（工程热物理专业论文）用于电站锅炉煤粉点火的等离子体发生器的研究.pdf

中国科学技术大学 摘要 摘要 电站锅炉启动用油是构成电厂发电成本的重要组成部分。由于世界能源的缺 乏，石油的价格持续上涨，如之我国又是一个缺油少气的国家，开发新的点火技 术直接点燃煤粉代替燃油，以减少燃油耗量，降低发电成本具有很大的经济效益 和社会效益。 利用电弧等离子体的极高温度( 1 0 0 0 0 k ) 和化学活性，使煤粉快速升温、快速 热解挥发、促进煤粉快速点燃。已开始在中国推广应用。目前国内的电站锅炉等 离子体煤粉点火装置普遍采用等离子体炬的射流尾焰点燃煤粉。由于尾焰区域已 不是电弧等离子体的高温区，等离子体的高温快速点火效果不能发挥，不易点燃 低挥发份煤粉，而且等离子体炬的功率损耗大，这些造成点火功率大，从而增加 了点火能耗和电极损耗，目前已有技术的电极寿命还不够理想同时对等离子体 炬的冷却要求和空气压力的要求，使设备复杂化，增加了运行维护量。 根据电站锅炉煤粉点火的特点和要求，研究了一种新型的等离子体发生器： 将电弧放电通道设置在煤粉输运通道中，煤粉直接受到电弧通道中等离子体高温 作用，充分发挥电弧等离子体高温快速加热煤粉、产生超量易燃挥发份的特点， 提高了煤粉的着火速度和点火效率。 为此，本文提出了这种类型等离子体发生器多种结构设计，研究了这些发生 器中的电弧特性( 伏安特性、电弧形状、电弧电压波动、弧根的运动规律、电弧 的稳定性等) 以及与工艺参数( 电流、气体流量与流动方式、煤粉浓度等) 之间 的关系、电极性能、点燃煤粉的效果、结焦问题等，取得了可点燃挥发份为1 3 的煤粉( 6 0 k w ，1 8 0 k g h ) 的结果。 本课题的研究得到了国家自然科学基金的资助( n o 1 0 3 7 5 0 6 5 ， n o 1 0 6 7 5 1 2 2 ) 和安徽省能源集团公司的支持。 关键词：等离子体发生器，煤粉点火，电极，电弧特性，电站锅炉 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c f t h ec o s to fo i lu s e df o rt h eb o i l e rs t a r t u pa c c o u n t sf o rl a r g ep o r t i o no fp o w e r g e n e r a t i o nc o s t w i t ht h ew o r l d w i d el a c ko fe n e r g y , t h ep r i c eo fp e t r o l e u mc o n t i n u e s t 0r i s e c h i n ai sa l s oo u to fo i la n dg a s ，t h e r e f o r ed e v e l o p sad e wi g n i t i o nt e c h n o l o g y t oi g n i t ec o a lp o w d e rd i r e c t l yi n s t e a do fo i l ，r e d u c e so i lc o n s u m p t i o na n dg e n e r a t i o n c o s t , w h i c hh a sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a le f f i c i e n c y t h eh i g ht e m p e r a t u r e ( 1 0 0 0 0 k ) a n dt h ei n t e n s ec h e m i c a lr e a c t i v i t yo f a r ep l a s m a h a v eb e e nt a k e na d v a n t a g eo ft op r o m o t et h ep y r o l y s i so ft h ec o a lp o w d e ra n d f a c i l i t a t et h ei m m e d i a t ei g n i t i o n s u c ha p p l i c a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h i n a a t p r e s e n t d e v i c ef o rp l a s m ac o a lp o w d e ri g n i t i o ni nd o m e s t i cp o w e rp l a n tb o i l e r c o m m o n l yu s ep l a s m aj e tf l a m et oi g n i t ec o a lp o w d e r b e c a u s et h ep l u m er e g i o ni s n o th i g ht e m p e r a t u r ea r e ao