煤粉锅炉点火技术研究与应用

李航天，丁卫兵

(陕西长青能源化工有限公司，陕西 凤翔 721405)

0 引 言

大型煤化工装置运行过程中的蒸汽基本上由动力装置提供，其主要由煤粉锅炉、发电系统、蒸汽管网以及烟气处理系统组成。其中，煤粉锅炉作为蒸汽动力装置的核心设备，在其启动时需进行燃油点火预热，待炉膛温度达到一定要求后才可投入煤粉燃烧；在锅炉低负荷运行或出现故障时，同样需要燃油进行助燃，以确保锅炉正常运行。但煤粉锅炉传统点火方式会使燃油燃烧不充分而产生大量黑烟，对后续除尘、脱硝以及脱硫系统产生严重不良影响，因此多数企业在建设锅炉系统时会设置旁路烟道，黑烟会通过旁路烟道进入烟囱排入大气。如今，环保要求愈来愈严，锅炉系统烟囱冒黑烟现象必须得到彻底解决，相关环保政策要求传统的旁路烟道必须予以拆除或铅封，煤粉锅炉系统亟需清洁节能的点火技术。为此，某煤化工企业迅速组织专业技术人员进行调研与研究，探寻出一条与企业自身实际情况相符的煤粉锅炉点火方式创新之路。

1 煤粉锅炉点火技术简介

1.1 大油枪点火技术

大油枪点火作为锅炉传统的点火方式，其工作原理为，利用电火花点燃机械雾化的燃油，待炉膛及热风温度达到一定程度后引燃煤粉，从而实现锅炉启动。大油枪点火，升温升压易于控制，但由于耗油量较大、锅炉启动初期环境污染严重等原因，目前已逐步被淘汰，通常仅用于辅助锅炉点火。

1.2 微(少)油点火技术

微(少)油点火技术的工作原理为，燃油在高压空气的快速作用下被雾化成极小的油滴，油滴的蒸发汽化使得燃油的火焰传播速度变快，火焰中心温度提高至1 500～2 000 ℃，极大地提高了燃料的燃烧效率、火焰温度和稳燃性[1]，燃料在高温环境下快速点燃煤粉。微(少)油点火技术可使燃料汽化燃烧后形成火焰温度梯度，可有效降低煤粉的引燃能量，在煤粉锅炉启动期间和低负荷状态下具有极佳的效果。煤粉锅炉微(少)油点火装置主要由少油汽化油枪、高压空气系统、点火系统、煤粉燃烧器以及控制和辅助系统等组成。

1.3 等离子点火技术

等离子点火技术是一种新型点火技术，相较于传统的燃油点火方式而言属于环保节约型点火技术。其工作原理为，大功率电流作用下生成的电弧周围会形成6 000 ℃左右的等离子体，煤粉颗粒与形成的等离子体接触后迅速破裂释放挥发物而燃烧，气相环境下降低了煤粉燃烧的能量[2]。对于等离子点火技术而言，煤粉粒径直接影响着燃烧效率，因此其是根据煤粉粒径大小逐级点火燃烧而形成稳定燃烧区域的一种点火技术。等离子点火装置主要由等离子燃烧器、送风系统、火检系统、制粉系统以及供电系统等组成。

1.4 天然气点火技术

天然气主要成分为甲烷，充分燃烧后产物为二氧化碳和水，属于清洁能源。其工作原理为，利用天然气引射适量的空气，采取强制预混合方式进行燃烧，从而引起煤粉燃烧。天然气点火装置主要由燃气燃烧系统、火检系统、点火系统、泄漏报警系统以及控制系统等组成。

1.5 弛放气点火技术

煤化工装置生产过程中的弛放气主要来源于有机物储罐排放，成本较低、来源稳定。其工作原理为，以蓄热式高温空气燃烧技术为基础，点燃和加热功能分开，先将点火枪点燃，然后点燃弛放气，进而引燃煤粉气流，从而实现锅炉点火[3]。弛放气点火技术将废气燃烧使用，在降低装置能耗的同时减少了污染物排放，属于绿色环保技术，且弛放气一般比燃油耐烧，可提高锅炉燃烧效率。弛放气点火装置主要由点火系统、燃烧器系统、火检系统以及配风系统等组成。

1.6 甲醇点火技术

甲醇是无色有酒精气味的易挥发液体，高度易燃，甲醇蒸气与空气混合易形成爆炸性混合物。甲醇点火技术之工作原理为，压缩空气在气枪内将甲醇雾化喷出，通过点火器点火引燃后进入燃烧室点燃煤粉，实现锅炉点火[4]，反应产物为二氧化碳和水，属于无污染环保技术。甲醇点火装置主要由甲醇喷枪、推进系统、点火系统、火检系统以及控制系统等组成。

