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1  引言

    大型工業煤粉鍋爐的點火和穩燃傳統上都是采用燃燒重油或天然氣等稀有燃料來實現的，近年來，隨著世界性的能源緊張，原油價格不斷上漲，火力發電燃油愈來愈受到限制。因此鍋爐點火和穩燃用油被做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―等離子煤粉點火燃燒器，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，它采用直流空氣等離子體作為點火源，可點燃揮發份較低的貧煤，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以下幾大優點：

    (1)  經濟：采用等離子點火運行和技術維護費僅是使用重油點火時費用的15%～20%，對于新建電廠，可以節約數千萬元的初投資和試運行費用。

    (2)  環保：由于點火時不燃用油品，電除塵裝置可以在點火初期投入，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。

    (3)  高效：等離子體內含有大量化學活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子團（OH、H2、O2）、離子（O2－、OH－、O－、H＋）和電子等，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒。

    (4)  簡單：電廠可以單一燃料運行，簡化了系統，簡化了運行方式。

2  等離子燃燒器工作原理

2.1  點火機理

    本裝置利用直流電流在介質氣壓滿足的條件下接觸引弧，并在強磁場下獲得穩定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成的局部高溫區，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，這樣就大大地減少促使煤粉燃燒所需要的引燃能量。

    等離子體內含有大量化學活性的粒子，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒，除此之外，等離子體對于煤粉的作用，可比通常情況下提高20%～80%的揮發份，即等離子體有再造揮發份的效應，這對于點燃低揮發份煤粉強化燃燒有特別的意義。

2.2  等離子發生器工作原理

    本發生器為磁穩空氣載體等離子發生器，它由線圈、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。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。其拉弧原理為：首先設定輸出電流，當陰極前進同陽極接觸后，整個系統具有抗短路的能力且電流恒定不變，當陰極緩緩離開陽極時，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管外部。一定壓力的空氣在電弧的作用下，被電離為高溫等離子體，為點燃不同的煤種創造了良好的條件。

2.3  燃燒機理

    根據高溫等離子體有限能量不可能同無限的煤粉量及風速相匹配的原則設計了多級燃燒器。它的意義在于應用多級放大的原理，使系統的風粉濃度、氣流速度處于一個十分有利于點火的工況條件，從而完成一個持續穩定的點火、燃燒過程。實驗證明運用這一原理及設計方法使單個燃燒器的出力可以從2t/h擴大到10t/h。在建立一級點火燃燒過程中采用了將經過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區，10 000℃的高溫等離子體同濃煤粉的匯合及所伴隨的物理化學過程使煤粉原揮發份的含量提高了80%，其點火延遲時間不大于1秒。點火燃燒器的性能決定了整個燃燒器運行的成敗，其噴口溫度不低于1 200℃。另外加設了第一級氣膜冷卻技術避免了煤粉的貼壁流動及掛焦，同時又解決了燃燒器的燒蝕問題。該區稱為第一區。第二區為混合燃燒區，在該區內一般采用“濃點濃”的原則，環形濃淡燃燒器的應用將淡粉流貼壁而濃粉摻入主點火燃燒器燃燒。這樣做的結果既利于混合段的點火，又冷卻了混合段的壁面。如果在特大流量條件還可采用多級點火。第三區為強化燃燒區，在一、二區內揮發份基本燃盡，為提高疏松炭的燃盡率采用提前補氧強化燃燒措施，提前補氧的原因在于提高該區的熱焓進而提高噴管的初速達到加大火焰長度提高燃盡度的目的，所采用的氣膜冷卻技術亦達到了避免結焦的目的。第四區為燃盡區，疏松碳的燃盡率決定于火焰的長度，隨煙氣的溫升燃盡率逐漸加大。

3  等離子點火燃燒系統組成

3.1  等離子點火燃燒系統

    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。等離子發生器產生穩定功率的直流空氣等離子體，如前文所述，該等離子體使煤粉的燃燒速度加快，也有助于加速煤粉的燃燒。除此之外，等離子體有再造揮發份的效應，這對于點燃貧煤強化燃燒有特別的意義。

等離子燃燒器的高溫部分采用耐熱鑄鋼，其余和煤粉接觸部位采用高耐磨鑄鋼。

等離子燃燒器按功能可分為兩類：

    (1) 僅作為點火燃燒器使用，這種等離子燃燒器用于代替原油燃燒器，起到啟動鍋爐和在低負荷助燃的作用。采用該種燃燒器需為其附加給粉系統，包括一次風管路及給粉機；
    (2) 既作為點火燃燒器又作為主燃燒器使用，這種等離子燃燒器具有和(1)所述同樣的功能，在鍋爐正常運行時又可作為主燃燒器投入。采用此種方式不需單獨鋪設給粉系統。等離子燃燒器和一次風管路的連接方式做成和原燃燒器相同，改造工作量小。

