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1  引言

    大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核。为了减少重油（天然气）的耗量，传统的做法是提高煤粉的磨细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等。但是，这些方法已到了尽头，若要进一步减少燃油到最终不用油，必须采用与传统上完全不同的全新工艺―等离子煤粉点火燃烧器，这种工艺既可保证提高燃烧过程的经济性，又可以改善火电厂的生态条件，它采用直流空气等离子体作为点火源，可点燃挥发份较低的贫煤，实现锅炉的冷态启动而不用一滴油，是未来火力发电厂点火和稳燃的首选设备，采用等离子点火燃烧器，点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点：

    (1)  经济：采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%，对于新建电厂，可以节约数千万元的初投资和试运行费用。

    (2)  环保：由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，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。

    (3)  高效：等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子（O2－、OH－、O－、H＋）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。

    (4)  简单：电厂可以单一燃料运行，简化了系统，简化了运行方式。

2  等离子燃烧器工作原理

2.1  点火机理

    本装置利用直流电流在介质气压满足的条件下接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

    等离子体内含有大量化学活性的粒子，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧，除此之外，等离子体对于煤粉的作用，可比通常情况下提高20%～80%的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。

2.2  等离子发生器工作原理

    本发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成。其中阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成。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。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。其拉弧原理为：首先设定输出电流，当阴极前进同阳极接触后，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，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。

2.3  燃烧机理

    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。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2t/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垂直送入等离子火炬中心区，10 000℃的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份的含量提高了80%，其点火延迟时间不大于1秒。点火燃烧器的性能决定了整个燃烧器运行的成败，其喷口温度不低于1 200℃。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壁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、二区内挥发份基本燃尽，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焓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于火焰的长度，随烟气的温升燃尽率逐渐加大。

3  等离子点火燃烧系统组成

3.1  等离子点火燃烧系统

    等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。等离子发生器产生稳定功率的直流空气等离子体，如前文所述，该等离子体使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧。除此之外，等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃贫煤强化燃烧有特别的意义。

等离子燃烧器的高温部分采用耐热铸钢，其余和煤粉接触部位采用高耐磨铸钢。

等离子燃烧器按功能可分为两类：

    (1) 仅作为点火燃烧器使用，这种等离子燃烧器用于代替原油燃烧器，起到启动锅炉和在低负荷助燃的作用。采用该种燃烧器需为其附加给粉系统，包括一次风管路及给粉机；
    (2) 既作为点火燃烧器又作为主燃烧器使用，这种等离子燃烧器具有和(1)所述同样的功能，在锅炉正常运行时又可作为主燃烧器投入。采用此种方式不需单独铺设给粉系统。等离子燃烧器和一次风管路的连接方式做成和原燃烧器相同，改造工作量小。

    等离子点火技术作为一项新兴锅炉点火技术在电厂的应用，为各火电厂燃油系统改造，实现无油点火或低负荷稳燃提供了方向。不仅如此，它对于新建、扩建机组，在点火冲管，整组启动及发电机并网调试过程中都有着重大的节能意义，可以预见，在不久的将来，等离子点火技术将会得以更加广泛的推广和应用。

3.2  等离子点火器系统

    等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，其主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成，还有支撑托架配合现场安装。等离子发生器设计寿命为5～8年。阳极组件与阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极阳极与阴极，在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，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。线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。

3.3  等离子电气系统

    等离子发生器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、直流电抗器、交流接触器及控制PLC等。

3.4  等离子空气系统

    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，等离子点火系统的需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。

3.5  等离子冷却水系统

    等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5 000～10 000K的范围，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，因此需要保证冷却水不低于0.3MPa的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。

4  等离子在应用中的注意事项

    (1)  用等离子点火装置进行升炉期间，要投入对空预器连续吹灰，防止未燃烬的可燃物引起空预器的二次燃烧。
    (2)  锅炉启动的过程中，在保障锅炉升温、升压率的同时加强对锅炉的膨胀检查，并做好记录。
    (3)  在点火前，做好防止磨石子煤堵磨事故预想，并在点火的过程中，根据煤粉着火情况，磨石子煤情况，有目的调整给煤量与磨煤机风量、磨出口温度等参数。
    (4)  等离子点火燃烧器投入运行的初期，加强二次风挡板的调节等运行措施，尽量降低火焰中心高度，注意监视、记录烟温探针的温度，注意对汽机高、低旁路及其减温水的正常调节，防止再热器管超温。
    (5)  注意监视各角断弧情况（断弧时光字牌会发报警），断弧后及时联系检修人员检查处理并及时投入运行。
    (6)  等离子喷燃器由于结构上的原因，易出现燃烧器超温、结渣、燃烧不良等现象。要密切监视水冷壁的温度情况，防止温度过高造成爆管现象。
    (7)  为防止燃烧器结焦及烧损的隐患。预防措施有：在燃烧器设计中，考虑到一级燃烧室主要是煤粉裂解及挥发份燃烧，因此防止结焦的措施主要放在二级燃烧室，具体采用周界二次风，降低燃烧室壁面温度使其低于灰熔点；在煤粉在燃烧室燃烧时，体积急剧膨胀，流速在40～50m/s左右，有自吹扫及缓解结焦能力；在等离子点火器投运时，适当控制磨煤机给煤量，使燃烧器的热负荷在设计范围内运行。

