等离子无油点火技术的研究及应用

文 / 张九洲 施海华 四川川润动力设备有限公司

我国是一个“富煤、少油、缺气”的国家，其中石油的可采储量仅占世界的2.67%，但是我国的石油消费量却占世界第二位。随着经济的快速发展，我国对石油的需求量越来越大，对外依赖度也越来越高。因此，做好节油工作是缓解石油供需矛盾的重要措施。据统计，当前我国火力发电机组的年耗油量约1800万t，其中锅炉点火启动及稳燃用油约900万t。因此发展电站锅炉的无油点火及稳燃技术可以很大程度上减少燃油量，甚至可以使电站完全脱离燃油系统。

2008年8月国务院颁布的《关于进一步加强节油节电工作的通知》中提到：所有火电厂（包括新建电厂）燃煤锅炉都要采用等离子无油、小油枪等微油点火技术和低负荷稳燃技术，降低油耗。经过多年的研究，等离子无油点火技术已经日趋成熟，并在电站锅炉中得到了工业应用，可以预测，在国家政策的大力支持下，等离子无油点火技术将成为未来我国电站锅炉的主流技术。

1 等离子无油点火技术原理

等离子无油点火技术利用在强磁场控制下的直流接触引弧放电，将载气（空气、氮气等）电离成等离子。该等离子内含有大量活性粒子，这些粒子其内部有着3000～30000℃的高温，将该等离子射流用机械和磁压缩的方法送到需进行点火的部位，让煤粉通过该等离子体，由于受到超高温的强烈作用，煤粉颗粒迅速放出挥发分，并被破碎而再析出挥发分，从而迅速燃烧、强化燃烧，等离子体的化学活性物质可加速热化学反应，促进燃料的完全燃烧。

2 国内外研究及应用现状

2.1 国外现状

俄罗斯是开展等离子无油点火技术研究和应用最早的国家之一，最具代表性的技术为热裂解型等离子无油点火技术，其基本技术原理是将锅炉一次风粉混合物分离成两部分，再将经过浓缩后的少部分浓煤粉送入等离子热裂化处理室（相当于预燃室），进行等离子热裂化处理。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。对俄罗斯主要煤种的试验表明：当等离子发生器的功率等于煤粉燃烧器功率的0.1%～1.5%时，可以保证等离子流稳定点火，并且煤粉火焰燃烧稳定。该技术得到了广泛的研究和应用，目前该种装置的安装数量已达2100套左右。

美国和澳大利亚在等离子点火方面也有研究。美国CE公司和美国联合碳化物公司于1978年相继研制了电弧直接点燃煤粉燃烧器和低温等离子点火燃烧器，并应用在哥伦布电厂900MW和马里塔电厂295t/h锅炉上。澳大利亚的等离子点火技术是由太平洋电力公司推出的，1993年第一台工业等离子点火系统安装在万吉电厂5号机组60MW锅炉上，并完成了点火试验；此后又在Wallerawang电厂6号机组60MW四角燃烧锅炉进行了多项试验，并实现了无油启动；1995年，第一台300MW商业运行机组成功地使用了等离子点火技术。

虽然美国和澳大利亚都有成功的等离子点火工程实例，但是基于这两个国家的电力结构，火电机组占总机组的份额相对比较小，同时由于其设备复杂，投资高，维修工作量大，所以等离子点火技术在这两个国家的推广受到了一定的影响。

2.2 国内现状

我国从20世纪70年代中期开始研究等离子无油点火技术，直到2000年，才由我国烟台龙源电力技术有限公司开发出DLZ-200型等离子点火装置，并成功应用于烟台发电厂1号锅炉。截止2007年12月，该装置已经完成400余台电站锅炉应用的业绩，总装机容量达到1.7亿kW，累计为国家节约燃油400多万t，节约资金200多亿元。2008年6月，国电康平发电厂1号机组锅炉点火一次成功，这创造了世界上首台600MW机组在无燃油系统保障下实施等离子点火成功的纪录。

以烟台龙源电力技术有限公司为代表的等离子点火技术称为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。其中等离子发生器的型号为 DLZ-200，能产生50～150kW连续可调的输出功率，载气使用的是压缩空气。

目前处于领先地位且应用较广的等离子点火技术有两种：一种是以俄罗斯为代表的热裂解型等离子无油点火技术；另一种是直燃型等离子无油点火技术，该技术占国内市场份额的98%，近年投产的全国主力机组都已使用了这种技术。

热裂解型等离子无油点火技术的特点是能够点燃贫煤和无烟煤等难燃性的煤种，但是改造工程量大，同时也会影响到锅炉的运行；而直燃型等离子无油点火技术的特点是采用直接改造锅炉原主燃烧器为兼有等离子点火功能的燃烧器的方式，减少了对锅炉主燃烧器的影响，但是就国内的应用情况来看，该技术针对的是比较容易着火的烟煤，而对于挥发分低难着火的贫煤和无烟煤，国内的研究或应用几乎没有。

