150MW機組煤粉鍋爐創新應用等離子點火技術實現無油點火穩燃降低運行成本

于會泳，張繼武

（金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 熱電二車間鍋爐改造等離子點火技術的背景及意義

熱電公司熱電二車間兩臺150MW機組承擔著集團公司三大礦山用電發供、輸配和廠區生產熱負荷供應生產任務，是集團公司主力自備電廠。鍋爐配備大油槍點火裝置，采用0#輕柴油，每年因鍋爐啟停和助燃使用輕柴油約1000多噸，直接成本約900萬元左右。近年來，隨著世界性的能源緊張，原油價格不斷上漲，燃油成本大幅增加。據有關資料統計表明，我國電站燃煤鍋每年消耗燃料油約1100萬噸，鍋爐用于啟動點火、低負荷穩燃和新機組調試消耗的燃油大約在410萬噸左右。隨著國民經濟的快速發展和火電廠的建設，這一數字將進一步增加，這不僅加劇了我國石油資源的供需矛盾，而且耗資上百億元。燃油量的增加也使得電廠的建設成本和發電成本都大大增加，不利于電廠的經濟效益。因此，為了減少燃油的消耗量、降低發電成本，電力工作者一直致力于開發新的煤粉鍋爐節油點火技術。國家相關部門也將研究、開發及應用以煤代油的技術和產品作為長期能源戰略的一部分納入《中國能源》白皮書和《節約和替代燃料油“十五”規劃》。

煤粉鍋爐等離子點火與穩燃技術實現了點火技術與穩燃技術的有效結合。該技術是一項以熱等離子體作為煤粉激發熱源，直接點燃煤粉，啟動鍋爐，并可在鍋爐低負荷時穩定鍋爐燃燒的新技術。

我國和世界上許多國家近幾十年來在等離子點火技術的研究方面曾投入了大量精力。從20世紀70年代開始，美國的CE公司、 B&W公司、西屋公司,原蘇聯動力科學研究院等都曾從事過該技術研究，我國的清華大學、華中理工大學、哈爾濱鍋爐廠等單位也做了大量的研究和實驗工作。煙臺龍源電力技術股份有限公司（煙臺龍源）從1997年開始致力于等離子點火技術的研究，開發出DLZ-200型等離子點火裝置，并于2000年2月15日在煙臺電廠一臺210t/h貧煤鍋爐上點火啟動成功。經過半年多的工業應用考核，于2000年9月，首次在煙臺電廠50MW機組鍋爐上，完成工業性試驗，并通過了原國家電力公司組織的專家鑒定，此后逐步將該技術推向市場。在推廣應用過程中，煙臺龍源完善了系統，提高了該技術的適應性和技術水平，形成了產業化。

2000年12月，該技術在佳木斯發電廠100MW中儲式制粉系統燃用煙煤的鍋爐上，成功的實現了冷態點火。在中國首次實現等離子點火技術從工業試驗到工程應用的轉變。

2006年，等離子點火技術成功應用于玉環電廠1000MW機組，開創了我國最大容量機組應用等離子點火技術的歷史。

2007年，煙臺龍源的等離子點火系統落戶韓國三千浦電廠，實現了機組的無油啟停，各項設備運行穩定，鍋爐燃燒情況良好，為電廠節約了大量的燃油。這也標志著我國的等離子點火技術走出國門，走向世界，達到世界領先水平。

為了降低發電成本，解決熱電二車間鍋爐運行中存在的問題，采用新技術、新工藝實現鍋爐無油點火，解決鍋爐結焦的問題，提高機組的整體經濟性勢在必行。2012年開始，熱電公司安排技術骨干，針對兩臺煤粉鍋爐點火問題，多次向外部專業電廠和專業廠家進行技術咨詢。通過專業技術人員對國內300MW、600MW大機組鍋爐應用的等離子點火技術進行考證和分析研究，提出了在480t/h煤粉鍋爐低爐膛、小斷面尺寸爐膛，以降低三層煤粉燃燒器整體高度，縮減燃燒器噴口間距，收縮點火切圓，增加點火貼壁風防止結渣的整體等離子點火技術創新應用思路。

