火焰檢測器在粉煤水冷壁氣化爐上的應(yīng)用

孫西紅

(水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心 ,山東滕州 277527)

水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心長期研究煤氣化技術(shù),在開發(fā)的粉煤水冷壁氣化爐上使用希格茨曼電子儀表有限公司研發(fā)的 FMS-3型紫外 /紅外復(fù)合式火焰檢測器 (UV/IR),作為氣化爐點火和投料時判斷是否成功的主要依據(jù)。在點火方式上冷壁型氣化爐與熱壁型氣化爐是完全不同的,熱壁氣化爐在烘爐的同時,其內(nèi)部的耐火磚可以蓄熱,溫度可以達(dá)到 1 000℃以上,熱輻射可以直接點燃噴入爐子的原料 (煤漿和燃料氣)。然而冷壁型氣化爐僅有 15 mm的耐火材料,而且水冷壁內(nèi)部循環(huán)的水還不斷向外部攜帶熱量,無法做到蓄熱,點火只有使用易燃介質(zhì)進(jìn)行。在點火過程中燃料、氧氣、電火花三者共存,稍有失誤就會發(fā)生爆炸事故,點火過程的安全尤為重要。點火時系統(tǒng)溫度壓力基本沒有變化,火焰檢測器幾乎就是唯一的判斷手段。氣化爐原始開車進(jìn)行火焰穩(wěn)定性測試時,火焰檢測器經(jīng)常出現(xiàn)誤報現(xiàn)象,停車后綜合分析,多次存在爐內(nèi)實際已經(jīng)點著但火焰檢測器沒有檢測到的情況,所以我們對檢測角度和檢測方式等進(jìn)行了一些改造,點火和投料成功率明顯提高。

1 工作原理

可燃物質(zhì)在燃燒過程中都會發(fā)出不同頻率或不同波長的可見光、紅外線和紫外線。煤或煤粉在燃燒過程中,火焰發(fā)出紅外線含量占主要部分。通過檢測紅外線檢測火焰的燃燒狀況。但是當(dāng)火焰熄滅后,爐膛內(nèi)處于高溫狀態(tài),仍有大量的紅外線,所以僅僅憑紅外線的存在來判斷火焰的燃燒不夠準(zhǔn)確。當(dāng)火焰燃燒時,空氣與火焰接觸的部分會因電離而產(chǎn)生紫外線,波長在 185～250 nm。一旦火焰熄滅,紫外線就消失。因此,通過檢測紫外線的有無可以判斷出火焰是否在燃燒,而單純的通過紫外檢測也容易產(chǎn)生誤判,比如現(xiàn)場有紫外光源如電弧、雷電或日光等干擾。紫外檢測對溫度的變化不敏感,而紅外感應(yīng)變化具有延時性,響應(yīng)速度低。在以煤粉為主要燃燒物質(zhì)的燃燒中,一般采用復(fù)合傳感器檢測,這樣檢測效果好,誤報率低。

檢測部分由一個紫外線和一個紅外線進(jìn)口傳感器集合而成。這兩個檢測單元同時分別探測不同的光譜區(qū),智能識別,完成綜合判定。紫外傳感器自己配置一個高壓驅(qū)動電路,以脈沖信號的形式輸出,當(dāng)傳感器檢測到紫外線時,便輸出一系列的脈沖信號。紅外傳感器由 PZT材料做成,具有較大的熱釋電系數(shù)和高阻抗,光譜范圍較寬。它輸出的是毫伏級的微弱交流電壓信號。只有當(dāng)兩個探頭均檢測到火焰時,才會輸出一個報警信號。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,再由多級放大電路轉(zhuǎn)換成 0～5 V的電壓信號,最大不可調(diào)誤差為 ±1 LSB。采樣由 8位逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換芯片,時鐘頻率范圍:10～1 280 kHz,當(dāng)時鐘頻率在500 kHz時,它的轉(zhuǎn)換時間是 128μs以內(nèi),功耗為15 mW,足以勝任對速度的要求,不進(jìn)行零點和滿度調(diào)整。A/D轉(zhuǎn)換芯片的 8路模擬開關(guān)的地址由ADDA/B/C確定。此處,只用到兩路輸入通道,分時輪流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換,并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給智能微處理器,智能微處理器對兩路信號進(jìn)行濾波及量程轉(zhuǎn)換,便可以直觀的判斷出氣化爐內(nèi)火焰燃燒的情況。

