[0001] 本发明属于锅炉点火和低负荷稳燃技术领域，尤其涉及一种煤粉锅炉氢气点火稳燃系统、点火稳燃方法及煤粉锅炉。

[0002] 为解决煤粉锅炉点火和低负荷稳燃的问题，常见的解决方案有微油点火、等离子点火、天然气点火、富氧燃烧和氢气点火等；由于微油点火、等离子点火、天然气点火和富氧燃烧等方式，存在价格较高、点火困难以及不稳定等诸多问题，而氢气点火具有清洁稳定等特点，煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统具有更好的推广应用前景。

[0003] 发明人发现，在煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统的实施过程中，需要助燃气体，比如氧气等进行助燃，同时，氢气和氧气的注入量会影响着火和稳燃特性；而传统煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统中，将氢气和冷一次风直接注入到点火枪内，注入的氢气和煤粉没有充分混合，导致着火和稳燃特性受到影响；并且，由于氢气具有燃烧速度快的特点，可能争抢煤粉的助燃空气，容易造成煤粉无法获得足够的助燃空气而影响煤粉的稳定燃烧；除此之外，传统的煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统，没有实现冷一次风注入、氢气注入和助燃气体注入等的联动控制，导致点火和稳燃过程中至少存在火焰不稳定、燃烧稳定速度慢及氢气耗量多等问题中的一种或多种。

[0032] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0033] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0034] 实施例1：

[0035] 随着近年来可再生能源装机容量的迅速提升，电网要求火电厂提升调峰能力，在风电和光伏等新能源发电量较大的情况下，电网经常需要煤电机组的负荷降低到20％左右，甚至停机。以某电厂为例，2023年全年4台燃煤机组共启停机94台次，‑0.08元/kWh电价的电量上网超过2.5亿kWh；该燃煤机组的锅炉由于燃用贫煤，锅炉不投油最低稳燃负荷在40％左右，由于年度燃油指标的限制，目前很少通过投油来降低负荷进行调峰。机组无法满足电网的深度调峰要求，则无法享受调峰电价，造成大量的收入损失，并面临电网的考核。
为解决锅炉点火和低负荷稳燃的问题，目前常见的解决方案有微油点火、等离子点火、天然气点火和富氧燃烧等。

[0036] 采用微油点火助燃方式，点火时经过强化燃烧的油火焰(其中心温度高达1800℃)将通过煤粉燃烧器的一次风粉瞬间加热到煤粉的着火温度，一次风粉混合物受到了高温火焰的冲击，挥发分迅速析出同时开始燃烧，挥发分的燃烧放出大量的热，补充了此间消耗的热量，并持续对一次风粉进行加热，将其加热至远高于该煤种的着火温度，从而使煤粉中的碳颗粒开始燃烧，形成高温火炬。微油点火的煤种适应性强，但是由于每年都有燃油指标的限制，且燃油价格较高，所以无法频繁使用。

[0037] 采用等离子点火助燃方式，等离子点火装置是利用直流电流在介质气压0.01～0.03MPa的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T＞5000°K，温度梯度极大的局部高温‑3
区，煤粉颗粒通过该等离子体，受到“火核”的高温作用，在10 秒内迅速释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。等离子点火不再消耗燃油，但是其煤种适用范围较小，当燃煤的干燥无灰基挥发分低于20％时，点火困难。

[0038] 采用天然气点火助燃方式，天然气具有较好的点火和稳燃能力，煤种适用性也很强，但是外购天然气价格较高，电厂附近需要有天然气气源，因此限制其推广应用。

[0039] 采用富氧燃烧方式，富氧燃烧可以降低锅炉的最低稳燃负荷，但是降低幅度较小，根据常规经验，通常只能降低5％左右，且容易产生结焦等问题。

[0040] 综上，由于微油点火、等离子点火、天然气点火和富氧燃烧等方式，存在诸多问题，因此需要更好、更清洁的技术方案实现煤粉锅炉的点火和低负荷稳燃。由此，煤粉锅炉氢气燃烧方式，因其具有清洁稳定等特点，在煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃中具备推广和应用的条件；