2013年10月，熱電二車間兩臺鍋爐點火裝置采用為等離子點火技術并順利投運，實現了鍋爐無油點火及低負荷助燃功能，節約了燃油，同時解決了鍋爐結焦的問題，產生了較大的經濟效益和社會效益。

2 熱電二車間鍋爐概況及存在問題分析

2.1 鍋爐概況

熱電公司熱電二車間 DG480/13.7-II10 型鍋爐是一次中間再熱π型布置、超高壓自然循環汽包爐、單爐膛、燃燒器四角布置、切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、采用回轉式空氣預熱器、露天布置、 爐頂大包、緊身封閉、全鋼結構、雙排布置。

配鋼球磨中儲式制粉系統、乏氣送粉，每爐配 2 臺 MTZ3258鋼球磨煤機。 尾部豎井為雙煙道、尾部豎井由中隔墻過熱器分為前煙道和后煙道，在前煙 道布置旁路省煤器，在后煙道布置冷段再熱器，下級省煤器布置在尾部豎井煙道下部煙道內。

鍋爐運行方式：帶基本負荷并具有變負荷調峰能力，鍋爐在75% ～100%BMCR 范圍內定壓運行，鍋爐在 50%～100%BMCR范圍內滑壓運行，主蒸汽、再熱蒸汽達到額定值。

（1）鍋爐基本尺寸

（2） 爐膛主要參數

（3）設計燃煤成分及特性

①燃料著火特性

②燃料燃盡特性

③燃料結渣特性

（4）鍋爐主要設計參數

（5）燃燒器

煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、噴嘴固定、百頁窗式水平濃淡直流燃燒器，采用雙切圓布置方式，假想切圓直徑為Φ641mm（如圖1），每角燃燒器共布置有10層噴口（如圖2），其中有四層周界風（A、B、C、D）噴口，一層頂二次風（OFA）噴口，五層二次風噴口，（AA、AB、BC、CD、DD，其中AB、CD層布置有燃油裝置）。鍋爐設有二次風大風箱，固定在兩側墻水冷壁上，隨水冷壁一同膨脹。燃燒器設計參數見下表：

圖 1 燃燒器切圓布置圖

（6）鍋爐點火裝置及助燃用油系統

鍋爐點火裝置采用高能點火器，設兩層共8支簡單機械霧化油槍，油槍布置在二次風噴口中供點火和低負荷穩燃用，單只油槍出力1150kg/h，總出力為30%BMCR。油槍采用二級點火系統，高能點火器作為輕油引燃用，點火時，點火器火花棒產生高強度的火花將輕油點燃。

圖 2 噴口布置圖

2.2 熱電二車間鍋爐存在的問題分析

（1）兩臺鍋爐配備大油槍點火裝置，采用的是0#輕柴油，每支油槍設計出力1.15t/h。隨著運行時間的延長，油槍霧化能力減弱，造成小時耗油量增加，每支油槍出力在1.5t/h左右，機組啟、停一次，燃油消耗量達25噸，僅燃油一項成本達20萬元，每年因鍋爐啟停和助燃消耗輕柴油約1000多噸，直接成本約900萬元左右，生產成本巨大。

（2）鍋爐的爐膛容積為4246m3，爐膛容積熱負荷與截面積熱負荷分別為131KW/m3（對應113×103KCal/M3H）與4.349MW/m2（對應3.74×106KCal/M2H），容積熱負荷偏大。

（3）鍋爐設計燃煤為靖遠煤種，校核煤種為寧夏煤種，實際燃用煤種多為新疆方向來煤，灰熔點較低，且沒有穩定的燃煤來源，煤質遠遠超出設計范圍，鍋爐結渣問題突出，出力最大可帶390t/h，達不到鍋爐設計出力，機組效率較低。

（4）采用油槍點火裝置，由于燃油的霧化及其它原因可能會導致燃油燃燒不完全，電除塵器運行時，未燃盡的油滴會玷污電除塵器的極板，降低除塵器的除塵效率，所以在鍋爐點火和油槍助燃期間，要求電除塵器不能投運，會使鍋爐出口粉塵濃度超標，達不到環保要求。

