等離子無油點火技術的研究及應用

文 / 張九洲 施海華 四川川潤動力設備有限公司

我國是一個“富煤、少油、缺氣”的國家，其中石油的可采儲量僅占世界的2.67%，但是我國的石油消費量卻占世界第二位。隨著經濟的快速發展，我國對石油的需求量越來越大，對外依賴度也越來越高。因此，做好節油工作是緩解石油供需矛盾的重要措施。據統計，當前我國火力發電機組的年耗油量約1800萬t，其中鍋爐點火啟動及穩燃用油約900萬t。因此發展電站鍋爐的無油點火及穩燃技術可以很大程度上減少燃油量，甚至可以使電站完全脫離燃油系統。

2008年8月國務院頒布的《關于進一步加強節油節電工作的通知》中提到：所有火電廠（包括新建電廠）燃煤鍋爐都要采用等離子無油、小油槍等微油點火技術和低負荷穩燃技術，降低油耗。經過多年的研究，等離子無油點火技術已經日趨成熟，并在電站鍋爐中得到了工業應用，可以預測，在國家政策的大力支持下，等離子無油點火技術將成為未來我國電站鍋爐的主流技術。

1 等離子無油點火技術原理

等離子無油點火技術利用在強磁場控制下的直流接觸引弧放電，將載氣（空氣、氮氣等）電離成等離子。該等離子內含有大量活性粒子，這些粒子其內部有著3000～30000℃的高溫，將該等離子射流用機械和磁壓縮的方法送到需進行點火的部位，讓煤粉通過該等離子體，由于受到超高溫的強烈作用，煤粉顆粒迅速放出揮發分，并被破碎而再析出揮發分，從而迅速燃燒、強化燃燒，等離子體的化學活性物質可加速熱化學反應，促進燃料的完全燃燒。

2 國內外研究及應用現狀

2.1 國外現狀

俄羅斯是開展等離子無油點火技術研究和應用最早的國家之一，最具代表性的技術為熱裂解型等離子無油點火技術，其基本技術原理是將鍋爐一次風粉混合物分離成兩部分，再將經過濃縮后的少部分濃煤粉送入等離子熱裂化處理室（相當于預燃室），進行等離子熱裂化處理。用這部分經過處理后部分燃燒的煤粉火焰，去引燃單獨送入燃燒器的其余煤粉。對俄羅斯主要煤種的試驗表明：當等離子發生器的功率等于煤粉燃燒器功率的0.1%～1.5%時，可以保證等離子流穩定點火，并且煤粉火焰燃燒穩定。該技術得到了廣泛的研究和應用，目前該種裝置的安裝數量已達2100套左右。

美國和澳大利亞在等離子點火方面也有研究。美國CE公司和美國聯合碳化物公司于1978年相繼研制了電弧直接點燃煤粉燃燒器和低溫等離子點火燃燒器，并應用在哥倫布電廠900MW和馬里塔電廠295t/h鍋爐上。澳大利亞的等離子點火技術是由太平洋電力公司推出的，1993年第一臺工業等離子點火系統安裝在萬吉電廠5號機組60MW鍋爐上，并完成了點火試驗；此后又在Wallerawang電廠6號機組60MW四角燃燒鍋爐進行了多項試驗，并實現了無油啟動；1995年，第一臺300MW商業運行機組成功地使用了等離子點火技術。

雖然美國和澳大利亞都有成功的等離子點火工程實例，但是基于這兩個國家的電力結構，火電機組占總機組的份額相對比較小，同時由于其設備復雜，投資高，維修工作量大，所以等離子點火技術在這兩個國家的推廣受到了一定的影響。

2.2 國內現狀

我國從20世紀70年代中期開始研究等離子無油點火技術，直到2000年，才由我國煙臺龍源電力技術有限公司開發出DLZ-200型等離子點火裝置，并成功應用于煙臺發電廠1號鍋爐。截止2007年12月，該裝置已經完成400余臺電站鍋爐應用的業績，總裝機容量達到1.7億kW，累計為國家節約燃油400多萬t，節約資金200多億元。2008年6月，國電康平發電廠1號機組鍋爐點火一次成功，這創造了世界上首臺600MW機組在無燃油系統保障下實施等離子點火成功的紀錄。

以煙臺龍源電力技術有限公司為代表的等離子點火技術稱為直接點燃型等離子點火技術，其主要技術原理是：直接將鍋爐主燃燒器改為兼有等離子點火功能的燃燒器，即直接把鍋爐原來的主燃燒器設計為等離子燃燒器，在該燃燒器上安裝等離子發生器，當鍋爐啟停和低負荷穩燃時，投入等離子發生器，起到點火燃燒器的作用。當鍋爐高負荷正常運行時，等離子發生器停運，該等離子燃燒器作為鍋爐主燃燒器使用。其中等離子發生器的型號為 DLZ-200，能產生50～150kW連續可調的輸出功率，載氣使用的是壓縮空氣。

目前處于領先地位且應用較廣的等離子點火技術有兩種：一種是以俄羅斯為代表的熱裂解型等離子無油點火技術；另一種是直燃型等離子無油點火技術，該技術占國內市場份額的98%，近年投產的全國主力機組都已使用了這種技術。

