等离子点火技术

等离子点火技术发电分公司王鹏恒引言从我国目前的能源结构中分析，油资源短缺是一个不争的事实，我国每年所消耗的石油都要大量依靠进口来满足国内日益增长的需要，这是一项耗费巨额资金的经济活动!面对国内油资源短缺这一严峻事实，我们迫切需要节约燃油来减少进口!当前情况下石油已成为影响我国能源安全和经济发展的重要战略物资，通过节约和寻找燃油替代品来保证国家能源和经济安全已经被提上了重要日程。为了满足燃煤机组的无油点火，等离子燃烧技术应运而生!随着科技的发展，等离子点火技术已经得到很大的进步，在国内很多电厂中得到使用，而且使用效果良好，可以在保证机组安全的基础上为发电企业节约部分发电成本，已经逐渐成为电厂的主流点火方式。当前，等离子系统主要涉及到发电行业的大型燃煤火力发电厂，主要应用于发电厂煤粉锅炉的启动、点火和稳燃。当然，也涉及应用于其他行业或者类似领域的煤粉锅炉的点火和稳燃。通过等离子点火技术的广泛使用，逐渐代替了传统的燃油点火，从而实现了节能减排，对企业的经济效益有了很大提高。同时在等离子点火中运用电除尘技术，使得颗粒物的排放明显减少，这项技术也适应了当前对燃油这一紧缺资源的节约，在国家提倡绿色能源的今天，等离子技术定将得到进一步发展，从而实现良好的社会和经济效益。1等离子点火系统1.1等离子点火系统的原理等离子点火技术是一种新型的锅炉点火燃烧技术，等离子体直接点燃煤粉替代燃料油的原理是：它利用电弧电离空气流（也可以是其它气体）形成高温等离子体，利用水冷通道、自身磁场、外磁场以及气体旋流等稳弧方法来控制该等离子体，使其定向流动则形成了高温等离子射流。让煤粉通过此高温等离子射流，煤粉颗粒则在瞬间析出挥发份，再造挥发份、爆燃，在完全没有任何燃油的情况达到无油点火及稳燃的目的，满足锅炉点火启动及低负荷稳燃的需要。等离子点火技术是先通过等离子发生器产生高温射流，从而将电源的电能传递给空气，然后使用高温等离子射流先点燃部分煤粉，然后在燃烧器中分级点燃煤粉形成较大的火焰，最后在点燃锅炉一次风携带的煤粉。煤在电弧等离子体高温射流中热解后的主要产物是挥发分、焦和烟炱。挥发份主要由CH4，C2H2，C2H4，C4H6，H2，CO，CO2，N2和H2O等组成，其中乙炔是主要成分，煤焦是析出挥发份以后的煤残留物，而烟炱则是乙炔在高温下的分解积碳。因为电弧等离子体射流的温度极高，而煤粉颗粒在燃烧器内停留时间却很短，所以热解速率非常高。在这种快速热解条件下，热分解将更加剧烈，热缩聚则更加减弱，这就是挥发分中主要由小分子组成的主要原因。在等离子体高温射流加热过程中，主要是等离子体的热分量在起作用。随着气体和煤粉颗粒温度的升高，在原子团和分子解离产物的参与下，燃料开始异质热化学转化，在这个反应阶段，是电弧等离子体的热化学分量在起重大作用。因为煤的挥发分转化为气相，加上残余焦炭的局部气化，挥发份与氧化剂(空气，水蒸气)间，以及各挥发分相互之间开始产生化学反应，亦即在此气相反应阶段，等离子体的热电分量可使反应明显加强，以更低的激活能参与反应，从而加速化学转化。据估计，当氧由分子转变为原子形态时，激活能已减少为1/10到1/15。挥发份的氧化反应将加快数倍，使释热过程更加迅速，这又使残余焦炭受热加剧，使碳加速转化为气相。这时，在热化学分量和热电分量的作用下，将讲一步促使碳的转化。另外，等离子体与煤粉作用过程中能生成低着火点的双相燃料，等离子体点燃煤粉过程中可以再造挥发份，提高燃料的反应度、强化煤粉混合物的燃烧，降低着火温度、加速热化学转换，促使燃料完全燃烧。正是由于等离子点火具有以上的种种优点，才促进了等离子点火技术应用不断的发展。1.2等离子点火装置的系统构成目前国内各火电厂普遍采用的等离子点火装置是由山东烟台龙源电力技术有限公司开发的。整个点火装置的示意图如图1所示。图1等离子点火装置示意图1.2.1等离子发生器及拉弧原理等离子发生器主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件3大部分组成，如图2所示。