低挥发分煤种大功率等离子点火试验研究

朱兴营，陈峰，周法，王庆

(中国航天空气动力技术研究院电弧等离子应用装备北京市重点实验室，北京100074)

低挥发分煤种大功率等离子点火试验研究

朱兴营，陈峰，周法，王庆

(中国航天空气动力技术研究院电弧等离子应用装备北京市重点实验室，北京100074)

通过试验研究的方法得到了2种低挥发份煤种等离子点火时的喷枪功率、煤粉浓度和一次风速等运行参数。航天大功率可调节等离子点火试验台以660MW四角切圆煤粉锅炉单只燃烧器为原型，按照1∶1比例搭建。试验结果表明，为实现成功点火，对于Vdaf(干燥无灰基挥发份含量)为22.14%的贫瘦煤，等离子点火喷枪输出功率不低于386kW，点火煤粉浓度不低于0.24kg/kg，点火初期一次风速控制在18.2～19.2m/s为宜;对于Vdaf为16.4%的贫煤，等离子喷枪输出功率不低于435kW，点火煤粉浓度不低于0.27kg/kg，一次风速应控制在18.2～19.2m/s范围之内。

等离子点火;低挥发份煤种;大功率;煤粉浓度;一次风速

0 引言

同传统油枪点火相比，等离子点火具有环保、经济、高效等优点，能够实现“以煤代油”［1－2］，符合我国能源结构政策，因此，近些年来，煤粉锅炉等离子点火技术在我国得到了快速发展和应用，国内多家企业也都开发出了相对成熟的工业用等离子点火喷枪［3－4］。然而，现有的等离子点火系统由于受喷枪技术和结构等方面的限制，等离子喷枪功率多集中100～200kW范围内，对于煤种的挥发份含量要求苛刻，对于挥发份高的褐煤、烟煤容易点燃，而对于贫瘦煤、贫煤等挥发份较低的煤种则较难点燃，限制了等离子点火技术的进一步应用和推广［5－7］。

航天等离子喷枪技术源于中国航天飞行器气动热地面模拟试验采用的大功率管状电弧加热器［8］。喷枪功率最大可达500kW且可以连续调节，同时由于其独特的高压切向进气方式，一方面实现气旋稳定电弧，省去了传统等离子喷枪磁稳线圈机构，实现喷枪结构的精细化，另一方面从枪口喷出的高温等离子体气流呈高速旋转状态，强化了与煤粉气流的混合与换热，更有利于煤粉气流的着火。由于航天等离子喷枪大功率和高压旋转气流强化换热的特性，为实现挥发份较低的贫瘦煤、贫煤等煤种的等离子点火提供了技术上的支撑。需要说明的是，随着等离子喷枪功率的提高，喷枪输入电流增加，电极损耗加快。因此航天等离子点火系统在应用过程中需要根据不同的煤种选择合理的喷枪功率范围，保证喷枪阴极使用寿命，降低喷枪损耗成本。

本研究依托于搭建的等离子点火试验台，采用航天大功率可调节等离子点火系统，对试验所选的2种低挥发分煤种的等离子点火特性进行了试验研究，确定合理的喷枪功率、煤粉浓度和一次风速等运行参数，为大功率等离子点火系统在燃用贫煤的煤粉锅炉上的工业应用提供技术支撑和参考。

1 试验系统

1.1 试验台简介

航天大功率可调节等离子点火试验台以660MW四角切圆煤粉锅炉单只燃烧器为原型，按照1∶1比例搭建，由等离子喷枪系统、制粉系统、给粉称重计量系统、一次风系统、燃烧系统、烟风系统和控制系统组成，试验台系统组成，如图1所示。

图1 等离子点火试验台系统示意

经磨煤机得到试验所需粒径的煤粉进入粉仓储存，试验过程中粉仓内的煤粉经给粉称重计量系统进入一次风管道，经蒸汽换热器预热后的热一次风携带煤粉进入等离子燃烧器，经等离子喷枪着火，在燃烧室内完成燃烧后烟气经过降温与除尘系统由烟囱排出，试验过程通过远程操作系统控制完成。

1.2 试验方法

试验过程中给粉量通过给料机变频电机和控制系统之间的实时反馈修正完成。试验台一次风管道上安装有风速测量装置及温度传感器，用于检测一次风粉气流速度及温度。燃烧室燃烧器出口火焰区域对应侧墙上装有图像火检装置和热电偶(0～1300℃)，用于观察火焰状态和检测火焰区域温度，通过分析同一试验时刻(点火后5min)火焰状态和火焰区域温度，判定等离子点火效果。