    等離子點火技術作為一項新興鍋爐點火技術在電廠的應用，為各火電廠燃油系統改造，實現無油點火或低負荷穩燃提供了方向。不僅如此，它對于新建、擴建機組，在點火沖管，整組啟動及發電機并網調試過程中都有著重大的節能意義，可以預見，在不久的將來，等離子點火技術將會得以更加廣泛的推廣和應用。

3.2  等離子點火器系統

    等離子發生器是用來產生高溫等離子電弧的裝置，其主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成，還有支撐托架配合現場安裝。等離子發生器設計壽命為5～8年。陽極組件與陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極陽極與陰極，在兩電極間加穩定的大電流，將電極之間的空氣電離形成具有高溫導電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負極形成電弧的陰極，帶負電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。線圈通電產生強磁場，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。

3.3  等離子電氣系統

    等離子發生器電源系統是用來產生維持等離子電弧穩定的直流電源裝置。其基本原理是通過三相全控橋式晶閘管整流電路將三相交流電源變為穩定的直流電源。其由隔離變壓器和電源柜兩大部分組成。電源柜內主要有由六組大功率晶閘管組成的三相全控整流橋、大功率直流調速器、直流電抗器、交流接觸器及控制PLC等。

3.4  等離子空氣系統

    壓縮空氣是等離子電弧的介質，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，需要壓縮空氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。因此，等離子點火系統的需要配備壓縮空氣系統，壓縮空氣的要求是潔凈的而且是壓力穩定的。

3.5  等離子冷卻水系統

    等離子電弧形成后，弧柱溫度一般在5 000～10 000K的范圍，因此對于形成電弧的等離子發生器的陰極和陽極必須通過水冷的方式來進行冷卻，否則很快會被燒毀。通過大量實驗總結出為保證好的冷卻效果，需要冷卻水以高的流速沖刷陽極和陰極，因此需要保證冷卻水不低于0.3MPa的壓力。另外，冷卻水溫度不能高于30℃，否則冷卻效果差。為減少冷卻水對陽極和陰極的腐蝕，要采用電廠的除鹽化學水。

4  等離子在應用中的注意事項

    (1)  用等離子點火裝置進行升爐期間，要投入對空預器連續吹灰，防止未燃燼的可燃物引起空預器的二次燃燒。
    (2)  鍋爐啟動的過程中，在保障鍋爐升溫、升壓率的同時加強對鍋爐的膨脹檢查，并做好記錄。
    (3)  在點火前，做好防止磨石子煤堵磨事故預想，并在點火的過程中，根據煤粉著火情況，磨石子煤情況，有目的調整給煤量與磨煤機風量、磨出口溫度等參數。
    (4)  等離子點火燃燒器投入運行的初期，加強二次風擋板的調節等運行措施，盡量降低火焰中心高度，注意監視、記錄煙溫探針的溫度，注意對汽機高、低旁路及其減溫水的正常調節，防止再熱器管超溫。
    (5)  注意監視各角斷弧情況（斷弧時光字牌會發報警），斷弧后及時聯系檢修人員檢查處理并及時投入運行。
    (6)  等離子噴燃器由于結構上的原因，易出現燃燒器超溫、結渣、燃燒不良等現象。要密切監視水冷壁的溫度情況，防止溫度過高造成爆管現象。
    (7)  為防止燃燒器結焦及燒損的隱患。預防措施有：在燃燒器設計中，考慮到一級燃燒室主要是煤粉裂解及揮發份燃燒，因此防止結焦的措施主要放在二級燃燒室，具體采用周界二次風，降低燃燒室壁面溫度使其低于灰熔點；在煤粉在燃燒室燃燒時，體積急劇膨脹，流速在40～50m/s左右，有自吹掃及緩解結焦能力；在等離子點火器投運時，適當控制磨煤機給煤量，使燃燒器的熱負荷在設計范圍內運行。

5  常見故障及排除

(1)  故障現象：不能正常引弧、經常斷弧。

    可能原因：陽極污染不導電；陽極漏水；電子發射槍槍頭污染或損壞；電子發射槍槍頭漏水；風壓過高；引弧電機拒動；功率組件故障；控制電源失去。

    處理方法：清理陽極；更換陽極，更換密封墊；清理或更換槍頭；更換槍頭、更換密封墊；調整空氣壓力至正常；檢查電機接線，檢查電機是否損壞；檢查可能損失的元件并進行更換；更換保險絲。

