锅炉点火装置的研究

锅炉点火装置的研究

1概 述

1.1国内外点火方式的现状

1.1.1国内火力发电厂燃油消耗的现状

锅炉启动点火和调峰稳燃是火电厂耗油的主要方式。发电企业燃煤锅炉燃油消耗将由于燃煤煤种，启停频率等的不同会有很大的区别，200MW机组启动一次80吨左右，300MW机组冷态启动一次耗油达150吨左右，而且由于多数火电机组最低不投油稳燃负荷较高，100MW机组最低稳燃负荷平均为额定负荷的62%，200MW为56%，300MW为53%，稳燃、助燃用油也相当可观。例如：焦作电厂燃用挥发份Vad=7.7%，灰份Ad=36.9%的无烟煤，2003年6台200MW机组670吨锅炉启停、稳燃、助燃燃油消耗达12000吨，平均每台锅炉消耗燃油2000多吨,2004年仅1～4月份，启停、稳燃油耗达6000多吨。

截止2004年底，全国火电总装机容量达到41000万千瓦，2005年我国还将新增火电机组总装机容量4270万千瓦，2006年至2010年之间预计平均每年增加2886万千瓦。火电机组基本上都是燃煤机组，国家统计的电力、纺织、石油、石化、造纸、钢铁、建材和化工等重点行业中，其中电力行业全国火力发电用燃油每年多达1000万吨以上，为全国同期工业总燃油用量的30%以上，每吨燃油价格按4200元计算,仅此一项，电厂燃油费用每年达400多亿元。

1.1.2国内外等离子燃煤点火技术研究与应用情况

许多国家都在致力于等离子点火器和燃烧器技术开发，以期从根本上解决火力发电厂燃煤锅炉点火启动和稳燃的油耗问题。

早在六十年代，许多国家开始进行等离子点火装置的研发，如美国C－E公司、B－W公司、西屋公司，澳大利亚太平洋国际电力公司等；九十年代，澳大利亚太平洋国际电力公司研制成功等离子点火和燃烧器，在曼莫拉电厂300MW机组投入运行；该产品只适应于挥发份Vdaf≥25%的烟煤，需用氮气作等离子体，以保护电极避免烧损，同时必须使用精细煤粉，加上氮气制备设备，精细煤粉粉磨设备等，使用成本较高且不能点燃贫煤和无烟煤。原苏联科学院也曾投入大量的人力和财力研究开发，为解决每年2000万吨锅炉油耗问题，制定了5年（1986～1990）计划，对等离

子燃煤点火技术和设备进行研究，取得了大量的数据和研究成果，并在原苏联部分电厂进行工业试验和推广应用。但由于技术水平的局限，该装置当时还存在着等离子发生器电极烧芯、寿命短等问题；苏联解体后，俄罗斯一直保持在等离子点火和燃烧器方面的研究开发工作，技术不断进步，日臻完善，产品不断换代，保持着技术领先的地位，可靠性和阴极寿命大幅度提高。此后，俄罗斯在该国进行了推广应用，在上百家大中型或电厂进行等离子燃煤点火技术改造，获得了巨大经济效益和社会效益。

等离子发生器是利用直流电流在一定的介质气体条件下的接触引弧,用机械和磁压缩的方法将等离子射流引到进行点火的部位。已在贫煤、烟煤的锅炉上应用，但因等离子发生器功率较小，制约了在劣质贫煤及无烟煤上的应用。

针对中国电厂贫煤和无烟煤的难燃特性及锅炉型式，对等离子燃煤点火器和燃烧器技术从理论、结构、材料、控制系统进行全面研究试验和二次开发，等离子发生器采用新型结构，燃烧器采用分级燃烧的结构，已将挥发份Vdaf=7.7%，灰份Ad=36.9%的无烟煤，按200MW机组670吨锅炉点火和稳燃参数1：1的比例成功点燃，取得了燃煤点火发生器功率最大300KW，消耗件寿命200小时以上，热效率最高93%的卓越成果，技术指标处于目前世界领先水平。