2 火焰檢測器安裝與工作方式

兩只火焰檢測器、一只點火槍和高溫?zé)崤季鶆蚍植荚跓熳?以相同角度均布插入燒嘴座,點火槍在燒嘴座內(nèi)的部分直徑為Φ=20 mm,深入爐內(nèi)部分為Φ=10 mm,深度為 557 mm,前端變細(xì)后可減少頭部高溫?zé)Y(jié)物的體積。火焰檢測器深入燒嘴座內(nèi)部的氮氣通道端部與燒嘴座平齊。燒嘴座設(shè)冷卻水管,冷環(huán)境保護(hù)深入其內(nèi)各部件。在控制室監(jiān)控畫面設(shè)置信號指示燈,可以顯示兩種信號紅色或者綠色,火焰檢測器檢測到火焰信號時顯示綠色,檢測不到時顯示紅色。火焰檢測器相當(dāng)于一只“眼睛”,只能看到視線范圍內(nèi)的火焰,點火器端部就是火焰檢測器的視線中心,理論上從點火器開始放電火焰檢測器就能檢測到信號?；鹧鏅z測器信號隨著安全邏輯系統(tǒng)的運(yùn)行投入或退出,信號投入聯(lián)鎖后如果檢測不到火焰信號,延時 3 s系統(tǒng)跳車。點火成功后通過提高氧氣量和燃料氣量系統(tǒng)升溫升壓,0.2 MPa時煤粉投料,投料成功后氣化爐內(nèi)溫度壓力升高很快,當(dāng)爐溫達(dá)到 1 000℃以上時火焰檢測器聯(lián)鎖信號退出安全邏輯系統(tǒng),關(guān)閉火焰檢測器檢修截止閥。

火焰檢測器在氣化爐上安裝后如圖2所示?；饳z是火焰檢測器的核心單元,檢測原件和信號轉(zhuǎn)換元件都安裝在里面。通過耐壓玻璃從通道觀察氣化爐內(nèi)火焰燃燒情況,玻璃下面設(shè)隔熱節(jié),使用水冷夾套,進(jìn)出水管為Φ =15 mm,冷卻水壓力為 0.4MPa,內(nèi)部有折流板,用于防止熱傳導(dǎo)及磁場對產(chǎn)品的電磁干擾。截止閥 (后改為球閥)可以隔開兩路吹掃氮氣,在微正壓及正壓工況下起到平衡壓力防護(hù)功能,工藝配風(fēng)形成螺旋逆向吹掃風(fēng),起到冷卻清潔鏡片及光學(xué)通路作用。吹掃氣和隔熱節(jié)對視鏡玻璃均起到保護(hù)作用,火焰檢測器在惡劣的環(huán)境中也能正常工作。

圖1 火焰檢測器安裝位置示意圖

圖2 火焰檢測器結(jié)構(gòu)

3 遇到的主要問題與解決方法

火焰檢測器在使用過程中存在誤報現(xiàn)象,觀測通道長,觀測范圍較窄,當(dāng)爐內(nèi)火焰“發(fā)飄”時經(jīng)常檢測不到信號,嚴(yán)重影響點火系統(tǒng)運(yùn)行,所以先后進(jìn)行了兩次大的改造。

3.1 第一次改造

2007年裝置建成并進(jìn)行煤種試燒,掌握了氣化爐點火、投料、掛渣、水系統(tǒng)運(yùn)行特性等主要技術(shù),同時也遇到了技術(shù)難題,主要表現(xiàn)為點火成功率低。點火槍與火焰穩(wěn)定性調(diào)試成功后,15次煤粉投料試驗共點火 46次,成功 22次,點火成功率 47.8%。因火焰檢測器檢測不到火焰信號或信號顯示延后造成點火失敗 20次,占點火失敗率的 83.3%。解決點火器與火焰檢測器信號配合問題,會大大提高點火成功率。