ft h ee l e c t r i ca r cp l a s m a , t h ep l a s m ah i g l lt e m p e r a t u r ef a s t i g n i t i o ne f f e c tc o u l dn o td i s p l a y , a n dn o te a s i l yt ol i g h tt h el o wv o l a t i l ec o a lp o w d e r , n l o r e o v e rt h ep o w e rl o s so ft h ep l a s m at o r c hi s b i g ，w h i c hi n c ：l e a s e st h ei g n i t i o n p o w e l , t h u si n c r e a s e st h ei g n i t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ee l e c t r o d ee r o s i o n a n d t h ee l e c t r o d el i f eo fn o w a d a y si sn o ti d e a l m e a n w h i l et h er e q u i r e m e n t so fp l a s m a t o r c hc o o l i n ga n dt h ea i rp r e s s u r ec a t l l s et h ee q u i p m e n tc o m p l i c a t e d ，i n c r e a s et h e a m o u n to f o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e q u i r e m e n to fc o a lp o w d e ri g n i t i o ni n p o w e rp l a n tb o i l e r , h a ss t u d i e do n ek i n do fn e wp l a s m ag e n e r a t o r ：e s t a b l i s h e st h e8 r c d i s c h a r g ec h a n n e li nt h ec o a lp o w d e rt r a n s p o r t a t i o nc h a n n e l ，t h ec o a lp o w d e rd i r e c t l y r e c e i v e sa c t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ep l a s m ai ne l e c t r i ca r cc h a n n e l ，w h i c ha c c e l e r a t e s t h eh e a t i n gp r o c e s sa n dp r o d u c e ss u r p l u sf l a m m a b l ev o l a t i l es u b s t a n e e s ，a c c e l e r a t e s c o a lp o w d e rt oi g n i t ea n di n c r e a s e si g n i t i o ne f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep l a s m ag e n e r a t o ro ft h i st y p ei nv a r i o u s s t r u c t u r a ld e s i g n s ，h a ss t u d i e dt h e 觚c h a r a c t e r i s t i c ( v o l t a g e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c ， e l e c t r i ca r cs h a p e ，a l ev o l t a g ef l u c t u a t i o n s ，a r cr o o t sm o v c m e n ：t a r cs t a b i l i t ya n ds oo n ) a n dt h er e l a t i o n s h i pw i t ht h ec r a f tp a r a m e t e r s ( e l e c t r i cc u r r e n t , g a sf l o wm o u n ta n d m o b i l ew a y , c o n c e n t r a t i o no fp u l v e r i z e dc o a la n ds oo i l ) ，t h ee l e c t r o