1.1.3国家产业政策

我国2005年政府工作报告明确提出，“如何节约燃油消耗和寻找替代技术已成为我国工业发展的重要工作任务之一”。国家计委在“中国能源”白皮书中也明确指出：“我国是一个煤炭资源丰富，而石油资源相对短缺的国家，以煤代油是一项非常重要的能源政策，研究开发推广应用以煤代油技术和产品是正在推行的长期能源战略的一部分。”我国的煤炭资源储量相对丰富，已探明的可采储量为1450亿吨，为了缓解石油供应的压力，国家有关部门组织开展了节约和替代油品的工作。近几年国家投资数十亿元人民币，开发洁净煤技术，计划用5年的时间，通过推广洁净煤替代油品，减少燃油消耗1400万吨（从目前的情况看，水煤浆是最现实洁净煤技术）。

用电紧张不但制约经济的发展，而且已经影响到国民的基本生活，近两年来，为了解决电力供应紧张的局面，新建火电机组近3亿千瓦，并且将于今年下半年到2006年上半年陆续投产发电，按照原电力部颁发的《火电机组试运验评标准》，新建机组168之前定额耗油：对于135MW机组，其燃油定额为1600吨，按燃油4200

元/吨计算，预计总的燃油费用672万元；对于200MW机组，其燃油定额为3000吨，预计燃油费用1260万元；对于300MW机组，其燃油定额为4000吨，预计燃油费用1680万元。经综合分析，燃煤锅炉采用等离子点火系统取代燃油点火系统，运行费用降低4/5，在投运期间就可以收回投资并节省数百万元甚至上千万元费用，投运以后还将长期受益，社会效益和经济效益十分显著。

我国现已探明的石油可开采储量为33亿吨，随着中国社会经济的快速发展，国内近几年的石油消耗量已近3亿吨。2000年我国石油的进口量7500万吨，2001年达到1亿吨，2003年石油进口量超过1亿吨，比2002年增长30%，统计表明，2003年全国GDP增长9%，是以能源消耗增加15%的代价换来的；在经济迅猛增长的驱动下，中国超过日本，成为排在美国之后的世界第二大石油消费国和第五大石油进口国。面对世界性的能源危机，特别是我国这样一个石油储量相对较少的消耗大国，节约石油资源和开发石油资源的替代品已是关系到国家能源安全和可持续发展的大事，在电力行业迫切需要采用非传统的高新技术来解决电厂锅炉的点火启动及低负荷稳燃用油的问题，在目前石油供应趋紧的大环境下，有些电厂已面临燃油采购不到而停产的严竣形势。等离子点火技术是解决火力电厂煤粉锅炉燃油消耗的最佳安全实用技术。

1.2目前点火方式的主要问题

1.2.1油枪耗油量大

目前的锅炉厂所配的油枪都为普通的油枪，例如我公司使用的无锡华光锅炉股份有限公司生产的UG130/9.8-M4型煤粉锅炉，最小的油枪雾化片喷油量为420Kg/h，投入四个角，每小时耗油量为1680Kg/h，冷态点火时需要六小时的时间，则一次点火所耗的总油量为10080Kg/h，每吨柴油价格为4500元。则一次点火所需要的燃料费用为45360元。小机组自动化程度低，机组检修率高，所以每年需要点火启动的次数不低于10次，则一年的燃料费用为453600元。

1.2.2锅炉在低负荷时，需投油助燃

锅炉如果遇到制粉系统故障，或其他的外界因素，需要降负荷运行，则需要投油助燃。如果点火程控系统不好用，则会导致锅炉灭火。造成更大的经济损失。

1.2.3燃油系统管道距离长，若出现故障，查找不便

一般电厂油罐及油泵房离主厂房要有300~400米的距离，需要增加专门负责人员，导致成本升高。而且需要有良好的防火、防雷措施。不便于管理。

1.3本论文主要研究锅炉等离子点火的原理及设备简介

1.3.1等离子点火机理

DLZ-200型等离子点火装置是利用直流电流在介质气压0.01～0.03MPa的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T＞5000K的、温度梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，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变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

