第二章 等离子点火煤粉燃烧器工作原理

第二章等离子点火煤粉燃烧器工作原理2.1 点火机理本装置利用直流电流（280---350A）在介质气压0.01-0.03Mpa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T＞5000K的梯度极大的局部高温区，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E（E等=1/6E油）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－、H2－、OH－、O－、H＋）和电子等，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。

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，其能量密度高达105 ～106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。

2.3 燃烧机理图2.2 燃烧机理图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扩达到10T/H。

在建立一级点火燃烧过程中我们采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区，10000℃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，在设计上该燃烧器出力约为500 ～800kg/h，其喷口温度不低于1200℃。

另外我们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（1998年获专利）。

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。

第三章 等离子点火燃烧系统组成3.1 等离子点火燃烧系统3.1.1 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。

如图3.1所示，等离子发生器产生稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的中心筒中形成T ＞5000K 的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受等离子燃烧器II III 等 离 子 发 生 器 一次风I 气膜风 等离子弧 周界风 图3.1 等离子燃烧器示意图 风箱 中心筒 撞击式浓淡块到高温作用，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E （E 等=1/6E 油）。

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。

根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，如图3.1所示，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500 ～ 800kg/h 之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并以次逐级放大，最大可点燃12T/H 的粉量。

为了扩大燃烧器对一次风速的适应范围，等离子燃烧器的最后一级煤粉可不在燃烧室内燃烧而直接进入炉膛，因为煤粉燃烧后的热量使得空气体积迅速膨胀，受燃烧器内空间的限制，燃烧室内的风速会成倍提高，造成火焰扩散的速度小于煤粉的传播速度而使燃烧不稳，当采取前面所述措施后，有利于减小燃烧室内的风速，使燃烧稳定。

实际的运行实践证明：采用最后一级煤粉进入炉膛内燃烧的结构，燃烧的稳定度大大提高，对风速的要求降低了30%，煤粉的然尽度也大大提高（如图3.2所示）。

煤粉的浓度影响煤粉的着火温度，在点火区适当提高煤粉浓度有利于点火。

等离子燃烧器内通过采用撞击式浓缩块获得点火区的相对较高浓度。

对于现场燃烧器前有弯头的锅炉，因弯头的离心浓淡作用及现场安装位置的限制，有可能会造成中心筒点火区的浓度降低，为了解决这个问题同时减小改造工作量，可在弯头内加入弯板或扭转板，改变进入点火区的能浓度分布（如图3.2所示）。

一次风最后一级煤粉 热电偶无弯板时的高浓度煤粉位置 有弯板时的高浓度煤粉位置中心筒点火区图3.2 示意图由于等离子燃烧器采用内燃方式，燃烧器的壁面要承受高温，因此加入了气膜冷却风（如图3.1所示），避免了火焰和壁面的直接接触，同时也避免了煤粉的贴壁流动及挂焦。

为了减小燃烧器的尺寸，也可采取用一次风直接冷却的办法但须在燃烧器壁面上增加壁温测点（如图3.2所示），以防止燃烧器因超温而被烧蚀。

对温度的测量采用K分度凯装热电偶，热电偶的外径3mm，具有很好的挠性，可直接从伸到炉外热电偶导管插入到测点，再用螺母固定到导管上，具有良好的可更换性。

热电偶的测温范围为0～800℃,燃烧器的长期壁温应控制在600℃以内，如果超温，可采取提高一次风速和降低一次风浓度的手段进行降温。

图3.3为徐州电厂200MW机组等离子燃烧器壁温监测曲线。

图3.3 徐州电厂等离子燃烧器壁温曲线等离子燃烧器的高温部分采用高耐热铸钢，其余和煤粉接触部位采用高耐磨铸钢。

和现场管路连接时须正确选用焊条型号。

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。

3.1.2 风粉系统3.1.2.1 给粉机为满足等离子燃烧器对于煤粉浓度和均匀性的要求并能做主燃烧器使用，与等离子燃烧器相匹配的给粉机选择，应满足做主燃烧器使用时燃烧器的最大出力，100MW及以下等级的锅炉，与等离子燃烧器匹配的给粉机额定出力以2-6t/h为宜。

对200MW及以上容量的锅炉，一般选用给粉机的额定出力在3-9t/h为宜。

3.1.2.2 磨煤机A 对于新建机组，选定的点火用磨煤机，最低出力应能满足最低投入功率的要求，MPS 中速磨宜采用可变加载型。

B 根据磨煤机的型式，调整其出力和细度至最佳状态，例如：适当调整回粉门的开度、调整分离器开度，适当减小一次风量（但风量的调整应满足一次风管的最低流速，中速磨最低风量应保证允许的风环风速），对于MPS中速磨煤机还应适当调整碾磨压力。

3.1.2.3 暖风器主要应包括暖风器进出口风道的连接方式、支吊架的位置、整体重量、入口蒸汽管道尺寸及连接方式、出口疏水管道尺寸及连接方式、投运前是否需要对蒸汽管道进行吹扫等。

3.1.2.4 一次风系统A 应根据锅炉燃用煤种、炉型和容量、制粉燃烧系统各自的特点，进行系统配套、结构和参数选择。

中储式制粉系统100MW及以下机组宜选择另设等离子燃烧器的系统；直吹式制粉系统宜采用主燃烧器兼有等离子点火功能的系统。

B 采用直吹式制粉系统的锅炉，宜采用本炉冷炉制粉的方式C 制粉用热风的来源，在有条件时宜采用邻炉热风。

在邻炉来热风有困难时，宜在磨煤机入口热风道上或专设旁路风道上加装空气加热装置，将磨煤机入口风温加热至允许启磨温度。

加热装置宜采用蒸汽加热器。

如热风温度要求较高时，可采取串联安装风道燃烧器加热等方式。

D 磨煤机对应的所有煤粉输送管道，应设有进行冷态、热态输粉风（一次风）调平衡的阀门；宜加装煤粉分配器等措施，以尽可能保持各煤粉输送管道内风速一致、煤粉浓度一致、煤粉细度一致。

E 等离子燃烧器在锅炉点火启动初期，燃烧的煤粉浓度较好的适用范围在0.36…0.52kg/kg，最低不得低于0.3kg/kg。

F 锅炉冷态启动初期，等离子燃烧器的一次风速保持在19m/s…22m/s为宜。

热态或低负荷稳燃时，一次风速保持24…28m/s为宜。

3.1.2.5 气膜风系统等离子燃烧器属于内燃式燃烧器，运行时燃烧器内壁热负荷较高，为了保护燃烧器，同时提高燃尽度，需设置等离子燃烧器气膜冷却风。

气膜冷却风可以从原二次风箱取，也可从送风机出口引取。

通过燃烧器气膜风入口引入燃烧器。

气膜冷却风控制，冷态一般在等离子燃烧器投入0…30min，开度尽量小，以提高初期燃烧效率，随着炉温升高，逐渐开大风门，防止烧损燃烧器，原则是以燃烧器壁温控制在500…600℃为宜。

3.1.2.6 二次风系统对于单独设置等离子点火一次风管路（等离子燃烧器作为点火用燃烧器）的系统，除设置等离子燃烧器气膜风系统外，原则上还应设置二次风系统。

其设计原则与电站锅炉常规燃烧器设计方案相同。

3.2 等离子点火器系统3.2.1 等离子发生器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。

线圈组件由导电管绕成的线圈、绝缘材料、进出水接头、导电接头、壳体等构成。

导电管内通水冷却，寿命为5年。

3.2.2 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。