從工藝和火焰檢測器方面進(jìn)行了改進(jìn),縮短了火焰檢測器觀測管路,降低了管道及附件對火檢檢測的影響,增加火檢的穩(wěn)定性。

工藝整改:①為防止開車后火檢對點火電弧的誤報,點火器放電時間由 11 s延長至 17 s;②點火氧氣和合成氣量增加 50%。③截止閥改為球閥,硬密封,防火結(jié)構(gòu),耐溫 500℃。

整改前火焰檢測器狀況:①氣化爐頂部火焰檢測器為 A、B兩只且與爐子軸線成 10°夾角;②火檢觀測管道長約 1 205 mm,管道通徑為 25 mm;③每條火檢管路上均裝有兩支DN25的球閥以備極端情況下爐內(nèi)氣體竄出時關(guān)閉該管道;④截止閥組兩端分別配有中壓吹掃氮氣管線。正常開車情況下約有30 Nm3/h通過四路吹掃氮氣管線經(jīng)火檢管路進(jìn)入氣化爐。

整改后火焰檢測器狀況:①由氮氣母管分別引出四路Φ14 mm×2.5 mm的不銹鋼管,分別接在兩火檢的四路氮氣入口處;②每條管道上安裝兩道針型閥,用以控制流量,使氮氣分配均勻;③每路火檢管路上的球閥由 2支改為 1支?；饳z管路長度縮減至 1 030 mm,減小了管路形變,增加火檢管路的穩(wěn)定性。

3.2 第二次整改

2008年第二個煤種試燒經(jīng)歷 13次點火,成功 8次,成功率 61.5%,其余 5次均因為火檢信號不穩(wěn)定手動停車或跳車。相比 2007年的點火情況,成功率有明顯提高,但影響點火成功的因素還要進(jìn)一步探索。

點火成功率提高的原因:①前期對火焰檢測器進(jìn)行了改造。②點火之前清洗火檢視鏡、清理火檢通道,清理完后基本能一次點著,效果明顯。③點火之前調(diào)試點火槍,確保放電正常。

此次主要改造內(nèi)容:①為了更好的檢測到火焰,防止煤粉彌散遮擋火焰,影響火檢信號的大小,適當(dāng)增加了進(jìn)入火檢通道的氮氣量,達(dá)到 40 Nm3/h。②使進(jìn)入兩個火檢通道的氮氣量分配的比較均勻,防止了檢測口結(jié)焦、透鏡前結(jié)焦、鏡頭有霧等影響檢測火焰的因素。③重新調(diào)整了瞄準(zhǔn)管位置,使火焰檢測器探頭的視線與燒嘴火焰的角度大一些。

4 改造效果

兩次改造后又進(jìn)行了兩個煤種的試燒,火焰檢測器的穩(wěn)定性有很大提高。累計點火 16次,成功12次,失敗 4次,兩次因為燃料氣流量故障導(dǎo)致,一次由于兩只火焰檢測器從點火器開始放電一直都未檢測到信號手動停車,分析認(rèn)為是點火槍故障,沒有正常放電。一次由于從點火器開始放電火焰檢測器就檢測到信號,但兩個信號都不穩(wěn)定,交替閃爍,兩只火檢同時檢測不到信號后延時 3 s系統(tǒng)跳車。點火成功率達(dá)到 75%,實際點火成功但火檢檢測不到的情況只有一次,可以看出改造后效果明顯,基本消除了火焰檢測器誤報情況。

投料時爐內(nèi)火焰范圍大,火焰檢測器實現(xiàn)范圍內(nèi)火焰穩(wěn)定沒有發(fā)“飄”現(xiàn)象,表現(xiàn)穩(wěn)定,四年來沒有出現(xiàn)過投料失敗的現(xiàn)象,成功率達(dá)到 100%。詳見表1。

表1 改造效果對照表

5 小結(jié)

四年來在中試氣化爐上進(jìn)行了五個煤種的試燒,火焰檢測器經(jīng)過兩次改造后穩(wěn)定性大大提高,因為誤報引起的點火失敗率也大幅降低,節(jié)省了開車時間和費用,驗證了這套點火方式和檢測方式是安全、合理、可靠的,可以在今后的工業(yè)裝置上進(jìn)行推廣,為中試裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要依據(jù),為以后的工業(yè)放大提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。