CN1194194C - 一种采用水的 高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法及装置，本方法是由等离子体发生装置产生的等离子体电弧以及由蒸气管道输送的水蒸气同时送入能量转换室完成等离子电离，生成氢氧等离子体；所述高能量的氢氧离子以等量的摩尔数高速从点火装置中喷出直到煤粉流的内部，氢氧离子复合，产生高温火焰和水，利用高温火焰将煤粉点燃，并形成稳定的燃烧核，进而在燃烧核的周围形成稳定的燃烧区。本装置包括锅炉燃烧器一次风煤粉通道和点火装置两部分；所述点火装置结构主体包括：等离子发生装置、水蒸气输送管道、能量转换室和氢氧等离子喷射口；本发明具有提高点火装置的单位体积能量密度、超距离释放和降低煤粉爆炸危险等优点。

Description

一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种煤粉锅炉的点火方法及装置。

背景技术

在一个火电大国，煤粉锅炉是的发电主体。在长期的运行当中，有一个问题始终没能很好的解决，这就是在煤粉锅炉的启动暖炉、助燃、稳燃过程中，需要烧掉大量的燃油。据统计每年全国在这方面消耗的燃油价值上百亿元，如果能用煤取代这部分用油，按现在的煤和油的价格计算，烧煤的成本只有烧油的20％。效益是非常可观的。

煤是固体，在常温下不会挥发，燃煤锅炉燃烧的是煤粉，煤粉是一种100目左右大小的颗粒。尽管煤粉很细，煤粉的颗粒同油的分子相比还是大上万倍。煤粉不能像油那样轻易点燃，油极易蒸发，微小的油分子在高温下迅速达到燃点燃烧。气态油分子间的距离是极其微小的，油的燃烧会在分子间迅速蔓延。

煤的燃烧要有一个过程，它需要在一定的时间内使煤粉升温，这是因为煤粉的质量太大，需要有一个热传导的过程，也就是吸收能量的过程。这就是为什么人们在点燃煤粉的过程中，总是要用巨大的能量为煤粉提供一个热源。

用燃烧的油或天然气去点燃煤粉，是煤粉锅炉点火的一种方法。如果不用燃油或天然气，又如何为煤粉提供热源呢？现有的技术有两种趋势：一种是在国内，人们发明了一些装置，对现有锅炉的燃烧体系进行改造，将一次风煤粉和二次风助燃空气与等离子点火装置一道放在一个装置内，在装置内部完成煤粉的点火和预燃过程，这种装置采用一体化设计，结构紧凑。高能等离子火焰和紧凑的燃烧室，为煤粉的点火创造了极好的环境。由于不采用原锅炉设计的燃烧体系，需要对现有锅炉进行结构改造，这样将影响锅炉的正常运行，锅炉改造的费用比较高。另外一种趋势是，国外有人采用以空气为热能载体的等离子火焰，直接点燃现有锅炉燃烧器的一次风煤粉，这个方案基本上不对现有锅炉进行改造，支持现有锅炉的燃烧体系。这种方案也存在一个问题，它使用的是含氧气体及惰性气体，作为热能的载体，这类气体的电离能比较低，热函小，离子复合时释放的能量不够大。由于等离子火焰较短，等离子点火装置与煤粉燃烧区又不能离得太近，因此等离子火焰不易到达煤粉燃烧区。等离子能量或在煤粉外以辐射能的方式被损失掉，或被周围空气的卷吸作用所分散，只有不到50％的能量随着热气流送到了煤粉流中。结果，一方面点火能量不能远距离释放，等离子发生装置必须离煤粉很近才能有效传递能量，使得点火装置易受到高温破坏。另一方面，点火装置受到能量转换效率的限制，不能满足大功率锅炉的点火需要。因此采用气体作为能量的载体的等离子煤粉点火不是一种高效率的可靠的方法。