d er , e r t o r m a a e e ， t h ee f f e c to fc o a lp o w d e rb e e ni g n i t e d e o k i n gp r o b l e ma n ds oo n , 啪i g n i t ec o a l p o w d e r ( 6 0 k w , 1 8 0 k g h ) 晰t h1 3 v o l a t i l ec o m p o n e n t t h i st o p i cr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t 州o 1 0 3 7 5 0 6 5 ，n o 1 0 6 7 5 1 2 2 ) a n dt h ea n h u ip r o v i n c ee n e r g yg r o u pc o m p a n y k e yw o r d s ：p l a s m ag e n e r a t o r , c o a lp o w d e ri g n i t i o n , e l e c t r o d e ，a r cc h a r a c t e r i s t i c ， m 中国科学技术大学硕士论文 插图及附表目录 图1 1 图1 2 图1 3 图i 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 i 图1 1 2 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 - 图3 。1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 t 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 插图及附表目录 自稳弧长轴线式等离子体发生器 固定弧长等离子体发生器 管状电极轴线式等离子体发生器 同轴式等离子体发生器 直流气稳等离子体发生器 旋流气稳等离子体发生器 喷镀用液稳等离子体发生器 等离子炬( a ) 转移孤式( b ) 非转移弧式。 直流电弧等离子体发生器( a ) 热阴极 冷阴极或管弧 美国专利等离子点火装置图 粉状燃料燃烧器 中国专利等离子体煤粉锅炉点火装置图 实验装置系统图 电弧电压测量原理图 管弧等离子体发生器原理图 管弧等离子体发生器实物图。 管弧等离子体发生器空载运行系统图 管弧等离子体发生器空载运行电弧射流照片 1 3 1 7 2 0 2 5 2 5 管弧等离子体发生器不同工作气量时的伏安特性2 8 i = 1 5 0 a ，g = 9 m 3 h 弧压f f r 分析 i = i 7 0 a ，g = 9 t n j ，h 弧压f f t 分析 i = 1 8 5 a ，g = 9 m 3 ，h 弧压f f r 分析 i = 2 0 0 a g = 9 i l h 弧压f f t 分析 i = 2 1 5 a ，g = 9 m ，h 弧压f f r 分析 i ；1 8 5 a ，g 。9 m 3 h 弧压f f r 分析 i = 1 8 5 a ，g = 1 2 m 3 h 弧压f f t 分析 1 ；1 8 5 a ，g ；1 5 m 3 h 弧压孵分析 i = 1 8 5 a ，g = | 8 m 3 h 弧压f f t 分析 i t1 8 5 a ，g = 2 1 m 3 h 弧压f f r 分析一 管弧等离子体发生器点火实验装置简图 3 1 。3 l 3 2 煤粉放电通道混合型等离子体发生器装置图3 4 开裂的氧化锆陶瓷套筒 耐火泥打制的耐火内衬 空载电弧电压波形 注入煤粉后电弧电压波形3 8 空载电弧电压开叮分析 注入煤粉后电弧电压f 盯分析 双射流等离子体发生器装置原理图 双射流等离子体发生器装置实物图 双射流电弧高速摄影 4 0 4 l 4 1 5 5 6 6 7 7 8 8 9 2 中舀科学技术大学硕士论文插图及附表耳录 图3 ” 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图3 3 7 图3 3 8 图3 3 9 图3 4 0 图3 4 l 图3 4 2 图3 4 3 图3 4 4 图3 4 5 圈3 4 6 图3 4 7 图3 4 8 圈3 4 9 图3 5 0 图3 5 l 图3 5 2 图3 5 3 图3 5 4 图3 5 5 图3 5 6 图3 5 7 双射流等离子体发生器电弧电压诊断装置 4 2 双射流等离子体发生器电弧电压波形4 2 平行电极实验装置结构示意图 电弧电流测试原理图。4 4 电弧运动图片( 从阳极1 分流到阳极2 ) 一4 5 电弧运动图片( 从阳极2 分流到阳极1 ) 同时存在双弧根的电弧运动图片 电弧电压及电流波形 f f t 频谱分析 加入煤粉时的燃烧状态 阳极上弧根烧蚀区域 4 6 4 6 4 7 4 7 四阳极等离子体发生器 阳极电极烧蚀图片 阳极弧根在阳极l 上照片 阳极弧根在阳极2 上照片 阳极弧根在阳极3 上照片 阳极弧根在阳极4 上照片 下游方向阳极照片 石墨阳极烧损照片 铁阳极与石墨阳极对比照片 双阳极石墨电极等离子体发生器实物照片 空载电弧电压、电流信号 空载电弧电压f f t 分析 注入煤粉时的电弧电压波形 注入煤粉时电弧电压f 盯分柝 限流片位于阴阳极间电弧电压、电流波形。