淺議等離子點火技術在火力發電廠的應用

趙晶宇

摘 要：火力發電廠鍋爐點火和穩燃用油被作為一項重要的指標來考核，為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統的做法是提高煤粉的磨細度，提高風粉混合物和二次風的預熱溫度，采用預燃室燃燒器，選用小油槍點火槍等等，但是這些方法已到了盡頭，必須采用同傳統上完全不同的全新工藝。直流空氣等離子體作為點火源，可點燃揮發份較低的（10%）貧煤，實現鍋爐的冷態啟動而不用一滴油，是未來火力發電廠點火和穩燃的首選設備。

關鍵詞： 等離子；小油槍；鍋爐點火

我國的石油資源并不豐富，但消耗量很大，原油還需要進口，石油已經成為影響我國能源安全的戰略物資，而電力行業燃油的消耗占了全國消耗總量的20%以上。近十幾年以來，“綠色施工、節能減排”的理念越來越成為現代大型燃煤火力發電廠的建設理念，加上由于世界原油及其價格的紛爭，和國家對燃煤火力發電企業環保節能的要求，燃煤火力發電廠鍋爐點火啟動用的傳統燃料燃油的用量作為一項考核新建或改擴建機組的性能指標越來越受到重視，尋找一種如何少用或不用燃油來實現燃煤鍋爐的點火啟動、穩燃助燃的新技術作為一個新課題擺在了現代燃煤火力發電企業的面前。在以前的幾十年里，小油槍點火技術、微油點火技術逐步在燃煤火力發電廠鍋爐上得到應用，但由于它們并不能實現百分之百的節油目標，加上它們在同樣點火能量的條件下，點火性能沒有等離子體好，按照我國節能中長期規劃，將推廣應用等離子微油點火技術，整體提高我國電力工業的資源利用效率。

一、等離子點火技術的發展過程

2000年12月，等離子點火技術在佳木斯發電廠100MW中儲式制粉系統燃用煙煤的鍋爐中，成功的實現了冷態點火，是我國等離子點火技術在工程上的首次應用。2001年3月以來，等離子點火技術有了明顯的發展。首先將直流主燃燒器改造為等離子燃燒器，然后將該技術應用于直吹式雙進雙出磨煤機制粉系統鍋爐的旋流燃燒器上。隨著技術發展，該技術逐漸應用于200MW、300MW及600MW機組。2003年，等離子點火技術實現首臺褐煤600MW機組的點火，拓展了等離子點火技術煤種適應范圍。2006年，等離子點火技術成功應用于玉環電廠1000MW機組，是目前我國最大火電機組應用此技術的典范。

二、等離子點火工作原理

等離子點火裝置是利用高壓、高頻觸發起弧，并在強磁場控制下獲得穩定功率的直流空氣等離子體，該等離子體燃燒器中心燃燒筒中形成溫度高于5000K且溫度梯度極大的局部高溫區，煤粉顆粒通過該等離子“火核”受到高溫作用，并在10ms內迅速釋放出揮發物，使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。由于反應是在氣相中進行，使混合物組分的粒級和成分發生變化，有助于加速煤粉的燃燒，大大地減少點燃煤粉所需要的引燃能量。氣化微油點火技術是利用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細油滴進行燃燒，同時用燃燒產生的熱量對燃料進行初期加熱、擴容和后期加熱，在極短的時問內完成油滴的蒸發氣化，使油槍在正常燃燒過程中直接燃燒氣體燃料，點火方式為二級點火三級燃燒，從而大大提高燃燒效率和火焰溫度。微油油槍燃燒形成的高溫火焰使進人一次室的濃相煤粉顆粒破裂粉碎，并釋放出大量的揮發分而迅速著火燃燒，然后由已著火燃燒的濃相煤粉在二次室內與稀相煤粉混合并點燃稀相煤粉。

三、等離子點火系統的組成

等離子燃燒器是借助等離子發生器的電弧來點燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點燃，并將火焰在燃燒器內逐級放大，屬內燃型燃燒器，可在爐膛內無火焰狀態下直接點燃煤粉，從而實現鍋爐的無油啟動和無油低負荷穩燃。