本发明是要找到一种方法，提高点火装置的单位体积能量密度，为点燃煤粉提供高能量的热源，并且在不对现有锅炉进行设备改造的前提下，利用现有锅炉的燃烧器，直接点燃锅炉的一次风煤粉。有一种方法也被用于点燃锅炉的一次风煤粉，这就是用高能量电弧直接点燃一次风出口处的煤粉，用这种方法电极暴露在燃烧的火焰中，不论采用什么样的电极都解决不了电极被烧蚀的问题。因此采用高温高能量载体的等离子火焰，在远离煤粉燃烧区的地方，通过高温高能量载体将热能超距离释放到锅炉的一次风口前将煤粉点燃。是一个比较好的方法。

煤的燃烧是一种断续的爆燃，跳动的火焰按照一定的频率闪烁。煤粉的燃烧频率是一项锅炉燃烧的安全指标，过低的频率会导致煤粉爆炸。导致燃烧频率低的主要原因是，煤粉燃烧的初始能量不足，煤粉的升温时间过长。并且煤粉与氧的混合充分，燃烧过于猛烈。

用含氧气体点火，会使燃烧频率下降，增加煤粉爆炸危险。理由是含氧气体不会使煤粉升温加快，只会煤粉燃烧的更猛烈。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高点火装置的单位体积能量密度、超距离释放和降低煤粉爆炸危险的采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法及装置。

一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法：

1.将由等离子体发生装置产生的等离子体电弧以及由蒸气管道输送的水蒸气同时送入能量转换室完成水分子的等离子电离，生成氢氧等离子体；

2.所述高能量的氢氧离子以等量的摩尔数高速从点火装置中喷出直到煤粉流的内部，在这个过程中，氢氧离子复合，产生高温火焰和水，利用高温火焰将煤粉点燃，并形成稳定的燃烧核，进而在燃烧核的周围形成稳定的燃烧区。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其蒸气管道输送的水蒸气是经过预热的。

一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，它包括锅炉燃烧器一次风煤粉通道和点火装置两部分；其点火装置结构主体包括：等离子发生装置、水蒸气输送管道、能量转换室和氢氧等离子喷射口；所述的能量转换室的侧壁为与水蒸汽输送管道连通的缝隙切口或孔道，所述缝隙切口或孔道为一组或多组；所述能量转换室的前端部开有氢氧等离子喷射口，等离子发生装置的等离子体输出端位于能量转换室内的后部；所述点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口平面成小于90°的夹角，并且点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口有一段距离，以确保氢氧离子火焰能够喷射到煤粉流内部为宜。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，所述点火装置结构主体设置在锅炉油枪管道内.氢氧等离子喷射器口部外露出锅炉油枪管道。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，所述能量转换室的侧壁与水蒸气输送管道连通的缝隙切口或孔道呈环形分布，并且与能量转换室侧壁成一个斜角度。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，所述等离子发生装置是采用具有惰性气体保护阴极结构的等离子设备。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，所述点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口平面成45°的夹角。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其等离子体发生装置为转移弧类型，在能量转换室与等离子体发生装置的阴极之间加100V以上的正电压，转移电弧的末端落在氢氧等离子喷射口的内壁上。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其整个点火装置的外层是水冷套，通过循环水对整个点火装置进行冷却。

如上所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，所述点火装置结构主体的高度小于锅炉油枪管道的高度，点火装置结构主体被可前后移动的设置于锅炉油枪管道内，在点火装置不用时，可退入锅炉油枪管道收藏。

本发明与传统的煤粉锅炉的点火方法及装置相比，具有如下优点和积极效果：

1.由于利用了水的等离子态性质，使点火器的效率大幅提高，能量密度增加了数十倍，并且延长了点火装置火焰的长度，使等离子能量实现了超距离释放。

2.水是一种清洁载体，在点火过程中不产生有害物质。水的来源极为丰富，造价便宜。

3.在煤粉的点火过程中，由于水的存在会产生水煤气参与燃烧，提高了燃烧的稳定性。

4.点火的火源深入煤粉流的内部，增加了点火的稳定性和可靠性。

5.点火火焰长度的增加，或者说点火能量的超距离释放，使等离子体发生装置远离煤粉的燃烧区。避免了等离子体发生装置被煤粉的火焰烧坏，提高了本装置的可靠性和使用性。

6.火焰与煤粉的深入接触会使煤粉快速升温，减少了煤粉的升温时间，增加了煤粉燃烧的频率。由于没有助燃气体，不会增加煤粉燃烧的猛烈度。减少了煤粉的爆炸机会。增加了锅炉的安全性。