5 8 点火前后对比照片 不同电流下的弧电压比较 无烟煤点燃火焰照片 烟煤点燃火焰照片 石墨阳极烧损形状 v 6 0 。6 l 钉孔记观舄站鲐弱锸 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：圭! ：塾 汕1 年占月1 日 中国科学技术大学硕士论文第一章引言 1 1 课题背景介绍 第一章引言 长期以来，燃煤发电机组锅炉的启停及低负荷稳燃都是采用燃烧轻油来实现 的。由于石油资源的有限和交通及其它工业的大量需求，世界各国都越来越重视 节油工作。开发新技术减少燃油、降低发电成本是广大科技工作者长期研究的课 题。 我国一次能源是煤多，石油相对较少，以煤代浊是符合我国国情的一项重要 的能源政策。面对国际原油价格上涨及国内电厂竞价上网政策的即将出台，减少 锅炉启动及低负荷稳燃用油，节油降耗，降低发电成本，提高竞争力，已成为发 电企业迫在眉睫的问题，更是国家和电力系统长期致力解决的问题。 电站锅炉等离子点火技术是一种新型锅炉点火燃烧技术，它是通过电离空气 获得湿度较高的等离子体，利用高能等离子体射流加热风粉混合物直接点燃煤 粉，从而在完全不需要任何燃油的情况下达到无油点火及稳燃的目的，满足锅炉 点火启动需求n ，。 自上世纪7 0 年代以来。美国、前苏联、澳大利亚等国相继研制开发了等离 子体煤粉点火技术嘲。美国韦斯汀豪电气公司、c e 公司先后研制了高能电弧点火 装置用于燃煤电站点火。前苏联各国在等离子体直接点火研究方面做了许多有益 的工作，取得了比较成功的经验。 在俄罗斯，低温等离子流点火煤粉燃烧器技术也得到广泛地研究和应用。对 俄罗斯主要煤种的实验表明：当等离子发生器的功率等于煤粉燃烧器功率的 0 i - - - - 1 5 时，可以保证低温等离子流稳定点火，并且煤粉火炬稳定燃烧。 1 9 9 3 年澳大利亚开发成功了用氮等离子体点燃煤粉的技术，所用功率为 5 0 k w ，已经在一台5 0 m w 机组锅炉上运行了5 年，能点燃各种煤种啪。 我国从二十世纪7 0 年代中期开始，清华大学、华中工学院、哈尔滨锅炉厂 和武汉锅炉厂等单位都曾进行过长期的等离子体点火装置系统研究阳，但由于几 项关键技术如燃烧器的结焦和烧损问题、电极的寿命问题等技术难点没有被攻 克，并未得到推广阎。烟台龙源电力技术有限公司在借鉴国外成功技术及总结国 内失败原因的基础上，于1 9 9 7 年开始研究适合中国国情的等离子点火装置，1 9 9 8 年8 月2 5 日在实验室制造出第一台样机并引弧成功，在常温送粉的情况下，成 功点燃了挥发分为1 3 的淄博贫煤旧。2 0 0 2 年，在烟台龙源电力技术有限公司与 黑龙江佳木斯发电厂的合作研究下。成功实现等离子无油点火启动，至今已经过 中国科学技术大学硕士论文第一章引言 了1 0 0 多次利用等离子点火燃烧器，实现机组无油点火启动、滑停、调峰的考验， 从而实现了工业应用。该装置解决了阴极和阳极的寿命短、小功率电弧直接点燃 煤粉、煤粉点火燃烧器结焦及烧损、等离子体电弧不稳、大功率特种电源长时间 运行可靠性差等多项技术关键“1 ，但其由于是用等离子体射流尾焰点燃煤粉，能 量损耗较大。 鉴于目前国内各大电站锅炉使用的等离子体发生器普遍存在的问题，从简化 设备、降低能耗、提高电极使用寿命等角度出发，设计一种新型的等离子体发生 器，是一次有意义的尝试。 1 2 电弧等离子体发生器及等离子点火基本原理 1 2 i 等离子体的定义、特点及分类 现代人往往用物质的三种状态( 固态、液态、气态) 的不同特点来划分物质。 近百年来，等离子体态才被看作物质的第四种状态。等离子体状态不同于其它物 质状态，它突出的一点是由带电粒子组成的电离状态。 p l a s m a 这个词是1 9 2 8 年朗谬尔最早采用的，我国曾译为等离子区，现 在译为等离子体，也有译为电浆的，英文这个词也指血浆实际上，更 早应该追溯到1 8 7 9 年不列颠协会的威廉克鲁克斯，他在作气体导电实验时确 认放电管中存在物质的第四态。 每块物质( 物体) 与外界不断交换能量( 供给或吸取能量) 以改变其聚集状 态根据物质的原子论，物质的原子、分子或分子团相互以不同的力或键力相结 合，构成不同的聚集态。固体是以粒子间结合力强的键构成晶格的，而当其粒子 的平均动能大于粒子在晶格中的结合能时，则晶格解体，固体转变为液体。液体 的粒子间由结合力较弱的键联系，如果外界进一步供给能量，使这较弱的键破坏， 则液体转变为粒子间没有作用键的气体。如果再对气体供给足够的能量，气体就 电离成电子和离子，而成为等离子体。实际上，只要部分粒子电离，并不需要整 个物体每个粒子都电离才呈现等离子体特征。例如部分电离的气体就有显著的导 电性质，从更广泛的意义上讲，有些固体、液体也呈现等离子体特征。