2 煤粉锅炉点火技术的特点及应用

目前，煤粉锅炉应用最多的点火技术是微(少)油点火技术和等离子点火技术，多数煤化工企业根据实际情况选择性地使用天然气点火技术、弛放气点火技术和甲醇点火技术，而大油枪点火技术由于技术落后和环境污染等问题已被市场逐步淘汰。

2.1 微(少)油点火技术的特点及应用

微(少)油点火技术的特点：燃烧器燃烬率可达99%以上，气膜风在燃烧器内壁形成一层气膜保护层，避免了结渣烧蚀现象的产生；煤粉浓度根据锅炉升温升压需求进行调节，可适应多品种煤；点火初期燃料的热化学反应能力强，提高了传质能力，燃料消耗较少；装置结构简单，运行维护工作量和检维修费用较少。

据调研，微(少)油点火技术已在大唐略阳电厂2×330 MW煤粉锅炉、蒲城清洁能源化工有限责任公司240 t/h煤粉锅炉、大唐宝鸡二电厂1 025 t/h亚临界煤粉锅炉+2 066 t/h超临界煤粉锅炉、广西来宾电厂1 024 t/h直流煤粉锅炉以及嘉峪关酒钢公司1 208 t/h煤粉锅炉等项目上得到应用。虽然该技术应用较为广泛，但其应用过程中还存在较多问题：点火初期控制较为困难，点火能量较低，仍需大油枪辅助点火；煤粉锅炉冷态启动工况下，会存在煤粉燃烧不完全以及灰渣含碳量较高等问题；油枪喷口处经常出现结焦现象。

2.2 等离子点火技术的特点及应用

等离子点火技术的特点：点火稳定，煤粉燃烧器点火过程中不结渣，挂壁现象较少，设备耐蚀、耐烧；属于无油点火技术，节省能源。

据调研，等离子点火技术主要应用在大型发电机组配套的煤粉锅炉上，2000年首次应用于烟台龙源电力技术股份有限公司50 MW机组配套的煤粉锅炉上；小发电机组配套方面，在陕西榆林凯越煤化有限责任公司240 t/h煤粉锅炉、宁夏英力特化工股份有限公司260 t/h煤粉锅炉、新疆中泰化学股份有限公司130 t/h煤粉锅炉等项目上得到应用。对武汉天和技术股份有限公司和徐州燃烧控制研究院有限公司的等离子点火技术应用情况进行了调研，了解到该技术普遍存在如下方面的问题：无法实现冷炉启动；阴极头寿命50 h左右，需经常更换；风粉分配比控制难度较高；设备占地面积较大，设备结构复杂且价格高昂，可靠性较差，需经常进行维护保养；可选择煤种范围较小，适用于低灰分煤种，且燃烧后煤渣残炭量较高，煤粉燃烬度较低。

2.3 清洁能源点火技术的特点及应用

天然气点火技术的特点：火焰温度高，煤种适应性强，操作方便，点火设备结构简单，企业升级优化改造方便。据调研，该技术已在陕西兴化集团3×170 t/h煤粉锅炉、东方希望包头公司480 t/h煤粉锅炉上成功应用。调研显示，该技术普遍存在如下方面的问题：点火困难；火焰稳定性差，燃料利用率低；异常情况下助燃时间过长；烟气湿度大；需配置长输管道进行天然气的输送，投资费用较高、安全隐患较大。

弛放气点火技术的特点：燃烧较为充分，可长期连续点火；设备结构简单、性能可靠；技改范围较小，投资和运行费用较低。据调研，该技术在湖北三宁化工股份有限公司75 t/h循环流化床锅炉上得到应用。该技术由于燃料源稳定性较差，多数企业并无燃料源，其应用较少。

甲醇点火技术的特点：甲醇雾化效果较好，燃烧充分，产物清洁无污染；设备结构紧凑、操作简便，运行灵活、平稳；点火系统能量大，运行时间相对较长；可适应煤种范围宽，对后续环保处理装置运行影响较小；改造较为简便。据调研，该技术在陕西渭河煤化工集团有限责任公司循环流化床锅炉和160 t/h煤粉锅炉、贵州天福化工有限责任公司2×130 t/h循环流化床锅炉、贵州赤天化桐梓化工有限公司2×220 t/h煤粉锅炉、重庆万盛煤化有限责任公司2×130 t/h循环流化床锅炉上得到应用。虽然甲醇点火技术环保无污染，但由于甲醇有毒、易燃易爆，一旦泄漏可能引发人员中毒和爆炸事故，因此企业需慎重选用。