[0041] 在煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统的实施过程中，需要助燃气体，比如氧气等进行助燃，同时，氢气和氧气的注入量会影响着火和稳燃特性；而传统煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统中，将氢气和冷一次风直接注入到点火枪内，注入的氢气和煤粉没有充分混合，导致着火和稳燃特性受到影响，且由于氢气具有燃烧速度快的特点，可能争抢煤粉的助燃空气，容易造成煤粉无法获得足够的助燃空气而影响煤粉的稳定燃烧；除此之外，传统的煤粉锅炉氢气点火及低负荷稳燃系统，没有实现冷一次风注入、氢气注入、助燃气体注入和二次风注入等的联动控制，导致点火和稳燃过程中存在火焰不稳定、燃烧稳定速度慢及氢气耗量多等问题。

[0042] 可选的，在发电机出口至电力GIS之间取电，通过煤机降压变降压至10kV厂用电电压等级给电解水制氢装置供电，在电解水装置中生产氢气和氧气。产生的1.6Mpa的氢气进入氢气储罐；其中，部分氢气直接送往煤粉锅炉进行点火和助燃，另外部分氢气外供其它用户。产生的氧气进入氧气储罐，其中，部分氧气经减压后送往煤粉锅炉进行点火和助燃，另外部分氧气外供其它用户。

[0043] 本方案利用机组的谷价电制氢，产生的氢气和氧气送入煤粉锅炉进行协同燃烧，完成点火和低负荷稳燃。由于氢气的爆炸极限是4％～75.6％，氢气流动速度是天然气的3倍；火焰快10倍，喷射后势能低，凝聚性低，稳定火焰短，更靠近燃烧器喷嘴，氢气点火能小，点火浓度宽，极易点燃，造成氢燃料燃烧技术方面存在着自燃、回火、NOx排放超标和燃烧振荡等主要问题，本实施例针对以上特点，优化氢气点火和助燃系统。

[0044] 由于氢气具有点火能小，点火浓度宽，极易点燃的特点，考虑将一部分氢气在燃烧器前的某个位置掺混入送粉管道内，在某种程度上相当于提高煤种的干燥无灰基挥发分，提高煤粉的着火和稳燃特性。由于氢气的爆炸极限范围是4％～75.6％，因此需要控制氢气的掺氢量，确保远离爆炸下限。由于氢气具有腐蚀性，因此掺混氢气的位置要尽量靠近燃烧器，尽量减小对管道材料造成不利影响，但也要保证掺混的均匀性，以保证点火和助燃效果。另外一部分氢气通过燃烧器中心单独设置的氢气枪送入炉膛，通过点火枪将氢气点燃后，形成高温环境，从而点燃煤粉，此时，因煤粉气流中已适当掺氢可提高着火和稳燃性能。由于氢气点火能小、燃烧速度快，中心位置的氢气可能迅速消耗附近的氧气，造成煤粉缺少足够的助燃氧气，因此考虑从二次风位置掺混部分氧气，使得煤粉在富氧的环境下稳燃和充分燃烧。

[0045] 在一些实施例中，以一台300MW亚临界燃贫煤热电联产机组为例，其不投油最低稳燃负荷约40％BMCR，配置12.5MW用电量的电解水制氢装置，并优化设置氢气点火和助燃系统，说明整个系统在点火和助燃工况下的运行方式，具体如下：

[0046] S1、点火工况：

[0047] 当锅炉需要点火时，首先投入煤粉燃烧器中心单独设置的氢气枪的氢气和冷一次风，并用氢气枪的点火枪进行点燃。开始点火时，第一调节阀和第四调节阀的开度均较小，氢气枪中的氢气被点燃后，通过观察氢气枪的火焰状况，逐渐开大第一调节阀和第四调节阀，通过加大氢气和一次风量逐渐升高氢气枪的热负荷并增加氢气火焰的长度，从而形成稳定的高温区域。观察和判断火焰状况时，可以通过采集火焰图像，与预设图像进行对比的方式判断，也可以通过热成像技术实现，还可以通过其他观察火焰的方式实现。

[0048] 当形成稳定的高温区域后，在通过送粉管道投入煤粉的同时掺混入氢气，并将氧气同时送入到二次风进行助燃。在保证远离爆炸极限的前提下，通过第二调节阀和第三调节阀较大的开度，使得点火初期尽量在煤粉燃烧器中掺混较多的氢气并在二次风中掺混较多的氧气，以实现煤粉的快速着火和稳定燃烧。

[0049] 当煤粉稳定燃烧后，随着燃烧器热负荷的提升，逐渐减小第二调节阀和第三调节阀的开度，减少掺混入的氢气和氧气量，当煤粉能够独立稳燃后，逐渐关小第一调节阀和第四调节阀，逐渐退出氢气枪的运行，从而完成点火过程。