（5）由于油槍霧化能力減弱、冬季環境溫度偏低等原因，油槍點火初期著火困難，多次打火方能著火，延遲機組啟動時間。

3 熱電二車間鍋爐等離子點火技術改造應用

3.1 等離子點火器設計原則

（1）確保點火過程安全可靠。其系統設計在啟動過程中必須確保啟動過程的安全可靠，即穩定安全地著火，不二次燃燒、不爆燃，投入功率需滿足點火啟動曲線的需求；在正常運行過程中不影響主燃燒器的主要性能，不影響整體燃燒組織結構、不結渣、不超溫。

（2）滿足機組滑停及低負荷穩燃的要求。

（3）在滿足等離子點火的條件下，從設計的角度確保各項改造對鍋爐的性能影響達到最小的原則。

（4）在滿足等離子點火的條件下，各部分系統的設計，應最大限度地采用機組的原有資源，盡可能減少對原配套系統及其設備的改變，以減少投資、簡化系統、運行維護方便為宗旨，減少對原設計的影響。

（5）應充分考慮系統在試運行時調試的方便。

（6）應充分考慮其系統運行時可能出現危及機組安全可靠運行的突發情況，做好事故預測，并采取對應的防范措施。

（7）便于調整試運，便于運行操作、調整和監視。

（8）等離子點火系統能做到熱備用，在鍋爐燃燒不穩或低負荷時可快速啟動進行助燃。

3.2 等離子燃燒器的設計原則

（1）良好的穩燃特性：可以從鍋爐冷態啟動點火到滿負荷運行全過程中保持穩燃，具有良好的單個燃燒器的獨立穩燃能力，鍋爐最低穩燃負荷不大于35%BMCR。

（2）理想的初始燃盡率：從開始著火到熱態大負荷下，單個燃燒器的燃盡率非常高，使得初期冷環境下的充分燃燒，基本消除尾部煙道積粉二次燃燒的威脅。

（3）高效迅速著火：可以在投粉后迅速點燃形成穩定火炬，達到遇粉就燃的快速助燃和啟動能力。

（4）可控的溫度特征：燃燒器的噴口溫度可以通過風速、濃度、風壓、煤粉分配、結構設計等諸多因素進行調整。

（5）煤粉氣流適應能力寬泛：燃燒系統能夠擴大煤種適應性。

（6）強化的抗干擾性能：在冷爐條件下，其穩燃過程即不受周圍二次風又不受大動量的吹掃影響，其內燃過程的良好組織是最關鍵的因素。

（7）優良的防結焦性能：并避免各受熱面的高溫腐蝕及結焦，鍋爐連續出力不低于420t/h。

（8）穩定的長焰火炬形態：這一點顯著不同于常規油燃燒器和傳統其他類型點火燃燒器的特點，在初期冷爐狀態數十秒鐘內即可獲得穩定長火焰。

3.3 等離子點火燃燒系統改造布置

等離子點火燃燒系統由等離子點火裝置和輔助系統兩大部分組成。點火裝置包括等離子發生器、等離子燃燒器。輔助系統包括電源裝置、控制系統、冷卻水系統、載體風系統、圖像火檢系統。

（1）綜合考慮熱電二車間鍋爐對等離子點火及穩燃裝置的可靠性要求，確定在A、B層燃燒器位置安裝布置兼有主燃燒器功能的等離子體燃燒器，共計8只，對應B排粉機。在鍋爐點火和穩燃期間，等離子體燃燒器具有點火和穩燃功能，在鍋爐正常運行過程中，該等離子體燃燒器具有主燃燒器功能。等離子燃燒器見圖3。

圖3 等離子燃燒器實物圖

（2）將鍋爐原燃燒器的一次風內筒從后端面向后整體拆除，替換為等離子點火燃燒器。該燃燒器后端與一次風彎頭相連，前端與原燃燒器平齊。經過改裝的彎頭上裝有等離子發生器，產生的等離子體通過長桿型的等離子體輸送裝置送到前端的點火位置，煤粉在這里被逐級點燃后噴入爐膛。等離子發生器見圖4。

圖4 等離子發生器實物圖

（3）一次風彎頭及燃燒器入口尺寸經過仔細核算，其通流面積與原燃燒器基本相同，以保證燃燒器阻力、一次風流速與原燃燒器相同；等離子點火燃燒器內部為兩層中心筒套裝的結構，不會對煤粉氣流造成擾動，假象切圓直徑減少為Φ600mm；原燃燒器的內、外二次風的旋流葉片在結構上不做任何改動，其運行方式也保持不變。

