（一）等离子点火技术发展和应用概况

等离子点火技术的研究，始于20世纪70年代美国研制的等离子体煤粉点火器。国外对等离子无油点火技术的研究颇多，根本原因是因为其代表了煤粉锅炉点火技术的发展方向和未来，其最突出特点是无油、快速、简便、安全、经济。美国CE、B&W和西屋公司都有应用等离子点火技术成功直接点燃煤粉的经验，前苏联和澳大利亚也已初步掌握了等离子点火技术，并有在200MW和300MW机组应用的实践。

我国目前电站锅炉的点火和稳燃仍大部分采用大油枪的燃油或天然气等稀有燃料点火技术，采用此技术，电厂锅炉一般每启动一次成本就在20万元以上（而利用等离子电弧点燃煤粉启动后，其成本降至2万元左右），而且其大量的烟尘不仅污染环境，还会加剧引风机叶片磨损。一台670T/H锅炉，每次点火用油50T以上，由于负荷变化，每年助燃油在1000T左右，助燃用油量更大。

烟台龙源电力技术有限公司1999年在烟台发电厂1号炉安装等离子点火装置进行试验，2000年2月龙源电力技术有限公司与黑龙江佳木斯发电厂合作研究，成功实现了机组无油点火启动。其DLZ200型等离子点火装置被国家电力公司专家组鉴定为“具世界领先水平”。经过多年的发展，该技术已在50MW、100MW、125MW、200MW、300MW和600MW等燃用不同煤种的各类机组上得到应用，已应用于130余台机组锅炉，总容量达到40000MW，发挥了巨大的经济效益和社会效益。2005年8月15日，国华台山发电厂点火启动600MW燃煤机组，实现了国内第一台600MW亚临界四角切向燃烧机组在整个吹管阶段无油启动和无油运行的记录。目前，等离子点火及稳燃技术已成功应用于贫煤、烟煤和褐煤。

（二）等离子点火器的分类

等离子点火燃烧器按功能可分为两类：

（1）仅作为点火燃烧器使用，这种等离子点火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第（1）条所述同样的功能，在锅炉正常运行时又可作为主燃烧器投入。采用此种方式不需要单独铺设给粉系统。等离子燃烧器和一次风管路的连接方式与原燃烧器相同，改造工作量小。

（三）等离子点火技术的理论与设计

等离子点火工作原理：

DLZ-200等离子点火系统是利用直流电流（280～350A）在介质压力为0.01～0.03MPa的条件下接触引弧产生高温，并在强磁场作用下获得稳定功率的直流空气等离子体，二者结合点燃煤粉。等离子体内含有大量化学活性粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子和电子等，能起到加速热化学转换，促进燃料完全燃烧的功能。等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中，形成温度大于5000K的，梯度极大的局部高温“火核”区，煤粉颗粒通过等离子“火核”时，在高温作用下，在3～10s内迅速释放出挥发分，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。因其反应是在气相中进行，使得混合物组分的粒度级发生了变化，加快了煤粉的燃烧速度，大大减少了煤粉的引燃能量，此时，该引燃能量只有使用油引燃时的1/6。

该系统由等离子燃烧器系统、冷却水系统、气膜风系统、等离子空气系统、直流电源控制系统等组成，如图528所示。等离子燃烧器是等离子点火燃烧系统的核心，借助等离子发生器产生的等离子弧点燃煤粉，属内燃型燃烧器，同时在设计上采用了多级燃烧结构。等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段即用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大。在工作时，煤粉首先在中心筒内与等离子发生器产生的直流空气等离子体接触，此时，等离子体在燃烧器的中心筒内形成了梯度极大的局部高温“火核”区，煤粉颗粒在此迅速释放挥发分，并使煤粉颗粒破裂粉碎，迅速被点燃，在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉点火源，然后逐级放大，通过最后一级煤粉进入炉膛内燃烧。