固态金属 中晶格上正离子和运动的自由电子构成固态等离子体，半导体中电子和空穴也构 成固态等离子体。电解质溶液( 如食盐水溶液) 内部有数目相等的运动着的正钠离 子和负氯离子，也能导电。所以这种溶液也应属于等离子体范畴。 为此，可以下一个广义的定义；凡包含足够多的电荷数目近于相等的正、负 2 中田科学技术大学硕士论文第一章引言 带电粒子的物质聚集状态，称为等离子体哪。 等离子体作为物质存在的一种独立形态，它具有以下基本特点： ( 1 ) 导电性。由于存在自由电子和带正、负电荷的离子，因此等离子体具 有很强的导电性。 ( 2 ) 电准中性。虽然等离子体内部具有很多荷电粒子，但是在足够小的空间 和时间尺度上，粒予所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以称之为电准中性。 因为任何微小的空间电荷密度的存在，将产生巨大的电场强度使其恢复原状而保 持电中性，所以等离子体中电荷分离的空间尺度和时间尺度是很小的 ( 3 ) 与磁场的可作用性。由于等离子体是由荷电粒子组成的导电体，因此 可用磁场控制它的位置、形状和运动，例如电弧的旋转、电弧的稳定以及电弧熄 灭等现象。与此同时，荷电粒子集体运动的结果又可以形成电磁场。 等离子体的分类有多种方法。 按温度高低可以分为： ( a ) 高温等离子体。粒子温度为1 0 6 一1 0 。k ，如太阳，核聚变和激光聚变均属 于高温等离子体。 ( b ) 低温等离子体。粒子温度为从室温到3 x 1 0 k 左右其中，按重粒子温度 水平还可分为：( 1 ) 热等离子体。重粒子温度3 x l 矿一3 x 1 0 4 k 基本上达到热力学 平衡，所以具有统一的热力学温度，例如电弧等离子体、高频等离子体等。( 2 ) 冷等离子体。重粒子温度只有室温左右，而电子温度可达上万度，所以远离热力 学平衡状态。如辉光放电就属于冷等离子体。 按粒子密度分类：( a ) 致密等离子体( 或高压等离子体) 。当粒子密度 n 1 0 1 纠。c m - 3 时，就可称为致密等离子体或高压等离子体。这时粒子间的碰撞起 主要作用。例如，p = 0 1 大气压以上的电弧均可看作致密等离子体。( b ) 稀薄等 离子体( 或低压等离子体) 。当粒子密度n 4 0 0 0 k 的梯度极大的局部高温火核，煤粉颗粒通过等离子火核时，在极短时间内使煤粉 中的挥发份迅速解析，煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气固两 相混合物中进行，高温等离子体使混合物发生了一系列物理和化学反应，进而使 煤粉的燃烧速度加快，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大减少煤粉燃烧所需 9 中田科学技术大学硕士论文 第一章引言 引燃能量。等离子体中含有大量化学活性粒子，如原子( c 、h 、o ) 、原子团( o h 、 、o ：) 、离子( 旷、 r 、0 盯) 和电子等“1 。煤粉通过等离子体时，能获得容易着火 的双组分燃料( 可燃气体和焦炭残余物) 。此外等离子体可提高煤粉的反应度， 降低着火湿度，加速化学转换，促进燃料完全燃烧“”。 1 2 s 等离子体发生器电极材料的选择 电极作为等离子体发生器的核心部件，其材料的选择直接影响到等离子体发 生器的使用寿命。 1 2 s 1 阴极的烧蚀机理及阴极材料的选择 阴极作为发生器的发射电子的高温部件，承受着巨大的热负荷，烧损是它的 主要特点。阴极的电弧烧蚀就是指在等离子体燃弧过程中因高温而引起的阴极材 料的损失，如阴极材料的蒸发、升华，甚至发生阴极的熔化而喷溅出液态粒子。 阴极的烧蚀轻则改变阴极形状，使阴极表面产生大蚀坑、轮缘和缩颈等，从而影 响了等离子体的稳定性和温度，重则使阴极烧毁“。 金属或其它物体炽热条件下在真空或气体中逸出电子的现象，称之为热电子 发射高温的阴极能发射大量的电子，并在电场作用下进行气体放电而形成电弧。 这种阴极称之为热阴极。温度较低的金属电极( 如水冷铜阴极) 在阴极表面强电场 的作用下也能大量发射电子以形成电弧。冷阴极在空间强电场作用下自动发射电 子的物理现象，称作电弧的自动电子理论。 阴极材料选择时，通常希望阴极具有较低的逸出功和较强的电子发射能力。 采用热阴极时，要求阴极表面温度低于其熔点时就能具有很强的电子发射能力。 此外，如所选阴极材料的导热系数较高时，则可减弱阴极的局部过热，从而减少 阴极的局部烧损。 钨是常被用作热阴极的典型金属材料，其熔点为3 8 0 0 k 左右。当钨阴极的温 度达到2 0 0 0 k 以上时，其熟发射电子的能力已相当显著。在钨阴极中加入少量的 钍、铈和钡等的氧化物后，可以减小电子逸出功，从而能大幅度地提高热电子的 发射能力。例如，在钨阴极中加入卜2 的氧化钍，在阴极温度相同时，电子发射 能力可以提高很多。近年来，我国发展了铈钨极，即在钨极中添加2 3 氧化铈。 它的放射性比钍钨阴极小得很多，而且烧损速度小，电弧也很稳定。所以铈钨是 一种很有发展前途的阴极材料嘲。然而钨电极在氧化性气氛中极易氧化，氧化物 的熔点比基体金属具有较低的熔点、较高的比容。