1-线圈；2-阳级；3-阴极；4-电源图2等离子发生器工作原理其拉弧原理为:首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2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拉出喷管外部。一定压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体。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。阴极材料采用高导电率的金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。1.2.2等离子燃烧器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则设计了多级燃烧器。它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。烟台龙源的等离子点火实验证明:运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从ZT/H扩大到10T/H。在建立一级点火燃烧过程中，采用了将经过浓缩的煤粉送入一定角度等离子火炬中心区，高温等离子体同浓煤粉的汇合及所伴随的物理化学过程使煤粉原挥发分的含量提高了80%，其点火延迟时间不大于1秒。图3等离子燃烧器燃烧器点火的性能决定了整个燃烧器运行的成败，在设计上该燃烧器出力约为500~800kg/h，其喷口温度不低于1300℃。另外加设了第一级气膜冷却技术避免了煤粉的贴壁流动及挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。该区称为第一区。第二区为混合燃烧区，在该区内一般采用“浓点浓”的原则，环形浓淡燃烧器的应用将淡粉流贴墙，而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样做的结果既利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。如果在特大流量条件还可采用多级点火。第三区为强化燃烧区，在一、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措施，提前补氧的原因在于提高该区的热焙进而提高喷管的初速达到加大火焰长度提高燃尽度的目的，所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。第四区为燃尽区，疏松碳的燃尽率决定火焰的长度。随烟气的温升，燃尽率逐渐加大。1.2.3电源系统电源系统是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380V三相交流电源变为稳定的直流电源。其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。电源柜主要是提供稳定的直流电源，电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。隔离变压器的主要作用是隔离，一次绕阻接成三角形，使3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响;二次绕组接成星型，可得到零线，避免等离子发生器带电。1.2.4控制系统控制系统主要是由PLC、CRT、通讯接口和数据总线构成。其采用集电源全数字整流与点火器FO接口，具有通讯能力为一体的全数字直流控制器，为控制核心元件。由于该控制器除具有正常的整流控制功能外，还具有拍扩展和RS485接口通讯功能。因此，它作为整流和等离子发生器的引弧控制接口，水流、风压保护接口，从硬件上满足了系统的需要。电流、电压的参数调整完全可以由上位机界面设定操作，实现过程的全自动化控制。1.2.5辅助系统辅助系统主要包括冷却水系统、风粉系统和压缩空气系统。