1.3 试验工况

本文进行了不同煤质、喷枪功率、煤粉浓度和风速条件下的等离子点火试验，2种试验煤种分别为宁夏宁北大坞口石炭井矿区贫瘦煤和贫煤，煤质参数如表1所示。试验工况参数如表2所示。

表1 试验煤种煤质参数

表2 等离子点火试验工况

2 试验结果与分析

2.1 等离子喷枪功率对等离子点火特性的影响

1号试验煤种等离子点火试验时，当等离子喷枪输出功率为357kW和375kW时，能够看到燃烧火焰，但火焰的连续性较差且不够稳定，当等离子喷枪输出功率提高到386kW时，火焰的连续性和稳定性明显增强，着火状态好，当等离子喷枪输出功率进一步提高到400kW时，火焰状态进一步改善，着火状态非常好。2号试验煤种等离子点火试验时，当等离子喷枪功率为400kW和420kW时，能够看到燃烧火焰，但火焰的连续性较差且不够稳定，当喷枪功率提高到435W时，火焰能够保持很好的稳定性和连续性，着火状态好，当喷枪功率进一步提高到447kW时，火焰状态进一步改善，火焰中心明亮，着火状态非常好。分析原因是由于等离子喷枪输出功率的提高，一方面增加了等离子燃烧器中心筒内热量，另一方面提高了航天等离子喷枪喷出的高温等离子体气流的旋转强度，强化了高温等离子体气流与通过其区域的煤粉气流的换热，以上两方面因素使得中心筒内煤粉着火条件改善。

图2是在不同等离子喷枪输出功率条件下燃烧器喷口火焰区域温度曲线，整体趋势来讲，随着等离子喷枪功率的不断增加，火焰区温度不断提高。

图2 不同等离子喷枪功率条件下火焰区域温度

1号煤种点火试验时，等离子喷枪功率为357kW和375kW时，火焰区温度处于较低温度水平。当喷枪输出功率增加到386kW和400kW时，火焰区温度明显上升，是因为此时等离子气流点火能量和旋转强度高，煤粉气流着火燃烧充分，释放出大量的热量;2号煤种点火试验时，温度变化规律与1号煤种点火试验时温度变化规律一致，等离子喷枪输出功率为400kW和420kW时，火焰区温度水平低，此时煤粉的着火和燃烧状态差，当喷枪功率增加到435kW和447kW时，火焰区温度升高。试验过程中2号煤种的点火需要更高的喷枪输出功率水平。由此可见，在保证火焰连续稳定、煤粉燃烧充分的条件下，1号煤种点火时等离子喷枪输出功率不低于386kW，2号煤种点火时等离子喷枪输出功率不低于435kW。

2.2 煤粉浓度对等离子点火特性的影响

1号煤种等离子点火试验时，等离子喷枪输出功率设定为400kW，通过图像火检观察燃烧火焰状态，煤粉浓度为0.20kg/kg时，能够看到燃烧火焰，但火焰连续性和稳定性不强，不断出现闪烁现象，分析原因为该煤粉浓度条件下，尽管燃烧器中心筒内煤粉能够被点燃，但煤粉燃烧放出的热量较少，热流密度低，后续煤粉着火燃烧不充分，煤粉分级燃烧效果不明显，火焰状态差;随着煤粉浓度的增加，火焰连续性和稳定性增强。2号煤种等离子点火试验时，等离子喷枪输出功率设定为447kW，煤粉浓度为0.20、0.24kg/kg时，火焰连续性和稳定性不强，不断出现闪烁现象，当煤粉浓度增加到0.27kg/kg时，火焰能够保持很好的连续性和稳定性，着火状态好，煤粉浓度增加到0.3kg/kg时，点火条件进一步改善，着火状态非常好，火焰中心明亮。