（4）二次風噴口由每角10層改造為12層，其中有四層周界風（A、B、C、D）噴口，三層燃盡風（OFA）噴口，最頂層燃盡風噴口能夠上下擺動，具有汽溫調節功能；五層二次風噴口（AA、AB、BC、CD、DD），采用新的二次風室，高度增加1.8米，增加兩層高位燃盡風噴口，提高煤粉燃盡率。

（5）底層燃燒器位置不變，每層燃燒器間距減小0.3米，頂層燃燒器位置下降0.9米，增加斷面熱負荷，提高鍋爐低負荷穩燃性能。

（6）主燃燒器兩側增加貼壁風(圖5)，解決鍋爐結焦問題。

圖5 等離子燃燒器貼壁風示意圖

3.4 等離子點火技術工作原理

3.4.1 等離子發生器的原理

圖6 等離子發生器的工作原理圖

圖6是等離子發生器的原理示意圖，該發生器為磁穩空氣載體等離子發生器，由線圈、陰極、陽極組成。其中，陰極材料采用高導電率的金屬材料或非金屬材料制成，陽極由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料制成，它們均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。該線圈在高溫250℃情況下具有抗2000V的直流電壓擊穿能力，電源采用全波整流并具有恒流性能。

其啟弧原理為：首先設定電源的工作輸出電流(250～350A)，當陰極在直線電機的推動下，與陽極接觸后，電源按設定的工作電流工作，當輸出電流達到工作電流后，直線電機推動陰極向后移動，當陰極離開陽極的瞬間，電弧建立起來，當陰極達到規定的放電間距后，在空氣動力和磁場的作用下，裝置產生穩定的電弧放電，生成等離子體。

3.4.2 等離子發生器的點火機理

（1）高溫效應：等離子煤粉點火裝置是利用直流電流在介質氣壓0.005～0.03MPa的條件下接觸拉開引弧，并在強磁場控制下獲得穩定功率的定向空氣等離子體，該等離子體在專門設計的燃燒器的中心燃燒筒中形成溫度T＞5000K的溫度梯度極大的局部高溫火核區，煤粉顆粒通過該等離子體火核時受到高溫熱沖擊作用，迅速吸熱膨脹并釋放出揮發份，使煤粉顆粒破裂分解，從而迅速著火燃燒。同時由于受熱著火過程是在氣固兩相中進行，混合物組分的粒級因受熱破裂粉碎發生物理化學變化，進而使得煤粉的燃燒速度加快，大大地減少了煤粉燃燒所需要的引燃能量。

（2）化學效應：等離子體存在大量原子(C、H、O)、原子團(OH、H2、O2)、離子(、OH－、H＋)和電子氣體等化學活性的粒子，可加快熱化學轉換，強化煤粉燃燒和提高燃料的燃盡率。

（3）電場效應：電弧產生等離子體，伴隨著燃燒區里產生相當強的電場，使得燃燒過程更加積極，提高煤粉的燃盡率。

3.4.3 等離子體燃燒器燃燒原理

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。

熱電二車間采用的是最新技術的四代等雙尺度低氮等離子體燃燒器，由等離子體發生器、中心筒一級燃燒室、內套筒二級燃燒室、外套筒等部分組成，等離子體發生器采用軸向布置方式。

圖7 等離子點火原理圖

如圖7所示，等離子發生器產生穩定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的中心筒中形成T＞5000K的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10-3秒內迅速釋放出揮發物，并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發生了變化，因而使煤粉的燃燒速度加快，也有助于加速煤粉的燃燒。

燃燒器采用逐級點火、放大燃燒結構、濃淡燃燒技術，首先使得煤粉在中心筒中穩定著火燃燒，然后在中心筒出口形成穩定的二級煤粉點火源，逐級放大燃燒，從而完成一個持續、穩定的點燃和燃燒過程。第二區為混合燃燒區，一般采用“濃點濃”的燃燒原則，將淡粉流貼墻而濃粉引入主點火燃燒器燃燒。這樣，一方面冷卻了混合段的壁面溫度，另一方面又有利于混合段的點火。第三區為強化燃燒區，如圖8所示，由于垂直煤粉濃集層與上游高溫火焰的強對流加熱，而水平煤粉濃集層與回流區高溫煙氣強湍流換熱，呈立體交叉分布的多方位煤粉濃集層被很快加熱而著火，這樣，相對集中的一個著火區，就變成互相引燃,互相支撐的多個著火面，從而達到穩定燃燒。同時，如圖9所示，由于煤粉濃集層都在向火面，有利于防止火焰沖壁，減少水冷壁結渣。