7.不改变锅炉的现有燃烧体系，降低了本装置的安装成本。

8.利用锅炉原有的设计结构，本装置可以置于油枪风管内的油枪位置，安装灵活，使用方便。

9.对于新建锅炉，本发明一样适用。

10.本发明的设计思想符合洁净生产所要求的利用可再生资源的原则，是一款环保产品。

附图说明

图1是本发明的采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧装置结构实施例图；

图2是本发明的点火装置主体的结构示意图。

具体实施方式

如图所示，一种利用水的第四态特性实现的煤粉锅炉的点火装置，其中：

1.点火装置结构主体

2.水蒸气输送管道

3.其它管线

4.锅炉油枪管道

5.氢氧离子火焰

6.含氧气体火焰

7.煤粉气流

8.锅炉燃烧器一次风煤粉通道

9.等离子发生装置

10.等离子发生装置支架

11.氢氧等离子室支架

12.氢氧等离子室

13.能量转换室

14.等离子体电弧

15.氢氧等离子喷射口

16.冷却水套

本装置的工作过程如下：

由等离子发生装置9产生等离子体电弧14，在能量转换室13内由蒸汽管道2输送进来的水蒸气被等离子电弧电离，生成氢氧等离子体。高能量的氢氧离子，高速从点火装置的氢氧等离子喷射口15中喷出直到煤粉流7的内部，在这过程中，氢氧离子复合，产生高温火焰5和水，高温火焰将煤粉点燃并形成稳定的燃烧核进而在燃烧核的周围形成稳定的燃烧区。氢氧等离子火焰5比其它含氧气体等离子火焰6长数倍。冷却水套16在装置主体1的最外层，为整个装置降温。点火装置结构主体1的高度小于锅炉油枪管道4的高度，点火装置结构主体1在锅炉油枪管道4内可以前后移动。在点火装置不用时，可以退入锅炉油枪管道4内收藏。

本发明的方法是利用水实现能量的高效率存储和释放的过程。实现煤粉锅炉点火。水作为能量的载体在很多方面得到应用，比如利用水的势能落差实现水力发电。水的分子间存在键能，水从液态到气态的相变过程中吸收大量的潜热，这种潜热又可以被转换成其它能量形式，如蒸汽机、火力发电等。水作为能量的载体具有能量的存储、运输、释放的作用早已被人们认识。本发明涉及一种方法，利用水的第四态即等离子态，从原子键能的级别上实现水的能量转换的进一步应用。

水的成份是由氢H和氧O两种元素组成，氢氧之间是由原子键相连。水的原子键比分子键具有更高的键能。氢气和氧气在燃烧时会释放出大量的热能，这种能量足以使火箭推动卫星上天。同样的道理利用电解水产生氢气和氧气时，需要同样大的电能打开原子键。这就是说水在分解时，巨大的能量用氢和氧的电离方式得到了储存。氢氧在燃烧时通过生成水，又会将这部分能量释放出来。水的这一性质被用来实现煤粉的点火，是非常适宜的。本发明的特征是采用热等离子体将水的蒸汽电离。水在电离过程中使大量的电能发生了的转换，能量被存储在离子态的氢氧离子中，与气体等离子体相比点火装置的能量密度提高了数十倍。另一方面，由于存在着氢氧离子的复合燃烧，使等离子体火焰的长度比气体等离子体延长了数倍。火焰能够延伸到一次风口煤粉流的深处，在煤粉流的内部形成了一个以氢氧火焰为燃烧核的中央燃烧区。氢氧燃烧产生的高能量火焰将煤粉点燃。