等离子电弧形成后，弧柱温度一般在3000K到4000K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，通过大量实验总结得出:为保证好的冷却效果，需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极。风粉系统主要是由给粉机，磨煤机，暖风器，一次风系统，气膜风系统，二次风系统六个部分组成。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，等离子点火系统需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的，且压力稳定。2等离子点火器国内外应用的研究进展2.1国外研究进展自上世纪70年代末开始，由于世界能源危机及环境危机的爆发，世界上的发达国家均开始研制等离子点火这一新型技术，并将该技术广泛推广到船用燃气轮机、地面发电用燃气轮机及火力发电厂的锅炉设备中，尤其是独联体国家、美国和澳大利亚等发达国家均在等离子点火技术方面投入了大量的人力和物力。上世纪70年代，独联体国家较早开展了对等离子点火技术的试验研究，主要研究部门有乌克兰国立海洋技术大学、莫斯科物理技术学院、俄罗斯科学院新西伯利亚分院、俄罗斯中空气动力研究院等科研单位，研究结果表明，采用等离子点火技术不仅可以提高燃料的燃烧效率，还可降低点火延迟时间，增加活化粒子的浓度，降低NOx排放，改善燃烧室出口温度的不均匀度，起到强化及稳定燃烧的作用。独联体国家还将实验成果应用到了舰船燃气轮机及多种型号的地面燃气轮机中，截止到1998年，超过500台燃机系统已采用了等离子点火技术，极大改善了燃机低工况的性能。除用于燃机系统的点火设备外，独联体国家将等离子点火技术应用于电厂煤粉的燃烧中。图4为乌斯基-可麦洛沃斯克电站锅炉中的等离子点火煤粉燃烧器，由阴极及阳极之间的电弧加热煤粉，且阴极为可移动式石墨组成，可随时调整电极间隙，并及时补充阴极材料的烧蚀，该装置发生器的功率可达200KW。独联体研制的等离子发生器的功率一般达50-200KW，是将等离子发生器与热裂化反应器组合在一起，采用部分煤粉燃烧的热量加热其余煤粉，用煤粉自身放热促使热裂化反应的进行。等离子电弧工作约1.5-2.0小时后上述反应可达到平衡可停止工作，独联体国家研制的煤粉用等离子点火系统虽结构较为复杂，但实现了不烧重油而直接点燃煤粉的目的，极大减少了燃料的消耗，降低了NOx的排放并提高了燃料的燃烧效率。图4同轴等离子体发生器煤粉燃烧室图5马里塔电厂锅炉用燃烧器1-阴极；2-阳极；3-煤粉空气混合物美国、澳大利亚等发达国家也对等离子点火技术的应用进行了研究，主要应用于电站锅炉中煤粉的直接点燃，已达到降低能源消耗及污染物排放的目的。美国联合碳化物公司于1978年成功研制了热等离子点火燃烧器，如图5所示，且在马里塔电厂锅炉上进行了试验，该点火系统的功率为109KW，直接将圆管型电弧点火器插入煤粉燃烧器中，实现了煤粉的直接点燃。FosterWheeler国际能源公司在1997年的全美电力年会上，公布了本公司生产的大型锅炉机组的生产情况，同时该公司生产的锅炉机组全部装有等离子直接点火燃烧系统。1993年，澳大利亚太平洋电力公司生产了澳大利亚第一台工业用等离子体点火器，并将其安装于万吉5号机组锅炉中，该锅炉功率60MW，并最终点火试验成功。2001年该公司推出了第一台适用于300MW锅炉运行机组的等离子点火系统。澳大利亚的等离子点火发生器采用氮气为工作气体，高频击穿并采用非接触式引弧，功率可达50KW，并将点火器安装于二次风喷口，一次风粉由独立粉仓提供，同时设置了氮气的密封粉仓。由于澳大利亚推行的等离子点火设备投资高、系统复杂、维修工作量极大，因此推广受到了一定的影响。2.2国内研究进展上世纪70年代，我国也开始了等离子点火技术的研制，部分高校（如清华大学、华中工学院）、科研院所（如新疆电力试验研究所）、锅炉制造厂（如哈尔滨锅炉厂、武汉锅炉厂等）及众多发电厂（烟台发电厂、元宝山发电厂等）均花费大量人力及物力致力于开发锅炉用等离子点火系统研究，并取得了一定成果。