图3显示的是在不同煤粉浓度条件下燃烧器喷口火焰区域温度曲线，整体来讲，随着煤粉浓度的不断增加，火焰区温度不断提高。

图3 不同煤粉浓度条件下火焰区域温度

1号煤种点火试验时，煤粉浓度为0.20kg/kg时，火焰区温度在289℃左右，此时煤粉浓度低，热流密度低，燃烧器中心筒及后续各级煤粉燃烧不充分，放热量低，当煤粉浓度增加到0.24kg/kg时，中心筒着火稳定，燃烧器出口火焰区温度提高到534℃左右，之后随着煤粉浓度的进一步提高，火焰区温度升高。2号煤种点火试验时，煤粉浓度为0.20kg/kg和0.24kg/kg时，燃烧器中心筒内部分煤粉被点燃，火焰区温度水平低，当煤粉浓度增加到0.27kg/kg和0.30kg/kg时，着火良好，火焰稳定性、连续性增强，火焰区温度提高。由此可见，为实现挥发份较低的2号煤种的稳定点火，除适当提高等离子喷枪输出功率外，还需要更高的点火煤粉浓度。同时，从点火工业应用过程中点火初期炉膛升温速率方面考虑，点火煤粉浓度不宜过高，避免出现炉膛升温速率快而导致厚壁元件热应力超标、水冷壁氧化皮脱落等问题。

综合以上分析，考虑点火初期着火的连续性、稳定性及升温速率等因素，1号煤种等离子点火时等喷枪输出功率设定为400kW，点火煤粉浓度不低于0.24kg/kg，2号煤种等离子点火时喷枪功率设定为447kW，点火煤粉浓度不低于0.27kg/kg。

2.3 次风速对等离子点火特性的影响

1号煤种和2号煤种的等离子点火试验等离子喷枪输出功率分别为400kW和447kW，一次风速从18.2m/s增加到19.2m/s时，2种煤种的着火状态都没有明显变化，火焰能够维持很好的连续性和稳定性。当风速从19.2m/s提高到20m/s时，火焰出现闪烁现象，火焰的连续性和稳定性有所降低，而当风速提高到21.5m/s时，火焰连续性和稳定性变差，着火状态有较大程度的恶化。图4显示的是不同风速条件下燃烧器喷口火焰区域温度曲线，从图中可以看出，1号煤种和2号煤种点进行火试验时，火焰区域温度随一次风速的变化规律是一致的。

图4 不同一次风速条件下火焰区域温度

综合考虑不同风速条件下的着火特性和火焰稳定性，对于1号煤种和2号煤种，等离子喷枪输出功率分别为400kW和447kW时，一次风速控制在18.2～19.2m/s为宜。

3 结语

(1)由于航天等离子点火系统喷枪输出功率大、喷出的高温等离子气流旋转强度大等特点，通过调节等离子喷枪输出功率，配合适当的煤粉浓度和一次风速等参数，能够实现贫瘦煤和贫煤两种挥发份较低的煤种的等离子点火。

(2)对于Vdaf=22.14%的贫瘦煤，为保证稳定连续的等离子点火和火焰强度，等离子喷枪输出功率不低于386kW。当等离子喷枪输出功率设定为400kW时，点火煤粉浓度不低于0.24kg/kg，一次风速控制在18.2～19.2m/s为宜。

(3)对于Vdaf=16.4%的贫煤，为保证稳定连续的等离子点火和火焰强度，等离子喷枪输出功率不低于435kW。当等离子喷枪功率输出功率设定为447kW时，点火煤粉浓度不低于0.27kg/kg，一次风速控制在18.2～19.2m/s为宜。

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Experimental investigation on high－power plasmaignition of low volatile coal

Plasma ignitioncharacteristics of two kinds of low volatile coal areexperimentally studied，the spray gun power，the coal dust concentration and the primary air velocity are includedin the operation parameters.The aerospace high－power ignition test system is set up at 1∶1 scale of the single burner in a 660MW tangential pulverized coal fired boiler.The experimental result shows that the spray gun power should be no lower than 386kW and the pulverized coal concentration should be no less than 0.24kg/kg for successful ignition of the meager－lean coal with volatile content of 22.14%based on dry ash－free basis.The proper primary wind speed range for early ignition should be 18.2m/s～19.2m/s.For the lean coal with volatile content of 16.4%，the spray gun power should be no lower than 435kW and the pulverized coal concentration should be no less than 0.27kg/kg for successful ignition.The suitable wind speed range should be 18.2m/s～19.2m/s.

plasma ignition;low volatile coal;high power;pulverized coal concentration;primary wind speed

TM621.2

B

1674－8069(2016)05－022－04

2016-03-11;

2016-04-06

朱兴营(1988-)，男，山东泰安人，工程师，工学硕士，从事电厂煤粉燃烧和节能减排方面的技术研究设计工作。E－mail: zhuxyhit@163.com