由于近几年来国内优质烟煤的价格在不停的上涨，很多电厂都开始燃用廉价的贫煤和无烟煤，因此开发针对贫煤和无烟煤的等离子无油点火技术有很大的应用空间，符合我国电站锅炉燃烧方式的发展趋势。

3 等离子无油点火技术的效益分析

3.1 经济效益

电站锅炉使用等离子无油点火技术会产生很大的经济效益，它在实现以煤代油的同时，运行成本仅为使用燃油点火的10%～20%，对于300～600MW 的基建机组，仅在基建调试期间（168h之前）即可节约燃油数千吨，这期间不仅可以收回设备投资，还可节约资金几百万乃至几千万元。对于在运行的机组，由于其启、停和稳燃次数以及燃用煤种的不同，经济效益有所区别。以下是对一台200MW调峰机组进行经济效益的分析计算。

(1)燃油耗费计算：一台200MW的常规机组每年用于点火及稳燃的耗油大约为1000t，燃油价格现在大约为0.7万元/t，则每年的燃耗耗费为1000t×0.7万元/t=700万元。

(2)燃煤耗费计算：电站燃油的热值一般为9600kcal/kg，动力煤的热值为5500kcal/kg，在使用等离子点火启动时，煤粉的固体不完全燃烧热损失较大，估计为10%，按照等热量原则来计算，代替1000t的燃油需要消耗动力煤1000×9600/（5500×0.9）=1940t，现在的煤价按700元/t来算，燃煤的耗费为1940×700=135.8万元。

(3)电量耗费计算：现在电站用的等离子发生器基本上都是DZL-200型，其平均功率为150kWh,等离子燃烧器的出力为3.5t/h,则等离子发生器的工作时间为1940/3.5=554h,电价按照0.35元/ kWh,则可计算出电费耗量为150×554×0.35=3万元。

(4)电极耗费计算：554×10元/h=5540元。

则每年产生的经济效益：700-135.8-3-0.554=560.7万元。而等离子系统改造的初投资费约为300万元，即一年就可以收回初投资额，且直接产生了效益。可以看出是节省的燃油耗费直接产生了经济效益。

3.2 社会效益

(1)电站锅炉等离子点火技术替代燃料油，可节约大量的燃油，有利于保障能源安全，促进国民经济的可持续发展。

(2)由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入使用，因此减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染。另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境。

4 存在的问题及解决方案

由于等离子无油点火技术的在我国的工业应用时间并不长，属于发展阶段，在使用过程中还存在一些问题。针对这些常见的问题，尝试提出了建设性解决方案。

(1)等离子发生器容易断弧。发生器的突然断弧会造成大量未燃的煤粉进入炉膛，引起断弧的主要原因是载气的品质达不到要求，压力波动比较大，因此解决的方法是在载气进入发生器之前对其进行去水、去油、去杂质以及稳定压力的处理，从而满足发生器对载气的要求。

(2)阴极使用寿命短。阴极头在高温的环境下的使用寿命一般比较短，设计使用寿命为50h，在研制出更好的耐用材料前，解决方案一般为改善阴极的冷却系统，同时加强对发生器电压、电流的监测，使阴极能在安全工况下工作。

(3)等离子燃烧器的超温及结焦。等离子的温度很高，同时煤粉在燃烧器内部被点燃，因此容易造成燃烧器内部的超温和结焦。在使用过程中合理控制一、二次风速，能使燃烧器壁面受到及时的冷却，同时加强对燃烧器壁温的监测，这样就可以避免出现超温和结焦的现象。

(4)锅炉启动时磨煤机的干燥出力问题。由于锅炉在冷炉启动的过程中没有热风，磨煤机就没有足够的制粉条件，就无法实现整个机组的无油启动，相应的解决方法是在磨煤机入口的热风道上增加等离子暖风机，使冷风在进入磨煤机前被加热，达到制粉条件，这样磨煤机就可以在启动初期便投入运行。

(5)等离子点火初期煤粉燃尽率低。由于在点火初期，煤粉在燃烧器内的停留时间短，而炉膛的温度水平也不高，因此造成了煤粉燃烧不完全。故应在点火初期降低一次风速度，降低煤粉细度，提高磨煤机的出口温度，为煤粉的完全燃烧创造良好的环境，这些措施可以降低点火初期煤粉的不完全燃烧损失。

(6)输灰系统发生自燃。锅炉在冷态下直接利用等离子点火启动，会带来煤粉燃烧不完全，飞灰含碳量偏高，这可能会引起输灰系统发生自燃。输灰系统自燃主要发生在灰库内部，解决措施是需要及时放灰、降低流化温度、流化风机间隙运行以降低会库内的氧气浓度。