氫氧火焰點(diǎn)煤粉燃燒技術(shù)研究

鞠胤紅，劉海濱，張照彥

(1.黑龍江電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030； 2.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 071003)

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氫氧火焰點(diǎn)煤粉燃燒技術(shù)研究

鞠胤紅1，劉海濱2，張照彥2

(1.黑龍江電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030； 2.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 071003)

將氫氧氣作為燃煤鍋爐點(diǎn)火燃料源，并運(yùn)用氫氧火焰點(diǎn)煤粉，是一種技術(shù)突破。氫氧火焰溫度高，最高能達(dá)2 800 ℃，適用的煤種多，使用壽命長(zhǎng)。通過(guò)分析氫氧火焰點(diǎn)煤粉技術(shù)工作原理，進(jìn)行煤粉燃燒試驗(yàn)研究，具有重要的推廣價(jià)值。

氫氧火焰；點(diǎn)煤粉；燃燒技術(shù)

1 氫氧火焰點(diǎn)煤粉技術(shù)研究背景

燃煤鍋爐主要的點(diǎn)火方式是微油點(diǎn)火和等離子點(diǎn)火，這兩種方式都有一定弊端。微油點(diǎn)火對(duì)鍋爐的除塵系統(tǒng)有一定的影響，在點(diǎn)火過(guò)程中，為防止電極粘污，除塵系統(tǒng)是不工作的，但這樣就起不到除塵、收塵的作用，會(huì)對(duì)大氣造成污染。等離子點(diǎn)火是一種無(wú)油點(diǎn)火方式，點(diǎn)火過(guò)程中可投入收塵系統(tǒng)，減少空氣污染，但是由于該技術(shù)陰陽(yáng)極壽命短，一般在30 h左右，電極更換對(duì)鍋爐正常啟動(dòng)會(huì)造成影響。因此，尋求一種對(duì)煤種適應(yīng)范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染的鍋爐點(diǎn)火技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)氫氧氣的燃燒特性，氫氧火焰點(diǎn)煤粉這種方式能夠滿(mǎn)足以上要求。

2 氫氧火焰點(diǎn)煤粉技術(shù)工作原理

2.1 氫氧燃燒原理

氫氧火焰需要的氣源利用氫氧機(jī)產(chǎn)生氫氧混合氣，經(jīng)專(zhuān)用的氫氧火焰槍點(diǎn)火，形成氫氧火焰。這種通過(guò)氫氧機(jī)產(chǎn)生的氫氧氣是按2∶1的最佳燃燒比例設(shè)置，直接點(diǎn)火就形成氫氧火焰，火焰中心溫度高達(dá)2 800 ℃?；鹧婕袆傂詮?qiáng)，沒(méi)有熱輻射影響，氫氧火焰是一種無(wú)碳火焰，燃燒只會(huì)生產(chǎn)潔凈的水汽。

2.2 氫氧火焰點(diǎn)煤粉燃燒原理

氫氧火焰點(diǎn)煤粉燃燒器的工作原理是：將氫氧火焰引入一次煤粉燃燒室內(nèi)，與進(jìn)入一次煤粉燃燒室的濃相煤粉混合，煤粉通過(guò)氫氧火焰燃燒的高溫火核時(shí)，溫度急劇升高、破裂粉碎，釋放出大量的揮發(fā)分，并迅速著火燃燒。已著火燃燒的濃相煤粉在二次燃燒室內(nèi)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉，實(shí)現(xiàn)煤粉分級(jí)燃燒。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 氫氧發(fā)生系統(tǒng)

3.1.1 氫氧發(fā)生原理

水作為原料制氫過(guò)程是氫與氧燃燒生成水的逆過(guò)程，提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在75%～85%，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)污染。電解質(zhì)一般采用強(qiáng)堿性電解液，每立方米氫氣電耗為4.5～5.5 kW·h。電解水制氫的過(guò)程是把浸沒(méi)在電解液中的一組電極通一定電壓的直流電，水就分解成氫氣和氧氣。

3.1.2 氫氧發(fā)生器設(shè)計(jì)

氫氧發(fā)生器是采用電解水技術(shù)，通電從水中提取氫氧氣體的能源設(shè)備。氫氧機(jī)系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)、電解電源、電解槽組、散熱單元、氣體冷凝干燥裝置、防回火安全裝置。電解槽組由兩個(gè)完全相同的電解槽和一個(gè)散熱器構(gòu)成，電解槽采用方筒插片式結(jié)構(gòu)。電解槽外殼是方筒形式，安全可靠。內(nèi)部電極采用插片式，電極制作簡(jiǎn)單，可降低材料成本。電極側(cè)面和電解槽外殼間做絕緣處理，保證較高的電解效率。

3.1.3 氫氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)

第一，水氣回路。水氣回路主要包含電解槽、散熱器、冷凝器、氣水分離罐、外置水封、電磁加液泵、連接管路及閥門(mén)等。第二，電源柜。電源柜分為主回路和二次回路。主回路主要包含塑殼斷路器、熔斷器、接觸器、變壓器、整流器、阻容吸收、電抗器。二次回路主要包含開(kāi)關(guān)電源、主控板、可控硅觸發(fā)板、同步變壓器、顯示屏、直流電流傳感器、直流電壓傳感器、溫度傳感器、溫度數(shù)顯儀、壓力傳感器、中間繼電器、液位繼電器及液位電極、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)接觸器、風(fēng)機(jī)過(guò)載繼電器、指示燈、按鈕、旋鈕。電源柜主要為電解槽提供可靠的電解電源，電源柜與電解柜是分離的單獨(dú)柜體。電源柜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電解過(guò)程中的各種保護(hù)，當(dāng)電解槽運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障后立即停機(jī)。停機(jī)后通過(guò)旁路閥將氫氧混合氣排空。第三，氫氧燃燒系統(tǒng)。氫氧燃燒系統(tǒng)主要包含氫氧燃燒槍、固體阻火器、點(diǎn)火器。氫氧燃燒槍通過(guò)高能點(diǎn)火器點(diǎn)火，具備自動(dòng)控制的能力。

