等離子點火技術在660MW褐煤鍋爐中的應用

李亞杰

【摘要】本文介紹了等離子點火技術的工作原理及等離子點火裝置的結構，論述等離子點火技術在660MW燃燒低發(fā)熱量褐煤鍋爐應用中的優(yōu)缺點，通過實踐證明，等離子點火技術，屬于高科技綜合性項目，經(jīng)濟和社會效益上符合節(jié)能和環(huán)保社會發(fā)展的大趨勢，值得大力推廣。

【關鍵詞】等離子；褐煤；環(huán)保排放

前言

目前，世界上大部分燃煤鍋爐點火的傳統(tǒng)工藝，都是采用輕油或重油點火工藝。油點火是一項成熟、穩(wěn)定的點火方式。但是也存在明顯的缺陷：第一，電廠需要建設儲油區(qū)、高壓油泵、油循環(huán)管路等。且為保障燃油助燃系統(tǒng)及時投入，需要油泵長周期運轉，增加電耗。增加電廠危險源。第二，油點火時，為防止部分未燃燒燃油液滴粘附在電除塵極板或電袋除塵器布袋中引起二次燃燒，電除塵無法投入。鍋爐啟停或低負荷投油穩(wěn)燃時，鍋爐煙塵排放無法達標，尤其是無法滿足超低排放煙塵10mg/Nm3的標準。同時油滴也會被煙氣攜帶進入脫硫系統(tǒng)，造成脫硫效率嚴重下降，增大二氧化硫的排放。第三，燃油價格遠高于燃煤，投油助燃的成本較高，降低電廠運行的經(jīng)濟性。為了解決無油點火的問題，國內目前有兩種較主流的解決方案，一種是等離子點火，一種是小油量霧化點火。本文重點介紹等離子點火系統(tǒng)在配套660MW機組的哈鍋2280t/h超臨界褐煤鍋爐上的應用。

1、等離子點火系統(tǒng)的簡單介紹

由陰極、陽極前腔進氣環(huán)，后腔進氣環(huán)等組成。其中陰極材料采用高導電率的金屬材料制成。陽極由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料制成，它們均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。電源采用全波整流并具有恒流性能。其拉弧原理為：首先建立空載電壓，設定好輸出電流，啟動后，高頻引弧器工作，將陰極和陽極之間的間隙擊穿，由于有空載電壓，電弧就建立起來了，形成等離子體，等離子體的能量密度高達105-106W/cm2。

等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點燃，并將火焰在燃燒器內逐級放大，屬內燃型燃燒器，可在爐膛內無火焰狀態(tài)下直接點燃煤粉，從而實現(xiàn)鍋爐的無油啟動和無油低負荷穩(wěn)燃。在鍋爐點火和穩(wěn)燃期間，該燃燒器具有等離子點火和穩(wěn)燃功能。

2、燃燒褐煤鍋爐采用等離子點火技術的分析

2.1 國投哈密電廠鍋爐設備及燃煤主要技術規(guī)范

2.1.1 鍋爐型式。鍋爐型號：HG-2280/25.4-HM15，一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼架、全懸吊結構、π型布置。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四個角上，每層4只燃燒器對應一臺磨煤機。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實現(xiàn)分級燃燒降低NOX排放。

2.1.2 鍋爐燃煤。設計煤種和校核煤種：

2.1.3 制粉系統(tǒng)型式。中速磨煤機冷一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配6臺ZGM123中速磨煤機。A、B兩臺磨煤機對應燃燒器均安裝等離子發(fā)生器，作為穩(wěn)燃手段、互為備用。

2.2 為確保在機組試運過程中等離子燃燒器點燃配套煤礦褐煤，進行了必要的點火試驗。2014年5月，配套煤礦7煤層（主要燃用煤層）露天礦部分已經(jīng)成功開采出露頭煤，為確保等離子能夠成功燃用露頭煤進行點火吹管，將8噸原煤運至徐州燃控進行等離子點火試驗。露頭煤全分析及點火試驗情況如表2：

已經(jīng)準備就緒的等離子發(fā)生器、采用的就是我公司的等離子燃燒器。

試驗設備介紹：煤粉通過給粉機進入熱一次風管，通過給粉機轉速估算給煤量。我廠燃燒器與燃燒室呈約80°夾角，斜向噴入燃燒室。燃燒室采用引風機+兩臺水膜除塵器配置。無二次風噴口。

2.2.1 第一次試驗：一次風油燃燒器未投入、未進行加熱，風溫約25℃。

試驗情況：等離子拉弧電流225A，調整燃燒室壓力-200Pa，一次風速23m/s（給粉后風速20-21m/s），給粉量6t/h（根據(jù)我廠磨煤機最小出力24.4t/h計算單個噴口出力為6t/h）；由于煤粉未經(jīng)過充分干燥，給粉機處有結塊、下粉不均情況，給粉量6t/h不準確；給粉后約30s煤粉開始被點燃，由于給粉機下粉不均，著火不穩(wěn)定，伴隨爐膛壓力在100—-400Pa大幅波動；試驗期間，一次風速最低低至11m/s。（經(jīng)判斷為風管堵粉造成，停止給粉后，很快風速恢復至23m/s左右）。

試驗存在問題分析：煤粉點燃后，燃燒火炬較長，燃燒室內幾乎充滿火焰， 看不清噴口附近是否有明顯集中的火焰。此時爐膛壓力波動減小，約0—-300Pa間波動；給粉機下粉不均，煤粉外水含量較大，一次風溫較低（室外溫度約25℃），著火熱較我公司運行工況增加，相對不易點燃；揮發(fā)分高，但發(fā)熱量較低。煤粉點燃后放熱小，著火煤粉對未著火煤粉引燃較差，主要依靠等離子熱量加熱；煤粉灰分含量大，揮發(fā)分溢出較困難，燃燒相對滯后，形成長火焰燃燒；由于缺少高速二次風引流，一次風速不高，剛性較弱，擴散性較強，火焰燃燒后期幾乎充滿燃燒室。