為了擴大燃燒器對一次風速的適應范圍，等離子燃燒器的最后一級煤粉可不在燃燒室內燃燒而直接進入爐膛，因為煤粉燃燒后的熱量使得空氣體積迅速膨脹，受燃燒器內空間的限制，燃燒室內的風速會成倍提高，造成火焰擴散的速度小于煤粉的傳播速度而使燃燒不穩，當采取前面所述措施后，有利于減小燃燒室內的風速，使燃燒穩定。

四、等離子點火的特性

等離子點火與微油點火初期的煤粉燃燒率低是必然的，這是由點火能量決定的。一方面，煤粉不可能在燃燒初期完成較充分的燃燒；另一方面，大量的煤粉在風包粉后期混合燃燒，爐膛溫度水平決定了燃燒率的高低。因此，點火過程中燃燒率的變化隨著爐膛溫度水平的提升而由低到高發生變化，在鍋爐冷態工況下，投運節油點火裝置前必須有相應的冷爐啟動系統以提高一次風溫及爐膛溫度。一般點火初期過大的氣膜風不利于燃燒器噴口著火穩定，通常在點火期間盡可能不開或者少開燃燒器的周界風。著火穩定后氣膜風逐步增加，對等離子燃燒器壁溫的改善較明顯，同時可提高燃燒器在點火初期的穩燃特性。在鍋爐啟停初期，都可以投入電除塵運行，滿足環保要求。

五、等離子點火技術的優點

為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統的做法是提高煤粉的磨細度，提高風粉混合物和二次風的預熱溫度，采用預燃室燃燒器，選用小油槍點火等等，但是，這些方法已到了盡頭，若要進一步減少燃油到最終不用油，必須采用與傳統上完全不同的全新工藝，這種工藝既可保證提高燃燒過程的經濟性，又可以改善火電廠的生態條件。等離子煤粉點火燃燒器，采用直流空氣等離子體作為點火源，可點燃揮發份較低的（10%）貧煤，實現鍋爐的冷態啟動而不用一滴油，是未來火力發電廠點火和穩燃的首選設備，采用等離子點火燃燒器，點火和穩燃與傳統的燃油相比有經濟、環保、高效、簡單、安全幾大優點，等離子點火是燃煤鍋爐的首選設備，是目前燃油系統改造的最佳替代產品。

六、等離子點火技術存在的問題

1. 陰極頭使用壽命較短問題

等離子設備的陰極頭使用時間較短，為保證其工作時的穩定性，日常的維護量比較大，一般情況下，僅是依據使用時間來確定檢查周期。影響陰極和陽極的壽命的因素還是比較多的，比如載體風壓、一次風風壓、安裝角度的細微偏差、工作電壓、電流細微調整、環境溫度、陰極、陽極本身質量原因等多方面因素，都有可能縮短陰極、陽極的使用壽命，從而發生斷弧現象。陰極、陽極的使用壽命提高，是等離子技術進一步發展需要進一步突破的“瓶頸”。在目前技術條件下，生產使用時，對于等離子燃燒參數調整是有利于提高使用時間的，另一方面要通過加大維護力度來保證使用過程中的穩定性問題。

2. 等離子斷弧滅火問題

等離子點火系統在基建調試期間容易出現斷弧現象，嚴重時出現兩個角先后斷弧現象。因此一般的等離子點火系統為了保證鍋爐運行安全，其熱工邏輯為當某一角斷弧時，聯鎖關閉對應的磨煤機出口關斷門，磨煤機繼續運行；當兩個角同時斷弧時，磨煤機由于點火能量不滿足運行條件，磨煤機跳閘。由于鍋爐等離子點火初期只有一套制粉系統投運，當磨煤機跳閘時必然造成鍋爐失去全部燃料而滅火，因此運行中如何減少甚至杜絕兩個角斷弧是至關重要的問題。為了防止此等現象的發生，運行人員監盤時應時刻注意DCS“等離子畫面”中各個角的運行電壓、電流及累計運行時間；特別是某個角的運行電流大幅擺動或明顯增大時，須及時調整該角的運行參數，使其恢復正常運行值；另一方面，等離子陰極使用壽命只有80-100小時，當某個角的陰極材料已運行超過60小時時，經過調整此角的燃燒狀態仍然不穩定，要考慮盡早更換陰極材料。

七、結語

通過對等離子點火技術的了解，可發現等離子技術確實在節約能源、環保、提高機組效益上具有顯著優勢，隨著等離子點火技術的發展，等離子設備的可靠運行，簡單易行的操作與維護，無燃油電廠必然是未來發展的趨勢?！?