等離子點(diǎn)火技術(shù)在660MW褐煤鍋爐中的應(yīng)用

李亞杰

【摘要】本文介紹了等離子點(diǎn)火技術(shù)的工作原理及等離子點(diǎn)火裝置的結(jié)構(gòu)，論述等離子點(diǎn)火技術(shù)在660MW燃燒低發(fā)熱量褐煤鍋爐應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)實(shí)踐證明，等離子點(diǎn)火技術(shù)，屬于高科技綜合性項(xiàng)目，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益上符合節(jié)能和環(huán)保社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，值得大力推廣。

【關(guān)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(diǎn)火的傳統(tǒng)工藝，都是采用輕油或重油點(diǎn)火工藝。油點(diǎn)火是一項(xiàng)成熟、穩(wěn)定的點(diǎn)火方式。但是也存在明顯的缺陷：第一，電廠(chǎng)需要建設(shè)儲(chǔ)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(shí)投入，需要油泵長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，增加電耗。增加電廠(chǎng)危險(xiǎn)源。第二，油點(diǎn)火時(shí)，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(wú)法投入。鍋爐啟?；虻拓?fù)荷投油穩(wěn)燃時(shí)，鍋爐煙塵排放無(wú)法達(dá)標(biāo)，尤其是無(wú)法滿(mǎn)足超低排放煙塵10mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)油滴也會(huì)被煙氣攜帶進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，造成脫硫效率嚴(yán)重下降，增大二氧化硫的排放。第三，燃油價(jià)格遠(yuǎn)高于燃煤，投油助燃的成本較高，降低電廠(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了解決無(wú)油點(diǎn)火的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)目前有兩種較主流的解決方案，一種是等離子點(diǎn)火，一種是小油量霧化點(diǎn)火。本文重點(diǎn)介紹等離子點(diǎn)火系統(tǒng)在配套660MW機(jī)組的哈鍋2280t/h超臨界褐煤鍋爐上的應(yīng)用。

1、等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的簡(jiǎn)單介紹

由陰極、陽(yáng)極前腔進(jìn)氣環(huán)，后腔進(jìn)氣環(huán)等組成。其中陰極材料采用高導(dǎo)電率的金屬材料制成。陽(yáng)極由高導(dǎo)電率、高導(dǎo)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(shè)定好輸出電流，啟動(dòng)后，高頻引弧器工作，將陰極和陽(yáng)極之間的間隙擊穿，由于有空載電壓，電弧就建立起來(lái)了，形成等離子體，等離子體的能量密度高達(dá)105-106W/cm2。

等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來(lái)點(diǎn)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(jìn)入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點(diǎn)燃，并將火焰在燃燒器內(nèi)逐級(jí)放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無(wú)火焰狀態(tài)下直接點(diǎn)燃煤粉，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐的無(wú)油啟動(dòng)和無(wú)油低負(fù)荷穩(wěn)燃。在鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃期間，該燃燒器具有等離子點(diǎn)火和穩(wěn)燃功能。

2、燃燒褐煤鍋爐采用等離子點(diǎn)火技術(shù)的分析

2.1 國(guó)投哈密電廠(chǎng)鍋爐設(shè)備及燃煤主要技術(shù)規(guī)范

2.1.1 鍋爐型式。鍋爐型號(hào)：HG-2280/25.4-HM15，一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、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(gè)角上，每層4只燃燒器對(duì)應(yīng)一臺(tái)磨煤機(jī)。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒降低NOX排放。

2.1.2 鍋爐燃煤。設(shè)計(jì)煤種和校核煤種：

2.1.3 制粉系統(tǒng)型式。中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配6臺(tái)ZGM123中速磨煤機(jī)。A、B兩臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)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(jī)組試運(yùn)過(guò)程中等離子燃燒器點(diǎn)燃配套煤礦褐煤，進(jìn)行了必要的點(diǎn)火試驗(yàn)。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(kāi)采出露頭煤，為確保等離子能夠成功燃用露頭煤進(jìn)行點(diǎn)火吹管，將8噸原煤運(yùn)至徐州燃控進(jìn)行等離子點(diǎn)火試驗(yàn)。露頭煤全分析及點(diǎn)火試驗(yàn)情況如表2：