[0050] S2、助燃工况：

[0051] 当锅炉负荷降低到无法稳燃时，首先在通过送粉管道掺混入氢气的同时将氧气送入到二次风进行助燃，这时第二调节阀和第三调节阀的开度较小，投入的氢气和氧气量较少即可维持稳燃。当负荷进一步降低，当出现燃烧不稳定时，需要增加第二调节阀和第三调节阀的开度，增加投入的氢气和氧气量，而当掺混入的氢气量已经接近设定的最大比例时，保持第二调节阀和第三调节阀的开度不变，如果此时负荷进一步降低，煤粉燃烧器无法单独稳燃，需要逐渐开大第一调节阀和第四调节阀，投入煤粉燃烧器中心单独设置的氢气枪的氢气和冷一次风，使用氢气枪进行稳燃。

[0052] S3、根据燃烧情况和火焰状况进行控制调整：

[0053] S3.1、在使用氢气枪点火时，如果火焰不稳定，需要分别调整第一调节阀和第四调节阀的开度，来形成稳定火焰。

[0054] S3.2、在使用氢气枪点火时，如果火焰过短，需要同时加大第一调节阀和第四调节阀的开度，来增加火焰长度，以提高点燃煤粉的效果。

[0055] S3.3、在使用氢气枪点火时，如果火焰出现脱火风险，需要同时减小第一调节阀和第四调节阀的开度，以避免脱火。

[0056] S3.4、当点火和助燃过程中，投入氢气枪，并打开第二调节阀向送粉管道中掺混氢气时，由于氢气具有燃烧速度快的特点，可能争抢煤粉的助燃空气，容易造成煤粉无法获得足够的助燃空气而影响煤粉的稳定燃烧，这时需要密切关注煤粉火焰，及时通过第三调节阀来增加氧气的供应量，以保证煤粉的稳定燃烧。

[0057] S3.5、当煤粉燃烧器附近温度过高，有结焦风险时，应迅速关小第二调节阀、第三调节阀，并逐渐关小第一调节阀和第四调节阀，在保持稳定燃烧的情况下，降低燃烧器负荷。

[0058] S3.6、当煤粉燃烧器有灭火风险时，应迅速开大第一调节阀和第四调节阀，并逐渐开大第二调节阀、第三调节阀，以便迅速稳定燃烧。

[0059] S3.7、在燃烧较为稳定的情况下，如果减少通过第一调节阀供应给氢气枪的氢气量，或者减少通过第二调节阀供应到送粉管道的氢气量两种方式均能够稳定燃烧，则减少通过第一调节阀供应给氢气枪的氢气量能够更多的减少氢气耗量，具有更好的经济性，应该优先采用。

[0060] 可以理解的，本实施例中的动力装置、调节阀和图像采集装置等，连接有数据处理器和控制器等，数据处理器可以对图像数据和调节阀开度等进行处理和整理，控制器可以根据数据处理器提供的数据等，对各调节阀及其他动力装置等进行控制。

[0061] 在一些实施例中，通过电解水制氢作为媒介，通常用电负荷低的时间段，上网电价也较低，燃煤机组有深度调峰的需求，通过谷价电制氢来调节煤机电负荷的同时，利用副产的氢气和氧气来进行低负荷助燃，进一步降低锅炉的最低稳燃负荷，富余的氢气和氧气可以在煤机启动时进行氢气点火，在条件允许的情况下也可以考虑外售。在风电和光伏装机占比较大，且逐渐升高的情况下，电网的调峰需求变得越来越大，有时在同一天内煤机就存在电负荷变化需求范围20％～100％，同时也存在连续多日光伏和风电均发电量较高，煤机需要长时间深度调峰运行，锅炉由于煤质的原因，稳燃的压力较大，电解水制氢、氢气点火和助燃可以适应这种长期的需求。经初略估算，在使用氢气助燃的情况下，锅炉的最低稳燃负荷可以从40％至少降低到30％，再考虑到电解水制氢消耗的12.5MW电能，则机组的供电负荷约可以下降总计约15％左右，减少了负电价的经济损失。

