[科普中国]-等离子燃烧技术

简介

大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核，为了减少重油（天然气）的耗量，传统的做法是提高煤粉的磨细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等等2。

等离子燃烧技术是指采用直流空气等离子体作为点火源，实现锅炉的冷态启动不用一滴油的无油点火的燃烧技术，利用直流电流（280---350A）在介质气压0.01-0.03Mpa的条件下接触引弧，在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成T>5000K的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉 燃烧所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）.

等离子体的促燃特性当煤粉在等离子体中燃烧时,会形成T>4000K和温差非常大的局部高温区。在这种情况下,煤粉颗粒会在高温的热冲击作用下,迅速的释放出挥发分,从而迅速点燃周界的煤粉气流。因此等离子体点火与常规的点火从本质上有着的很大的区别3。

(1)等离子体点火过程中能够生成容易着火的低着火点双相燃料当一次煤粉进入到等离子体中时,煤粉与空气氧化剂发生热化学作用,很容易获得易燃的双相燃料,也就是可燃气体和焦碳残余物。实践证明这些双相燃料可以达到该煤种在普通燃烧情况下有机物质量的2570一3000W。由于这种双相燃料在自然工况下就很容易进行燃烧,所以,采用等离子点火对煤粉火焰的可靠稳定性有非常显著的作用。

(2)等离子体点火过程中能够再造挥发分

在一次风粉气流通过等离子体时,煤粉颗粒就会由于热激化而破裂粉碎,致使固相反应表面积急剧增加,这样就显著加速了挥发分的产生和析出。而且这个过程往复循环进行。根据资料显示:在煤粉颗粒受到快速加热时,煤粉颗粒由于被热激化而产生的内部热应力可使其在很短的时间内破碎成大约8一10个更细碎的煤粉颗。

(3)等离子体点火能提高燃料煤粉的反应度,降低煤粉的着火温度。

由于等离子流与煤粉空气的混合作用,在大约为2000一3000K的温度下,只要接触时间在10-45数量级范围内,就会产生大量的活性粒子,显著提高了燃料煤粉的反应度。有关实验证明,能量高达250Mw/m3的等离子体电弧和其中的化学活性粒子,比如:O、C、OH、O2、H2和电子气体,都可加速热化学转换。有关资料显示[39]:即使在空气氧化剂中夹杂大约0.6%的很少量的原子氧也足以会使煤粉颗粒的着火温度下降大约3/8,着火前的预热时间减少2/3,而原子氧在T=2500K的空气中就可以达到这种均匀程度,在T二400OK时原子氧浓度可以达到2.5%的高度。

(4)等离子体可以实现以较低的点火功率去点燃较大热功率的煤粉燃烧器的目的。

等离子燃烧器工作原理点火机理本装置利用直流电流280-350A在介质气压0.01-0.03MPA的条件下接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成T>5000K的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子火核受到高温作用，并在0.001秒内迅速释放出挥发物，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧4．

工作原理本发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈，阴极，阳极组成．阴阳极由高导电率，高导热率，抗氧化的金属材料制成；并采用水冷方式以承受电弧高温冲击.其拉弧原理：首先设定输出电流，当阴极前进与阳极接触后，整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105W/cm．为点燃不同的煤粉创造了良好的条件

燃烧机理根据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配的原设计了多级燃烧器．在建立一级点火燃烧器过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区．燃烧器共分四区，第一区加设了气膜冷却技术避免了煤粉的贴壁流动和挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题；第二区为混合区，在该区一般采用浓点浓的原则，环型浓淡燃烧器的应用将淡分流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧．第三区为强化燃烧区，在第一，二区内挥发分基本燃尽，为提高疏松炭的燃尽率采用提前补氧强化燃烧的措施，第四区为燃尽区，疏松炭的燃尽率，决定火焰的长度， 等离子点火燃烧系统组成。

等离子燃烧系统组成燃烧系统与以往燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器．等离子有再造挥发分的效应，这对于点燃贫煤强化燃烧有特别的意义5．

等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。

根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，如下图所示，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500 - 800kg/h之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并以次逐级放大，最大可点燃12T/H的粉量。

风粉系统给粉机，磨煤机，暖风器，一次风系统，气膜风系统．二次风系统．

等离子发生器它是用来产生高温等离子电弧的装置．主要有阳极组件，阴极组件，线圈组件三大部分．还有支撑支架配合安装．

在两极间加稳定的大电流，将两极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极，带负电的离子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极．线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧．

