1、1等离子无油点火技术在流化床锅炉运用的前景foreground of Plasma Igniting Technology for Application in CFB Boilers【摘要】本文主要针对等离子点火技术在循环流化床锅炉的实际应用和工艺考虑问题提出一些技术分析，以便对有关情况作更进一步的探讨和研究。Abstract： this paper is included of the technical analysis about the practical application for plasma igniting in CFB boilers and its related p
2、rocess policy. The basic target is lead the experts to its future deeply research and discover.【关键词】CFB 等离子点火 问题 技术应用 结构工艺Key words: CFB plasma igniting problems technical application structure process 0 引言国电电力科环集团所属的*电力技术股份有限公司是国内唯一具有多项成熟自主技术的等离子点火应用技术的专业公司，具有一流的专业人才结构和完善的产、学、研一体化管理模式。在当今能源和经济危机的双重
3、市场推动的前提下，公司非常注意对 CFB 机组的专项技术储备，目前更加大了对等离子点火技术应用方面的研发工作，基于二十多年来对循环流化床锅炉应用技术的全面深入研究，我们的 CFB专家队伍已取得非常丰富的实践经验并形成了很多的独到见解和专项技术，已被 CFB 领域广泛认可。我们在 135MW、300MW 循环流化床点火风道制造和设计项目以及所有类型和容量的 CFB 机组的技术改造、基建调试、运行优化、节能降耗和脱硫工艺改进等诸多项目上取得了相当多的业绩和成功案例，理论上也构成了自有的基础体系。今后一段时间内，我们将在等离子点火技术的 CFB应用方面投入大量的的人力和财力资源，力求从工业示范、实验
4、研究、性能优化和工艺结构优化等内容上获得进一步的进展，做到技术务实求新，工作认真细致。1 CFB 锅炉等离子点火技术应用的关键技术难度浅析目前来看，对于等离子点火技术应用于循环流化床锅炉的工程项目来说，2最影响技术成败的几个方面的关键点如下。1.1 采用燃煤来替代燃油的基本品质要求近年来随着能源危机和经济危机双重压力的影响，国际油价的波动很大，且预计在今后相当长的一段时期内仍然会持续走高，国内柴油价格将不会低于每吨 6000 元的基本底线。这就迫使很多大中型火力发电厂在市场推动的作用下，主动采用无油点火技术以降低启动和低负荷稳燃的燃油消耗。作为纯粹的无油点火技术来讲，国务院和国家发改委的有关文
5、件已明确新建机组和大型节能型机组技改必须无条件地接受无油或微油点火技术，为此，燃煤的基本品质问题就成为主导条件之一被提出来。流化床锅炉燃用劣质煤和其他有足够热值的气、液态废物燃料也是其广泛发展的基本支撑点之一，因而使得 CFB 锅炉等离子无油或微油点火技术应用到实际的工程总需要考虑专门引进一些较优质煤种来实现燃煤对燃油的替代过程。根据目前的成功经验和成熟范例的情况，为保证相当高的成功率，要求达到起码的 CFB 启动燃煤品质如下：干燥无灰基挥发份 Vdaf30% 或空干基挥发分 Vad23% ；收到基低位发热量18MJ/kg；燃煤全水分7%；收到基灰分20%，哈氏可磨系数48。1.2 煤粉制备系
