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煤粉等离子点火技术的原理及国内外研究和应用

时间:2016-02-22来源:admin浏览次数:

       长期以来,火力发电机组锅炉的启停及低负荷稳燃消耗大量的燃料油。特别是对于新建的火力发电机组,其在试运期间要经过锅炉吹管、汽机冲转、机组并网、电气试验、机组带大负荷运行等许多阶段,此期间由于锅炉无法投磨或无法完全断油运行,因此要耗费大量的燃油。根据原电力部颁布的试运导则中的规定, 600MW机组试运期间燃油消耗的标准定量为9000吨,燃料费用十分可观。
       我国是一个石油进口大国,国家鼓励推广节油和以煤代油技术,国家经贸委资源节约与综合利用司在“节约和替代燃料油十一五规划”中明确提出:电力行业等节约和替代燃料油的目标是3800万吨。离子煤粉点火是使用等离子火炬直接点燃煤粉使用煤粉火焰启动锅炉,达到以煤代油的目的。
一、等离子火炬点燃煤粉的基本原理
       通常所说的用于煤粉点火的等离子体称之谓热等离子体。
小能量等离子火炬(100KW~几百KW )能够直接点燃煤粉是因为风粉混合物通过等离子体时具有以下特点:
1、等离子体高温效应
        空气等离子体是靠空气作为等离体形成气,等离子体形成气在等离子发生器阴极的电弧区形成被电离化的等离子气,这就是温度可高达3000~10000K的等离子火炬,被用作点燃煤粉的高温热源。被点燃的物质应是煤粉与空气的混合物。等离子炬与空气煤粉混合物相接触遇到3000K以上的等离子炬,首先发生物理变化,由于两者温度相差极大,煤粉颗粒遇热急剧膨胀,在0.1~0.005秒内分裂成8~10个细微颗粒,此即所谓的热爆炸,这使煤粉表面反应面积急剧增大,对加快煤粉的热化学反应速度与反应能力非常有利。同时,高温的等离子炬可使煤粉中挥发份的逸出速度加快,其成分包括CO、CO2、CH4、C6H6、 N2和H2O,这些挥发份气体与等离子气相火炬直接相互作用进入气相反应阶段。根据热化学反应原理,高温的等离子气体与挥发份气体化学反应活性加大,反应的活化能值降低,在这段反应过程中又可形成化学反应活性更大、活化能值更低的单个原子气体(O、H、N、C、S)、原子基团(NH、CH、CN、OH)以及电子气与相应的正负离子(C-、H-、CO-、N+、SI+、K+),即所谓活化中心。由于进入气相反应所产生数量巨大的更有利于燃烧的原子、原子基团、电子气以及各种正负离子将数倍的加快氧化反应,甚至达到爆炸反应的程度,在反应的过程中迅速释放出大量的热量加速残余焦碳升华。这个过程伴随着碳从煤粉颗粒体积中向反应表面扩散释出,在均匀工况下燃烧时将加强碳与氧化剂的相互作用。这在一定条件下使火焰前端的传播速度大大加快。
       煤粉中碳成分的气相转化率以及活性原子、原子团、电子气、各种正负离子的多少,关键在于等离子炬的核心温度,温度越高碳成分的活性气相转化率越高。当温度在 1600~1900K时,活性成分不超过1?,当温度在3000K时,活性成分达到7.5?,当温度在4000K时,活性成分达到41.5?,接近最大值,此后随着温度的升高活性成分缓慢增加。
2、等离子体化学效应
       在等离子体中,热电离,光电离,解离和合成导致具有化学活性的组分: 氧原子,臭氧,离子和游离原子团,这些大大改变了在等离子体和其相邻区域内燃烧的状态。尤其是氧原子对着火温度、着火时间影响很大,有研究表明即使在氧化剂中含有少量的(约0.6%),也会使煤粉颗粒的着火温度降低3/8。使着火前的预热时间减少2/3。原子氧的这种浓度当T=2500K时就可以在空气中达到,当T=4000K时,浓度约为25%。
3、等离子体电物理效应
       电弧产生等离子体,特别是在高压下,可能伴随在燃烧区里产生相当强的电场,这种电场的存在无论在气相中,还是在非均匀燃烧中,都可能对燃烧过程产生积极影响,可以把煤粉燃料的燃尽程度提高一倍以上[1]。