阳极组件：阳极，冷却水道，压缩空气通道及壳体等构成．为确保电弧能够尽可能的拉出阳极以外，在阳极上加装压弧套．

阴极组件：阴极头，外套管，内套管，驱动机构，进出水口，导电接头等构成． 线圈组件：导电管绕成的线圈，绝缘材料，进出水接头．导电接头，壳体等构成．

等离子电气系统它用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置，其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路将三相交流电源变为稳定的直流电源，其由隔离变和电源柜两大部分组成，电源柜内主要有晶闸管组件，直流调速器6RA70，直流电抗器，交流接触器，控制PLC等．

隔离变：380V/360V；200KVA；50Hz； 三/星；自然冷却；F级；100K；AC3/3； 材料30Q130 冷扎有趋向硅钢片，环氧树脂真空浇注．一次绕组接成三角形，使3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响， 整流柜：尺寸800*800*2055 型号PS4000

额定输入电压：3 AC 400(+15%-20%) 额定输入电流：332A

额定频率：45-65Hz 额定输出电压：485V 额定输出电流：400A 过载能力：180%

额定输出功率：194KW

额定直流电流下的功耗：1328W

冷却风扇

380V AC 3P 50Hz 0.3A

整流电路：三相全桥整流电路为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，因此整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管倒通，才能形成导电回路，其中一个是共阴极的，另一个是共阳极的，所以必须对两组中要倒通的一对晶闸管同时给触发脉冲．可采用两种办法：一种是给每个触发脉冲的宽度大于60度（80－100），称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60的宽脉冲，称双脉冲触发，等离子电源柜采用的是后一种．

等离子空气系统压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要压缩空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统的需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。具体实现方案如下：

1） 压缩空气有空压机经过滤装置储气罐出口母管的管道分别送到等离子点火装置。

2）等离子点火装置上的压缩空气管道上设有压力表和一个压力开关，把压力满足信号送回本燃烧器整流柜。

3）等离子点火装置入口的压缩空气压力要求在0.02Mpa左右，每台等离子装置的压缩空气流量约为1.0NM3/min -1.5NM3/min。

4）压缩空气系统中同时设计有备用吹扫空气管路，吹扫空气取自图像火检探头冷却风机出口母管，用于保证在锅炉高负荷运行、等离子点火器停用时点火器不受煤粉污染。

等离子冷却水系统等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5000K到10000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁。故需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极，因此需要保证冷却水不低于0.3MP的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。具体设计方案如下：

1）冷却水系统采用闭式循环系统，由冷却水箱、冷却水泵、换热器及阀门、压力表、管路组成，冷却水泵两台互为备用。系统材质均为不锈钢。

2）冷却水经母管分别送至等离子点火器，冷却水进入等离子装置后再分两路分别送入线圈和阳极，另一路进入阴极等离子装置来水管道上设有手动调节阀。

4）每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至整流柜PLC，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。

技术优势1、经济实用：运行费和技术维护费仅是使用油点火时费用的20%左右。电源的效率较通常使用的可控硅或硅整流高10%，达到了省电的目地，降低了运行成本。

2、适用广泛：在燃烧器的设计上采用了分级燃烧、气膜冷却及浓淡分离等技术，使其适应煤种范围宽，对煤粉细度无特殊要求，且出力大、不结焦、耐磨损、使用寿命长；

3、结构紧凑：不需要外设隔离变压器、电抗器、限流电阻等大功率设备和器件，设备投入少，占地面积小。另外，由于等离子发生器采用了最新型的结构，不仅电极的寿命大幅延长，体积和重量也比较小，便于现场的安装与维护。

4、调节范围大：等离子发生器的输出功率调节范围是30～150KW，可以适用于不同的煤种和调峰的需要。

5、安全环保：由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了厂区环境。

等离子体燃烧器的整套启动的注意事项1) 严格按照运行规程要求的上水温度、上水时间对锅炉进行上水2。

2) 等离子体点火燃烧器投入运行的初期， 要注意观察火焰的燃烧情况、 电源功率的波动情况，做好事故预想，发现异常，及时处理。

3) 等离子体点火燃烧器投入运行的初期，为控制温升，上部二次风门要适当开大，注意观察、记录烟温探针的温度，防止吹管临时系统、再热器系统超温。

4) 在锅炉启动的过程中，对锅炉的膨胀加强检查、记录。

5) 在点火前，要根据给煤量与一次风速等参数，做好风粉速度、煤粉浓度等重要参数的预想，并在点火的过程中，根据煤粉着火情况，有根据的加以调整。

6) 在“等离子方式”下运行，等离子体发生器中的 1 个断弧时，控制系统会在规定的时间内自动关闭相应的风管一次风气动快关门，光子牌将发出声光报警，此时运行人员应及时检查断弧原因，尽快恢复等离子体发生器的运行。