6、统的基本要求制粉系统设计应当充分考虑煤粉的研磨细度和制粉均匀性，要求煤粉细度R9015% ，均匀性指数 n1.0。此外，每套制粉系统的安全连续运行小时数至少可保证 1500 小时以上，能够实现冷风制粉和基本无故障启停要求，控制单元能够实现随锅炉保护状态的联动关系，具有足够的信号联络通道和简易操作的要求。设备运转过程的机械外在噪音应小于 100db。可选用制粉系统的基本形式为钢球磨煤机或中速碾压类磨煤机，系统方面应考虑中间储仓式或可调直吹式制粉系统，尽量采用负压体系以防粉尘污染。1.3 煤粉输送与给粉方式要求基于防爆安全的技术考虑，建议煤粉输送系统尽可能采用高浓度的密相输送系统。一般来讲其控制浓
7、度应为：中间储仓系统的粉仓前煤粉输送管道或锅3炉之间煤粉转移管道按煤粉浓度为 215kg/kg 实现密相输送；直吹系统或粉仓下面一次风管则可按照实际需求，按 0.250.5kg/kg 煤粉浓度以最短的路径送入燃烧器。给粉方式按中间储仓锁气式旋转给料机原理或螺旋式气封给粉机原理实现；而直吹式系统则考虑负压原理的排粉机出力可调机构来实现粉量调节，如果密封状态良好也可采取正压洁净式一次风机原理来调节。煤粉输送要求克服 1020kPa 的空间压力和颗粒群的阻碍作用，这一点上我们已经予以充分的重视，并在实验室内和设计方案上予以实施，同时更对密封方案做了很可靠的改进设计。1.4 床下点火风道对等离子点火燃
8、烧器的要求床下点火风道及其后续风道的断面热负荷和容积热负荷都是严格限制的，一般情况下断面热负荷控制为 30004000kW/m2；而容积热负荷控制为230320kW/m3。这样就要求我们的床下风道点火装置必须在一个受迫的有限空间内燃烧，对应的火焰形状和火炬长度成为关键控制对象。因此，在设计床下点火装置时，必须慎重地对所对应的燃料量进行控制，有时简单地对煤粉量的床下部分根据热量加倍似乎不很合适，必须顾及到火焰充满度与燃烧器出力之间的关系。此外，尽可能使得火焰的绝对长度不超过布风板以下 300mm 以上路径；直径方向的粗细要占据 50%以下通道截面积且不出现火焰偏斜。为此，床下燃烧器的设计中必须考
9、虑火焰整形所需的周界二次风、环向多孔或多孔隙单层或双层的环向气膜二次风。另外，与床上 CFB 煤粉等离子点火燃烧器一样，流化床的煤粉点火燃烧器燃尽率必须超过 80%，否则很难保证床温理想控制和防爆燃机制，而一般的煤粉炉点火燃烧器煤粉燃尽率在一次风喷口为 30%左右即可，剩余的依靠上下各层二次风来分级燃尽。这样就要求围绕 CFB 煤粉燃烧器喷口火焰附近，至少要形成局部的富氧环境。整流二次风同时具备火焰热烟气温度控制作用，将点火风道的出口烟气温度限制在 850以下，并利用气垫原理将火焰与壁面隔离开来。煤粉量的限制必须达到原来油枪出力的一倍重量出力以下。1.5 床上点火等离子燃烧器的要求4流化床锅炉
10、的布风板以上炉膛区域充满 830kg/m3 浓度的复杂流场固体粉尘颗粒，其作用对流化床本身的流态化燃烧过程至关重要，但对点火燃烧器的煤粉火焰或燃油火焰具有消极的影响，如何克服扬尘的火焰阻挡和燃烧弱化效应是实现可靠点火的关键点。为此，区别于床下点火燃烧器的是其外周界二次风的设计必须遵从二级或二级以上的双通道或多通道布风原则，同时要求最外侧的二次风要选择一次风压或一次风压以上的更高压周界风， “护送”一次风和内周界二次风所形成的高燃尽率火焰顺畅地进入炉内空间，实现强烈、稳定、受控和连续的火焰行程，同时满足温控要求。外层周界风的高压“风套管”的内部区域，为火焰形成产生了一个理想的低阻力通道，便于火焰