[0062] 单台锅炉氢气和氧气助燃将最低稳燃负荷从40％降低到30％，增加调峰能力10％，深调时间1000小时，上网电价为‑0.08元/kwh，发电成本0.30元/kwh。暂按2台机组进行氢气和氧气助燃考虑，则负电价时段节省的上网电费合计2*(0.08+0.3)*300*1000*0.1*
1000/10000＝2280万元。年制氢小时数按照全年3000小时考虑，上网电价为‑0.08元/kwh，其它运行成本按照0.1元/kWh考虑，则电解水制氢电价为0.02元/kwh。全年制氢674t，煤机掺氢消耗357t，外售氢气317t，按照15元/kg，则外售氢气收益475万。按照投资约1亿元计算，每年收益2755万，预计5年左右收回投资，取得较好的经济效益。

[0063] 另外，氧气加入燃煤锅炉增加了煤粉燃烧所需氧，煤粉燃烧更充分，有利于锅炉稳燃，也能有效降低飞灰及大渣可燃物；氧气加入燃煤锅炉可以降低送风量，送风量减少，风机电耗降低，能进一步降低厂用电；降低送风量，排烟损失会减少。使用氢气替代部分燃煤，并且降低了燃煤机组的最低负荷，以上两种效果均可以降低机组全年的二氧化碳排放量。

[0064] 在一些实施例中，还可以用甲烷或者其它可燃气体替换氢气来完成点火和助燃。

[0065] 实施例2：

[0066] 本实施例提供了一种煤粉锅炉氢气点火稳燃方法，采用了如实施例1中所述的煤粉锅炉氢气点火稳燃系统，包括：打开所述第一调节阀，向燃烧器内注入氢气进行点火；注入氢气点火后，打开所述第二调节阀和所述第三调节阀，向所述煤粉管道内注入氢气，使得燃烧前的煤粉提前混入氢气，以及向燃烧器内注入氧气。

[0067] 在一些实施例中，可选的，所述电解水制氢装置通过煤机降压变，在发电机出口至电力GIS之间取电。利用机组的谷价电制氢。

[0068] 在一些实施例中，可选的，当锅炉需要点火时，开始点火时，打开第一调节阀和第四调节阀，氢气被点燃后，打开第二调节阀向送粉管道内掺混入氢气，并将氧气借助二次风送入燃烧器进行助燃；

[0069] 在保证不超过爆炸极限的前提下，增大第二调节阀和第三调节阀的开度，增加点火初期在燃烧器中掺混的氢气量和氧气量；当煤粉稳定燃烧后，随着燃烧器热负荷的提升，逐渐减小第二调节阀和第三调节阀的开度，减少掺混入的氢气量和氧气量，当煤粉能够独立稳燃后，逐渐关小第一调节阀和第四调节阀，退出点火枪的运行。当锅炉负荷降低到无法稳燃时，首先在送粉管道掺混入氢气的同时，将氧气送入到二次风进行助燃；当负荷进一步降低出现燃烧不稳定时，增加第二调节阀和第三调节阀的开度，增加投入的氢气量和氧气量，而当掺混入的氢气量达到设定的最大比例时，保持第二调节阀和第三调节阀的开度不变，如果此时负荷进一步降低，燃烧器无法单独稳燃，逐渐开大第一调节阀和第四调节阀，投入燃烧器中心单独设置的氢气枪的氢气和冷一次风，使用氢气枪进行稳燃。

[0070] 在一些实施例中，可选的，对火焰进行观察，点火时，如果火焰不稳定，调整第一调节阀和第四调节阀的开度，形成稳定火焰；如果火焰小于预设长度，同时加大第一调节阀和第四调节阀的开度；如果火焰出现脱火风险，同时减小第一调节阀和第四调节阀的开度；

[0071] 点火和助燃过程中，当投入氢气枪，并打开第二调节阀向送粉管道中掺混氢气时，当火焰不稳定，则通过第三调节阀来增加氧气的供应量；当煤粉燃烧器附近温度超过预设温度时，关小第二调节阀和第三调节阀，并逐渐关小第一调节阀和第四调节阀；

[0072] 在燃烧稳定的情况下，如果通过调节第一调节阀减少供应氢气量，或者通过调节第二调节阀减少供应氢气量，均能够稳定燃烧时；则通过第一调节阀减少供应氢气量。

[0073] 实施例3：

[0074] 本实施例提供了一种煤粉锅炉，采用了如实施例1中所述的煤粉锅炉氢气点火稳燃系统；所述煤粉锅炉的其他设置可以通过现有技术实现，在此不再详述。

[0075] 以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。