通常是氧化物迅速破裂和分层， 导致钨在氧化环境中巨大的烧损速度，因而必须在氮气、氩气等惰性保护气下工 l o 中国科学技术大学硬士论文 第一章引言 作。增加了设备的复杂性。对于在空气中工作的等离子炬，通常用铪、锆代替钨 来作为热阴极材料。町，或者可以使用带有水冷、具有较高导热系数的紫铜材料。 阴极烧损可能包括阴极材料的蒸发、升华及喷溅，当与等离子气体发生化学 反应时这一过程更加严重。产生阴极电弧烧蚀的主要原因是阴极表面高温。通过 改变工作气体种类、冷却方式及阴极形状对减轻烧蚀作用不大。而阴极材料的功 函数是决定电弧烧蚀的内在因素。虽然氧化物的加入降低了阴极的功函数从而大 大减轻了阴极的电弧烧蚀，然而由于氧化物在阴极表面的大量蒸发和升华，又使 阴极表面的功函数升高，引起温度升高，加速了阴极电弧烧蚀。 研究认为阴极材料的选择应着重考虑低的功函数和氧化物的快速扩散。因此， 为减轻烧蚀，应设法提高氧化物的扩散速率，不断补充表面氧化物的蒸发，这样 才能保持阴极表面低的功函数，较高的电子发射能力，从而使阴极温度降低。解 决烧蚀问题的关键就在于提高氧化物在基体金属中的扩散速率n ”。 对于热电子发射，由于电弧的电流密度很高，阴极的温度达到3 0 0 0 k 以上， 超过了铪的熔点，导致铪表面呈熔融状态。为此，通常是将铪丝插入带有水冷的 紫铜基体内。利用紫铜导热快的性质将热量带走，降低了铪丝的烧损o ”。其电子 发射主要归因于表面形成的h f 0 2 n 。1 。 文献 1 9 中作者提出，在任何情况下都要尽可能减小阴极斑点的直径，比如 用更细的难熔合金丝作阴极，并用导热性能良好的材料对阴极进行散热，这将有 效地降低阴极的烧蚀速度。 对于冷阴极，当空气作为等离子体气源时，通常使用紫铜、银及其合金作为 阴极材料铁电极仅能工作在c h 。和h 。工况下阴极弧根极不稳定，沿着阴极表面 连续移动“”。 1 2 5 2 阳极电极材料的选择 等离子炬中阳极的热负荷相当大，热流量可以高达1 6 0 w r a m 2 ，为了提高阳 极的使用寿命，通常是使阳极弧根沿电极表面连续移动，从而使弧根热流分散到 大面积上，大大降低有效的比特流，从而可以利用那些广泛使用的材料，像具有 高导热率而熔点不高的紫铜、不锈钢、黄铜、钛及其他金属“”。石墨和其他难熔 的金属也可以作为阳极材料“”。石墨电极的应用领域主要是在冶炼电炉中作为导 电材料，与其他导电材料相比，其最大优点在于具有良好的导电导热性能和较好 的韧性，能够接受较大电流的冲击，在高温下不软化也不会熔化等特点。炼钢电 弧炉上以它为导电材料，通过弧光放电将热能传递到炉料上将废钢熔化。 文献 2 0 】中采用了在阳极外部安装螺旋管磁场线圈，使阳极弧根快速旋转， 弧根不固定在电极某一处以免局部温度过高。此外所有工作气体均采用旋流进 中国科学技术大学硕士论文第一章引言 气，用气旋力使阳极弧根沿电极表面高速旋转，延长了电极寿命并使弧稳定工作。 1 3 相关文献综述 现有关于电弧热等离子体点燃煤粉的装置中，大多数是利用电弧等离子体发 生器喷出等离子体射流尾焰加热和点燃煤粉空气流。p r b l a c k b u r n 的美国专 利u s p 4 0 8 9 6 2 8 “1 ( 图1 1 0 ) 公布了一种将管式电弧加热器喷出的高速氧化性气 体射流喷入煤粉流来点燃煤粉的方法；布赖思坎贝尔等人的c n 8 8 1 0 6 0 4 5 3 嘲 ( 图1 1 1 ) 公布的发明是设置专用管道将煤粉输送到等离子体炬喷口外的空气 或氮气等离子体射流区域，先热解脱去挥发份，然后被点燃，其煤粉射入方向与 等离子体射流方向的夹角里锐角；王满家等入的c n 0 3 1 5 3 1 2 0 2 渊和黄继祥等人 的c n 2 0 0 3 2 0 1 0 1 4 6 0 o t 2 , j 的发明是将水蒸气分解和电离的氢氧等离子体射流喷入 煤粉流来达到点燃煤粉的目的；张新录等人的c n 9 8 2 3 3 0 7 3 1 嘲( 图1 1 2 ) 是在 将等离子体射流和煤粉在蜗壳型预燃室中混合点燃煤粉，煤粉切向进入蜗壳预燃 室，与等离子体射流相切；c n 9 8 2 0 2 9 1 9 5 嘲、c n 0 0 2 3 1 5 7 0 x 公布的王爱生等人 发明将煤粉空气混合物轴向加入等离子体射流，且在等离子体炬喷嘴前端增加了 稳定导引喷管。 图1 1 0 美国专利等离子点火装置图 中国科学技术大学硕士论文 第一章；l 言 图1 1 1 粉状燃料燃烧器 图1 1 2 中国专利等离子体煤粉锅炉点火装置图 上述有关专利中所公开的的煤粉点火器的共同特点是：均利用电弧等离子体 发生器喷出的等离子体射流或高温气体来点燃煤粉。研究表明，在等离子体炬体 内的电弧通道中，其各项等离子体参数，例如温度、活性粒子密度等，要比等离 子体射流尾焰高得多也就是说，等离子体射流尾焰的温度、活性粒子密度已经 下降很多，则必然使其点燃煤粉的能力下降，不仅降低了煤粉燃烧的可靠性，也 加大了点火能量消耗 在s m i r l o c km a r t i ne 等人的u s p 4 2 2 8 7 4 7 瞄】、s m i t hd o l a n da 等人的 u s p 4 2 2 1 1 7 4 啪1 和u s p 4 2 4 1 6 7 3 洲公开的煤粉点火器中，采用电火花放电的方法来 点燃煤粉，其放电的电弧可向煤粉区域扩展，使点火效率提高，但由于都是采用 脉冲放电方式，影响了煤粉点燃和煤粉燃烧的可靠性和稳定性。 