已經(jīng)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)備介紹：煤粉通過(guò)給粉機(jī)進(jìn)入熱一次風(fēng)管，通過(guò)給粉機(jī)轉(zhuǎn)速估算給煤量。我廠(chǎng)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(fēng)機(jī)+兩臺(tái)水膜除塵器配置。無(wú)二次風(fēng)噴口。

2.2.1 第一次試驗(yàn)：一次風(fēng)油燃燒器未投入、未進(jìn)行加熱，風(fēng)溫約25℃。

試驗(yàn)情況：等離子拉弧電流225A，調(diào)整燃燒室壓力-200Pa，一次風(fēng)速23m/s（給粉后風(fēng)速20-21m/s），給粉量6t/h（根據(jù)我廠(chǎng)磨煤機(jī)最小出力24.4t/h計(jì)算單個(gè)噴口出力為6t/h）；由于煤粉未經(jīng)過(guò)充分干燥，給粉機(jī)處有結(jié)塊、下粉不均情況，給粉量6t/h不準(zhǔn)確；給粉后約30s煤粉開(kāi)始被點(diǎn)燃，由于給粉機(jī)下粉不均，著火不穩(wěn)定，伴隨爐膛壓力在100—-400Pa大幅波動(dòng)；試驗(yàn)期間，一次風(fēng)速最低低至11m/s。（經(jīng)判斷為風(fēng)管堵粉造成，停止給粉后，很快風(fēng)速恢復(fù)至23m/s左右）。

試驗(yàn)存在問(wèn)題分析：煤粉點(diǎn)燃后，燃燒火炬較長(zhǎng)，燃燒室內(nèi)幾乎充滿(mǎn)火焰， 看不清噴口附近是否有明顯集中的火焰。此時(shí)爐膛壓力波動(dòng)減小，約0—-300Pa間波動(dòng)；給粉機(jī)下粉不均，煤粉外水含量較大，一次風(fēng)溫較低（室外溫度約25℃），著火熱較我公司運(yùn)行工況增加，相對(duì)不易點(diǎn)燃；揮發(fā)分高，但發(fā)熱量較低。煤粉點(diǎn)燃后放熱小，著火煤粉對(duì)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(duì)滯后，形成長(zhǎng)火焰燃燒；由于缺少高速二次風(fēng)引流，一次風(fēng)速不高，剛性較弱，擴(kuò)散性較強(qiáng)，火焰燃燒后期幾乎充滿(mǎn)燃燒室。

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

試驗(yàn)情況：第一次試驗(yàn)，一次風(fēng)速23m/s，給粉機(jī)轉(zhuǎn)速30%，后提高至50%，給粉量約3-5t/h；一次風(fēng)溫提高后，著火明顯好于20日，火焰燃燒相對(duì)集中，火焰長(zhǎng)度約8m，至9m左右觀(guān)察孔，已無(wú)火焰；給粉機(jī)啟動(dòng)并增加轉(zhuǎn)速后，建立火焰時(shí)間約為20s左右，火焰有明顯波動(dòng)，考慮到煤粉潮濕結(jié)塊后導(dǎo)致的給粉機(jī)的下粉不均，此現(xiàn)象基本正常。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)論：現(xiàn)場(chǎng)使用等離子點(diǎn)火時(shí)，由于一次風(fēng)溫度高，干燥煤粉后，一次風(fēng)溫度基本能夠達(dá)到60℃左右，本次試驗(yàn)一次風(fēng)溫度基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(nèi)空氣較混濁，有可能火檢無(wú)法有效建立或火檢不穩(wěn)定。有可能會(huì)由于瞬時(shí)失去火檢造成磨煤機(jī)跳閘，需要調(diào)整火檢靈敏度或采取強(qiáng)制火檢信號(hào)，并且結(jié)合等離子火焰電視作為觀(guān)察手段的特殊措施。爐內(nèi)溫度提高后，燃燼率增加，火檢信號(hào)會(huì)穩(wěn)定正常；考慮到設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量、揮發(fā)分均優(yōu)于試驗(yàn)煤種，實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行情況應(yīng)由于本次試驗(yàn)。