圖8 燃燒技術原理示意圖

圖9 爐內水平濃淡燃燒示意圖

3.5 輔助系統

輔助系統包括電源裝置、控制系統、冷卻水系統、載體風系統、圖像火檢系統、控制系統。參見圖10

圖10 等離子發生器及輔助系統

3.5.1 等離子冷卻水系統

由于等離子發生器產生的電弧弧柱溫度通常在5000K到10000K范圍內，分別發送和接收電子的陰極和陽極處于高溫環境，而穩定電弧的線圈長時間通電也會產生熱量，因此，等離子發生器配備冷卻水系統，以冷卻等離子發生器的陰極、陽極以及線圈。熱電二車間等離子冷卻水系統水源取自除鹽水，經升壓泵后分別送至就地點火發生器內，再分三路分別送入線圈和陰、陽極。

3.5.2 等離子發生器配備載體風系統

載體風是等離子發生器產生等離子體的介質。等離子電弧形成后，等離子電弧形成后，通過線圈形成的強磁場的作用壓縮成為壓縮電弧，需要載體風氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。熱電二車間采用高壓離心風機出口高壓風系統為等離子發生器提供載體，在等離子點火器停止工作以后，高壓離心風機繼續工作，為等離子點火器、圖像火檢探頭供冷卻風。

3.5.3 等離子電源系統

等離子發生器使用的是直流電源，采用可控硅整流設備，將交流電轉換成直流電，提供給等離子發生器產生、并維持等離子電弧的穩定。電源系統由電氣供電系統，隔離變壓器和整流柜三大部分組成。

3.5.4 火焰監視系統

為監視等離子點火燃燒器的火焰情況，方便運行人員進行燃燒調整，在等離子點火燃燒器上各安裝一套圖像火檢裝置，其視頻信號送至集控室內大屏幕，運行人員可在點火初期同時監視八個等離子點火燃燒器的火焰（如圖11）。圖像火檢探頭的冷卻風取自等離子載體系統的高壓離心風機出口。

在集控室運行人員通過觀察采集到的等離子體燃燒器噴口火焰圖像，可以初步判斷煤粉燃燒的好壞：

如果看到的火焰不明亮，黑龍（未燃的粉）很多，說明燃燒差，需要進一步調整，防止鍋爐因燃盡率太低，造成飛灰含碳過高，易造成尾部煙道二次燃燒；

如果看到的火焰明亮，無黑龍（未燃的粉），說明燃燒太好，不符合燃燒器設計理念，需要進一步調整。由于燃燒太劇烈，容易造成燃燒器壁溫超溫結焦結渣，甚者燒壞燃燒器。

圖11 爐膛燃燒火焰監視圖像

3.5.5 燃燒器壁溫監測系統

在等離子體燃燒器內設有壁溫監測系統，在線監測燃燒器前端和中心筒壁溫，運行中控制在400℃以內，以防止燃燒器超溫造成結焦結渣。等離子體燃燒器是內燃式燃燒器，其通過一次風進行冷卻金屬壁。正常情況下中心筒及各級金屬外壁通過的應該是一次風對其進行冷卻，所以其溫度不應大于400℃。

（1）當中心筒溫度高于400℃，運行人員要進行調整：應適當降低等離子體發生器工作電流，最低值不小于240A（工作范圍240～350A ）。應適當提高磨出口一次風管道一次風速（冷態16～18米／秒、熱態18～24米／秒）。適當降低給粉機負荷。

（2）當中心筒溫度過低時，為提高煤粉燃盡度要進行調整：應適當提高等離子體發生器工作電流，最高值不大于350A（工作范圍240～350A ）。應適當降低磨出口一次風管道一次風速（冷態16～18米／秒、熱態18～24米／秒）。適當提高給粉機負荷。

