火焰检测器在粉煤水冷壁气化炉上的应用

2011-02-09孙西红

河南化工 2011年6期

孙西红

(水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 ,山东滕州 277527)

水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心长期研究煤气化技术,在开发的粉煤水冷壁气化炉上使用希格茨曼电子仪表有限公司研发的 FMS-3型紫外 /红外复合式火焰检测器 (UV/IR),作为气化炉点火和投料时判断是否成功的主要依据。在点火方式上冷壁型气化炉与热壁型气化炉是完全不同的,热壁气化炉在烘炉的同时,其内部的耐火砖可以蓄热,温度可以达到 1 000℃以上,热辐射可以直接点燃喷入炉子的原料 (煤浆和燃料气)。然而冷壁型气化炉仅有 15 mm的耐火材料,而且水冷壁内部循环的水还不断向外部携带热量,无法做到蓄热,点火只有使用易燃介质进行。在点火过程中燃料、氧气、电火花三者共存,稍有失误就会发生爆炸事故,点火过程的安全尤为重要。点火时系统温度压力基本没有变化,火焰检测器几乎就是唯一的判断手段。气化炉原始开车进行火焰稳定性测试时,火焰检测器经常出现误报现象,停车后综合分析,多次存在炉内实际已经点着但火焰检测器没有检测到的情况,所以我们对检测角度和检测方式等进行了一些改造,点火和投料成功率明显提高。

1 工作原理

可燃物质在燃烧过程中都会发出不同频率或不同波长的可见光、红外线和紫外线。煤或煤粉在燃烧过程中,火焰发出红外线含量占主要部分。通过检测红外线检测火焰的燃烧状况。但是当火焰熄灭后,炉膛内处于高温状态,仍有大量的红外线,所以仅仅凭红外线的存在来判断火焰的燃烧不够准确。当火焰燃烧时,空气与火焰接触的部分会因电离而产生紫外线,波长在 185～250 nm。一旦火焰熄灭,紫外线就消失。因此,通过检测紫外线的有无可以判断出火焰是否在燃烧,而单纯的通过紫外检测也容易产生误判,比如现场有紫外光源如电弧、雷电或日光等干扰。紫外检测对温度的变化不敏感,而红外感应变化具有延时性,响应速度低。在以煤粉为主要燃烧物质的燃烧中,一般采用复合传感器检测,这样检测效果好,误报率低。

检测部分由一个紫外线和一个红外线进口传感器集合而成。这两个检测单元同时分别探测不同的光谱区,智能识别,完成综合判定。紫外传感器自己配置一个高压驱动电路,以脉冲信号的形式输出,当传感器检测到紫外线时,便输出一系列的脉冲信号。红外传感器由 PZT材料做成,具有较大的热释电系数和高阻抗,光谱范围较宽。它输出的是毫伏级的微弱交流电压信号。只有当两个探头均检测到火焰时,才会输出一个报警信号。经光电转换后,再由多级放大电路转换成 0～5 V的电压信号,最大不可调误差为 ±1 LSB。采样由 8位逐次逼近式 A/D转换芯片,时钟频率范围:10～1 280 kHz,当时钟频率在500 kHz时,它的转换时间是 128μs以内,功耗为15 mW,足以胜任对速度的要求,不进行零点和满度调整。A/D转换芯片的 8路模拟开关的地址由ADDA/B/C确定。此处,只用到两路输入通道,分时轮流进行采样转换,并转换成数字信号给智能微处理器,智能微处理器对两路信号进行滤波及量程转换,便可以直观的判断出气化炉内火焰燃烧的情况。

2 火焰检测器安装与工作方式

两只火焰检测器、一只点火枪和高温热偶均匀分布在烧嘴座上,以相同角度均布插入烧嘴座,点火枪在烧嘴座内的部分直径为Φ=20 mm,深入炉内部分为Φ=10 mm,深度为 557 mm,前端变细后可减少头部高温烧结物的体积。火焰检测器深入烧嘴座内部的氮气通道端部与烧嘴座平齐。烧嘴座设冷却水管,冷环境保护深入其内各部件。在控制室监控画面设置信号指示灯,可以显示两种信号红色或者绿色,火焰检测器检测到火焰信号时显示绿色,检测不到时显示红色。火焰检测器相当于一只“眼睛”,只能看到视线范围内的火焰,点火器端部就是火焰检测器的视线中心,理论上从点火器开始放电火焰检测器就能检测到信号。火焰检测器信号随着安全逻辑系统的运行投入或退出,信号投入联锁后如果检测不到火焰信号,延时 3 s系统跳车。点火成功后通过提高氧气量和燃料气量系统升温升压,0.2 MPa时煤粉投料,投料成功后气化炉内温度压力升高很快,当炉温达到 1 000℃以上时火焰检测器联锁信号退出安全逻辑系统,关闭火焰检测器检修截止阀。

