氫氧火焰點煤粉燃燒技術研究

鞠胤紅，劉海濱，張照彥

(1.黑龍江電力科學研究院，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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氫氧火焰點煤粉燃燒技術研究

鞠胤紅1，劉海濱2，張照彥2

(1.黑龍江電力科學研究院，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火燃料源，并運用氫氧火焰點煤粉，是一種技術突破。氫氧火焰溫度高，最高能達2 800 ℃，適用的煤種多，使用壽命長。通過分析氫氧火焰點煤粉技術工作原理，進行煤粉燃燒試驗研究，具有重要的推廣價值。

氫氧火焰；點煤粉；燃燒技術

1 氫氧火焰點煤粉技術研究背景

燃煤鍋爐主要的點火方式是微油點火和等離子點火，這兩種方式都有一定弊端。微油點火對鍋爐的除塵系統有一定的影響，在點火過程中，為防止電極粘污，除塵系統是不工作的，但這樣就起不到除塵、收塵的作用，會對大氣造成污染。等離子點火是一種無油點火方式，點火過程中可投入收塵系統，減少空氣污染，但是由于該技術陰陽極壽命短，一般在30 h左右，電極更換對鍋爐正常啟動會造成影響。因此，尋求一種對煤種適應范圍廣、使用壽命長、無污染的鍋爐點火技術成為研究熱點。根據氫氧氣的燃燒特性，氫氧火焰點煤粉這種方式能夠滿足以上要求。

2 氫氧火焰點煤粉技術工作原理

2.1 氫氧燃燒原理

氫氧火焰需要的氣源利用氫氧機產生氫氧混合氣，經專用的氫氧火焰槍點火，形成氫氧火焰。這種通過氫氧機產生的氫氧氣是按2∶1的最佳燃燒比例設置，直接點火就形成氫氧火焰，火焰中心溫度高達2 800 ℃。火焰集中剛性強，沒有熱輻射影響，氫氧火焰是一種無碳火焰，燃燒只會生產潔凈的水汽。

2.2 氫氧火焰點煤粉燃燒原理

氫氧火焰點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，與進入一次煤粉燃燒室的濃相煤粉混合，煤粉通過氫氧火焰燃燒的高溫火核時，溫度急劇升高、破裂粉碎，釋放出大量的揮發分，并迅速著火燃燒。已著火燃燒的濃相煤粉在二次燃燒室內與稀相煤粉混合并點燃稀相煤粉，實現煤粉分級燃燒。

3 系統設計

3.1 氫氧發生系統

3.1.1 氫氧發生原理

水作為原料制氫過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在75%～85%，其工藝過程簡單，無污染。電解質一般采用強堿性電解液，每立方米氫氣電耗為4.5～5.5 kW·h。電解水制氫的過程是把浸沒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 氫氧發生器設計

氫氧發生器是采用電解水技術，通電從水中提取氫氧氣體的能源設備。氫氧機系統包含控制系統、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。電解槽組由兩個完全相同的電解槽和一個散熱器構成，電解槽采用方筒插片式結構。電解槽外殼是方筒形式，安全可靠。內部電極采用插片式，電極制作簡單，可降低材料成本。電極側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 氫氧發生器結構

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關電源、主控板、可控硅觸發板、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、溫度數顯儀、壓力傳感器、中間繼電器、液位繼電器及液位電極、風機、風機接觸器、風機過載繼電器、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柜體。電源柜控制系統設計了電解過程中的各種保護，當電解槽運行過程中出現故障后立即停機。停機后通過旁路閥將氫氧混合氣排空。第三，氫氧燃燒系統。氫氧燃燒系統主要包含氫氧燃燒槍、固體阻火器、點火器。氫氧燃燒槍通過高能點火器點火，具備自動控制的能力。

3.2 煤粉燃燒系統

3.2.1 點火系統

由氫氧火焰燃燒槍、高能點火器、壓縮空氣、高壓風等組成。壓縮空氣是為點火完成后吹滅氫氧火焰，高壓風是為氫氧火焰燃燒槍做冷卻。氫氧混合氣體必須達到一定流速后點火才能成功，否則會出現回火現象。為了設備安全，氫氧機設計了配套的防回火裝置，采用多級防回火措施，有固體阻火器、多級水封式阻火器、防爆閥等安全裝置。

3.2.2 煤粉燃燒器

煤粉燃燒器是由點火煤粉燃燒器、煤粉濃縮器、周界風冷卻系統和送粉系統等組成。煤粉燃燒器結構見圖1。

圖1 煤粉燃燒器結構Fig.1 Pulverized coal burner structure

3.2.3 控制系統

控制系統由就地點火控制箱、火檢保護和運行參數監測等組成，對點火系統進行控制與保護，保證氫氧及煤粉燃燒安全、穩定、可靠運行。

4 煤粉燃燒試驗研究

模擬鍋爐燃燒系統建立試驗臺，見圖2。

圖2 試驗臺系統Fig.2 Test bed system

試驗采用煤質為煙煤：揮發分26%、水分9%、灰分15%、發熱量20 mJ/kg。

在氫氧火焰點煤粉試驗臺上進行多次試驗，試驗表明氫氧火焰點煤粉是可行的，試驗時一次風速22 m/s、給粉量4～6 t/h左右、氫氧發生器功率150 kW，觀測窺視孔內的煤粉燃燒火焰，煤粉燃燒后火焰明亮、剛性強，煤粉火炬長5～6 m，火焰根部溫度1 400 ℃，煤粉燃盡率60%左右。根據試驗情況分析，氫氧氣點煙煤煤粉是成功的，可以應用于電站鍋爐啟動及低負荷穩燃。

氫氧發生器功率100～500 kW可調，煤質變差時或點火初期時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。氫氧發生器電極使用壽命長，所以對鍋爐頻繁啟停及低負荷穩燃過程幾乎無影響。氫氧點火全程不投油，可以投入電袋除塵系統，滿足環保要求。

5 結語

利用水通過電解產生氫氧氣，氫氧燃燒在受控的條件下，可以產生穩定的火焰作為煤粉點火熱源，通過在試驗臺上進行煤粉燃燒特性研究，該技術具有對煤種變化適應性強、煤粉燃燒效率高、運行操作簡單、對鍋爐啟動影響小等特點，在鍋爐啟動初期也完全可以投入電袋除塵系統，減少有害氣體排放，是繼等離子點火、微油點火技術后又一具有突破性的替代技術，具有重要的推廣價值。

[1] 倪萌.電解水制氫技術進展[J].能源環境保護，2004，18(5)：5-9.

[2] 孫孝仁.21世紀制氫技術[J].科技情報開發與經濟，1995，5(4)：17-18.

[3] 孫峰，姚毅.我國電站燃煤鍋爐節油點火技術分析與現狀[J].節能，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，學士，高級工程師。

TK16

A

1674-8646(2017)08-0030-02