文 / 張九洲 施海華 四川川潤動(dòng)力設(shè)備有限公司

我國是一個(gè)“富煤、少油、缺氣”的國家，其中石油的可采儲量僅占世界的2.67%，但是我國的石油消費(fèi)量卻占世界第二位。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對石油的需求量越來越大，對外依賴度也越來越高。因此，做好節(jié)油工作是緩解石油供需矛盾的重要措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國火力發(fā)電機(jī)組的年耗油量約1800萬t，其中鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)及穩(wěn)燃用油約900萬t。因此發(fā)展電站鍋爐的無油點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)可以很大程度上減少燃油量，甚至可以使電站完全脫離燃油系統(tǒng)。

2008年8月國務(wù)院頒布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)油節(jié)電工作的通知》中提到：所有火電廠（包括新建電廠）燃煤鍋爐都要采用等離子無油、小油槍等微油點(diǎn)火技術(shù)和低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)，降低油耗。經(jīng)過多年的研究，等離子無油點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并在電站鍋爐中得到了工業(yè)應(yīng)用，可以預(yù)測，在國家政策的大力支持下，等離子無油點(diǎn)火技術(shù)將成為未來我國電站鍋爐的主流技術(shù)。

1 等離子無油點(diǎn)火技術(shù)原理

等離子無油點(diǎn)火技術(shù)利用在強(qiáng)磁場控制下的直流接觸引弧放電，將載氣（空氣、氮?dú)獾龋╇婋x成等離子。該等離子內(nèi)含有大量活性粒子，這些粒子其內(nèi)部有著3000～30000℃的高溫，將該等離子射流用機(jī)械和磁壓縮的方法送到需進(jìn)行點(diǎn)火的部位，讓煤粉通過該等離子體，由于受到超高溫的強(qiáng)烈作用，煤粉顆粒迅速放出揮發(fā)分，并被破碎而再析出揮發(fā)分，從而迅速燃燒、強(qiáng)化燃燒，等離子體的化學(xué)活性物質(zhì)可加速熱化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)燃料的完全燃燒。

2 國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

俄羅斯是開展等離子無油點(diǎn)火技術(shù)研究和應(yīng)用最早的國家之一，最具代表性的技術(shù)為熱裂解型等離子無油點(diǎn)火技術(shù)，其基本技術(shù)原理是將鍋爐一次風(fēng)粉混合物分離成兩部分，再將經(jīng)過濃縮后的少部分濃煤粉送入等離子熱裂化處理室（相當(dāng)于預(yù)燃室），進(jìn)行等離子熱裂化處理。用這部分經(jīng)過處理后部分燃燒的煤粉火焰，去引燃單獨(dú)送入燃燒器的其余煤粉。對俄羅斯主要煤種的試驗(yàn)表明：當(dāng)?shù)入x子發(fā)生器的功率等于煤粉燃燒器功率的0.1%～1.5%時(shí)，可以保證等離子流穩(wěn)定點(diǎn)火，并且煤粉火焰燃燒穩(wěn)定。該技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，目前該種裝置的安裝數(shù)量已達(dá)2100套左右。

美國和澳大利亞在等離子點(diǎn)火方面也有研究。美國CE公司和美國聯(lián)合碳化物公司于1978年相繼研制了電弧直接點(diǎn)燃煤粉燃燒器和低溫等離子點(diǎn)火燃燒器，并應(yīng)用在哥倫布電廠900MW和馬里塔電廠295t/h鍋爐上。澳大利亞的等離子點(diǎn)火技術(shù)是由太平洋電力公司推出的，1993年第一臺工業(yè)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)安裝在萬吉電廠5號機(jī)組60MW鍋爐上，并完成了點(diǎn)火試驗(yàn)；此后又在Wallerawang電廠6號機(jī)組60MW四角燃燒鍋爐進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了無油啟動(dòng)；1995年，第一臺300MW商業(yè)運(yùn)行機(jī)組成功地使用了等離子點(diǎn)火技術(shù)。

雖然美國和澳大利亞都有成功的等離子點(diǎn)火工程實(shí)例，但是基于這兩個(gè)國家的電力結(jié)構(gòu)，火電機(jī)組占總機(jī)組的份額相對比較小，同時(shí)由于其設(shè)備復(fù)雜，投資高，維修工作量大，所以等離子點(diǎn)火技術(shù)在這兩個(gè)國家的推廣受到了一定的影響。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)70年代中期開始研究等離子無油點(diǎn)火技術(shù)，直到2000年，才由我國煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)有限公司開發(fā)出DLZ-200型等離子點(diǎn)火裝置，并成功應(yīng)用于煙臺發(fā)電廠1號鍋爐。截止2007年12月，該裝置已經(jīng)完成400余臺電站鍋爐應(yīng)用的業(yè)績，總裝機(jī)容量達(dá)到1.7億kW，累計(jì)為國家節(jié)約燃油400多萬t，節(jié)約資金200多億元。2008年6月，國電康平發(fā)電廠1號機(jī)組鍋爐點(diǎn)火一次成功，這創(chuàng)造了世界上首臺600MW機(jī)組在無燃油系統(tǒng)保障下實(shí)施等離子點(diǎn)火成功的紀(jì)錄。

以煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)有限公司為代表的等離子點(diǎn)火技術(shù)稱為直接點(diǎn)燃型等離子點(diǎn)火技術(shù)，其主要技術(shù)原理是：直接將鍋爐主燃燒器改為兼有等離子點(diǎn)火功能的燃燒器，即直接把鍋爐原來的主燃燒器設(shè)計(jì)為等離子燃燒器，在該燃燒器上安裝等離子發(fā)生器，當(dāng)鍋爐啟停和低負(fù)荷穩(wěn)燃時(shí)，投入等離子發(fā)生器，起到點(diǎn)火燃燒器的作用。當(dāng)鍋爐高負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，等離子發(fā)生器停運(yùn)，該等離子燃燒器作為鍋爐主燃燒器使用。其中等離子發(fā)生器的型號為 DLZ-200，能產(chǎn)生50～150kW連續(xù)可調(diào)的輸出功率，載氣使用的是壓縮空氣。

目前處于領(lǐng)先地位且應(yīng)用較廣的等離子點(diǎn)火技術(shù)有兩種：一種是以俄羅斯為代表的熱裂解型等離子無油點(diǎn)火技術(shù)；另一種是直燃型等離子無油點(diǎn)火技術(shù)，該技術(shù)占國內(nèi)市場份額的98%，近年投產(chǎn)的全國主力機(jī)組都已使用了這種技術(shù)。

熱裂解型等離子無油點(diǎn)火技術(shù)的特點(diǎn)是能夠點(diǎn)燃貧煤和無煙煤等難燃性的煤種，但是改造工程量大，同時(shí)也會影響到鍋爐的運(yùn)行；而直燃型等離子無油點(diǎn)火技術(shù)的特點(diǎn)是采用直接改造鍋爐原主燃燒器為兼有等離子點(diǎn)火功能的燃燒器的方式，減少了對鍋爐主燃燒器的影響，但是就國內(nèi)的應(yīng)用情況來看，該技術(shù)針對的是比較容易著火的煙煤，而對于揮發(fā)分低難著火的貧煤和無煙煤，國內(nèi)的研究或應(yīng)用幾乎沒有。

由于近幾年來國內(nèi)優(yōu)質(zhì)煙煤的價(jià)格在不停的上漲，很多電廠都開始燃用廉價(jià)的貧煤和無煙煤，因此開發(fā)針對貧煤和無煙煤的等離子無油點(diǎn)火技術(shù)有很大的應(yīng)用空間，符合我國電站鍋爐燃燒方式的發(fā)展趨勢。

3 等離子無油點(diǎn)火技術(shù)的效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

電站鍋爐使用等離子無油點(diǎn)火技術(shù)會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益，它在實(shí)現(xiàn)以煤代油的同時(shí)，運(yùn)行成本僅為使用燃油點(diǎn)火的10%～20%，對于300～600MW 的基建機(jī)組，僅在基建調(diào)試期間（168h之前）即可節(jié)約燃油數(shù)千噸，這期間不僅可以收回設(shè)備投資，還可節(jié)約資金幾百萬乃至幾千萬元。對于在運(yùn)行的機(jī)組，由于其啟、停和穩(wěn)燃次數(shù)以及燃用煤種的不同，經(jīng)濟(jì)效益有所區(qū)別。以下是對一臺200MW調(diào)峰機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的分析計(jì)算。

(1)燃油耗費(fèi)計(jì)算：一臺200MW的常規(guī)機(jī)組每年用于點(diǎn)火及穩(wěn)燃的耗油大約為1000t，燃油價(jià)格現(xiàn)在大約為0.7萬元/t，則每年的燃耗耗費(fèi)為1000t×0.7萬元/t=700萬元。

(2)燃煤耗費(fèi)計(jì)算：電站燃油的熱值一般為9600kcal/kg，動(dòng)力煤的熱值為5500kcal/kg，在使用等離子點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，煤粉的固體不完全燃燒熱損失較大，估計(jì)為10%，按照等熱量原則來計(jì)算，代替1000t的燃油需要消耗動(dòng)力煤1000×9600/（5500×0.9）=1940t，現(xiàn)在的煤價(jià)按700元/t來算，燃煤的耗費(fèi)為1940×700=135.8萬元。