(2)  故障現象：功率波動大、易斷弧。

    可能原因：陽極輕度污染；電子發射槍頭燒損，形狀不規則；電子發射槍頭污染；風壓波動大；陽極滲水；電子槍頭滲水；瓷環松動。

    處理方法：清理陽極；更換槍頭，清理槍頭；檢查風壓系統；更換密封墊；檢查槍頭是否松動，如松動用專用工具擰緊，更換槍頭；檢查瓷環位置、檢查卡簧及套筒是否損壞。

(3)  故障現象：啟弧時陰、陽極接觸沒有反饋信號。

    可能原因：啟弧電機損壞；瓷環脫落或損壞；陰極、陽極污染嚴重；陰極導管變形；電源柜整流元件損壞；繼電器損壞。

    處理方法：檢查電機；檢查瓷環、更換瓷環；清理陰極、陽極；修理或更換陰極導管；更換元件；更換繼電器。

(4)  故障現象：陰極不旋轉。
 
    可能原因：旋轉電機損壞；齒輪損壞；陰極上的頂絲太緊。

    處理方法：更換電機；更換齒輪；松頂絲半圈。

6  經濟效益分析

6.1  直接經濟效益

    機組在試運期間要經過鍋爐吹管、整定安全閥、汽機沖車、機組并網、電氣試驗、鍋爐洗硅運行、機組帶大負荷運行等許多階段，此期間由于鍋爐無法投磨或無法完全斷油運行，因此要耗費大量的燃油。根據電力部最新頒布的試運導則中的規定，600MW機組試運期間燃油消耗的標準定量為9000噸，而如果在機組試運初期投入等離子無油點火系統，將可以使整個試運期間的燃油消耗控制在1200噸以內，產生巨大的經濟效益。

(1)  機組按常規方法試運所需燃油耗費計算：

    燃油消耗：9000噸；燃油價格：0.35萬元/噸。
    燃油耗費：0.35×9000=3150（萬元）。

(2)  機組改裝等離子煤粉點火及穩燃裝置進行試運所需費用計算：

    燃油消耗：1200噸；燃油價格：0.35萬元/噸。
    燃油耗費：0.35×1200=420（萬元）。
    原煤耗費：燃油的低位發熱量為41.87MJ/kg，設計煤種低位發熱量為24960kJ/kg，原煤價格按100元/噸計算，節約燃油數量為7800噸，則按發熱量相等的原則所需的原煤費用為：130.8萬元。

(3)  耗電費用

    設計煤種發熱量：24960kJ/kg；原煤消耗：13084.4噸；
    制粉單耗：20 kWh/t；等離子燃燒器耗電：20 kWh/t；
    廠用電價格為0.16元/kWh。
    耗電費用：13084.4×(20+20)×0.16 = 8.37萬元。

(4)  成本，改造費用（估算值）：500～600萬元。

    經過以上計算可知，在試運期間投用等離子煤粉點火及穩燃裝置可為電廠節約投資：
    3150-420-130.8-8.37-550＝2040.8萬元。

6.2  間接經濟效益

    按照常規的試運方法，機組在試運期間要長期低負荷運行，此期間鍋爐純燒油或油煤混燒，未燃盡的油滴粘污電極，使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，這些均給電廠帶來間接的經濟損失。在機組試運期間投入等離子無油點火系統，電除塵器可以在鍋爐啟動及低負荷期間正常投入，大大減少粉塵的排放，避免了環境污染，給電廠帶來顯著的社會效益和經濟效益。

7  結語

    綜上所述，針對等離子技術在電廠的引用，主要從系統組成、工作原理、常見事項及系統常見的一些缺陷和處理方法，經濟效益方面做了闡述，它是一種安全、環保、經濟的節能項目。但是它由于還在不斷的完善和改進中，還沒有達到最優化的程度，就會使維護工作量大，耗材費用也比較高，在安全方面由于技術方面的因素考慮的還不是很全面，例如：在拉弧過程中如果時間過長就會導致壁溫過高，使得水冷壁容易爆管等，這樣的問題還需要進一步的解決。如果要采用此項技術就要從各個專業進行預想和討論，盡管如此，這套設備從理論上還是有很大的節能空間。通過對日常維護過程中遇到的缺陷和問題匯總，并在招標和調試過程中進行進一步地改進，使節能增效的效果更突出。尤其是在機組啟動期間要消耗大量的油資源，從節能的角度來看，這套設備會帶來更大的經濟效益。采用等離子技術點燃煤粉是鍋爐經濟、高效、簡單、安全、環保的先進技術，也是目前燃油系統改造的最佳替代產品，對電廠燃煤鍋爐來說也是唯一可選設備。