2.2.2 第二次試驗：投入了一次風加熱用油燃燒器，提高一次風溫至54℃（第一階段）和63℃（第二階段）。

試驗情況：第一次試驗，一次風速23m/s，給粉機轉速30%，后提高至50%，給粉量約3-5t/h；一次風溫提高后，著火明顯好于20日，火焰燃燒相對集中，火焰長度約8m，至9m左右觀察孔，已無火焰；給粉機啟動并增加轉速后，建立火焰時間約為20s左右，火焰有明顯波動，考慮到煤粉潮濕結塊后導致的給粉機的下粉不均，此現(xiàn)象基本正常。

2.2.3 試驗結論：現(xiàn)場使用等離子點火時，由于一次風溫度高，干燥煤粉后，一次風溫度基本能夠達到60℃左右，本次試驗一次風溫度基本與現(xiàn)場實際情況相同；由于煤粉灰分含量大，燃燒初期煤粉燃燼率差，爐內空氣較混濁，有可能火檢無法有效建立或火檢不穩(wěn)定。有可能會由于瞬時失去火檢造成磨煤機跳閘，需要調整火檢靈敏度或采取強制火檢信號，并且結合等離子火焰電視作為觀察手段的特殊措施。爐內溫度提高后，燃燼率增加，火檢信號會穩(wěn)定正常；考慮到設計煤種發(fā)熱量、揮發(fā)分均優(yōu)于試驗煤種，實際應用中運行情況應由于本次試驗。

2.3 等離子燃燒器在鍋爐點火吹管、鍋爐168試運及后續(xù)商業(yè)運行期間的穩(wěn)燃情況。鍋爐吹管期間，為提高鍋爐燃燒穩(wěn)定性，對吹管用煤進行了摻配，更接近于設計煤種。

吹管期間等離子燃燒穩(wěn)定，磨煤機工作正常，磨煤機給煤量基本穩(wěn)定在35-40噸/小時，磨煤機風量90-100噸/小時，磨煤機出口溫度控制在65℃左右，爐內火焰基本穩(wěn)定，燃燒正常。

168試運期間，依靠等離子點火方式，鍋爐均能正常啟動，未發(fā)生異常。后續(xù)商業(yè)運行期間，鍋爐經(jīng)過多次冷態(tài)、熱態(tài)啟動和低負荷穩(wěn)燃均燃燒正常。等離子燃燒器經(jīng)過歷次檢修檢查也未發(fā)現(xiàn)燒損等情況。

3、等離子點火系統(tǒng)存在的問題

等離子點火系統(tǒng)在褐煤機組應用正常且大量節(jié)省助燃用柴油，但對比油點火方式還存在一定問題，主要集中在一下方面：

3.1 等離子點火技術使用時需要臨機輔汽或啟動鍋爐輔汽加熱等離子暖風器，將磨煤機入口風溫加熱至150-200℃。無法完全實現(xiàn)獨立點火。

3.2 中速磨煤機搭配等離子點火技術時，收到磨煤機最小煤量和煤粉濃度的制約，冷爐點火時初始熱量大，不利于鍋爐緩慢均勻的受熱，容易導致鍋爐水冷壁管初始熱沖擊較大，多次啟停后易發(fā)生燃燒器上部水冷壁管的裂紋，降低機組運行安全性。

3.3 等離子陰陽極頭壽命較短，已發(fā)生斷弧等故障。雖然可以通過關閉中速磨煤機出口風管關斷門來停止斷弧等離子的供粉，確保鍋爐運行安全。但所造成的爐內缺角燃燒，溫度場不均勻也會導致鍋爐本體膨脹不均，爐管受到局部應力作用發(fā)生裂紋、泄露等情況。

4、效益分析

4.1 經(jīng)濟效益。鍋爐點火吹管期間，全部使用等離子點火，節(jié)省了燃油費用。

吹管期間大量節(jié)省費用：兩臺鍋爐吹管期間鍋爐共運行104小時，全部采用等離子助燃，供消耗燃煤6000噸（包括啟動鍋爐），更換等離子陰極頭16個，按照原煤165元/噸、等離子陰極頭2000元/個計算，總費用為2000×16+6000×165=102.2萬元。若采用燃油吹管，則需要2噸/支大油槍3只連續(xù)投入，用油3×2×104=624噸，按照每噸燃油7000元計算，總費用為436.8萬元。節(jié)省費用約325萬元。機組投運后，正常啟停采用等離子點火，每年還可以節(jié)省大量的燃油費用，降低發(fā)電成本。

4.2 環(huán)保效益。等離子點火技術的使用，可以使電除塵在機組啟動和穩(wěn)燃期間正常投入，確保煙塵排放達標。同時減輕脫硫系統(tǒng)漿液的污染，提高脫硫效率的同時降低石灰石耗量。

5、結論

哈密電廠660MW機組在試運階段和后續(xù)等級檢修后啟動中，要經(jīng)過鍋爐升溫升壓，汽機沖轉、并網(wǎng)、洗硅運行等多個需要助燃的階段。采用等離子點火技術，實現(xiàn)了鍋爐無油啟動、無油停爐和無油低負荷穩(wěn)燃，經(jīng)濟效益和環(huán)保明顯，在燃用褐煤的鍋爐機組中，有較好的推廣意義。