我国安徽电力局和山东电力局科技人员于1978年开始进行等离子无油点火技术的研究开发工作，并于1981年完成工业性试验。山东在75t小锅炉(燃用烟煤)上点火启动成功，安徽在120t/h锅炉(燃用烟煤)上点火启动成功;1983年，河南新乡电厂成功地进行了等离子体直接点燃贫煤煤粉的试验。1994年陕西宝鸡电厂从哈萨克斯坦动力科学研究院引进了等离子体点火器，安装在4号炉(50MW)上，并较成功地进行了启动点火试验。我国试验采用的这些等离子体点火装置，由于系统较复杂、使用寿命不长等原因，尚未进入实用阶段。烟台龙源电力工程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，成功实现了等离子点火器点火启动，经过多年的努力最终研制出了DLZ-200型等离子点火器。2000年2月15日，DLZ-200型等离子点火器在烟台电厂200T/H锅炉上成功点燃，经国家电力公司专家组鉴定其具有世界领先水平。2003年11月27日，中俄合作的“烈火一I”型等离子点火器在河南洛阳高新区重兴工程技术公司问世。这种等离子发生器的功率达到400KW，其工作时间较长，并获得国家专利。烟台龙源公司通过近几年的努力，己经获得很多等离子点火的专利技术，他们的等离子点火系统己经成功运用到国内很多电厂，到2007年9月，烟台龙源的等离子点火系统首次走出国门，落户韩国南东电力公司三千浦电厂，标志着中国等离子点火技术的已经开始走向国际市场。目前就世界范围来说，燃煤锅炉使用等离子点火与稳燃的技术，主要以下两种方式。首先，是以俄罗斯为代表的热裂解型等离子点火技术，也就是通常所说的煤气化点火技术，其基本的技术原理是:将风粉混合物分成两部分，将经过浓缩后的少部分浓煤粉送入等离子体热裂化处理室(相当于预燃室)，进行等离子体热裂化处理。用这部分经过处理后部分燃烧的煤粉火焰，去引燃单独送入燃烧器的其余煤粉。再者，就是以中国烟台龙源电力技术公司为代表的直接点燃型等离子点火技术，其主要技术原理是:直接将锅炉主燃烧器改为兼有等离子点火功能的燃烧器，即直接把锅炉原来的主燃烧器设计为等离子燃烧器，在该燃烧器上安装等离子发生器，当锅炉启停和低负荷稳燃时，投入等离子发生器，起到点火燃烧器的作用。当锅炉高负荷正常运行时，等离子发生器停运，该等离子燃烧器作为锅炉主燃烧器使用。可以看出，直接点燃型等离子技术借鉴并吸收了俄罗斯的煤气化点火技术，从热裂解技术逐步完善到多级燃烧。3等离子点火系统的优势3.1节约紧缺能源等离子点火系统实现了锅炉的无油启动和稳燃"用煤粉代替了紧缺的燃油"通过实践证明"被广泛应用。3.2节省运行成本等离子点火系统有效的避免了燃油点火对大量重油和轻油的消耗"运行成本比燃油点火节省了.&/左右"同时等离子体内富含的化学活性离子"也加速了燃料的完全燃烧"提高了燃烧效率。3.3加强安全性通过等离子点火系统的使用"降低了传统燃油点火可能引起火灾事故的发生率"有效的避免了火灾对设备损坏的事故隐患"具有更高的安全性。3.4增强环保减排使用等离子点火"运行中还可以使用电除尘技术"避免了粉尘直接排放"同时不用燃烧燃油达到了节能减排"绿色能源的要求。很好的解决了当前环保压力下煤电厂的环保压力。4等离子点火技术在不同类型机组上的应用4.1等离子点火技术在1000MW机组上的应用这是该项技术目前首次成功应用在我国最高参数、最大容量的火电机组锅炉中的一例。付龙龙、刘超等人与韩克刚、邵天佑从不同角度研究了该项技术在华能玉环发电厂超超临界1000ＭＷ机组上的应用情况，实现了正压直吹式制粉系统在燃用烟煤条件下的等离子点火启动，按照《火电工程调整试运质量检验及评定标准》，该机组的耗油量远远低于标准要求，节约了大量燃油;同时还可以使电除尘器能够尽早投入运行，在节能降耗和环保方面效果显著。4.2等离子点火技术在600MW机组上的应用在600ＭＷ机组上，该项技术目前已经得到了大范围的应用。韩志成等人通过论述等离子燃烧器及其附属系统和辅助设备的配置情况，得出锅炉在冷态启动中基本上能够实现无油点火，且能满足锅炉升温升压曲线要求，达到节油降耗之目的，同时对等离子点火使用的煤质也提出了相应要求。