5  常见故障及排除

(1)  故障现象：不能正常引弧、经常断弧。

    可能原因：阳极污染不导电；阳极漏水；电子发射枪枪头污染或损坏；电子发射枪枪头漏水；风压过高；引弧电机拒动；功率组件故障；控制电源失去。

    处理方法：清理阳极；更换阳极，更换密封垫；清理或更换枪头；更换枪头、更换密封垫；调整空气压力至正常；检查电机接线，检查电机是否损坏；检查可能损失的元件并进行更换；更换保险丝。

(2)  故障现象：功率波动大、易断弧。

    可能原因：阳极轻度污染；电子发射枪头烧损，形状不规则；电子发射枪头污染；风压波动大；阳极渗水；电子枪头渗水；瓷环松动。

    处理方法：清理阳极；更换枪头，清理枪头；检查风压系统；更换密封垫；检查枪头是否松动，如松动用专用工具拧紧，更换枪头；检查瓷环位置、检查卡簧及套筒是否损坏。

(3)  故障现象：启弧时阴、阳极接触没有反馈信号。

    可能原因：启弧电机损坏；瓷环脱落或损坏；阴极、阳极污染严重；阴极导管变形；电源柜整流元件损坏；继电器损坏。

    处理方法：检查电机；检查瓷环、更换瓷环；清理阴极、阳极；修理或更换阴极导管；更换元件；更换继电器。

(4)  故障现象：阴极不旋转。
 
    可能原因：旋转电机损坏；齿轮损坏；阴极上的顶丝太紧。

    处理方法：更换电机；更换齿轮；松顶丝半圈。

6  经济效益分析

6.1  直接经济效益

    机组在试运期间要经过锅炉吹管、整定安全阀、汽机冲车、机组并网、电气试验、锅炉洗硅运行、机组带大负荷运行等许多阶段，此期间由于锅炉无法投磨或无法完全断油运行，因此要耗费大量的燃油。根据电力部最新颁布的试运导则中的规定，600MW机组试运期间燃油消耗的标准定量为9000吨，而如果在机组试运初期投入等离子无油点火系统，将可以使整个试运期间的燃油消耗控制在1200吨以内，产生巨大的经济效益。

(1)  机组按常规方法试运所需燃油耗费计算：

    燃油消耗：9000吨；燃油价格：0.35万元/吨。
    燃油耗费：0.35×9000=3150（万元）。

(2)  机组改装等离子煤粉点火及稳燃装置进行试运所需费用计算：

    燃油消耗：1200吨；燃油价格：0.35万元/吨。
    燃油耗费：0.35×1200=420（万元）。
    原煤耗费：燃油的低位发热量为41.87MJ/kg，设计煤种低位发热量为24960kJ/kg，原煤价格按100元/吨计算，节约燃油数量为7800吨，则按发热量相等的原则所需的原煤费用为：130.8万元。

(3)  耗电费用

    设计煤种发热量：24960kJ/kg；原煤消耗：13084.4吨；
    制粉单耗：20 kWh/t；等离子燃烧器耗电：20 kWh/t；
    厂用电价格为0.16元/kWh。
    耗电费用：13084.4×(20+20)×0.16 = 8.37万元。

(4)  成本，改造费用（估算值）：500～600万元。

    经过以上计算可知，在试运期间投用等离子煤粉点火及稳燃装置可为电厂节约投资：
    3150-420-130.8-8.37-550＝2040.8万元。

6.2  间接经济效益

    按照常规的试运方法，机组在试运期间要长期低负荷运行，此期间锅炉纯烧油或油煤混烧，未燃尽的油滴粘污电极，使锅炉电除尘器无法正常投入；大量烟尘直接排放到大气中，给环境带来严重的污染；同时烟气中的粉尘会对锅炉引风机叶片造成磨损，这些均给电厂带来间接的经济损失。在机组试运期间投入等离子无油点火系统，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。

7  结语

    综上所述，针对等离子技术在电厂的引用，主要从系统组成、工作原理、常见事项及系统常见的一些缺陷和处理方法，经济效益方面做了阐述，它是一种安全、环保、经济的节能项目。但是它由于还在不断的完善和改进中，还没有达到最优化的程度，就会使维护工作量大，耗材费用也比较高，在安全方面由于技术方面的因素考虑的还不是很全面，例如：在拉弧过程中如果时间过长就会导致壁温过高，使得水冷壁容易爆管等，这样的问题还需要进一步的解决。如果要采用此项技术就要从各个专业进行预想和讨论，尽管如此，这套设备从理论上还是有很大的节能空间。通过对日常维护过程中遇到的缺陷和问题汇总，并在招标和调试过程中进行进一步地改进，使节能增效的效果更突出。尤其是在机组启动期间要消耗大量的油资源，从节能的角度来看，这套设备会带来更大的经济效益。采用等离子技术点燃煤粉是锅炉经济、高效、简单、安全、环保的先进技术，也是目前燃油系统改造的最佳替代产品，对电厂燃煤锅炉来说也是唯一可选设备。