1 电站无油点火方法及原理分析
摘要：本文介绍了电站无油点火的技术种类及工作原理，详细介绍了等离子点火技术在煤粉锅炉中的应用，所遇到的问题及解决方案。 关键词：无油点火，等离子发生器，煤粉锅炉
Abstract：The paper introduced the type and working principle of the power station oilless ignition technology, and analyzed the application of plasma burner in pulverized coal boiler in detailed, also the problems and solutions. Keywords: non-oil ignition, plasma generator, pulverized coal boiler 一 电站无油点火背景 随着人类社会工业和经济的高速发展，人类对于能源的需求量不断增加。目前，通过燃烧煤、石油、天然气等化石燃料仍然是人类能源的主要来源。由于这些能源是不可再生的，所以如何充分、合理地利用好现有的能源，已经成为当今世界各国共同关注的问题。 据估计，我国煤炭剩余可采储量为1661亿吨，占世界储量11%，可供开采约100年；石油剩余可采储量只有23亿吨，占世界储量的2.4%。可供开采约14年。从1993年开始，我国成为石油净进口国。2011年石油进口1.98×108吨，占石油消耗量的55.2%。随着我国经济持续发展，我国对进口石油的依赖会继续增加。进口大量的石油，不仅需要消耗大量的外汇，而且还使得我国社会和经济运行严重依赖从国外进口石油。一旦进口石油因不可预料的战争或突发事件而被迫中断，或者国际油价的剧烈波动，都会给我国经济和民众生活带来重大的负面影响。因此，石油供应不足是影响我国能源安全最突出的问题。 我国的火力发电以燃煤为主，煤粉锅炉在点火及低负荷稳燃中燃用柴油或重油这种方法运行成本高，如一台200MW机组冷态启动一次需要点火油50吨以上。每年火电厂、石油、化工、建材等行业煤粉锅炉的基建调试、点火及低负荷稳燃用油超过500×104吨，直接费用超过每年超过200亿元人民币。锅炉启动和稳燃过程大量消耗燃油，在加大发电成本的同时，由于油煤混烧，使锅炉的技术和
2 经济指标下降。据考察，机械未燃尽损失将升高10%-15%，锅炉总效率将降低4%-5%，氮、硫氧化物排放量将增大40%-50%,受热面的高温腐蚀将加剧，此外，由于在煤油混烧期间电除尘不能投入，将造成一系列的环保和社会问题。因此，开发无油点火和低负荷稳燃新技术，降低点火助燃用油，成为目前电力行业内普遍关注的课题。 二 无油点火的基本原理 电站锅炉点火及稳燃油枪常是布置在二次风喷嘴中，在锅炉点火或稳燃阶段，首先由大油枪提高炉膛烟气温度，高温烟气再通过对流方式将热量传递给一次风射流，对于单一的煤粉喷嘴来说，大油枪燃油中大约只有1/4的发热量参与其一次风煤粉射流的对流换热，所以大油枪点火稳燃的效率不高，要求的热功率较大。冷启动1次，410t/h锅炉需耗油20-30吨，670t/h锅炉需要耗油50-70吨，煤质变差或者其他原因引起启动时间延长，耗油量更多。如果发电机组参与调峰，每台锅炉的年耗油量达数千吨。 无油点火技术的基本思想：先用高温度水平的热源对一小部分经过浓缩的浓煤粉气流进行直接加热，再由这部分已经点燃的煤粉去加热及引燃第二级煤粉气流，二级煤粉也开始燃烧；一、二级煤粉进而加热引燃第三级煤粉，从而实现煤粉分级燃烧，能量逐级放大的新型点火过程。与大油枪点火方式相比，无油点火技术有两大特点：一是在点火初期，高温热源直接作用于浓煤粉气流，传热效率很高，浓煤粉气流着火温度相对较低，所以一级煤粉气流变得容易点燃；二是分级点火的思想，即上级煤粉气流着火发出的热量将作为下级煤粉气流的热源，从而实现以煤点煤，大大提高了煤粉气流自身的着火和稳燃。 三 无油点火技术种类 （1）激光加热点火技术 20世纪90年代以后，人们开始把目光投向了激光的加热作用，由于激光热源具有可控制、易计量、能量集中等优点，人们提出了一种新的点火方式——激光加热点火。其工作原理如图1。
3 图1 激光加热点火器工作原理图 因其通过非接触的方式对煤粉进行加热，避免了其他加热方式带来的测量上的不便，非常适合对煤粉颗粒的着火和燃烧情况进行研究。因此，该方式受到人们的普遍关注，现已应用于气体燃料的点火。但是由于激光器的成本高昂，发射功率较低，造成了该项技术仅停留在实验室研究阶段，短期内不可能应用到工业生产中。
（2）电阻加热无油点火技术 电阻加热是一种成熟的加热方式，可以应用到煤粉的无油点火技术中。此种燃烧器具有系统简单、操作方便等优点，但是由于受到电热材料的工作寿命短和电热管内的结渣现象的限制，这种电加热点火燃烧器尚处于试验阶段。其工作原理如图2。
图2 电阻加热无油点火燃烧器示意图
