交流等离子点火燃烧器在660MW直流锅炉上的应用

保立虎

（华北电力科学研究院（西安）有限公司，西安710068）

目前，我国火力发电机组的点火启动过程需要消耗大量的燃料油，据统计，以烟煤为例，200MW机组启动一次需要耗油50t，300MW机组启动一次需要耗油70t，一台600MW机组锅炉点火用油超过100t［1］。而我国是贫油大国，能源结构为煤多油少，面对国际原油价格的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助燃用油，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［2］。交流等离子点火是在节能降耗的背景下产生的一项新型节油技术，针对燃煤锅炉在启动和稳燃时需要耗费大量燃料油的实际情况，通过对锅炉燃烧器的改造，实现锅炉启动和稳燃期间无需投油，摆脱对燃油的依赖。交流等离子技术延续了直流等离子点火技术在点火温度、燃烧稳定等方面的优势，并具有一次性投资低、系统简单、电极寿命长、检修维护量小、煤种适应性范围广等优点［3－4］。因此，交流等离子点火技术在电厂上应用，具有非常重要的经济效益和社会效益。

1 交流等离子工作原理

交流等离子发生器采用冷电极拉弧和旋气稳弧原理，压缩空气进入电弧室，发生强烈地旋转，在离心力的作用下，形成了稳定的管状等离子电弧；同时由于箍缩效应的作用，密度较大的冷气流包围于弧柱的周围，使弧柱位于通道的中心，降低了电极表面的温度，起到了冷电极拉弧的作用，延长了电极使用寿命，一般可达到300h左右。交流等离子发生器采用高频引弧技术，其引弧信号的频率达到2 000Hz，解决了交流电过零断弧的问题，确保了电弧的稳定性和连续性［5］。

交流等离子发生器一般在介质气压0．35～0．50MPa的条件下接触引弧，在强磁场下获得稳定功率的交流空气等离子体，火焰中心温度T＞104K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，迅速释放出挥发分，使煤粉颗粒破裂粉碎，迅速燃烧。另外，等离子体中含有大量化学活性粒子，如原子（H、O）、原子团（OH）、离子（O2－、H＋、OH－）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧［6］。由于高温等离子体对于煤粉具有挥发分再造作用，使挥发分可以比通常情况下提高20%～80%［7－8］，这对于点燃煤粉有极大的意义。

图1为一种新型的交流等离子点火燃烧器。该点火器采用3支点火枪在高温燃烧筒中对煤粉进行三次高温加热，使煤粉的加热功率增加了3倍，从而提高了煤粉在高温区的停留时间，促进了挥发分的析出，进而加速煤粉的燃烧。从图1中可以看出，整个燃烧器可以划分为三个部分：I区为挥发分释放区；Ⅱ区为混合燃烧区；Ⅲ区为强化燃烧区。

图1 交流等离子煤粉点火燃烧器

2 交流等离子点火的应用

宁夏京能宁东发电厂2台660MW超临界表面式间接空冷燃煤机组锅炉的型号为HG－2210／25．4－YM16。该锅炉总体形式为 П 型，采用直流燃烧器、墙式切圆布置，切圆直径d＝9 500mm，燃用烟煤、负压燃烧固态排渣煤粉炉。制粉系统形式为中速磨正压冷一次风机直吹式制粉系统，每炉配6台中速磨煤机，5台运行，1台备用。

为保证改造效果，使锅炉在改造后能长期、安全、稳定运行，将锅炉下层一次风煤粉燃烧器拆除，改造为装有交流等离子枪的内浓外淡的内风膜式稳燃型燃烧器。

2011年1月15日进行交流等离子冷态点火试验。锅炉首次点火用煤特性见表1。

表1 燃煤特性

2．1 煤粉质量分数对燃烧的影响

煤粉质量分数高可以降低煤粉的着火热，有利于煤粉的点燃，但煤粉质量分数过大会使点火初期氧量不足，增加煤粉不完全燃烧热损失。为了确定等离子点火燃烧器的煤粉质量分数最佳适用范围，在调试过程中进行了此项试验。改造后的锅炉炉膛内每个等离子燃烧器由3个交流等离子发生器组成。试验在1号锅炉的交流等离子点火燃烧器上进行，4个等离子燃烧器的电压和电流见表2。

表2 交流等离子发生器电压电流

保持一次风速20m／s，周界风开度20%，辅助风开度40%，其余各风门开度为5%，总风量750～800t／h。磨煤机一次风量75t／h。在以上条件下，用给煤机给煤量（27t／h、30t／h、33t／h、36t／h、39t／h、42t／h）实现煤粉质量分数的变化，煤粉质量分数分别为 26．47%、28．57%、30．56%、32．43%、34．21%和35．90%。

图2给出了不同煤粉质量分数下的火焰温度。

图2 不同煤粉质量分数下的火焰温度

从图2可以看出：在煤粉质量分数从26．47%增加到32．43% 时，火焰温度从780℃升到900℃，通过火焰监视看到炉膛变亮，这是由于随着煤粉质量分数的增加，有效地降低了煤粉的着火热，增大了燃烧的强度，进而较大幅度地提高了火焰的温度，达120K。但是当煤粉质量分数从32．43%增加到35．90%时，火焰温度从900℃降到850℃，炉膛也明显变暗，这是由于当煤粉质量分数过大时，由于助燃空气过少，导致了挥发分析出后没有足够多的氧气与之反应，进而导致煤粉燃烧强度减弱，火焰温度降低。因此，只有当给煤机给煤量在30～34t／h时，可以认为达到了等离子点火燃烧器的煤粉质量分数最佳范围。