3.2 煤粉燃燒系統(tǒng)

3.2.1 點(diǎn)火系統(tǒng)

由氫氧火焰燃燒槍、高能點(diǎn)火器、壓縮空氣、高壓風(fēng)等組成。壓縮空氣是為點(diǎn)火完成后吹滅氫氧火焰，高壓風(fēng)是為氫氧火焰燃燒槍做冷卻。氫氧混合氣體必須達(dá)到一定流速后點(diǎn)火才能成功，否則會(huì)出現(xiàn)回火現(xiàn)象。為了設(shè)備安全，氫氧機(jī)設(shè)計(jì)了配套的防回火裝置，采用多級(jí)防回火措施，有固體阻火器、多級(jí)水封式阻火器、防爆閥等安全裝置。

3.2.2 煤粉燃燒器

煤粉燃燒器是由點(diǎn)火煤粉燃燒器、煤粉濃縮器、周界風(fēng)冷卻系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)等組成。煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)Fig.1 Pulverized coal burner structure

3.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由就地點(diǎn)火控制箱、火檢保護(hù)和運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)等組成，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行控制與保護(hù)，保證氫氧及煤粉燃燒安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

4 煤粉燃燒試驗(yàn)研究

模擬鍋爐燃燒系統(tǒng)建立試驗(yàn)臺(tái)，見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)Fig.2 Test bed system

試驗(yàn)采用煤質(zhì)為煙煤：揮發(fā)分26%、水分9%、灰分15%、發(fā)熱量20 mJ/kg。

在氫氧火焰點(diǎn)煤粉試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)表明氫氧火焰點(diǎn)煤粉是可行的，試驗(yàn)時(shí)一次風(fēng)速22 m/s、給粉量4～6 t/h左右、氫氧發(fā)生器功率150 kW，觀(guān)測(cè)窺視孔內(nèi)的煤粉燃燒火焰，煤粉燃燒后火焰明亮、剛性強(qiáng)，煤粉火炬長(zhǎng)5～6 m，火焰根部溫度1 400 ℃，煤粉燃盡率60%左右。根據(jù)試驗(yàn)情況分析，氫氧氣點(diǎn)煙煤煤粉是成功的，可以應(yīng)用于電站鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷穩(wěn)燃。

氫氧發(fā)生器功率100～500 kW可調(diào)，煤質(zhì)變差時(shí)或點(diǎn)火初期時(shí)可以增加氫氧火焰的能量，提高煤粉燃盡率，保證鍋爐燃燒安全。氫氧發(fā)生器電極使用壽命長(zhǎng)，所以對(duì)鍋爐頻繁啟停及低負(fù)荷穩(wěn)燃過(guò)程幾乎無(wú)影響。氫氧點(diǎn)火全程不投油，可以投入電袋除塵系統(tǒng)，滿(mǎn)足環(huán)保要求。

5 結(jié)語(yǔ)

利用水通過(guò)電解產(chǎn)生氫氧氣，氫氧燃燒在受控的條件下，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰作為煤粉點(diǎn)火熱源，通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行煤粉燃燒特性研究，該技術(shù)具有對(duì)煤種變化適應(yīng)性強(qiáng)、煤粉燃燒效率高、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、對(duì)鍋爐啟動(dòng)影響小等特點(diǎn)，在鍋爐啟動(dòng)初期也完全可以投入電袋除塵系統(tǒng)，減少有害氣體排放，是繼等離子點(diǎn)火、微油點(diǎn)火技術(shù)后又一具有突破性的替代技術(shù)，具有重要的推廣價(jià)值。

[1] 倪萌.電解水制氫技術(shù)進(jìn)展[J].能源環(huán)境保護(hù)，2004，18(5)：5-9.

[2] 孫孝仁.21世紀(jì)制氫技術(shù)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，1995，5(4)：17-18.

[3] 孫峰，姚毅.我國(guó)電站燃煤鍋爐節(jié)油點(diǎn)火技術(shù)分析與現(xiàn)狀[J].節(jié)能，2010，(11)：112-113.

Study on pulverized coal combustion technology of hydrogen and oxygen flame

JU Yin-hong1, LIU Hai-bin2, ZHANG Zhao-yan2

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Baoding Huafang Technology Co., Ltd., Baoding 071003, China)

As the coal-fired boiler ignition fuel source, the use of hydrogen and oxygen flame for pulverized coal combustion is a technological breakthrough. The temperature of hydrogen and oxygen flame is high, which can reach to 2 800 ℃, which is applicative for many types of coals and has long service life. By analyzing the working principle of the pulverized coal combustion technology, the research on pulverized coal combustion experiment was made, which has important promotion value.

Hydrogen and oxygen flame; Pulverized coal; Combustion technology

2017-03-12

鞠胤紅(1964-)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師。

TK16

A

1674-8646(2017)08-0030-02