考虑到在等离子体炬体内的电弧通道中的等离子电弧放电过程比较复杂，稳 定性差，因此至今尚未发现直接在等离子体炬体内的电弧通道中将煤粉点燃并燃 烧的报道。 1 3 中国科学技术大学硕士论文 第一章引言 根据电站锅炉煤粉点火的特点和要求。我们研究了一种新型的等离子体发生 器：将电弧放电通道设置在煤粉输运通道中，煤粉直接受到电弧通道中等离子体 高温作用，充分发挥电弧等离子体高温快速加热煤粉、产生超量易燃挥发份的特 点，提高了煤粉的着火速度和点火效率，能量损耗较低。此外，使用高压风机取 代空气压缩机，简化了设备的维护 为此，本文提出了这种类型等离子体发生器多种结构设计。 1 4 对等离子体发生器的要求 1 4 i 电弧的稳定性 等离子体发生器是等离子点火装置的核心部件，电弧的稳定性直接影响到点 火的效果，电弧电压、电流是衡量电弧稳定的重要参数。在实际操作中尽量利用 电弧的不稳定性，使得阳极弧根沿着阳极电极高速跳跃、旋转，从而降低阳极电 极的损耗。在电弧被拉长或缩短的同时，伴随着弧压的较大波动。在设计时也需 要注意控制电压波动在一定的波动范围内，避免波动过大出现熄孤。对于热电子 发射等离子发生器，为保证发生器稳定工作，必须使阴极斑点处于准稳定的状态。 发生器中工作气体形成强烈的旋涡时由于离心力的作用具有较好的稳弧作用，这 主要是由于强烈的涡旋气流在旋涡中心形成了低压区，使弧柱及阴极斑点很稳定 地保持在轴线位置。为形成涡旋气流，气体沿切向孔进入等离子发生器的工作气 体通道叫。 1 4 2 等离子体工质气体与气体压力 使用惰性气体作为等离子体的工质气体可以降低电极的损耗，延长电极的 使用寿命，但是在工业应用中由于其价格昂贵、设备复杂而不宜采用，此外对于 煤粉点火而言，需要提供大量的氧气以促进煤粉充分燃烧，因而空气是最为理想 的工质气体，为了减少设备的复杂性，可以采用高压风机取代空气压缩机，以提 供等离子体工质气体。为了保证风压，选用压头为5 8 3 9 p a ，风量为2 5 7 8 m 3 h 的 高难离心风枫。 1 4 3 冷却水结构 等离子电弧形成后，温度一般在5 0 0 0 1 0 0 0 0 k 。因此对于形成电弧的等离 1 4 中国科学技术大学硕士论文第一章引言 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。为 了减少冷却水对阴极和阳极的腐蚀，冷却水要采用除盐化学水，水温温升控制在 2 0 摄氏度之内哪】。 可以采用多种电极水冷却结构，保证电极不易烧损：( a ) 螺旋式导水通道冷 却水结构，强制冷却水旋转流动，快速带走电极上的热负荷；( b ) 直流式微旋转 冷却水结构，用导流内筒把水流隔开，使水流环绕冷却电极面由内向外流，进水 管与轴线有一定角度使水呈旋转流动；( c ) 多孔道直流式冷却水结构，采用多孔 水道分配水量，使水流均匀，冷却充分咖。 1 4 4 电极寿命 阴极、阳极的使用寿命较短是制约等离子应用的一个重要因素。通常不超过 5 0 d , 时，它与等离子体运行参数有关，如等离子体的电流、电压、冷却水流量、 载体风压力等，此外电极的材料也与电极使用寿命密切相关。对于紫铜材料电极， 由于其熔点低。约为1 0 8 3 摄氏度，需要采用水冷方式；石墨电极则由于其具有良 好的耐高温特性，无需水冷，可以通过对电极连续给进的方式长期工作，简化了 设备的复杂性。 1 4 5 等离子燃烧器的结焦问题 燃烧器内部存在高温区，而锅炉燃用的煤种属于易结焦煤种，灰熔点很低， 因此很易结焦。运行过程中需要密切关注燃烧器壁温的变化情况，可以通过降低 等离子发生器的功率、提高一次风速等手段来避免燃烧器壁温出现高温现象。 1 5 论文主要研究内容 从简化设备、降低能耗、提高电极使用寿命等角度出发，设计了各种不同结 构的等离子体发生器；采用高速c c d 摄像和电弧电气参数测量、红外测温等方法， 研究了电弧的伏安特性，电弧形状、电弧电压波动，弧根的运动规律、阴阳极的 使用寿命、工艺参数( c a 流、气体流量与流动方式) 对电弧电压的影响、注入煤 粉前后电压波动对比以及煤粉对电弧等离子体的影响、煤粉点燃的效果等，分别 对其实验结果进行了分析。 中国科学技术大学硕士论文 第一章引言 1 6 论文组织结构 本论文共分四章，组织结构如下： 第一章为引言，介绍了本课题研究的应用背景及意义、电弧等离子体的概述、 电弧等离子体发生器的分类、相关文献的综述，提出了选题的创新点及论文的主 要研究内容。 第二章为实验室装置系统简介及电弧理论，介绍了实验室系统装置简图、电 弧分流机理、电弧的伏安特性。 第三章为煤粉点火等离子体发生器的设计及实验研究，介绍了实验室用不同 结构等离子体发生器装置设计、工作原理、实验及结果。