等离子是继固态、液态和气态之后的第四种物质形态。等离子体对外呈中性，但在等离子体内有许多带电的阳离子和阴离子，形成一个4000～10000℃之间的高温以及温度梯度的超高温区。

等离子发生器利用直流电流（300A,300V）在介质气压（0.01～0.03MPa）的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体。

1.3.2等离子发生器及其工作原理

DLZ-200型等离子发生器为磁稳，空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极等组成。其中阴极材料采用具有高导电率、高导热、耐氧化的金属材料制成。阳

极亦由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式冷却，以承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。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(300～400A)，当阴极在直线电机的推动下，与阳极接触后，电源按设定的工作电流工作，当输出电流达到工作电流后，直线电机推动阴极向后移动，当阴极离开阳极的瞬间，电弧建立起来，当阴极达到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成等离子体。

1.3.3燃烧机理

根据高温等离子体有限的能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配，为此设计了多级燃烧器，如图1所示，它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度，其流速度处于一个十分有利于点火的工况下，从而完成持续、稳定的点火、燃烧过程。实验证明，运用这一原理及设计方法可使单个燃烧器的处理扩大到10t/h。在建立一级点火燃烧过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火焰中心区，5000~10000℃的高温，等离子体同浓煤粉的回合计所伴随的物理、化学过程，使煤粉原挥发份提高了20%~80%，其点火延迟时间不大于1s。

点火燃烧器的性能决定了整个燃烧器运行的成败。在设计上该燃烧器出力约为500~800Kg/h，其喷口温度不低于100℃。另外加设了第一级气膜冷却技术，避免了煤粉的贴壁流动及挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。该区称为第Ⅰ区。

第Ⅱ区为混合燃烧区，区内一般采用“浓淡浓”的燃烧原则，环形浓淡燃烧器可将淡粉流贴墙而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样既利于混合段的点火，有冷却了混合段的壁面。在特大流量条件下还可采用多级点火。

第Ⅲ区为强化燃烧区，在Ⅰ、Ⅱ区内挥发份基本燃尽，为提高疏松炭的燃尽率，

采用提前补氧强化燃烧的措施。提前补氧的目的在于以提高该区的热焓，进而提高喷管的初速，加大火焰长度，提高燃尽度，所采用的气膜冷却技术已达到了避免结焦的目的。

第Ⅳ区为燃尽区，疏松炭的燃尽率决定于火焰的长度，随烟气温度的升高而逐渐加大。

1.3.4等离子点火系统的组成

整个等离子点火系统由等离子燃烧器及其输粉系统，直流供电及控制系统，辅助系统和热工监控系统组成。单角等离子点火系统如下图

图1-1单角等离子点火系统图

2 火电厂点火方式的比较

2.1普通油枪点火

普通油枪点火有其自己的特点，其点火方式简单，可以使用程控点火，也可以采用普通的火把点火，便于操作，但是现在世界能源发展来看，石油能源在逐渐的

减少，导致优价上涨，能源浪费。

煤粉锅炉在冷炉启动点火和低负荷运行时，为了稳定煤粉火炬燃烧，通常需投用相当数量的高反应性液体燃烧助燃，主要用油，例如一台670t/h炉冷露启动需要50t轻质柴油；无烟锅炉在日常运行中须伴烧一定量助燃油，例如一台烧低挥发份（Vf=3%~4%）无烟煤的410t/h炉，在额定负荷时，一般投用2~4把出力500Kg/h重油枪，油耗量为1t/h~2t/h，燃油量占输进炉内燃料总热量的3.6%~7.0%。油耗10g/KW.h~20 g/KW.h.燃油的大量消耗，给油燃料的采购、运输、存储、处理增添诸多必备设施和管理费用，发电成本增大。节约燃油，开发无油和少油点火与稳燃，