浓缩煤粉,中心截面为浓相,四周环向为淡相。(2)?一级煤粉气流预热。通过预热油枪雾化火炬将煤粉气流预热。在预热过程中,煤粉气流必然伴有热解反应和化学反应,煤粉释放出挥发分。(3)?逐级扩大燃烧。首先用少量微油点燃很少量煤粉气流,再用已点燃的煤粉气流实现逐级扩大燃烧。扩大点火器的热功率,满足主燃烧器点火和稳燃对热功率的需求。(4)?逐级气膜冷却,保证煤粉气流三级燃烧室管壁获得足够的冷却。采用逐级气膜风冷却,保证三级燃烧室管壁温度不超温。在现代实用的微油点火技术中,已经取消了一级煤粉浓缩、煤粉气流预热室和预热油枪套筒。微油点火技术是在等离子点火技术基础上发展的新技术,开发成功约有3年时间。它沿用了等离子分级点燃、逐级放大的点火原理,以极少量油在特殊结构的微油枪中雾化并燃烧。雾化炬燃烧所释放的热量代替等离子弧的热量,达到用微量油实现煤粉气流的点火与稳燃的目的,节油率在95%以上。微油点火技术是以常用的高能点火器点燃微油枪,用微油枪点燃煤粉气流,以煤粉气流的火焰代替大油枪的火焰,达到以煤代油的目的。微油点火技术具有投资少、设备简单、操作维护方便等优点,准确无误的投运率高,工况多变时仍能正常点燃煤粉气流。在2个大修期之间运行无故障,日常维修工作量少,已成为电站锅炉节油点火的主流技术。微油点火技术中常用的微油枪的热功率为465.2?kW,远大于目前国内的等离子发生器的最大功率。要继续扩大微油枪的热功率,在技术上不存在任何障碍。由于具有足够的热功率,无论燃烧难着火煤种还是煤种多变时,都能及时点燃煤粉气流。同时,微油枪能保证在2个大修期间正常运行,无须进行调整和维修,不易出现各种技术故障,能保证点火装置及时投入运行。微油点火仍需要用少量的油来点燃煤气流,但与常规大油枪点火相比,耗油量大大降低,耗油率减少了95%。与等离子点火相比,微油点火的可靠性具有明显的优势。4煤种炼焦技术已投运微油点火技术已经成功地应用于100MW、125MW、200MW、300MW和600MW机组。燃烧煤种包括褐煤、烟煤和贫煤。就全国范围看,除少数公司因技术不够成熟、运行不够理想外,绝大多数已经投入运行的微油点火技术都很成功,运行非常可靠。在微油点火器实际开发过程中必须解决8个技术关键。4.1旋流空气雾化喷嘴微油枪的容量仅有20~80kg/h,目前尚无成熟的设计规范。雾化喷嘴燃油通流截面的尺寸很小,加工精度要求高,保证理想雾化效果需要工艺水平高。通过长期摸索,新开发了多级旋流空气雾化喷嘴(如图4所示)。该喷嘴包括一级机械雾化、两级压缩空气雾化,雾化效果非常理想。微油枪不仅包括雾化喷嘴,还包括高压电火花点火器、油火焰的检测、油加热管和压缩空气加热管以及高压风通道,微油点火器是它们的集合体(如图5所示)。压缩的空气既为油的雾化提供了动力,又为油雾化炬提供了助燃剂。燃烧所需的其余空气由高压风来补充,高压风同时也是火检探头和微油点火器的冷却介质。油加热管和压缩空气加热管穿过油雾化火焰区得到加热,使油加热并有部分油气化。加热压缩空气是为了获得更好的雾化效果。4.2摆动喷口技术一般微油点火燃烧器安装在主燃烧器一次风口内,在微油点火改造中如何保证主燃烧器在正常运行时性能不变,是必须要解决的关键问题。直流燃烧器必须保证原喷口的一次风气流的刚度不变,一次风出口煤粉浓缩效果不变,必须保证摆动喷口性能不变。国产300MW和600MW机组第1期姚文达,等:电站锅炉微油点火技术现状与发展·17·锅炉往往采用宽调节比WR型燃烧器,它不但具有煤粉浓缩功能,而且带有V型钝体和摆动喷口、优秀的微油改造设计,能解决WR型燃烧器的性能问题,确保喷口原有性能不变。我国发电厂300?MW、600?MW和1000?MW机组中,部分锅炉的燃烧器为旋流燃烧器。旋流燃烧器大概可分为B&W公司生产的双重门燃烧器(DRB)和日立公司生产的HT-NR3低NOX燃烧器2种类型。有些旋流燃烧器中心管中带有浓缩锥。