包括电弧的电压、电流 信号分析、电压的f f t 分析、电弧阳极弧根高速运动的图像分析、各种参数变化 ( 电流、工作气体流量、阴阳极间距、注入煤粉) 对电弧弧压的影响、阴阳极的 烧损情况、结渣情况。 第四章是小结，归纳了本论文取得的一些结论 1 6 中国科学拄术大学硕士论文 第二章 实验室装置系统简介及电弧理论 第二章实验室装置系统简介及电弧理论 2 1 实验装置 实验装置主要包括等离子体发生器本体及煤粉燃烧器( 一次燃烧器、二次燃 烧器) 、等离子体电源、冷却水、送风单元( 一次风机、二次风机) 、煤粉料斗、 螺旋送粉机，如图2 1 所示。 图2 1实验装置系统图 实验前需要先做好准备工作t 首先短接阴阳极，接着启动电弧等离子体发生 器装置的阴极和阳极冷却水系统，然后启动一次风机和二次风机工作，启动螺旋 送粉机电源。一切准备就绪后，最后启动等离子体电源，通过熔断丝短路起弧 煤粉科斗中的煤粉通过螺旋送粉机输送到一次风管，在一次风机的输运下， 风粉混合物经过等离子体发生器电弧通道，煤粉在电弧等离子体的高温作用下裂 解，释放出大量挥发份，在一次燃烧器内形成一次火炬，二次风机提供煤粉放大 燃烧的过星空气，使得火炬在二次燃烧器内得以放大，同时对一次燃烧器壁进行 了有效的冷却。 中国科学技术大学硕士论文 第二牵实验室装置系统简介及电弧理论 2 1 1 等离子体发生器 等离子体发生器直接提供点燃煤粉的能量。根据实验结果，对于不同煤粉挥 发份含量、煤粉浓度、煤粉量，所需等离子体功率为5 0 2 0 0 k w 。 电弧等离子体发生器通常由阴极、阳极和约束电弧的部件等组成，极问产生 电弧燃烧，根据不同的结构需求来选择相应电极材料。 2 1 2 煤粉燃烧器 根据不同结构的等离子体发生器、风粉比设计与之匹配的燃烧器。燃烧器的 尺寸按照满足火炬放大要求来设计煤粉气流与等离子电弧在一次燃烧器内发生 强烈的电化学反应，煤粉裂解，释放出大量挥发份并被点燃；挥发份及煤粉在二 次燃烧器内继续燃烧，从而实现分级燃烧与火炬放大。为了保证等离子体燃烧器 的安全、稳定工作，在测温点1 、2 处安放了热电偶。用来在线监测燃烧器的壁 温，同时利用红外高温辐射仪监测燃烧器出口火炬温度，以便根据实际运行情况 调整燃烧器工作状况。 2 1 3 等离子体电源 直流电源是用来产生维持等离子体电弧稳定的装置。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可控的直流电源，采用闭环 p i d 反馈调节模式达到等离子体电流的恒流控制，供给等离子体点火器产生稳定 的等离子体放电电弧。电源装置分别由电气供电系统、隔离变压器和整流柜三部 分组成。 隔离变压器用于对直流系统和交流供电系统实现有效电气隔离。 整流柜内主要由三相全控整流桥、直流平波电抗器、p l c 测控系统等组成。 三相晶闸管全控整流桥用于将三相交流电变换成等离子体点火器所需的直流电 源。串联平波电抗器用于有效扼制整流器产生的电流脉动，增加等离子体电流的 稳定性。 2 1 4 冷却水 等离子体发生器工作时电极承受着巨大的热流负荷，因而需要对阴阳极进行 中田科学技术大学硕士论文第二章实验室装置系统简介及电弧理论 快速冷却。对于6 0 k w 的等离子体发生器，按照冷却水带走占总功率1 5 的能量、 冷却水最大温升不超过2 0 摄氏度估算，选择了扬程为4 8 m ，流量3 m 3 h 的工作 水泵。储水箱注满冷却水，水泵通过软管与阴极，阳极的进水管连接，经等离子 体发生器后重新排回到储水箱，从而形成循环冷却水路，并根据燃烧工况实时补 充冷却水。 2 1 5 送风单元 一次风机用来输运煤粉及提供煤粉一次燃烧所需的空气。为了便于控制等离 子体燃烧器的煤粉浓度和一次风流速，在一次风管测风点1 处安装了皮托管，用 来在线监测一次风速和风粉比，通过变频调速器比较平滑得调节风速。一次风管 风速控制在l 耻2 6 w s 。 二次风机用来提供火炬放大所需的过量空气，使得经过一次燃烧器未燃尽的 煤粉得以充分燃烧，此外二次风也能对一次燃烧器外壁面有较好的气膜冷却效 果。在二次风管测风点2 处同样安装了皮托管，在线监测二次风速，通过调节出 风口挡板开口大小来调节风量。 2 1 6 煤粉料斗 煤粉装在煤粉料斗中，料斗呈漏斗状，斗高5 7 0 嗍，最大截面直径5 5 0 r a m ， 所用煤粉的比重按照堆密度6 0 0 千克立方计算可得料斗可装满4 0 k g 煤粉。料斗 出口与螺旋送粉机进料口通过法兰连接。 2 1 7 螺旋送粉机 由于一次风对下料口有一定的风压，如果直接将煤粉料斗出口与一次风管道 相连，仅仅依靠煤粉自身重力，煤粉很难下落。因而考虑采用螺旋送粉机，强行 将煤粉输运到一次风管中。 螺旋送粉机是由驱动电机减速装置与外壳管螺旋体依次相连，结合为一个整 体，能够连续输运煤粉，密封较好。煤粉从煤粉料斗出口进入螺旋送粉机进料口， 经过螺旋体输送到一次风管中。电机转速：1 2 一_ 6 0 r l m ，喂料量4 0 - - 2 0 0 k g h 可 调。螺旋送粉机出料口至一次风管需要有一定的竖直高度落差，竖直连接管内装