       另外,等离子火炬的功率毕竟很小,要用小功率等离子火炬点燃大量的煤粉,不仅需要产生一个3000~10000K的等离子火炬;其次需要一个热化学反应室,提供一个反应和反应时间的足够空间,将等离子火炬的能量尽可能的用于使煤粉的挥发份及煤中碳成份的逸发,成为化学反应能力很强的可燃性气体,然后再与其他未被等离子炬激活的煤粉进行热化学反应作用,从而加速达到或超过煤粉的实际着火温度,实现点燃煤粉火炬的目的。
二、等离子煤粉点火系统的基本构成
1、等离子点火煤粉燃烧器(简称等离子燃烧器)
2、等离子发生器(或称等离子点火器、等离子枪)
3、电源装置
4、压缩空气系统
     由空气压缩机、输送管路及阀门、油(水)气分离装置、压力传感器及显示仪表等。如使用厂用仪表气源可省去空气压缩机,如仪表气源满足使用要求可省去油(水)气分离装置;如采用高压风作为等离子形成气则整套系统改为风机系统。
5、冷却水系统
     由循环水箱、水泵、换热器、输送管路及阀门、温度传感器、压力传感器及显示仪表等。如采用厂用无盐循环水,循环水箱、水泵、换热器可省去。
6、风粉在线检测系统
     由靠背管产生差压信号,用于在线监测一次风速,方便运行人员进行燃烧调整。
7、图像火焰检测系统
     CCD摄像探头、通信传输电缆、显示与控制柜等组成。
8、控制系统
     由控制柜本体、直流24V电源、触摸屏、PLC、工控机、通讯电缆、编程电缆等组成。
三、国内外研究发展与应用情况
       我国和世界上许多专家长期致力于研究点火器和燃烧器以期减少火电机组的油耗。从七十年代初期开始美国CE公司、BW公司和西屋公司等都曾投入大量的人力和财力研究开发等离子技术用于燃煤锅炉的点火和稳燃。前苏联为解决每年2000万吨锅炉油耗问题制定5年(1986~1990)计划,由三个科学院对等离子技术和设备进行研究,至今这项科研工作在俄罗斯国内一直没有停止过,并于上世纪九十年代初以后在其国内以及蒙古国和北朝鲜得到应用。我国从七十年代中期开始,清华大学、华中工学院、哈尔滨锅炉厂、武汉锅炉厂等单位都曾进行过长期的研究和开发并分别在淮北电厂和潍坊电厂做过工业应用试验,点燃了少量煤粉,但一直没有研制出工业应用的成功产品,九十年代,澳大利亚太平洋公司研制出容量为50Kw的等离子点火煤粉燃烧器并应用于曼莫拉电厂300MW机组。该产品只适用于挥发份25?以上的烟煤,必须采用氮气做等离子体形成气以避免电极烧损,此外煤粉必须采用精细煤粉。因此必须配套使用制氮机、精细粉磨煤机等设备,整套系统设备价格昂贵,且不能燃烧贫煤和无烟煤。
       俄罗斯和哈萨克斯坦均已经完成了等离子弧点燃烟煤的工业试验,但设备简陋、设备损坏率高、部分配套设备如电源技术落后、自动化程度低尚、不能作为工业产品广泛地推广应用。1995年11月 30日开始,哈萨克斯坦动科院在中国宝鸡电厂先后做了5次工程应用试验,均因设备损坏而失败。1997年3月俄罗斯新西伯利亚动科院与我国广州鑫际等离子有限公司在我国广东韶关电厂利用煤粉等离子点火技术点燃劣质无烟煤试验,历时5年也均因设备损坏而失败。
       国内外的研究在理论上也取得了很大进展,如:“煤粉通过4000K以上等离子体时瞬间析出和再造挥发份20~100?,引起煤粉松裂、爆炸燃烧”,“煤粉通过等离子体高温区域发生热化学反应的过程及其生成物质”,“煤粉通过等离子高温区时有C+H2O CO+H2 化学反应再造挥发份”,“作为点火源的等离子体功率与被点燃煤粉的功率比值”等研究成果,为后人的研究奠定了理论基础。
       烟台龙源电力技术有限公司利用前人理论研究成果,在前人工作的基础上,吸取了他们的经验教训,针对他们存在的问题进行攻关,从1997年到2000年历时3年多,于2000年初在烟台电厂1#炉(220t/h)上采用四台等离子点火煤粉燃烧器(不能作为主燃烧器使用)点燃了烟煤,在我国历史上第一次实现了电站燃煤锅炉无油启动和低负荷稳燃。
       从上世纪七十年代中期至今清华大学在这方面科研开发工作断断续续一直未中断,但未取得实质性进展。最近和俄罗斯有关科研单位有合作意向,正在洽谈,结果如何不太清楚,但一直未见其产品应用于实际工程。

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