等离子煤粉点火燃烧技术的应用及运维经验

刘俊臻

（上海电力股份有限公司 吴泾热电厂，上海 200241）

0 引言

大型工业燃煤锅炉的点火和稳燃，通常采用燃油或天然气来实现。随着能源紧张、原油价格不断上涨，火力发电燃油持续受到限制的态势下，为了降低锅炉点火和稳燃用油、采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等措施已经增效不小，若要进一步减少燃油到不用油，可以采用交流等离子点火技术。它是通过电离空气获得温度较高的等离子体，利用高能等离子体射流加热风粉混合物直接点燃煤粉，从而在不需要燃油的情况下达到无油点火及稳燃的目的。

自2011年起，吴泾热电厂8、9号锅炉采用等离子点火技术后，实现了锅炉点火零油耗，燃烧效率高于11、12号锅炉采用的微油技术。

1 等离子点火系统

我国从20世纪70年代中期进行等离子点火技术的研究。到目前为止，等离子点火作为以煤代油的新技术，已经在全国新建燃煤机组上广泛使用。吴泾热电厂采用烟台龙源电力技术股份有限公司的产品，将8、9号锅炉A层4台煤粉燃烧器，改为兼有等离子点火和稳定燃烧功能的燃烧器。锅炉在正常运行时，该燃烧器具有主燃烧器功能，出力及燃烧工况基本上与原上海锅炉厂设计的燃烧器指标一致。

等离子发生器采用轴向插入式，将仪用压缩空气作为载体风，采用闭冷水直接冷却发生器的阴极和阳极，独立的火焰检测影像系统，信号采用硬接线方式与DCS连接，并且利用DCS的操作员站实现等离子系统的监控与操作。4台等离子发生器电源控制柜，系8、9号两台锅炉共用，可以相互切换。

2 等离子点火燃烧器

等离子点火的工作原理是直流电在一定介质气压下引弧，在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体，在点火燃烧器中形成大于4 000K的局部高温火核，当煤粉颗粒经过时，在极短时间内解析煤粉中的挥发分、破碎颗粒、加快燃烧，减少煤粉燃烧所需的引燃能量，如图1所示。

图1 等离子发生器工作原理

等离子发生器是点火系统的核心部件之一，用以提供稳定、可靠、持续不断的电弧，由稳弧线圈、阴极和阳级组成。在一定的输出电流下，当阴极前行与阳极接触后，整个系统具有抗短路的能力，而且电流恒定不变；当阴极缓慢离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管。在电弧的作用下，具有30kPa左右的空气被电离为高温等离子体，进入燃烧器为点燃煤粉创造条件。

3 等离子燃烧机理

由于高温等离子体的有限能量不可能与大量的煤粉及风速相匹配，所以设计了多级燃烧器，应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度、气流速度等参数，始终处于一个有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火及燃烧过程。

点火燃烧器分4个区域。

第一区为初期燃烧区，设计出力为500～800kg／h，喷口温度不低于1 200℃，采用第一级气膜冷却技术，避免煤粉贴壁流动及挂焦，解决燃烧器的烧蚀问题。

第二区为混合燃烧区，应用环形浓淡燃烧器，将淡粉流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧，既有利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。

3)航道长度是航道的固有属性，对于不同长度的航道，船舶通过航道的时间不同，而船舶减速过程实际上是船舶速度差异性随通航时间的累积过程，这一过程对航道长度具有明显的依赖性，航道长度越长，船舶减速的可能性会提升。

第三区为强化燃烧区，煤粉在第一区和第二区的挥发分基本燃尽。为了进一步提高疏松炭的燃尽率，采取提前补氧强化燃烧措施，提高第三区内的热焓及拉弧初速，达到加大火焰长度，提高燃尽度的目的。

第四区为燃尽燃烧区，随着火焰长度的加大、烟温的提升，燃尽率也逐渐加大。

4 等离子点火运行

在“上大压小”的形势下，吴泾热电厂8、9号机组经过设备改造，于2010年投入商业运行。锅炉为上海锅炉厂生产的Π型亚临界循环锅炉，蒸发量为1 125t／h，设计煤种为神木煤，挥发分为32.96%，低位发热量为22.12MJ／kg，配置5台HP863中速磨煤机，在A磨煤机设置等离子点火装置和轻油点火系统。机组冷态启动由等离子点火。在点火初期，由于磨煤机出口温度较低，着火困难、煤粉燃尽率低，存在尾部烟道二次燃烧的风险。经过技术攻关和不断完善，取得了较好的以煤代油、无油启动的点火效果。

1）在原煤仓进煤时，要选择挥发分高、水分低的优质煤，便于启动点火时煤粉迅速被点燃。为了防止炉内发生爆燃，必须先启动等离子，再给A磨煤机通风，通风前等离子运行时间不得超过10min。要提前对暖风器进行暖管和疏水，加热的辅汽温度约在350℃，暖风器投用时热一次风温要达到设计值140℃，初期A磨煤机出口风温应维持在70℃左右。

2）当A磨煤机出口风温超过70℃时，将进口风量提高到50t／h，风压保持在5～5.5kPa，然后启动给煤机并调整给煤量为15t／h，待1～2min，当煤粉浓度达到一定比例时，监视等离子火检屏点着火。着火稳定后，按照升温、升压曲线的要求，逐渐减少煤粉量。随着煤粉着火后烟温的升高，磨煤机出口风温也会逐步升高。

3）通过调整磨煤机出口折向门来调整煤粉细度。一般A磨煤机的煤粉细度要调得细一些，便于煤粉干燥和着火（校核煤种的煤粉细度R90＝18.38%，考虑到实际煤种的变化，可以将细度适当放细些）。