11、钻入料层物料当中，有效加热床料且对屏式过热器和屏式再热器不构成任何显著不良影响。1.6 煤粉仓的设计与结构取舍选择的要求作为煤粉仓的设计，必须保证立料腿的高差至少达到 1.5 米以上，形成良好气封。与此同时，配套适宜的机械式或气封式锁气装置。还必须考虑启停阶段低粉位状态下的稳定性影响以及清空粉仓所需的吹扫过程，加装必要的粉位计，注意监测料位和粉仓温度。粉仓需要有专门的布袋除尘器，保证环境清洁。对于大多数 CFB 机组来说，不要求过大的体积和庞杂的附属环节，一般情况下人力疏松已满足防堵措施要求。总体来说，240t/h 左右的 CFB 应满足总煤粉仓容量为 1825m3，两个粉仓或集中式的一个粉仓
12、； 450t/h 左右的 CFB 应满足总煤粉仓容量为 3845m3，两个粉仓或集中式的一个粉仓；1025t/h 左右的CFB 应满足总煤粉仓容量为 8595m3，四个粉仓或集中式的两个粉仓。粉仓建议为不锈钢结构，内衬光滑；也可以为混凝土结构加钢制内衬。1.7 对流态化过程的影响以及布风均匀性的设计要求考虑到有可能对流化均匀性的影响，建议床上部分应采取外周界风高达65m/s 以上流速的射流控制基础，几何计算角度以穿越料层物料后。而床下部分则应更强调火焰传播的温度场分布影响，如果布风面积小于 15m2 则尽可能采取侧给风和预燃的单点火燃烧器方案，且注意引导段足够的燃烧份额。1.8 锅炉安全经济运
13、行对点火系统设计的要求5对于锅炉整体来说，等离子点火装置所完成的主要任务在于锅炉的启动和低负荷稳燃，需要我们充分考虑过程因素控制的关键。CFB 等离子点火装置与煤粉炉类似装置有较大的不同，要求我们单独地依靠煤粉火焰就可以确保个物料的较高的燃尽率和稳定运行。其煤粉火焰的行程或者是要穿越高浓度的粉尘环境，或者是在一个较小空间内经整形而产生的火焰燃烧，整个燃烧器类似于某种热烟气发生器的装置，否则很难实现安全的火焰输送过程，这一点与煤粉炉有所不同。为了达到这样的效果，要求我们的 CFB 等离子燃烧器（可简称 CFB-PIB：plasma igniting burner）具有燃烧热负荷较宽范围可控的特点
14、，满足 20%锅炉热负荷以下的安全适应能力。事实上，这一点对燃油燃烧器也有所要求，但两者的燃烧后效应是不同的，需要设计时予以考虑和量化，这一点正是*电力所擅长的，可以在投入设备之前进行各类关联性实验室研究分析工作，不断对样件进行冷模和热态试烧改进工作。设计的燃煤火焰需要与料层温度分布均匀性相适应，热烟气贯穿床料过程中必须不破坏流化，只能促进燃烧而不能恶化炉内动力场分布。2 等离子点火技术应用到流化床锅炉的优势分析2.1 CFB 等离子煤粉燃烧器燃烧过程各自独立、可控区别于燃油点火方式的是，煤粉火焰可以很方便地实现安全的燃烧热的独立机械调整，而燃油燃烧器的出力和火焰相互之间在切换油枪时会产生明显
15、的波动，各个燃烧器不能独立地得到单个稳定控制，油泵的不良工作状态和油压调节波动使整体的油燃烧器都会发生异变，很难保证全过程的稳定控制。煤粉燃烧器各自的独立性很好，只受对应给粉机调节特性和燃烧器自身性能的影响，相互之间基本没有干扰。只要点火成功，完全可以根据自己的配风要求和过程热负荷限制，确定一个准确的给粉量，启动或稳燃过程最需要这一点。2.2 彻底消除了煤、油混烧带来的问题采用煤粉点火方案后，脱硫装置、石灰石系统、静电除尘器和布袋除尘器都不再受到投油过程的禁用限制，可以随时予以投入，确保环保指标的全过程达标，解决了带油启动的除尘不正常问题。6对于煤油混烧阶段的不完全燃烧和结焦趋势加大的情况，各