4 （3）电磁感应加热点火技术 为了解决电阻式直接无油燃烧器的加热源——电阻丝寿命短的问题，现提出了感应加热无油点火技术，并将成熟的感应加热技术应用到煤粉的无油点火中。其原理是通过电磁感应的加热方式快速加热金属壁面，从而点燃冷态煤粉气流。
感应加热技术具有加热速度快、功率调节灵敏，可靠性高等优点。但是由于采用的是壁面加热方式，煤粉气流容易在壁面发生结焦。
（4）易燃气体直接点火技术 将天然气、液化石油气或其他易燃气体，从燃烧器的中心引入，点火后，易燃气体燃烧放热。火焰迅速扩散到周界煤粉气流，煤粉气流在燃烧气体的火炬中进行热解、着火与燃烧。技术原理见图4。
图4 易燃气体直接点火技术 易燃气体的热值一般都很高，调节方便，污染小，成本较低。温度可高达1850℃，各种煤粉均可迅速点燃。但是电厂一般都在远郊，煤气供应比较困难。若没有城市煤气系统，还要在其附近设立煤气供给系统，这点无疑消弱了该点火技术同其他技术竞争的优势。
5 （5）高温空气无油点火技术 高温空气无油点火燃烧器是一种新型技术。通过中频高温空气加热器将冷空气迅速升温到1000℃，将产生的高温空气通入一级筒，对一级煤粉气流进行快速加热；随着煤中水分的蒸发，温度的上升，挥发分开始析出，或者挥发分的析出与固定碳的着火燃烧几乎同时进行，释放出来的挥发分会在气相环境中或煤粒表面上燃烧，产生的热量使煤粒本身被迅速加热，使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙结构发生很大变化，从而改变了煤焦的反应性能和燃烧速率。同时高温空气是良好的助燃剂，所以点火后能稳定的为火焰提供初期燃烧所需要的热量和空气，使得燃烧器稳定高效运行。
（6）等离子点火技术 等离子点火技术是到目前为止最为成熟的电站无油点火技术，目前已成功应用到几百台锅炉。经过实际运行证明，该点火技术成熟稳定，在为电站创造了巨大的经济利益的同时也创造的一定的生态环保效益。 等离子发生器主要有阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成。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，将两极之间的空气电离，形成具有高温导电特性的等离子体。等离子体被定义为除固、液、气三态之外的第四态物质存在形式，对外为中性，而在等离子体内含有大量阴阳离子，形成5000℃以上的大梯度局部高温区。等离子发生器可用于产生电功率为50-150KW的空气等离子体，线圈通电后产生强磁场，将等离子体压缩，并由载体风或者压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。煤粉颗粒通过等离子火核时，在极短的时间内，煤粉颗粒中的挥发分迅速解析，煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气固两相混合物中进行，高温等离子体使混合物发生了一系列物理和化学反应，进而促使煤粉燃烧加快，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大减少煤粉燃烧所需要的能量。图5为等离子发生器的工作原理。图6为等离子点火工作原理。
6 图5 等离子发生器工作原理
图6 等离子点火工作原理6 等离子无油点火燃烧器具有引弧快、显著提高燃烧效率等突出优点。但是也存在阴极棒烧损，引弧不稳定等问题亟待解决。
4 等离子点火的实际应用 等离子点火技术在某电厂600MW机组上的启动曲线如图7，从图中可以看出，218min内，汽包壁温度共上升137℃，平均温升0.63℃/min，温升均匀稳定，低于允许值1.5℃/min。图8是分隔屏过热器176排的第44和第88排管壁温变化曲线，225min内壁温平均上升了258℃，平均上升速度为1.1℃/min，低于允许值1.5℃/min。
图7 某电厂汽包壁温变化曲线
图8分隔屏过热器壁温变化曲线
7 5 等离子点火所遇问题
（1）煤粉细度和挥发分的影响 影响等离子点火的基本因素主要是煤粉细度和原煤的挥发分含量。图6是挥发分为36.1%的煤粉在不同煤粉细度和不同煤粉质量分数下与层流火焰传播速度的关系。从图中可以看出，煤粉越细，火焰传播速度越快，煤粉越容易着火燃烧。随着细度的降低，着火点延后，需要的煤粉质量分数随着升高。煤粉质量分数为0.2-0.4㎏/㎏时传播速度最快。图7是在挥发分为16.3%的细煤粉中加入35%的岩石粉对火焰传播速度的影响。挥发分越高，煤粉点火质量分数越低，火焰传播速度越激烈；挥发分越低，所需着火的煤粉质量分数越高，但是火焰传播速度越慢。
图6 煤粉细度与火焰传播速度的关系
图7 煤粉质量分数与火焰传播速度的关系
煤粉质量分数的控制要求避开爆炸极限，表1列出了烟煤和褐煤发生爆炸的极限质量分数。褐煤爆炸的质量分数为0.57-0.61㎏/㎏，烟煤的质量分数为0.48-0.61㎏/㎏。在电厂实际运行中，可以将煤粉质量分数控制在合理范围之内，壁面爆炸的发生，又能够顺利着火。但是一次风量和风温要考虑满足干燥出力的要求。 表1 有爆炸危险的煤粉质量分数和氧量