2．2 一次风量对燃烧的影响

一次风量的高低对煤粉的着火影响很大，当一次风量过高，煤粉着火将被推迟，燃烧不稳定；当一次风量偏低时，有可能烧坏燃烧器，并且引起煤粉管道积粉堵管，因此合适的一次风量对等离子着火稳定至关重要。

周界风开度20%，辅助风开度45%，其余各风门开度为5%，磨煤机煤量33t／h，在以上条件下，用磨煤机入口风量（65t／h、70t／h、75t／h、80t／h、85t／h、90t／h）实现一次风量的变化。

图3为测量火焰温度随一次风量的变化。

图3 不同一次风量下的火焰温度变化

从图3可以看出：在一次风量从65t／h增加到75t／h时，火焰温度从789℃升到902℃，通过火焰电视看到炉膛明显变亮，这是由于随着一次风量的增加，过量空气系数增大，促进了挥发分与氧气接触，进而促进煤粉燃烧，使得火焰温度升高；但是当一次风量从75t／h增加到90t／h时，火焰温度从902℃降到829℃，炉膛也明显变暗，这是由于一次风量过大导致了煤粉与空气混合物着火后的温度相对于适当一次风量下的燃烧温度有所降低，降低了反应速度，并且由于助燃空气过多，没有足够的挥发分和煤粉与之反应，使得点火延时增大，火焰向后推移，进而导致了火焰温度的降低。因此，只有当一次风量在70～80t／h时，可以认为达到了等离子点火燃烧器的一次风量最佳范围。

2．3 二次配风方式对燃烧的影响

当煤粉气流着火后，二次配风对燃烧稳定性和燃尽过程起着重要作用，尤其是在锅炉刚启动阶段，投入燃料少，二次风量不足时，煤粉燃烧不充分；风量过大时，带走大量热量，不利锅炉升温，降低燃烧的稳定性。

在保持二次风和炉膛压差380～400Pa内，进行以下几个工况试验：

（1）周界风开度10%，辅助风开度20%；

（2）周界风开度20%，辅助风开度30%；

（3）周界风开度20%，辅助风开度40%；

（4）周界风开度20%，辅助风开度50%；

（5）周界风开度25%，辅助风开度60%；

（6）周界风开度30%，辅助风开度60%。

其余各风门开度为5%，磨煤机给煤量33t／h，观察二次配风对锅炉燃烧的影响。

图4为不同配风方式下测量的火焰温度。

图4 不同配风方式下的火焰温度变化

从图4可以看出：周界风门的开度为20%时，火焰温度最高，可以达到约900℃，远大于周界风门的开度为10%、25%和30%时，因此在锅炉冷态点火初期，应将周界风门开度设计为20%。另外，当周界风门的开度为20%时，辅助风开度为40%，可以获得最高的火焰温度，因此可以认为，当周界风门的开度为20%，辅助风开度为40%时，可以得到最好的配风效果。

2．4 点火过程中煤粉燃烧效率的变化

在交流等离子点火燃烧器试运过程中，对煤粉燃烧效率进行测试。在点火30min内，由于一次、二次风温较低，炉膛温度偏低，煤粉燃尽率65%左右，90min后煤粉燃尽率约81%，180min后煤粉燃尽率约90%。具体的飞灰可燃物的质量分数和炉渣中碳的质量分数见表3。

表3 飞灰可燃物质量分数和炉渣中碳质量分数随时间的变化

3 结语

通过对交流等离子点火燃烧器在启动和稳定燃烧过程进行的各种试验，得出如下结论：

（1）交流等离子点火燃烧器能够很好地应用到660MW直流墙式切圆燃烧锅炉，燃烧稳定，达到锅炉冷态无油点火的目的。

（2）冷态启动时，给煤机给煤量控制在30～34t／h为宜。

（3）一次风量在70～80t／h，煤粉燃烧最稳定。

（4）在冷态启动初期，应将周界风门的开度控制在约20%，辅助风开度约40%，用以增强燃烧强度。

通过采取一系列措施，锅炉启动初期燃烧效率有所提高，但仍偏低，因此如何提高前期燃烧效率是今后研究工作的重点。

［1］孙公钢，方毅波，曲成刚，等．600MW超临界锅炉微油点火试验研究［J］．电站系统工程，2012，28（3）：1－4．

［2］池作和，孙公钢．微油点火燃烧器一级燃烧室结构数值模拟研究［J］．热力发电，2007（11）：20－24．

［3］于国良，李瑞扬，董利．电站锅炉等离子点火技术应用研究［J］．节能技术，2004，22（1）：30－32，44．

［4］周渊，周岩，齐玉胜，等．交流等离子点火技术在四角切圆锅炉上的可行性研究［J］．中国电力教育，2010（S2）：503－505．

［5］龚鹏，毛永清．等离子点火技术在超超临界机组中的应用［J］．电站系统工程，2011，27（5）：31－34．

［6］张贤忠，王琰清．交流等离子点火装置在海勃湾发电厂330 MW 锅炉中的应用［J］．科技创新导报，2011（29）：83．

［7］张永彩，张孝勇，刘鹏，等．电厂锅炉应用等离子点火的技术经济分析［J］．中国电力，2004，37（3）：42－45．

［8］张孝勇，陈学渊，罗泽斌，等．等离子点火技术在烟煤锅炉上的应用［J］．中国电力，2002，35（12）：18－21．