熱裂解型等離子無油點火技術的特點是能夠點燃貧煤和無煙煤等難燃性的煤種，但是改造工程量大，同時也會影響到鍋爐的運行；而直燃型等離子無油點火技術的特點是采用直接改造鍋爐原主燃燒器為兼有等離子點火功能的燃燒器的方式，減少了對鍋爐主燃燒器的影響，但是就國內的應用情況來看，該技術針對的是比較容易著火的煙煤，而對于揮發分低難著火的貧煤和無煙煤，國內的研究或應用幾乎沒有。

由于近幾年來國內優質煙煤的價格在不停的上漲，很多電廠都開始燃用廉價的貧煤和無煙煤，因此開發針對貧煤和無煙煤的等離子無油點火技術有很大的應用空間，符合我國電站鍋爐燃燒方式的發展趨勢。

3 等離子無油點火技術的效益分析

3.1 經濟效益

電站鍋爐使用等離子無油點火技術會產生很大的經濟效益，它在實現以煤代油的同時，運行成本僅為使用燃油點火的10%～20%，對于300～600MW 的基建機組，僅在基建調試期間（168h之前）即可節約燃油數千噸，這期間不僅可以收回設備投資，還可節約資金幾百萬乃至幾千萬元。對于在運行的機組，由于其啟、停和穩燃次數以及燃用煤種的不同，經濟效益有所區別。以下是對一臺200MW調峰機組進行經濟效益的分析計算。

(1)燃油耗費計算：一臺200MW的常規機組每年用于點火及穩燃的耗油大約為1000t，燃油價格現在大約為0.7萬元/t，則每年的燃耗耗費為1000t×0.7萬元/t=700萬元。

(2)燃煤耗費計算：電站燃油的熱值一般為9600kcal/kg，動力煤的熱值為5500kcal/kg，在使用等離子點火啟動時，煤粉的固體不完全燃燒熱損失較大，估計為10%，按照等熱量原則來計算，代替1000t的燃油需要消耗動力煤1000×9600/（5500×0.9）=1940t，現在的煤價按700元/t來算，燃煤的耗費為1940×700=135.8萬元。

(3)電量耗費計算：現在電站用的等離子發生器基本上都是DZL-200型，其平均功率為150kWh,等離子燃燒器的出力為3.5t/h,則等離子發生器的工作時間為1940/3.5=554h,電價按照0.35元/ kWh,則可計算出電費耗量為150×554×0.35=3萬元。

(4)電極耗費計算：554×10元/h=5540元。

則每年產生的經濟效益：700-135.8-3-0.554=560.7萬元。而等離子系統改造的初投資費約為300萬元，即一年就可以收回初投資額，且直接產生了效益。可以看出是節省的燃油耗費直接產生了經濟效益。

3.2 社會效益

(1)電站鍋爐等離子點火技術替代燃料油，可節約大量的燃油，有利于保障能源安全，促進國民經濟的可持續發展。

(2)由于點火時不燃用油品，電除塵裝置可以在點火初期投入使用，因此減少了點火初期排放大量煙塵對環境的污染。另外，電廠采用單一燃料后，減少了油品的運輸和儲存環節，亦改善了電廠的環境。

4 存在的問題及解決方案

由于等離子無油點火技術的在我國的工業應用時間并不長，屬于發展階段，在使用過程中還存在一些問題。針對這些常見的問題，嘗試提出了建設性解決方案。

(1)等離子發生器容易斷弧。發生器的突然斷弧會造成大量未燃的煤粉進入爐膛，引起斷弧的主要原因是載氣的品質達不到要求，壓力波動比較大，因此解決的方法是在載氣進入發生器之前對其進行去水、去油、去雜質以及穩定壓力的處理，從而滿足發生器對載氣的要求。

(2)陰極使用壽命短。陰極頭在高溫的環境下的使用壽命一般比較短，設計使用壽命為50h，在研制出更好的耐用材料前，解決方案一般為改善陰極的冷卻系統，同時加強對發生器電壓、電流的監測，使陰極能在安全工況下工作。

(3)等離子燃燒器的超溫及結焦。等離子的溫度很高，同時煤粉在燃燒器內部被點燃，因此容易造成燃燒器內部的超溫和結焦。在使用過程中合理控制一、二次風速，能使燃燒器壁面受到及時的冷卻，同時加強對燃燒器壁溫的監測，這樣就可以避免出現超溫和結焦的現象。

(4)鍋爐啟動時磨煤機的干燥出力問題。由于鍋爐在冷爐啟動的過程中沒有熱風，磨煤機就沒有足夠的制粉條件，就無法實現整個機組的無油啟動，相應的解決方法是在磨煤機入口的熱風道上增加等離子暖風機，使冷風在進入磨煤機前被加熱，達到制粉條件，這樣磨煤機就可以在啟動初期便投入運行。

(5)等離子點火初期煤粉燃盡率低。由于在點火初期，煤粉在燃燒器內的停留時間短，而爐膛的溫度水平也不高，因此造成了煤粉燃燒不完全。故應在點火初期降低一次風速度，降低煤粉細度，提高磨煤機的出口溫度，為煤粉的完全燃燒創造良好的環境，這些措施可以降低點火初期煤粉的不完全燃燒損失。

(6)輸灰系統發生自燃。鍋爐在冷態下直接利用等離子點火啟動，會帶來煤粉燃燒不完全，飛灰含碳量偏高，這可能會引起輸灰系統發生自燃。輸灰系統自燃主要發生在灰庫內部，解決措施是需要及時放灰、降低流化溫度、流化風機間隙運行以降低會庫內的氧氣濃度。