3.5.6 控制系統

（1）重要信號如MFT、等離子體斷弧采用硬接線方式與DCS連接。所有必要的開關量、模擬量通過硬接線分別接入各機組DCS機柜，在每臺機組的DCS操作站可完成等離子體點火穩燃系統的監視和控制，使整個系統可以達到安全、穩定的運行。等離子體發生器輸出功率可靈活控制，滿足鍋爐點火及穩燃需要。

（2）系統操作由DCS系統完成（如圖12）。利用DCS的操作員站實現等離子體系統的監控。

圖12 等離子點火系統DCS控制系統圖

（3）等離子體控制系統具有以下主要功能：①等離子體電弧啟動、停止程控。②等離子體電弧功率調節。③等離子體電弧電壓、電流、功率參數。④自動保護等離子體發生器不被燒損。⑤等離子體陰極，陽極運行時間累計，提示更換陰極壽命。⑥等離子體裝置故障記錄。⑦燃燒器壁溫監視，超溫報警。⑧一次風速在線檢測。⑨聯鎖保護功能，與FSSS接口。

（4）等離子體發生器的控制。等離子體發生器的控制主要是對陰極的控制。通過對陰極的調整，進行電壓的調節，陰極通過整流柜對其控制。

（5）等離子體點火程序。啟動程序：在條件滿足的情況下，允許啟動等離子體發生器。DCS發出啟動指令，交流接觸器合閘，整流柜輸出380V直流電，進陰極，直至陰極與陽極接觸，然后陰極逐漸后退，電壓逐漸上升，到達系統設置的距離，出現電弧標志。停止程序：DCS發出停止指令，交流接觸器分閘，陰極前進至陽極接觸，再后退2秒。保護程序：在冷卻水壓力不夠、載體風壓力不夠、MFT等離子體發生器自動停止。

3.6 采用等離子點火技術的風險分析及措施

3.6.1 爐膛爆燃的風險分析

等離子體發生器工作后，等離子體溫度在4000～10000℃左右，煤粉燃燒機理是高溫下煤粉顆粒被多次破碎，發生強烈的物理化學反應，裂解出大量的揮發分，揮發分在一、二級燃燒室內基本完全燃盡，并點燃煤粉中的固定碳。燃燒器噴口的火焰溫度為1000～1100℃，火焰向爐膛傳播的過程中，吸收二次風及爐膛空氣中的氧量，大部分繼續燃燒，僅剩下少量可燃物。

熱電二車間鍋爐燃用設計為揮發分較高的煙煤，在鍋爐冷態也可以保證煤粉較高的燃燒效率。而且，隨著點火時間的推移，爐膛溫度逐步提高，其燃燒效率也會逐漸增加，這樣采用等離子體點火系統進行鍋爐冷態啟動時，大量煤粉已被點燃，鍋爐爆燃的可能性極小。

3.6.2 二次燃燒的風險控制

空預器吹灰裝置在鍋爐點火前必須具備投入條件，空預器消防裝置必須具備投入條件，空預器入口煙氣側有煙溫測點，并設置溫升梯度報警。在鍋爐點火的過程中，要保證空預器吹灰蒸汽參數及吹灰頻率。

每次鍋爐點火前，應對鍋爐省煤器落灰斗、空預器落灰斗等進行清理，保證暢通。每次停爐后及時完成落灰斗清理。

機組并網后，要控制機組升負荷速率，逐步增加爐膛通風量，防止煙溫的突然升高。

3.6.3 等離子體發生器故障時的技術措施

等離子體燃燒器在正常運行中有發生故障導致未燃煤粉直接噴入爐膛的隱患，威脅爐膛安全。可以通過熱工保護，避免上述現象的發生。即設置等離子體發生器發生故障時，保護聯跳相應給粉。

3.6.4 等離子體燃燒器對鍋爐NOx排放值影響分析

鍋爐燃燒中生成的氮氧化物從生成類型分為：燃料型NOx、熱力型NOx 、快速型NOx。研究表明，煤粉爐(爐內溫度低于2000K)主要是燃料型NOx ，約占總量75%-80%，其余為熱力型NOx 、快速型NOx（最少），揮發份生成的NOx約占燃料型NOx的60%-80%，其余燃料型NOx是由焦炭中燃料N經多相反應生成。