3 甲醇点火技术应用改造实例

调研发现，如今清洁能源点火技术已普遍应用于化工企业，企业可根据自身实际情况和能源供给情况选择最合适的点火技术。某煤化工企业自建有3×180 t/h 的WDLZ180/9.8-1型煤粉锅炉，煤粉锅炉采用大油枪点火技术，运行10 a来，存在点火烟气粉尘超标、火焰偷窥现象严重以及助燃不稳定等问题。为解决上述问题，通过调研考察并结合企业自身的实际情况，决定采用甲醇点火技术并掺烧杂醇油对煤粉锅炉原有大油枪点火系统进行改造升级。

3.1 技改方案

对3台WDLZ180/9.8-1型煤粉锅炉原有大油枪点火系统进行利旧和设备改造升级——主要利旧设备/设施有点火枪、甲醇枪、高能点火装置、控制系统、推进器以及火检系统等，增设甲醇和杂醇油输送泵，将外置式火检系统改为内窥式火检系统。

采用甲醇点火技术并配置掺烧杂醇油的点火装置，将甲醇投放压力设置为最低雾化压力，甲醇和杂醇油分别为该企业的自产产品和生产中的副产物，通过输送泵加压输送至锅炉点火系统，从根本上解决困扰企业多年的烟气粉尘超标问题；采用内窥式火检，将火检探头前部向下倾斜30°，并巧妙地采用金属软管材料通过螺母调节火检角度，避免火焰偷窥现象的发生。

3.2 技改效果

3台WDLZ180/9.8-1型煤粉锅炉点火装置采用甲醇点火技术并配置掺烧杂醇油改造实施后，取得了不错的成效：点火装置在燃煤锅炉的各种工况下均能满足点火需求；燃烧火焰稳定、充足，设备内壁未出现结渣、烧蚀现象，无火焰偷窥现象的发生；烟囱冒黑烟现象得到彻底解决，烟气实现达标排放[两种点火方式下3 h内烟气排放连续监测系统(CEMS)监测数据：燃油点火时，烟气SO2含量19.47 mg/m3、NOx含量16.50 mg/m3、粉尘含量15.02 mg/m3；甲醇点火时，烟气SO2含量18.64 mg/m3、NOx含量14.30 mg/m3、粉尘含量2.44 mg/m3]；该技术的成功应用，使得进入后续脱硫系统的灰量降低，烟气氨法脱硫系统硫酸铵晶体外观由浅灰色变成白色，硫酸铵产品品质大幅提升。

3.3 技改效益

在相同的燃烧效率下，通过计算得出煤粉锅炉甲醇点火、助燃每年可替代原大油枪点火用柴油共计352.8 t，年消耗甲醇772.8 t、减少CO2排放47 t；该企业杂醇油产量为8 333 t/a、杂醇油含水量约30%，折算为甲醇约5 833.10 t/a，全部与甲醇配置掺烧助燃，按年运行8 000 h计算，年可替代原煤约4 825.86 t、减少CO2排放约1 527 t。甲醇点火并掺烧杂醇油合计年可减少CO2排放1 574 t，环保效益十分可观。

3台WDLZ180/9.8-1型煤粉锅炉两开一备，按改造时(2019年)燃油价格6 300元/t、甲醇价格1 500元/t、烟煤价格400元/t计，煤粉锅炉甲醇点火、助燃每年可节约燃料费用70.9万元，节省燃煤费用193万元，合计全年可节省能源成本263.9万元。该企业采用甲醇点火技术并配置掺烧杂醇油对煤粉锅炉点火装置进行改造升级，总投资236万元，折旧期以10 a计，每年的综合经济效益约为240万元，十分可观。

4 结束语

煤粉锅炉广泛应用于国内大型电厂和化工企业，实际运行过程中煤粉锅炉点火系统存在诸多问题。如今煤粉锅炉点火技术主要以节能环保为发展方向，发电厂小型在役机组配套锅炉点火主要以微(少)油点火技术为主，新建大型发电机组配套煤粉锅炉点火主要以等离子点火技术为主，煤化工企业自建电厂配套煤粉锅炉应根据自产产品和中间产物选择清洁能源点火技术对原有点火装置进行改造。该煤化工企业采用甲醇点火技术并配置掺烧杂醇油的技改实施后，取得了不错的成效，可在大型煤化工企业中推广应用，企业可根据自产产品和生产中的副产物进行煤粉锅炉点火燃料的选用，从而实现锅炉系统点火技术的改造升级。不过，目前诸多点火技术应用过程中还存在较多问题，相关科研技术人员仍需加大科研力度，解决煤粉锅炉点火技术应用中存在的环保、节能及安全方面的问题，推动锅炉点火技术更加成熟、高效、节能环保。