(3)電量耗費(fèi)計(jì)算：現(xiàn)在電站用的等離子發(fā)生器基本上都是DZL-200型，其平均功率為150kWh,等離子燃燒器的出力為3.5t/h,則等離子發(fā)生器的工作時(shí)間為1940/3.5=554h,電價(jià)按照0.35元/ kWh,則可計(jì)算出電費(fèi)耗量為150×554×0.35=3萬元。

(4)電極耗費(fèi)計(jì)算：554×10元/h=5540元。

則每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：700-135.8-3-0.554=560.7萬元。而等離子系統(tǒng)改造的初投資費(fèi)約為300萬元，即一年就可以收回初投資額，且直接產(chǎn)生了效益?？梢钥闯鍪枪?jié)省的燃油耗費(fèi)直接產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 社會效益

(1)電站鍋爐等離子點(diǎn)火技術(shù)替代燃料油，可節(jié)約大量的燃油，有利于保障能源安全，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

(2)由于點(diǎn)火時(shí)不燃用油品，電除塵裝置可以在點(diǎn)火初期投入使用，因此減少了點(diǎn)火初期排放大量煙塵對環(huán)境的污染。另外，電廠采用單一燃料后，減少了油品的運(yùn)輸和儲存環(huán)節(jié)，亦改善了電廠的環(huán)境。

4 存在的問題及解決方案

由于等離子無油點(diǎn)火技術(shù)的在我國的工業(yè)應(yīng)用時(shí)間并不長，屬于發(fā)展階段，在使用過程中還存在一些問題。針對這些常見的問題，嘗試提出了建設(shè)性解決方案。

(1)等離子發(fā)生器容易斷弧。發(fā)生器的突然斷弧會造成大量未燃的煤粉進(jìn)入爐膛，引起斷弧的主要原因是載氣的品質(zhì)達(dá)不到要求，壓力波動(dòng)比較大，因此解決的方法是在載氣進(jìn)入發(fā)生器之前對其進(jìn)行去水、去油、去雜質(zhì)以及穩(wěn)定壓力的處理，從而滿足發(fā)生器對載氣的要求。

(2)陰極使用壽命短。陰極頭在高溫的環(huán)境下的使用壽命一般比較短，設(shè)計(jì)使用壽命為50h，在研制出更好的耐用材料前，解決方案一般為改善陰極的冷卻系統(tǒng)，同時(shí)加強(qiáng)對發(fā)生器電壓、電流的監(jiān)測，使陰極能在安全工況下工作。

(3)等離子燃燒器的超溫及結(jié)焦。等離子的溫度很高，同時(shí)煤粉在燃燒器內(nèi)部被點(diǎn)燃，因此容易造成燃燒器內(nèi)部的超溫和結(jié)焦。在使用過程中合理控制一、二次風(fēng)速，能使燃燒器壁面受到及時(shí)的冷卻，同時(shí)加強(qiáng)對燃燒器壁溫的監(jiān)測，這樣就可以避免出現(xiàn)超溫和結(jié)焦的現(xiàn)象。

(4)鍋爐啟動(dòng)時(shí)磨煤機(jī)的干燥出力問題。由于鍋爐在冷爐啟動(dòng)的過程中沒有熱風(fēng)，磨煤機(jī)就沒有足夠的制粉條件，就無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組的無油啟動(dòng)，相應(yīng)的解決方法是在磨煤機(jī)入口的熱風(fēng)道上增加等離子暖風(fēng)機(jī)，使冷風(fēng)在進(jìn)入磨煤機(jī)前被加熱，達(dá)到制粉條件，這樣磨煤機(jī)就可以在啟動(dòng)初期便投入運(yùn)行。

(5)等離子點(diǎn)火初期煤粉燃盡率低。由于在點(diǎn)火初期，煤粉在燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間短，而爐膛的溫度水平也不高，因此造成了煤粉燃燒不完全。故應(yīng)在點(diǎn)火初期降低一次風(fēng)速度，降低煤粉細(xì)度，提高磨煤機(jī)的出口溫度，為煤粉的完全燃燒創(chuàng)造良好的環(huán)境，這些措施可以降低點(diǎn)火初期煤粉的不完全燃燒損失。

(6)輸灰系統(tǒng)發(fā)生自燃。鍋爐在冷態(tài)下直接利用等離子點(diǎn)火啟動(dòng)，會帶來煤粉燃燒不完全，飛灰含碳量偏高，這可能會引起輸灰系統(tǒng)發(fā)生自燃。輸灰系統(tǒng)自燃主要發(fā)生在灰?guī)靸?nèi)部，解決措施是需要及時(shí)放灰、降低流化溫度、流化風(fēng)機(jī)間隙運(yùn)行以降低會庫內(nèi)的氧氣濃度。