鍋爐降低NOx采用的主要技術有三點：①濃淡分離偏離NOx生成量高的化學當量燃燒區降低NOx的生成。將煤粉氣流分成濃淡進入爐膛，濃相煤粉濃度高所需著火熱少，利于著火和穩燃；淡相補充后期所需的空氣，利于煤粉的燃盡，同時濃淡燃燒均偏離了化學當量燃燒，降低了NOx的生成。②增加煤焦粒子在燃料富集區域的駐留時間，以減少煤焦粒子中氮氧化物釋出形成NOx的可能；③將較大比例的附加風OFA布置在燃燒器的上部，降低NOx的生成。

從上述鍋爐采用的降低NOx的原理及措施分析，認為在A、B層安裝等離子體燃燒器后，鍋爐正常運行時，其NOx的排放不會引起大的變化，原因如下：等離子體燃燒器在鍋爐正常運行時作為主燃燒器運行，也屬濃淡燃燒器，其特點為中心濃，四周淡，濃淡燃燒均偏離了化學當量燃燒，利于降低NOx的生成，與原燃燒器從設計思想上相近。由于等離子體燃燒器安裝在最下三層一次風煤粉燃燒器位置，煤焦顆粒在燃料富集區域的駐留時間較長，利于減少煤焦粒子中氮氧化物釋出形成NOx的可能。鍋爐上原采用頂部OFA技術沒有進行任何改動，OFA附加風對降低NOx作用依然明顯。

4 等離子點火技術在熱電二車間鍋爐上應用的效果分析

熱電二車間等離子點火技術改造應用后，與燃油點火燃燒裝置性能相比，具有明顯的優勢，主要表現在以下方面：

（1）采取等離子點火技術實現了鍋爐無油點火及低負荷助燃功能，節約了大量柴油。下表為采用等離子點火技術前后燃油消耗量統計表。

（2）等離子體點火系統適用于任意煤種，可直接點燃煤粉，在鍋爐低負荷運行時投入使用，起到穩定燃燒的作用，等離子體點火速度快，過程順利，火焰連續、穩定，無爆燃。等離子體點火燃燒器在點火發生器停運后，可作為主燃燒器使用。

（3）如圖13所示，等離子燃燒器用一種空氣與燃料射流特征組合，設法擴大兩大區域（爐膛橫斷面和爐膛縱面）三場（溫度場、氣固相濃度場，煙氣流場）特性的差異，爐膛中心形成了中心區有較高煤粉濃度、較高溫度、適宜氧濃度、較高燃燒強度，爐膛近壁區形成為較低溫度、較低 CO 濃度、較高 O2 濃度(沿程逐步摻入中心區)和有利于阻止灰粒附壁，延長了冷卻路徑的流場結構，使火焰邊部可控可調，抑制了鍋爐水冷壁的結渣。

（4）如圖14所示，采用等離子燃燒器后，爐膛假想切圓直徑由Φ641mm減小為Φ600mm，爐膛空氣動力場良好，各噴口著火距離適當，無火焰直接沖刷水冷壁現象，同時主燃燒器采用貼壁風設計，這部分二次風在近壁區域形成了較高的氧化性氣氛，可抑制水冷壁的高溫腐蝕，同時從根本上解決了鍋爐結焦的問題，鍋爐出力由改造前最大380t/h提高到了420t/h，提高了鍋爐運行的安全性、經濟性，為機組長周期運行提供了保障。

圖14-1 燃燒器改造前爐內空氣動力場示蹤圖

圖14-1 燃燒器改造后爐內空氣動力場示蹤圖

（5）由于在燃燒器內一次風只提供15%～35%的氧量，因此在燃燒器內燃燒屬于深度的缺氧燃燒，此時燃料氮生成的NOx被迅速還原，即等離子點火是深度火焰內還原，大幅降低NOx的生成。通過沿爐膛高度方向合理的分級組織，使常規燃燒組織過程中造成的尖峰溫度場趨于平緩，抑制了熱力型NOx產生，實現爐內深度脫氮。