4）降低A磨煤机出口一次风速，使煤粉气流在等离子燃烧器的高温区停留时间延长，便于煤粉中挥发分的析出和燃烧。初始点火时一次风速控制在20m／s以下，等离子投运阶段一次风速不宜超过30m／s，在煤质允许的情况下一次风速控制在25m／s为最佳，这是通过试验得出的。

8号炉在给煤机转速为450r／min时保持煤粉浓度，通过1号角燃烧器进行煤粉浓度对着火特性的影响试验，如图2所示。

图2 煤粉浓度对着火特性的影响

8号炉在二次风挡板开度基本不变的工况下，通过1号角燃烧器进行一次风对着火特性的影响试验，如图3所示。

图3 一次风对着火特性的影响

由图3可以看出，冷态启动时一次风速在22～23m／s时火焰温度最高，而热态是在24m／s左右，在此一次风速下，煤粉气流的着火和燃烧稳定性为最好，火焰明亮，可以定为最佳风速。

5）合理配置一次风和二次风。由于开始点火阶段二次风温较低，如果将A磨煤机相邻的二次风门开得过大，不但不利于煤粉着火，反而会使燃烧变差，这是通过试验得出的。

8号炉在保持拉弧功率、给煤机转速为450r／min、一次风速为22m／s、总风压为3.5kPa工况下，改变二次风挡板开度，测量冷态启动和温态启动工况下的火焰温度，如图4所示。

图4 火焰温度与二次风挡板开度的关系

由图4可见，二次风挡板开度不宜太大。这是因为相邻层二次风温较低，如果开大二次风门，会使火焰温度降低。试验结果为二次风挡板开度在20%～30%比较合适。矛盾的是，随着炉膛温度的升高，为了防止结焦和缩短电极寿命，应该处理好火焰温度与二次风挡板开度的关系，逐渐开大相邻的二次风挡板开度。

6）由于点火时总风量在30%～40%，煤粉的燃尽率较低，部分未燃尽的煤粉会沉积在尾部烟道，随着烟气温度升高，有可能发生二次燃烧，特别是在空气预热器处。有效的做法是在点火后对空气预热器连续吹灰，减少空气预热器内部积灰和二次燃烧，同时在省煤器下放灰斗处，及时放掉未燃尽的煤粉，防止烟气温度升高后煤粉自燃。

7）做好等离子设备的日常维护工作。根据设备运行时间及时更换等离子阴极和阳极，并在启动前进行试拉弧，避免因等离子断弧致使大量煤粉直接吹入炉膛。等离子阴极寿命一般为100h，阳极寿命一般为400h。当阴极运行至80h、阳极运行至350h时，点火前应该对等离子阴极和阳极进行检查，根据使用情况及时更换，防止等离子阴极和阳极漏水，造成损坏燃烧器的事故发生。我厂阴极大多运行80h就会被击穿，为了便于检查，采用关闭冷却水阀门，就地查看冷却水压变化来判断阴极是否被击穿出现漏水。

8）由于A磨煤机配有等离子设备，不参与燃烧器火嘴的摆动，同时也为了减少磨煤机的磨损，A磨煤机做备用，只在每周例行试验时运行4h，而另外4台磨煤机运行带满负荷。

9）等离子设备投运期间一定要严密监视等离子壁温，一旦发现等离子前壁温或后壁温超过400℃时，应该及时采取降温措施，包括降低A磨煤机出力、加大A磨煤机的入口风量、降低等离子发生器的功率等。当等离子前壁温或后壁温超过500℃时，应该立即停运等离子设备，检查超温原因。

5 运行及维护经验

吴泾热电厂对等离子设备的日常运行及维护工作极为重视，无论是锅炉启停，还是日常稳燃运行，都能确保等离子设备良好运行，实现燃油零消耗。

1）针对等离子设备容易出现的常见故障，实行检修项目规范化。重点检查阴极头烧损和漏水情况；检查阳极瓷环安装位置、清洁度、损坏面和漏水情况；清理阴极尾座接线面的氧化物；检查阴极旋转电机和齿轮组的损坏及清洁情况；进入炉膛检查等离子燃烧器内壁的结焦及烧损情况。

2）在投运等离子点火装置前，必须对阴极和阳极进行检查和清扫，并根据检查情况及时修理或更换，避免在启动和并网过程中再去更换阴极，影响机组启动。

3）必须加强对冷却水和压缩空气系统的泄漏检查，包括管道、阀门、仪表、开关等部件有无泄漏；冷却水泵出口压力为200～400kPa，水温不高于40℃，而且回水畅通；等离子冷却风机和冷却水泵要按规范要求检查，做好预防性的检查及试开工作；冬季停炉后要停止冷却水泵运行，并且将系统内的积水放尽。

4）利用检修对磨煤机磨损情况做检查，对一次风速进行调整，对燃烧器进行检修等。

6 结语

投运等离子煤粉点火系统的好处是，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷运行期间正常投入，减少粉尘的排放，改善厂区周边环境的空气质量，带来显著的社会效益和经济效益。吴泾热电厂经过技术改造和完善管理措施，实现了以煤代油、零油耗启动锅炉，做到燃烧稳定和安全运行。

通过对等离子煤粉点火燃烧技术的应用分析和经验总结，证实了等离子煤粉点火燃烧技术在节约能源、环境保护、提高机组快速升负荷方面发挥了重要作用。以煤代油、零油耗启动锅炉，单一燃料运行，不但简化了点火系统，而且简化了运行方式，是一项值得推广的节能新技术。