旋流燃烧器微油点改造刚刚起步,2006年开发了较为成熟旋流燃烧器微油改造技术,并保持原旋流燃烧器性能不变。4.3启停频繁,增加运行成本我国135MW、200MW、300MW循环流化床锅炉发电机组已有几百台,虽然循环流化床锅炉无需用油枪来稳燃,但循环流化床锅炉启停频繁,启动耗油量大,增加了运行成本。目前已经开发了循环流化锅炉微油点火技术,2台炉增加1台小型磨煤设备,将原有的启动风道燃烧器改造成微油点火燃烧器,即能实行微油点火。循环流化床锅炉的微油点火方法已获国家专利(专利号:200610112705.8)。4.4风道加热器+煤粉机微油点火冷态启动时,直吹式制粉系统将面临冷磨无法启动的问题——磨煤机启动条件要求进口风温在180℃以上,必需加装风道加热器。如果风道加热器以燃油作为热源,燃用挥发物较高的煤种时,必须要有防止明火引起爆燃的措施,这就需要有结构完善的风道加热器。4.5可靠的微油枪退出系统在点火结束之后,微油点火器如果长期暴露在煤粉气流之中会被污染,降低了微油枪工作的可靠性,必需要有工作可靠且动作灵活的进退机构。4.6火焰检测和逻辑控制火焰检测和逻辑控制是微油点火技术必不可少的辅助设备,而且必须进入锅炉的DCS系统。4.7爆炸汽油、过热、渣浆泵技术微油点火燃烧器必须防止爆燃、防止过热、防止结渣,并确保无二次再燃烧。4.8等离子点火技术的缺陷等离子点火可靠性较差,可用微油点火技术来弥补等离子点火技术上的不足。微油等离子复合点火、稳燃方法及装置已获国家专利(专利号:200610144257.X)5微油燃烧前景开发(1)？微燃燃烧技术主要用于燃气丰富地区火力发电厂。(2)？微重油燃烧技术主要用于原先采用重油点火的发电厂。(3)？该工艺采用富氧微油燃烧技术应用富氧微油点火技术后,可进一步提高节油率,有利于劣质燃料点燃。(4)？黑市微燃燃烧技术可以进一步提高节油率,有利于劣质燃料点燃。(5)低频加热或高频加热燃烧技术属于无油点火技术的一种。6试验要求微油点火技术的开发必需要有良好的开发手段,才能保证产品质量。这是因为影响点火可靠性的因素很多,如煤种、煤粉浓度、一次风速、一次风量等。因此,试验手段已成为微油点火技术开发的必要条件。一些小型模拟实验台距离实际微油点火器燃烧工况很远,不能真正说明问题,只有1∶1实际工况大型试验台才能作为产品开发和产品验证的手段。所谓1∶1实际点火工况试验包括4个方面的含义:燃烧的是锅炉实际使用的煤粉;试验台燃烧器的形状和尺寸与原锅炉燃烧器尺寸相同;试验风量与原锅炉点火工况风量相同;试验煤粉量与原锅炉点火工况风量相同。7使用示例7.1微油点火系统该锅炉为单汽包自然循环煤粉炉,Π型露天布置、四角喷燃、固态水力排渣、中间储仓式乏气送粉,配2台DTM320/580型钢球磨煤机。燃烧雁北的烟煤,挥发分为38.08%,发热量为21658kJ/kg。燃烧方式采用四角切圆燃烧,锅炉共12只一次风煤粉燃烧器,分为3层布置。原设计点火油枪的出力为·18·华电技术第30卷800~1200kg/h,每台炉8只,分2层分别布置在下二次风和中二次风口内。考虑机组容量较小,同时燃用较好的烟煤,油枪出力选为20kg/h。选择2个角(最下层一次风#1角和#3角)安装微油点火燃烧器,每一角装主油枪和辅助油枪各1支。装有微油点火的燃烧器如图6所示。冷炉启动鉴定验收试验表明,微油点火系统运行7?h后撤油。前2?h投用#1角,后5?h同时投用#1和#3角。当负荷达80?MW时,停用所有的微油枪,总耗油量480?kg。而使用大油枪锅炉冷态启动时,燃油消耗量为20?t,节油率达97.6%。7.2燃烧系统结构锅炉为SG-2093/17.5-M919型,亚临界压力、单汽包、控制循环、Π型布置的固态排渣煤粉锅炉。燃用晋东南贫煤,其挥发分为15.48%,发热量为24400kJ/kg。采用直流煤粉燃烧器,正四角布置直流燃烧器切圆燃烧方式,燃烧器共设置6层煤粉喷口。