16、型锅炉都非常敏感，另外还存在着瓦斯气体积存的麻烦。取消或减少掺入燃油比例会使这些困难得以解决，至少可以降低由煤油混烧转为纯煤工况时的温度阶跃的可能性，使床温的控制趋于平缓，易于实现正常 850900床温运行，结焦的可能性大为降低。采用油点火启动方式转换切风时，很容易造成 12/min 以上温升率，产生快速高温结焦，也消除了油雾化不良时在风道或料层内的积存爆燃和局部烧结现象。2.3 启动初始阶段对炉内温度的合理控制从燃烧来讲，要求启动过程中燃烧强度和稳定状态在床料升温的全过程都达到很理想的程度，尤其是在 300以下的低温阶段更应重视。可以实现在锅炉未正式投入燃料以前实现 400750范围内任何一
17、个料层温度的动态恒定过程，便于屏式再热器、屏式过热器和其他工质冷却流量较小时的受热面安全，使得锅炉在很小蒸发量下的受热面不至于因为温度的因素而产生超温爆管、整体变形和膨胀异常。这一点，是比较主要的一个内容，对减缓受热面变形有极大的好处。事实上，作为一个单独可以自我保持稳定燃烧的环节，燃煤火焰更易于形成贯穿料层的长焰区，温度惰性和耐久性更好。料层温度在启动和低负荷下的最高值不应超过 720，否则疲劳失效极限为 680730的高温段优质合金钢实际不能够承受太高的床温，煤点火技术正好克服了这一缺憾。2.4 煤点火技术可以帮助机组实现经济的安全启动过程设计的煤点火基本热负荷为 12%20%，个别的锅炉
18、可以实现 8%的最低煤点火热负荷稳定过程，这就形成了非常有利于汽轮机组的启动条件。在启动时，首先让锅炉以最低的热负荷逐渐升温，达到一个很稳定的最低热负荷，这样就可以在主蒸汽参数达到温度 260340、主蒸汽压力为0.82.0MPa、主蒸汽流量 425t/h 时开始 3MW300MW 的各容量汽轮发电机组的汽轮机冲转、并网，等到机组稳定转速并接带基础负荷时，我们可以按照需求逐步增加带负荷能力，一旦各方面条件成熟，即可逐渐升至启动容量 CFB 煤粉燃烧器的最高负荷，并限制床温在合适的范围，随时具备正常投煤操作的条件，比以往对煤油混烧的担心就彻底消除了，极大提高了平缓的启动过程的掌7控能力。2.5
19、煤粉点火燃烧器能节约大量的燃油由于替代了燃油消耗，使得流化床锅炉也能够实现无油或少油点火启动，这样就大量地减少了启动燃料成本的消耗，带来可观的经济价值。为此，可以很便利地获得启动收益，构成煤粉点火的价值核心。对一台 135MW 的床上点火 CFB 锅炉、27 吨左右的启动耗油来说，其燃油燃料成本约为 165000 元人民币；而改用优质烟煤进行点火的话，约消耗 50 吨左右的煤粉，折合大约 42000元人民币，两者相对比产生每次约 123000 元人民币的收益。针对其他的床下点火的一台 135MW 的床下点火 CFB 锅炉、15 吨左右的启动耗油来说，其燃油燃料成本约为 100000 元人民币；
20、而改用优质烟煤进行点火的话，约消耗 30 吨左右的煤粉，折合大约 24000 元人民币，两者相对比产生每次约 75000 元人民币的收益。2.6 对于掺入煤泥等劣质煤的流化床的稳燃贡献随着煤价的上涨，电厂逐步意识到劣质煤掺烧的重要性。但这些泥煤等劣质煤的混入，使点火投煤的床温要求提高，甚至于后期低负荷下还要进行助燃操作。而煤粉启动燃烧器所提供的煤粉火焰，具有优于燃油火焰的稳定性和扩散能力，覆盖的物料范围较为广泛，易于产生流畅的加热环境。这样对于劣质煤稳燃具有不可比拟的稳燃和启动优势，关键时刻可以充当主燃烧力的一部分，填充劣质煤失稳的缺憾部分。2.7 解决了大型流化床锅炉不易进行压火操作的不足相