（6）等離子燃燒器采用一次風噴口集中且濃淡組合、接力熱回流環渦穩燃等技術手段，在燃燒過程尺度上利用熱力與動力不對稱性原理使三種動渦連續相扣，特別是噴口處煤粉熱解著火后碳的著火燃燒區段的三場特性利于與爐中心復合射流大渦的復合連接。環渦內碳粒有較高的內回流率延長了在環渦內停留時間，顯著提高了環渦內碳燃燒發熱量，使環渦穩燃、著火、碳燃燒、碳燃盡全過程鏈環穩固，同時，增加了兩層燃盡風，有效提高了煤粉燃盡率。

（7）滿足鍋爐啟動曲線，點火過程中過熱汽溫、再熱汽溫升溫速度符合升溫曲線。

（8）采用等離子點火技術，在鍋爐點火初期即可投入電除塵器運行，減少了點火初期排放大量煙塵對環境的污染。

（9）等離子點火裝置結構簡單、操作靈活，不受環境溫度影響，在任何時候均可實現無延遲點火。

（10）取消了燃油的運輸、儲存、輸送環節，降低了生產成本，避免了燃油系統泄漏著火等各種事故。

（11）由于減小了主燃燒器層間距，燃燒區爐膛截面熱負荷增加，鍋爐負荷在35% BMCR即可穩燃，提高了鍋爐的低負荷穩燃性能。

5 改造后的經濟效益分析

5.1 直接經濟效益

（1）采用燃油點火裝置一年所需費用計算：

點火及穩燃需燃油耗費為1100噸

燃油價格（#0柴油）：0.8萬元/噸

燃油耗費：0.8×1100= 880（萬元）

（2）采用等離子體點火裝置一年所需燃料費用：

原煤耗費：燃油的低位發熱量為41.8MJ/kg，設計煤種低位發熱量為25MJ/kg，按照原煤平均價格約為430元/t，則按發熱量相等的原則所需的原煤費用約為79萬元。

（3）耗電費用

電價格為：0.3元/kWh

設計煤種發熱量： 25 MJ/kg

原煤消耗： 1839t

制粉單耗： 20kWh/t；

制粉系統電耗：1839×20×0.3=0.37（萬元）

等離子系統耗電：冷卻水泵功率37KW，載體風機功率30KW；

供油泵22KW（已拆除設備）。

改造為等離子裝置后耗電費用（兩臺爐運行14000小時）：

(37+30-22)×0.3× 14000= 18.9(萬元 )。

（4）等離子系統日常運行及維護費用

等離子陰、陽極消耗及其它設備維護費用用約 5萬元。

（5）每年可以節省費用計算：

880-79-0.37-18.9-5=776.73（萬元）。

熱電二車間點火裝置改造后，每年可節約的直接費用為776.73萬元。

5.2 間接經濟效益

（1）等離子點火技術未改造前，鍋爐燃煤多為新疆方向來煤，灰熔點較低，鍋爐結渣問題突出，出力最大可帶390t/h。改造后，采用等離子燃燒器，同時增加了貼壁風，徹底解決了鍋爐結焦的問題，鍋爐出力最大可帶420 t/h，提高了機組效率降低。

（2）采用油點火裝置時，鍋爐在點火啟動和低負荷助燃運行期間，鍋爐純燒油或油煤混燒，為避免未燃盡的油滴粘污電極，鍋爐電除塵器無法正常投入，大量煙塵直接排放到大氣中，給環境帶來嚴重的污染，同時煙氣中的粉塵會對鍋爐引風機葉片造成磨損，帶來間接的經濟損失。采用等離子點火技術，在鍋爐點火初期即可投入電除塵器運行嗎，避免了大量煙塵直接排放到大氣中給環境帶來的污染。

（3）采用等離子點火技術，解決了原有點火系統使用輕柴油點火，因冬季溫度低使得點火困難而導致鍋爐啟動時間長，難以及時投入生產運行的問題，為冬季鍋爐及時啟動投入生產創造了條件。

6 結束語

通過對熱電二車間150MW機組煤粉鍋爐容積熱負荷偏大爐膛創新應用大機組鍋爐等離子燃燒技術的分析可以看出，大機組鍋爐等離子技術在我公司自備電廠煤粉鍋爐點火系統上的應用，可以達到節約能源、環保、提高機組快速升負荷方面具有重要的應用意義，而且可以實現單一燃料運行，簡化了系統，簡化了運行方式；同時，為我公司今后在其他新建熱源煤粉鍋爐采用經濟、高效的點火系統設計提供了理論和實踐依據。