武震着重分析了调试运行期间发生的问题，诸如断弧与燃烧不稳定、飞灰自燃和尾部二次燃烧、等离子燃烧器出口结焦等，为该项技术应用于其他600ＭＷ燃煤锅炉提供了很好的参考。罗凯等人通过介绍带炉水循环泵的超临界复合循环锅炉的调试情况，总结出了该项技术在这类型锅炉使用中会有等离子燃烧器壁结焦、等离子对煤质的要求高、节能增效等优缺点，对于这类型锅炉的等离子点火改造、调试具有较高的参考价值。刘静宇等人发现在锅炉为DG1900/25.4-ⅡL型超临界参数变压直流炉过程中，等离子系统会有暖风器不满足加热要求、冷态启动初期煤粉燃尽率低、等离子燃烧器中心筒超温等问题，同时提出了改造暖风器的疏水系统、在正常的冷态启动中采用投少量油等措施。任杰等人通过介绍该项技术应用于直吹式褐煤锅炉上的情况，分析了煤粉浓度、一次风速、二次风量、磨煤机出口温度和煤粉细度等因素对其点火性能的影响，实现了褐煤锅炉少油点火及低负荷稳燃。顾山等人在介绍了等离子控制系统的控制方式及相关设备的技术要求、等离子点火辅助系统设计等内容的基础上，探索并总结了等离子煤粉点火及稳燃技术。李春和重点阐述了在机组启动和低负荷运行期间，等离子点火系统与电除尘均可以正常投入运行，大大减少了粉尘对引风机的损害和对大气的污染，带来良好的经济效益和社会效益。杨中明等通过计算机组各个阶段煤耗及油耗，统计出了机组的经济性;同时在运行中发现，阴极头质量不稳定、各角阴极的拉弧次数不一致、等离子燃烧器不能上下摆动等这些问题，提出通过适当调整空预器以及给煤量、使用备用油枪等方法可以解决此类问题。陈勇、林爽结合等离子燃烧器在珠海金湾发电有限公司3、4号锅炉的成功应用情况，分别从运行方式、运行控制参数、运行控制策略、运行工况等方面分析了该燃烧器的运行特性。赵志军、牛月娥详细分析研究了等离子点火系统在四角切圆燃烧锅炉上应用时对应FSSS控制逻辑的修改，为同类锅炉采用等离子点火技术提供借鉴。邹毅辉在介绍点火控制系统功能、控制逻辑设计和系统的调试及投运过程的基础上，对等离子调试投运出现的问题进行分析，并且对FSSS系统逻辑的设计方案提出了合理化建议。刘林波等分别阐述了为实现冷炉无油等离子点火而在等离子装置系统改造、FSSS等离子点火相关逻辑完善、运行方式调整及优化等方面进行的工作，并提出了在新机组启动全程中的无油等离子点火应用方式，节省了燃油，并改善了火电厂的生态条件。4.3等离子点火技术在300MW机组上的应用以上重点阐述了目前600ＭＷ机组等离子点火的应用情况。该项技术也运用于300MW机组的点火改造中，同样获得了良好的效果。王延明等人通过分析研究国产300MW机组中速磨直吹式制粉系统等离子冷炉无油点火系统，发现诸如等离子使用稳定性、阴极使用寿命、燃烧器结焦、磨煤机运行稳定性和煤粉燃尽率问题，并且提出了合理化建议，该项技术可以实现机组全程启动零燃油投入。韩义等人在分析国内首例无油系统双层等离子点火技术基础上，指出了该项技术的八大关键问题，提出了冷态启动时直吹式制粉系统的运行调整、防结焦、防止二次燃烧点火以及稳燃措施。张帆等就改造等离子点火系统后出现的炉渣可燃物偏高、截面增大、风速降低、阻力过大、中间区域煤粉过于集中等问题进行了分析研究，优化调整了运行时的参数设定，对存在同样问题的300MW机组，具有一定的参考价值。孔庆鹏以某热电厂为例，提出了在运行过程中发现的煤种要求高、阳极寿命短、点火初期飞灰可燃物含量高这三个问题，提出了合理化建议，并且根据经济效益分析，得出了该项技术的应用前景。郝云冯、石光员重点分析了改造成等离子点火系统后，出现了等离子点火系统冷却水系统压力不易调节、等离子水泵运行工况差、等离子频繁出现不起弧或断弧等问题，并且提出了正常运行的措施。杨新荣、徐建虎通过介绍等离子燃烧技术和双进双出钢球磨煤机技术二者配合应用的调试、运行情况，分析两者结合后的技术特点、调试要点及运行时应该注意的几个问题，得出等离子点火系统存在安全保障方面、燃烧不稳等问题，需要运行人员根据经验调整。5等离子点火技术存在的问题及解决方案作为一项新型的点火技术，在实际工作过程中也暴露出了不少问题，经过归纳总结，大