等离子体点火煤粉燃烧器工作原理

等离子体点火煤粉燃烧器工作原理

一、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，使混合物组成的粒级发生了变化，因而使

煤粉的燃烧速度加快，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。

二、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 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。

、线圈 2 、阳极 3 、阴极 4 、电源

图 5-2-1等离子发生器原理图

三、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烬，

为提高疏松炭的燃烬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。

第四区为燃烬区，疏松碳的燃烬率，决定于火焰的长度，

随烟气的温升燃烬率逐渐加大。

图 5-2-2 燃烧机理图

四、等离子点火燃烧系统组成

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

周界风

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。

III II

中心筒撞击式浓淡块

一次风I

风箱

等离

等离子弧

子发

生器

图 5-2-3等离子燃烧器示意图

如图 5-2-3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”受到高温作用，并在 3-10 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）。

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%，煤粉的燃烬度也大大提高。