7) 在“等离子方式”下运行，当任意 4 个以上等离子体发生器都断弧时，在规定时间内控制系统自动保护停将 A 磨煤机，并进行炉膛吹扫，并仔细检查断弧原因，待问题解决后再继续进行试运。

8) 当锅炉负荷升至断油负荷以上且等离子体点火器在运行状态时，应及时将磨煤机运行方式切至正常运行方式，防止因等离子体点火器断弧造成磨煤机跳闸。

等离子点火系统存在的问题尽管等离子点火能节油而产生很大的经济效益,但在使用过程中还存在以下问题:2

a.根据电厂扩建工程合同,在机组投产后必须做锅炉性能考核试验,在锅炉性能考核前和调试期间仍然需要使用柴油点火和稳燃。

b.燃烧器是上海锅炉厂制造的摆动式燃烧器,B层燃烧器由于安装了等离子发生器而使该层燃烧器无法进行摆动,无法对该层炉膛温度进行调节。

c.为了节约燃油,等离子点火需要在尽可能低的负荷下投入,要求等离子点火负荷必须大于磨煤机允许的最低出力,其结果造成等离子点火时在炉膛温度不高的条件下,锅炉燃煤量突然加大,炉膛热负荷急剧增加,造成炉膛温度从室温迅速上升,对锅炉设备带来热冲击。锅炉制造厂通常要求油枪将锅炉负荷带到15%BMCR以上时

等离子燃烧技术现场应用江苏徐州发电厂老厂三期工程6670t/h锅炉为四角喷燃切向燃烧、中间再热、自然循环固态渣煤粉炉,中间储仓式制粉系统,由东方锅炉厂制造,所用的燃烧器为直流燃烧器。该炉在改造中采用了等离子点火技术,在取得成功的基础上,又在扩建工程中继续应用,节油效果明显。本期扩建工程装机容量为2台300MW,锅炉为SG-1036/17.5-M874型,过热蒸汽温度为541℃ ,燃烧器为直流燃烧器,采用亚临界控制循环、平衡通风、一次再热、四角摆动喷嘴、切向燃烧、固态排渣,制粉系统采用中速磨直吹式。采用烟台龙源电力技术有限公司研制的DLZ-200型等离子点火装置。燃烧器采用兼有主燃烧器功能的等离子燃烧器,锅炉启动时它能采用等离子点火,正常运行时它能喷射煤粉作为主燃烧器。目前,等离子燃烧器共有两种型式,一种是上述兼有主燃烧器功能的等离子燃烧器,通常用于直吹式制粉系统;另一种是专门用于点火及稳燃的等离子燃烧器,它单独地布置在主燃烧器旁边,通常适用于中间贮仓式制粉系统。等离子点火和低负荷稳燃都是通过等离子燃烧器实现的,该工程燃烧器四角布置,每个角共分五层,自下而上分别为A、B、C、D、E层,对应的磨煤机分别为A磨、B磨、C磨、D磨、E磨。兼有主燃烧器功能的等离子燃烧器布置在B层。

为了达到等离子点火和低负荷稳燃目的,徐州电厂扩建工程设计主要增设了如下系统:a.暖风系统。目前,等离子燃烧装置在冷炉条件下用冷风制粉去直接点燃冷粉尚有一定的难度,要求磨煤机出口的风粉混合物具有一定温度。通常要求磨煤机出口的一次风温度达到70℃(磨煤机进口一次风温度为160～170℃),因此在B磨一次风道中安装了暖风器,采用辅助蒸汽加热一次风。由于暖风器仅用于锅炉启动点火和低负荷稳燃用,因此在磨煤机的入口风道上设置旁路风道来安装暖风器,同时在暖风器进出口各设置1个电动风门,辅助蒸汽参数压力为1.30MPa,温度为330℃。b.等离子载体系统。用高压离心风机提供8～12kPa冷风作为等离子载体。该风机同时提供等离子图像火检探头和冷却风。高压头离心风机风压比压缩空气系统稳定,有利于稳定等离子发生器电弧。用离心风机提供等离子载体,等离子点火系统投入更快,每台炉设置2台100%容量的高压离心风机,一台运行,另一台备用,高压离心风机布置于炉前平台标高6.40m处。