等离子发生器产生的高温等离子弧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。

等离子发生器由线圈、阴极、阳极组成。其中阴极和阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的特殊材料制成，以承受高温电弧冲击。线圈在高温情况下具有抗直流高压击穿能力。电源采用全波整流并具有恒流性能。其发火原理为：在一定输出电流条件下，当阴极前进同阳极接触后，系统处在短路状态，当阴极缓缓离开阳极时产生电弧，电弧在线圈磁场的作用下被拉出喷管外部。压缩空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，进入燃烧器点煤粉。

图528　等离子燃烧器结构图

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，属于内燃型燃烧器，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。

为解决有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子点火燃烧器采用了多级燃烧结构，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，并依次逐级放大。

由于等离子点火燃烧器采用内燃方式，燃烧器壁面要承受高温，因此加入了气膜冷却风，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必须在燃烧器壁面上增加壁温测点，以防止燃烧器因超温而被烧蚀。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。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。

（四）等离子点火系统组成

1.等离子点火系统

等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，主要由阳极、阴极、线圈组件三大部分组成。阳极、阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极，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，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。煤粉颗粒通过该等离子受到高温作用而迅速燃烧。(www.daowen.com)

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。主要有6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6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。

压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，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，等离子点火系统需要配备压缩空气系统，要求压缩空气是洁净的而且是压力稳定的。

等离子电弧形成后，温度一般在5000～10000K，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。

2.等离子燃烧系统

等离子燃烧系统包括等离子燃烧器和等离子风粉系统。等离子燃烧器是采用内燃方式，煤粉通过电弧在无油状态下完成持续稳定的点火和燃烧过程。等离子点火风粉系统主要由给粉机、磨煤机、暖风器、喷口、一次风、二次风、气膜冷却风等组成。

3.辅助系统

辅助系统包括4部分：载体冷却风系统、冷却水系统、图像火检监测系统、一次风风速测量在线监测系统。

（1）载体风和火检冷却风系统。等离子发生器采用稳压、洁净、干燥的空气作为等离子载体，采用杂用压缩空气为等离子发生器提供载体风。现场设2台离心风机提供火检用冷却风，2台风机1备1用。在火检冷却风和载体风管道之间设有联络门，可以相互备用。在等离子点火器停止工作以后，风机继续工作，为等离子点火器提供冷却风。

（2）冷却水系统。为保护等离子装置本身，需用水冷却阴极、阳极和线圈。单个燃烧器用水量为8t/h，其中线圈用水采用无压回水（出口为大气压），出入口压差不小于0.2 MPa。冷却水采用闭式冷却水，经母管分别送至就地点火发生器内，再分三路分别送入线圈和阴极、阳极，就地安装压力表、压力开关和手动阀，压力信号送回主控DCS。

（3）一次风在线监测系统。每台等离子燃烧器对应的煤粉管道上采用免维护风速测量装置，在点火和稳燃中监测一次风速和煤粉浓度。

（4）图像火检系统。为了在投运等离子点火和稳燃系统时监视等离子燃烧器喷口火焰，在每台等离子燃烧器喷口处安装1只火检探头，通过视频电缆和视频通道卡等组成图像火检系统。可在主控室DCS画面上和主控室大屏幕上监视等离子燃烧器是否着火和煤粉着火情况。火检冷却风由冷却风系统提供。

（5）等离子点火的优势。燃煤电厂采用先进的等离子点火技术，在启动期间，可以减少燃油。技术不断发展与进步，已成功地实现了等离子少油或无油点火技术商业化应用。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，可以节约上百万的初投资和试运行费用。燃煤电厂在启动期间，可以减少燃油。等离子点火并在强磁控制下获得定向流动的等离子，煤粉深度裂解迅速燃烧，在保证安全的前提下从而达到目的。

a.大量节约燃油消耗。

b.由于采用等离子点火后，用油量减少，因此电厂储油及烧油装置的容量比常规油枪点火的电厂减少，节省了建设投资。

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，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、原子团、离子和电子等，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。

5）安全：取消炉前燃油系统，也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。