2.3 等離子燃燒器在鍋爐點(diǎn)火吹管、鍋爐168試運(yùn)及后續(xù)商業(yè)運(yùn)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(duì)吹管用煤進(jìn)行了摻配，更接近于設(shè)計(jì)煤種。

吹管期間等離子燃燒穩(wěn)定，磨煤機(jī)工作正常，磨煤機(jī)給煤量基本穩(wěn)定在35-40噸/小時(shí)，磨煤機(jī)風(fēng)量90-100噸/小時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度控制在65℃左右，爐內(nèi)火焰基本穩(wěn)定，燃燒正常。

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

3、等離子點(diǎn)火系統(tǒng)存在的問(wèn)題

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

3.1 等離子點(diǎn)火技術(shù)使用時(shí)需要臨機(jī)輔汽或啟動(dòng)鍋爐輔汽加熱等離子暖風(fēng)器，將磨煤機(jī)入口風(fēng)溫加熱至150-200℃。無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)獨(dú)立點(diǎn)火。

3.2 中速磨煤機(jī)搭配等離子點(diǎn)火技術(shù)時(shí)，收到磨煤機(jī)最小煤量和煤粉濃度的制約，冷爐點(diǎn)火時(shí)初始熱量大，不利于鍋爐緩慢均勻的受熱，容易導(dǎo)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(jī)組運(yùn)行安全性。

3.3 等離子陰陽(yáng)極頭壽命較短，已發(fā)生斷弧等故障。雖然可以通過(guò)關(guān)閉中速磨煤機(jī)出口風(fēng)管關(guān)斷門(mén)來(lái)停止斷弧等離子的供粉，確保鍋爐運(yùn)行安全。但所造成的爐內(nèi)缺角燃燒，溫度場(chǎng)不均勻也會(huì)導(dǎo)致鍋爐本體膨脹不均，爐管受到局部應(yīng)力作用發(fā)生裂紋、泄露等情況。

4、效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益。鍋爐點(diǎn)火吹管期間，全部使用等離子點(diǎn)火，節(jié)省了燃油費(fèi)用。

吹管期間大量節(jié)省費(fèi)用：兩臺(tái)鍋爐吹管期間鍋爐共運(yùn)行104小時(shí)，全部采用等離子助燃，供消耗燃煤6000噸（包括啟動(dòng)鍋爐），更換等離子陰極頭16個(gè)，按照原煤165元/噸、等離子陰極頭2000元/個(gè)計(jì)算，總費(fèi)用為2000×16+6000×165=102.2萬(wàn)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(jì)算，總費(fèi)用為436.8萬(wàn)元。節(jié)省費(fèi)用約325萬(wàn)元。機(jī)組投運(yùn)后，正常啟停采用等離子點(diǎn)火，每年還可以節(jié)省大量的燃油費(fèi)用，降低發(fā)電成本。

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

5、結(jié)論

哈密電廠(chǎng)660MW機(jī)組在試運(yùn)階段和后續(xù)等級(jí)檢修后啟動(dòng)中，要經(jīng)過(guò)鍋爐升溫升壓，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、洗硅運(yùn)行等多個(gè)需要助燃的階段。采用等離子點(diǎn)火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐無(wú)油啟動(dòng)、無(wú)油停爐和無(wú)油低負(fù)荷穩(wěn)燃，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保明顯，在燃用褐煤的鍋爐機(jī)組中，有較好的推廣意義。