21、对于中小锅炉来讲，大型循环流化床锅炉蓄热能力相对不足，不宜进行压火操作和过于迅速的热恢复启动。而 CFB 煤粉启动燃烧器具有类似于热烟气发生器的功能，能够很方便地随时予以启动点火，也不要求过于繁琐的点火状态和正常运行状态的切换，温度和配风的变动性降低到最低程度，实现了故障状态下安全可靠的点火操作，可以快速启动。解决了压火的难题与瓦斯防爆的困难。3CFB 等离子点火技术基本特点的分析与建议3.1 煤粉火炬的局部控制因素考虑鉴于煤粉火焰相对比较发散，聚拢能力略逊色于燃油火焰，这就要求我们8设法通过环形风、气膜风、高压周界风来控制火焰形状和长短关系。热烟气发生器性质的燃烧器本身，就要非常注重容器内容
22、积热负荷的限制，断面热负荷也要适应于特定的燃烧强度和稳燃要求。燃烧器设计是不能简单地根据燃油出力放大一倍来考虑煤粉量，更多地应考虑不同粉量所形成的火焰长度、宽度和整形状态，避免对炉内屏式受热面和点火风道的伤害，也要照顾到火焰的整体覆盖程度。床上燃烧器的火焰，通过高压环形风形成的物料内空间环状风通道，可以安全可靠地送入密相区正常燃烧，并达到相当高的燃尽率。为保持较好的稳燃状态，扩容式的煤粉燃烧器预燃段会采用耐火保护层的概念或气膜风保护的形式，这是一个全新的设计理念，一些高科技手段将加以应用。床下受限空间的燃烧主要针对如何排灰、限制火炬长度、保证射流宽度和绝对保证 80%以上燃尽率几个方面，同时也
23、对原来的点火风道加以适当技改，至少应增加足够数量和风速的高压环形风设计。对于给粉的防回火设计和顺畅落粉的工艺考虑主要依靠专门结构及其气力密封来实现，我们要正视高压背景环境对给粉及火焰输送过程的特殊性要求，没有充分的设计模拟和试烧工作证明，就坚决不能投入工业应用。此外，根据实际需求，还可以在*自己的实验室内模拟粉尘雨幕对火焰的干扰破坏性影响，切实体现火炬模拟的充分性，使我们的技术始终处于绝对的领先和很高的可靠性。3.2 制粉系统设计方案循环流化床锅炉燃用燃料粒径较大，不设有相应的一次风粉系统，因此，不能满足等离子点火燃烧器燃用煤粉的需求。为此需要建设一套制粉、送粉系统。一次风粉系统的设计原则是：
24、1） 、在保证安全的前提下，尽量降低初投资；2） 、尽量利用现有的设备和系统；3） 、能够做到一套制粉系统，多台锅炉使用。一次风粉系统的设计，可以有如下三种方案：方案一：9如电厂同时有煤粉锅炉，而且煤粉锅炉的煤质非常好，符合流化床锅炉等离子点火的要求。那么可以采用如下方案：1、循环流化床锅炉安装 12 个小型粉仓，粉仓下安装给粉机。2、等离子点火燃烧器安装在原床上或床下油枪处，一次风来自原锅炉的一次风机。3、煤粉从煤粉炉的粉仓下面，通过气力输送系统输送到流化床锅炉的粉仓中。该气力输送系统示意图如下：方案二：如电厂没有煤粉炉或煤粉炉的煤质较差，不适合循环流化床锅炉等离子点火的需要，那么需要单独建
25、设一套制粉系统，然后将制成的煤粉通过气力输送系统送到流化床锅炉的就地粉仓中。为降低投资，可以一套制粉系统对应多台锅炉。流化床锅炉的粉仓、给粉机、一次风系统的设计方案同方案一。该制粉系统属于成熟技术，磨煤机可以采用钢球磨或者中速磨，根据锅炉容量的不同，可以选择不同出力的磨煤机，其初投资从十几万元到几十万元不等。*公司热态试验台安装了一套中速磨制粉系统，可供电厂参考。如下图：10方案三：如电厂附近有煤粉炉，而且能够提供满足流化床锅炉等离子点火需要的合格煤粉，那么也可以采用汽车输送煤粉的方案。电厂在点火前将其他地方的煤粉通过煤粉运输车运到电厂，并储存于粉仓中，供等离子点火使用。其他一次风粉系统同方案一。系统如下图所示：1、煤粉运输车 2、等离子点火燃烧器 3、煤粉混合器 4、粉仓 5、给粉机该设计方案的优点是：1、系统设计简单，投资和方案一相比大幅度降低；2、如能够找到可靠的煤粉来源，可以实现锅炉无燃油系统运行；
