氢氧火焰点煤粉燃烧技术研究

鞠胤红，刘海滨，张照彦

(1.黑龙江电力科学研究院，哈尔滨 150030； 2.保定华仿科技股份有限公司，河北 保定 071003)



氢氧火焰点煤粉燃烧技术研究

鞠胤红1，刘海滨2，张照彦2

(1.黑龙江电力科学研究院，哈尔滨 150030； 2.保定华仿科技股份有限公司，河北 保定 071003)

将氢氧气作为燃煤锅炉点火燃料源，并运用氢氧火焰点煤粉，是一种技术突破。氢氧火焰温度高，最高能达2 800 ℃，适用的煤种多，使用寿命长。通过分析氢氧火焰点煤粉技术工作原理，进行煤粉燃烧试验研究，具有重要的推广价值。

氢氧火焰；点煤粉；燃烧技术

1 氢氧火焰点煤粉技术研究背景

燃煤锅炉主要的点火方式是微油点火和等离子点火，这两种方式都有一定弊端。微油点火对锅炉的除尘系统有一定的影响，在点火过程中，为防止电极粘污，除尘系统是不工作的，但这样就起不到除尘、收尘的作用，会对大气造成污染。等离子点火是一种无油点火方式，点火过程中可投入收尘系统，减少空气污染，但是由于该技术阴阳极寿命短，一般在30 h左右，电极更换对锅炉正常启动会造成影响。因此，寻求一种对煤种适应范围广、使用寿命长、无污染的锅炉点火技术成为研究热点。根据氢氧气的燃烧特性，氢氧火焰点煤粉这种方式能够满足以上要求。

2 氢氧火焰点煤粉技术工作原理

2.1 氢氧燃烧原理

氢氧火焰需要的气源利用氢氧机产生氢氧混合气，经专用的氢氧火焰枪点火，形成氢氧火焰。这种通过氢氧机产生的氢氧气是按2∶1的最佳燃烧比例设置，直接点火就形成氢氧火焰，火焰中心温度高达2 800 ℃。火焰集中刚性强，没有热辐射影响，氢氧火焰是一种无碳火焰，燃烧只会生产洁净的水汽。

2.2 氢氧火焰点煤粉燃烧原理

氢氧火焰点煤粉燃烧器的工作原理是：将氢氧火焰引入一次煤粉燃烧室内，与进入一次煤粉燃烧室的浓相煤粉混合，煤粉通过氢氧火焰燃烧的高温火核时，温度急剧升高、破裂粉碎，释放出大量的挥发分，并迅速着火燃烧。已着火燃烧的浓相煤粉在二次燃烧室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉，实现煤粉分级燃烧。

3 系统设计

3.1 氢氧发生系统

3.1.1 氢氧发生原理

水作为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75%～85%，其工艺过程简单，无污染。电解质一般采用强碱性电解液，每立方米氢气电耗为4.5～5.5 kW·h。电解水制氢的过程是把浸没在电解液中的一组电极通一定电压的直流电，水就分解成氢气和氧气。

3.1.2 氢氧发生器设计

氢氧发生器是采用电解水技术，通电从水中提取氢氧气体的能源设备。氢氧机系统包含控制系统、电解电源、电解槽组、散热单元、气体冷凝干燥装置、防回火安全装置。电解槽组由两个完全相同的电解槽和一个散热器构成，电解槽采用方筒插片式结构。电解槽外壳是方筒形式，安全可靠。内部电极采用插片式，电极制作简单，可降低材料成本。电极侧面和电解槽外壳间做绝缘处理，保证较高的电解效率。

3.1.3 氢氧发生器结构

第一，水气回路。水气回路主要包含电解槽、散热器、冷凝器、气水分离罐、外置水封、电磁加液泵、连接管路及阀门等。第二，电源柜。电源柜分为主回路和二次回路。主回路主要包含塑壳断路器、熔断器、接触器、变压器、整流器、阻容吸收、电抗器。二次回路主要包含开关电源、主控板、可控硅触发板、同步变压器、显示屏、直流电流传感器、直流电压传感器、温度传感器、温度数显仪、压力传感器、中间继电器、液位继电器及液位电极、风机、风机接触器、风机过载继电器、指示灯、按钮、旋钮。电源柜主要为电解槽提供可靠的电解电源，电源柜与电解柜是分离的单独柜体。电源柜控制系统设计了电解过程中的各种保护，当电解槽运行过程中出现故障后立即停机。停机后通过旁路阀将氢氧混合气排空。第三，氢氧燃烧系统。氢氧燃烧系统主要包含氢氧燃烧枪、固体阻火器、点火器。氢氧燃烧枪通过高能点火器点火，具备自动控制的能力。

3.2 煤粉燃烧系统

3.2.1 点火系统

由氢氧火焰燃烧枪、高能点火器、压缩空气、高压风等组成。压缩空气是为点火完成后吹灭氢氧火焰，高压风是为氢氧火焰燃烧枪做冷却。氢氧混合气体必须达到一定流速后点火才能成功，否则会出现回火现象。为了设备安全，氢氧机设计了配套的防回火装置，采用多级防回火措施，有固体阻火器、多级水封式阻火器、防爆阀等安全装置。

3.2.2 煤粉燃烧器

煤粉燃烧器是由点火煤粉燃烧器、煤粉浓缩器、周界风冷却系统和送粉系统等组成。煤粉燃烧器结构见图1。

图1 煤粉燃烧器结构Fig.1 Pulverized coal burner structure

3.2.3 控制系统

控制系统由就地点火控制箱、火检保护和运行参数监测等组成，对点火系统进行控制与保护，保证氢氧及煤粉燃烧安全、稳定、可靠运行。

4 煤粉燃烧试验研究

模拟锅炉燃烧系统建立试验台，见图2。

图2 试验台系统Fig.2 Test bed system

试验采用煤质为烟煤：挥发分26%、水分9%、灰分15%、发热量20 mJ/kg。

在氢氧火焰点煤粉试验台上进行多次试验，试验表明氢氧火焰点煤粉是可行的，试验时一次风速22 m/s、给粉量4～6 t/h左右、氢氧发生器功率150 kW，观测窥视孔内的煤粉燃烧火焰，煤粉燃烧后火焰明亮、刚性强，煤粉火炬长5～6 m，火焰根部温度1 400 ℃，煤粉燃尽率60%左右。根据试验情况分析，氢氧气点烟煤煤粉是成功的，可以应用于电站锅炉启动及低负荷稳燃。

氢氧发生器功率100～500 kW可调，煤质变差时或点火初期时可以增加氢氧火焰的能量，提高煤粉燃尽率，保证锅炉燃烧安全。氢氧发生器电极使用寿命长，所以对锅炉频繁启停及低负荷稳燃过程几乎无影响。氢氧点火全程不投油，可以投入电袋除尘系统，满足环保要求。

5 结语

利用水通过电解产生氢氧气，氢氧燃烧在受控的条件下，可以产生稳定的火焰作为煤粉点火热源，通过在试验台上进行煤粉燃烧特性研究，该技术具有对煤种变化适应性强、煤粉燃烧效率高、运行操作简单、对锅炉启动影响小等特点，在锅炉启动初期也完全可以投入电袋除尘系统，减少有害气体排放，是继等离子点火、微油点火技术后又一具有突破性的替代技术，具有重要的推广价值。

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[3] 孙峰，姚毅.我国电站燃煤锅炉节油点火技术分析与现状[J].节能，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

鞠胤红(1964-)，男，学士，高级工程师。

TK16

A

1674-8646(2017)08-0030-02