本发明用于煤粉点火具有独到的安全性，其特征在于氢和氧的离子以等量的摩尔数参与燃烧，不会有过多的氧或者氢存在。氢氧离子复合的特征是产生火焰，火焰与煤粉的深入接触会使煤粉快速升温，减少了煤粉的升温时间，增加了煤粉燃烧的频率。由于没有助燃气体，不会增加煤粉燃烧的猛烈度。减少了煤粉的爆炸机会。增加了锅炉的安全性。

本发明所述等离子体发生装置采用工业等离子焊接、等离子切割以及等离子体喷涂设备中的标准等离子体发生装置。等离子体发生装置中采用的惰性保护气体为单原子分子结构的保护气体，如：氩Ar。等离子体的电弧功率为90kw。

本方法使用的水蒸气由工业纯水制成，水蒸气的预热温度为500。

本装置中的等离子发生装置为转移弧类型，能量转换室与等离子体发生装置的阴极之间加有100V以上的正电压。能量转换室内的等离子电弧的一个端点在喷射口的内壁上。

本方法中氢氧离子的喷射流产生于水蒸气的压力，并通过对水蒸气的压力调节、控制喷射流的速度。

本装置可以根据不同点火功率要求的锅炉，选择相应的等离子体发生装置的功率、能量转换室内腔及喷射口的尺寸大小、以及水蒸气压力。

本装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口平面成小于90°的夹角，其作用是使煤粉的燃烧区远离一次风煤粉通道口，保护锅炉燃烧器。

Claims (10)

1.一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的方法：

(1)将由等离子体发生装置产生的等离子体电弧以及由蒸气管道输送的水蒸气同时送入能量转换室完成水分子的等离子电离，生成氢氧等离子体；

(2)所述高能量的氢氧离子以等量的摩尔数高速从点火装置中喷出直到煤粉流的内部，在这个过程中，氢氧离子复合，产生高温火焰和水，利用高温火焰将煤粉点燃，并形成稳定的燃烧核，进而在燃烧核的周围形成稳定的燃烧区。

2.如权利要求1所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：蒸气管道输送的水蒸气是经过预热的。

3.一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，它包括锅炉燃烧器一次风煤粉通道和点火装置两部分；其特征在于：点火装置结构主体包括：等离子发生装置、水蒸气输送管道、能量转换室和氢氧等离子喷射口；所述的能量转换室的侧壁为与水蒸汽输送管道连通的缝隙切口或孔道，所述缝隙切口或孔道为一组或多组；所述能量转换室的前端部开有氢氧等离子喷射口，等离子发生装置的等离子体输出端位于能量转换室内的后部；所述点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口平面成小于90°的夹角，并且点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口有一段距离，以确保氢氧离子火焰能够喷射到煤粉流内部为宜。

4.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：所述点火装置结构主体设置在锅炉油枪管道内，氢氧等离子喷射器口部外露出锅炉油枪管道。

5.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：所述能量转换室的侧壁与水蒸气输送管道连通的缝隙切口或孔道呈环形分布，并且与能量转换室侧壁成一个斜角度。

6.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：所述等离子发生装置是采用具有惰性气体保护阴极结构的等离子设备。

7.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：所述点火装置的氢氧等离子喷射口与一次风煤粉通道口平面成45°的夹角。

8.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：等离子体发生装置为转移弧类型，在能量转换室与等离子体发生装置的阴极之间加100V以上的正电压，转移电弧的末端落在氢氧等离子喷射口的内壁上。

9.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：整个点火装置的外层是水冷套，通过循环水对整个点火装置进行冷却。

10.如权利要求3所述的一种采用水的高温电离技术引发锅炉煤粉燃烧的装置，其特征在于：所述点火装置结构主体的高度小于锅炉油枪管道的高度，点火装置结构主体被可前后移动的设置于锅炉油枪管道内，在点火装置不用时，可退入锅炉油枪管道收藏。

Images