等离子点火技术

等离子点火技术发电分公司王鹏恒引言从我国目前的能源结构中分析，油资源短缺是一个不争的事实，我国每年所消耗的石油都要大量依靠进口来满足国内日益增长的需要，这是一项耗费巨额资金的经济活动!面对国内油资源短缺这一严峻事实，我们迫切需要节约燃油来减少进口!当前情况下石油已成为影响我国能源安全和经济发展的重要战略物资，通过节约和寻找燃油替代品来保证国家能源和经济安全已经被提上了重要日程。

为了满足燃煤机组的无油点火，等离子燃烧技术应运而生!随着科技的发展，等离子点火技术已经得到很大的进步，在国内很多电厂中得到使用，而且使用效果良好，可以在保证机组安全的基础上为发电企业节约部分发电成本，已经逐渐成为电厂的主流点火方式。

当前，等离子系统主要涉及到发电行业的大型燃煤火力发电厂，主要应用于发电厂煤粉锅炉的启动、点火和稳燃。

当然，也涉及应用于其他行业或者类似领域的煤粉锅炉的点火和稳燃。

通过等离子点火技术的广泛使用，逐渐代替了传统的燃油点火，从而实现了节能减排，对企业的经济效益有了很大提高。

同时在等离子点火中运用电除尘技术，使得颗粒物的排放明显减少，这项技术也适应了当前对燃油这一紧缺资源的节约，在国家提倡绿色能源的今天，等离子技术定将得到进一步发展，从而实现良好的社会和经济效益。

1 等离子点火系统1.1 等离子点火系统的原理等离子点火技术是一种新型的锅炉点火燃烧技术，等离子体直接点燃煤粉替代燃料油的原理是：它利用电弧电离空气流（也可以是其它气体）形成高温等离子体，利用水冷通道、自身磁场、外磁场以及气体旋流等稳弧方法来控制该等离子体，使其定向流动则形成了高温等离子射流。

让煤粉通过此高温等离子射流，煤粉颗粒则在瞬间析出挥发份，再造挥发份、爆燃，在完全没有任何燃油的情况达到无油点火及稳燃的目的，满足锅炉点火启动及低负荷稳燃的需要。

等离子点火技术是先通过等离子发生器产生高温射流，从而将电源的电能传递给空气，然后使用高温等离子射流先点燃部分煤粉，然后在燃烧器中分级点燃煤粉形成较大的火焰，最后在点燃锅炉一次风携带的煤粉。

煤在电弧等离子体高温射流中热解后的主要产物是挥发分、焦和烟炱。

挥发份主要由CH4，C2H2，C2H4，C4H6，H2，CO，CO2，N2和H2O 等组成，其中乙炔是主要成分，煤焦是析出挥发份以后的煤残留物，而烟炱则是乙炔在高温下的分解积碳。

因为电弧等离子体射流的温度极高，而煤粉颗粒在燃烧器内停留时间却很短，所以热解速率非常高。

在这种快速热解条件下，热分解将更加剧烈，热缩聚则更加减弱，这就是挥发分中主要由小分子组成的主要原因。

在等离子体高温射流加热过程中，主要是等离子体的热分量在起作用。

随着气体和煤粉颗粒温度的升高，在原子团和分子解离产物的参与下，燃料开始异质热化学转化，在这个反应阶段，是电弧等离子体的热化学分量在起重大作用。

因为煤的挥发分转化为气相，加上残余焦炭的局部气化，挥发份与氧化剂(空气，水蒸气)间，以及各挥发分相互之间开始产生化学反应，亦即在此气相反应阶段，等离子体的热电分量可使反应明显加强，以更低的激活能参与反应，从而加速化学转化。

据估计，当氧由分子转变为原子形态时，激活能已减少为1/10 到1/15。

挥发份的氧化反应将加快数倍，使释热过程更加迅速，这又使残余焦炭受热加剧，使碳加速转化为气相。

这时，在热化学分量和热电分量的作用下，将讲一步促使碳的转化。

另外，等离子体与煤粉作用过程中能生成低着火点的双相燃料，等离子体点燃煤粉过程中可以再造挥发份，提高燃料的反应度、强化煤粉混合物的燃烧，降低着火温度、加速热化学转换，促使燃料完全燃烧。

正是由于等离子点火具有以上的种种优点，才促进了等离子点火技术应用不断的发展。

1.2 等离子点火装置的系统构成目前国内各火电厂普遍采用的等离子点火装置是由山东烟台龙源电力技术有限公司开发的。

整个点火装置的示意图如图1所示。

图1 等离子点火装置示意图1.2.1 等离子发生器及拉弧原理等离子发生器主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件3大部分组成，如图2所示。

1-线圈；2-阳级；3-阴极；4-电源图2 等离子发生器工作原理其拉弧原理为:首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2接触后，整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。

一定压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体。

其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极，带负电的离子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极。

阴极材料采用高导电率的金属材料制成。

阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。

1.2.2 等离子燃烧器根据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配的原则设计了多级燃烧器。

它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。

烟台龙源的等离子点火实验证明:运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从ZT/H扩大到10T/H。

在建立一级点火燃烧过程中，采用了将经过浓缩的煤粉送入一定角度等离子火炬中心区，高温等离子体同浓煤粉的汇合及所伴随的物理化学过程使煤粉原挥发分的含量提高了80%，其点火延迟时间不大于1秒。