火焰检测器在气化炉上安装后如图2所示。火检是火焰检测器的核心单元,检测原件和信号转换元件都安装在里面。通过耐压玻璃从通道观察气化炉内火焰燃烧情况,玻璃下面设隔热节,使用水冷夹套,进出水管为Φ =15 mm,冷却水压力为 0.4MPa,内部有折流板,用于防止热传导及磁场对产品的电磁干扰。截止阀 (后改为球阀)可以隔开两路吹扫氮气,在微正压及正压工况下起到平衡压力防护功能,工艺配风形成螺旋逆向吹扫风,起到冷却清洁镜片及光学通路作用。吹扫气和隔热节对视镜玻璃均起到保护作用,火焰检测器在恶劣的环境中也能正常工作。

图1 火焰检测器安装位置示意图

图2 火焰检测器结构

3 遇到的主要问题与解决方法

火焰检测器在使用过程中存在误报现象,观测通道长,观测范围较窄,当炉内火焰“发飘”时经常检测不到信号,严重影响点火系统运行,所以先后进行了两次大的改造。

3.1 第一次改造

2007年装置建成并进行煤种试烧,掌握了气化炉点火、投料、挂渣、水系统运行特性等主要技术,同时也遇到了技术难题,主要表现为点火成功率低。点火枪与火焰稳定性调试成功后,15次煤粉投料试验共点火 46次,成功 22次,点火成功率 47.8%。因火焰检测器检测不到火焰信号或信号显示延后造成点火失败 20次,占点火失败率的 83.3%。解决点火器与火焰检测器信号配合问题,会大大提高点火成功率。

从工艺和火焰检测器方面进行了改进,缩短了火焰检测器观测管路,降低了管道及附件对火检检测的影响,增加火检的稳定性。

工艺整改:①为防止开车后火检对点火电弧的误报,点火器放电时间由 11 s延长至 17 s;②点火氧气和合成气量增加 50%。③截止阀改为球阀,硬密封,防火结构,耐温 500℃。

整改前火焰检测器状况:①气化炉顶部火焰检测器为 A、B两只且与炉子轴线成 10°夹角;②火检观测管道长约 1 205 mm,管道通径为 25 mm;③每条火检管路上均装有两支DN25的球阀以备极端情况下炉内气体窜出时关闭该管道;④截止阀组两端分别配有中压吹扫氮气管线。正常开车情况下约有30 Nm3/h通过四路吹扫氮气管线经火检管路进入气化炉。

整改后火焰检测器状况:①由氮气母管分别引出四路Φ14 mm×2.5 mm的不锈钢管,分别接在两火检的四路氮气入口处;②每条管道上安装两道针型阀,用以控制流量,使氮气分配均匀;③每路火检管路上的球阀由 2支改为 1支。火检管路长度缩减至 1 030 mm,减小了管路形变,增加火检管路的稳定性。

3.2 第二次整改

2008年第二个煤种试烧经历 13次点火,成功 8次,成功率 61.5%,其余 5次均因为火检信号不稳定手动停车或跳车。相比 2007年的点火情况,成功率有明显提高,但影响点火成功的因素还要进一步探索。

点火成功率提高的原因:①前期对火焰检测器进行了改造。②点火之前清洗火检视镜、清理火检通道,清理完后基本能一次点着,效果明显。③点火之前调试点火枪,确保放电正常。

此次主要改造内容:①为了更好的检测到火焰,防止煤粉弥散遮挡火焰,影响火检信号的大小,适当增加了进入火检通道的氮气量,达到 40 Nm3/h。②使进入两个火检通道的氮气量分配的比较均匀,防止了检测口结焦、透镜前结焦、镜头有雾等影响检测火焰的因素。③重新调整了瞄准管位置,使火焰检测器探头的视线与烧嘴火焰的角度大一些。

4 改造效果

两次改造后又进行了两个煤种的试烧,火焰检测器的稳定性有很大提高。累计点火 16次,成功12次,失败 4次,两次因为燃料气流量故障导致,一次由于两只火焰检测器从点火器开始放电一直都未检测到信号手动停车,分析认为是点火枪故障,没有正常放电。一次由于从点火器开始放电火焰检测器就检测到信号,但两个信号都不稳定,交替闪烁,两只火检同时检测不到信号后延时 3 s系统跳车。点火成功率达到 75%,实际点火成功但火检检测不到的情况只有一次,可以看出改造后效果明显,基本消除了火焰检测器误报情况。

投料时炉内火焰范围大,火焰检测器实现范围内火焰稳定没有发“飘”现象,表现稳定,四年来没有出现过投料失败的现象,成功率达到 100%。详见表1。