图3 等离子燃烧器燃烧器点火的性能决定了整个燃烧器运行的成败，在设计上该燃烧器出力约为500~800kg/h，其喷口温度不低于1300℃。

另外加设了第一级气膜冷却技术避免了煤粉的贴壁流动及挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。

该区称为第一区。

第二区为混合燃烧区，在该区内一般采用“浓点浓”的原则，环形浓淡燃烧器的应用将淡粉流贴墙，而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。

这样做的结果既利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。

如果在特大流量条件还可采用多级点火。

第三区为强化燃烧区，在一、二区内挥发分基本燃尽，为提高疏松炭的燃尽率，采用提前补氧强化燃烧措施，提前补氧的原因在于提高该区的热焙进而提高喷管的初速达到加大火焰长度提高燃尽度的目的，所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。

第四区为燃尽区，疏松碳的燃尽率决定火焰的长度。

随烟气的温升，燃尽率逐渐加大。

1.2.3 电源系统电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。

其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路将380V三相交流电源变为稳定的直流电源。

其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。

电源柜主要是提供稳定的直流电源，电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。

隔离变压器的主要作用是隔离，一次绕阻接成三角形，使3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响;二次绕组接成星型，可得到零线，避免等离子发生器带电。

1.2.4 控制系统控制系统主要是由PLC、CRT、通讯接口和数据总线构成。

其采用集电源全数字整流与点火器FO接口，具有通讯能力为一体的全数字直流控制器，为控制核心元件。

由于该控制器除具有正常的整流控制功能外，还具有拍扩展和RS485接口通讯功能。

因此，它作为整流和等离子发生器的引弧控制接口，水流、风压保护接口，从硬件上满足了系统的需要。

电流、电压的参数调整完全可以由上位机界面设定操作，实现过程的全自动化控制。

1.2.5 辅助系统辅助系统主要包括冷却水系统、风粉系统和压缩空气系统。

等离子电弧形成后，弧柱温度一般在3000K到4000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁，通过大量实验总结得出:为保证好的冷却效果，需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极。

风粉系统主要是由给粉机，磨煤机，暖风器，一次风系统，气膜风系统，二次风系统六个部分组成。

压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要压缩空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。

因此，等离子点火系统需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的，且压力稳定。

2 等离子点火器国内外应用的研究进展2.1 国外研究进展自上世纪70 年代末开始，由于世界能源危机及环境危机的爆发，世界上的发达国家均开始研制等离子点火这一新型技术，并将该技术广泛推广到船用燃气轮机、地面发电用燃气轮机及火力发电厂的锅炉设备中，尤其是独联体国家、美国和澳大利亚等发达国家均在等离子点火技术方面投入了大量的人力和物力。

上世纪70 年代，独联体国家较早开展了对等离子点火技术的试验研究，主要研究部门有乌克兰国立海洋技术大学、莫斯科物理技术学院、俄罗斯科学院新西伯利亚分院、俄罗斯中空气动力研究院等科研单位，研究结果表明，采用等离子点火技术不仅可以提高燃料的燃烧效率，还可降低点火延迟时间，增加活化粒子的浓度，降低NOx 排放，改善燃烧室出口温度的不均匀度，起到强化及稳定燃烧的作用。

独联体国家还将实验成果应用到了舰船燃气轮机及多种型号的地面燃气轮机中，截止到1998 年，超过500台燃机系统已采用了等离子点火技术，极大改善了燃机低工况的性能。

除用于燃机系统的点火设备外，独联体国家将等离子点火技术应用于电厂煤粉的燃烧中。

图4 为乌斯基-可麦洛沃斯克电站锅炉中的等离子点火煤粉燃烧器，由阴极及阳极之间的电弧加热煤粉，且阴极为可移动式石墨组成，可随时调整电极间隙，并及时补充阴极材料的烧蚀，该装置发生器的功率可达200KW。

独联体研制的等离子发生器的功率一般达50-200KW，是将等离子发生器与热裂化反应器组合在一起，采用部分煤粉燃烧的热量加热其余煤粉，用煤粉自身放热促使热裂化反应的进行。

等离子电弧工作约1.5-2.0 小时后上述反应可达到平衡可停止工作，独联体国家研制的煤粉用等离子点火系统虽结构较为复杂，但实现了不烧重油而直接点燃煤粉的目的，极大减少了燃料的消耗，降低了NOx 的排放并提高了燃料的燃烧效率。

图4 同轴等离子体发生器煤粉燃烧室图5 马里塔电厂锅炉用燃烧器1-阴极；2-阳极；3-煤粉空气混合物美国、澳大利亚等发达国家也对等离子点火技术的应用进行了研究，主要应用于电站锅炉中煤粉的直接点燃，已达到降低能源消耗及污染物排放的目的。

美国联合碳化物公司于1978 年成功研制了热等离子点火燃烧器，如图 5 所示，且在马里塔电厂锅炉上进行了试验，该点火系统的功率为109KW，直接将圆管型电弧点火器插入煤粉燃烧器中，实现了煤粉的直接点燃。

Foster Wheeler 国际能源公司在1997 年的全美电力年会上，公布了本公司生产的大型锅炉机组的生产情况，同时该公司生产的锅炉机组全部装有等离子直接点火燃烧系统。

1993 年，澳大利亚太平洋电力公司生产了澳大利亚第一台工业用等离子体点火器，并将其安装于万吉 5 号机组锅炉中，该锅炉功率60MW，并最终点火试验成功。