大功率交流等离子煤粉直燃技术的研究开发.doc

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1、课题名称：燃煤锅炉低负荷洁净高效运行技术的研究及应用大功率交流等离子煤粉直燃技术的研究开发“燃煤锅炉低负荷洁净高效运行技术的研究及应用”课题北京光耀环境工程公司2008年6月内容摘要大功率交流等离子煤粉直燃技术是一种先进燃烧技术，具有广阔的应用前景。目前我国电站燃煤锅炉在启动及低负荷稳燃时耗费大量燃油，这就使得研究大功率交流等离子煤粉直燃技术具有十分重要的现实意义。本项研究在机理研究的基础上，进行了1:1试验台的实验研究，以及煤种适应性的试验。目 录内容摘要第1章概述01.1背景和意义01.2课题研究工作完成情况21.3技术路线31.4研究工作过程3第2章前期基础研究工作42.1煤粉直燃技术简

2、述42.1.1直流等离子体煤粉直燃技术42.1.2感应式加热壁面点火直燃技术52.1.3激光加热点燃煤粉直燃技术52.2大功率交流等离子煤粉直燃技术原理和特点62.2.1大功率交流等离子点火技术与直流等离子点火技术对比92.2.2大功率交流等离子煤粉直燃技术特点概述102.2.3前期基础研究工作112.2.4大功率交流等离子三级点火燃烧器1：1数值模拟研究工作12第3章课题实验研究阶段193.1变风速试验193.2变给粉浓度试验213.3变功率试验213.4交流等离子枪长寿命试验243.5电厂工业应用系统设计294. 改造后运行方式404.1锅炉启动404.2锅炉停止404.3低负荷稳燃405

3、改造周期估算406经济效益分析4161 直接经济效益：4162 间接经济效益426. 3在新建电厂中取消燃油系统4264 微油、直流等离子及交流等离子三种点火方式技术经济比较42第4章研究工作总结44第5章实验基地掠影44第1章概述1.1背景和意义我国是一个贫油的国家，煤储量相对丰富，煤炭可采储量占世界的11.63%，而石油和天然气则分别只能占到2.67%和0.93%。我国又是石油生产大国，年产石油达1.6亿吨，占世界第五位。我国已探明的石油可采储量仅为57亿吨，且现已开采33亿吨，按照目前的开采速度只能再开采十几年。这些年来，随着经济持续发展。我国对石油的需要不断增加，供需缺口增大。2000

4、年我国进口石油7000万吨，2005年可能超1亿吨，2010年可能占我国石油总消耗量的一半。由于我国石油消费对外依赖程度很高，而且主要从局势不太稳定的中东进口，一旦发生突发事件，造成石油供应减少或中断，我国经济发展和国家安全将面临严重威胁。面对着日益严峻的油荒，国家计委出版的中国能源白皮书中指出：“研究、开发应用以煤代油的技术和产品是正在执行的长期能源战略的一部分，鼓励全社会开展以煤代油的工作”。2004年11月国家发改委在开展资源节约活动的战略意义及相关措施中也明确指出“加快节能技术开发、示范和推广，组织对共性、关键和前沿节能技术的科研开发，实施重大节能示范工程，促进节能技术产业化。电力行业

5、是国民经济中具有先行性的重要基础产业，与国民经济的关系极为密切，经济增长快，对电力的需求就大，在我国GDP快速增长的大环境下，电力行业也进入了一个发展的黄金时期。火力发电在整个电力生产中的地位非常重要（见下图），火电成为目前电力固定资产投资重点，在相当长的时间内仍然占据发电市场的主导份额。自1996年，我国火电装机总量位居世界第二，仅次于美国。图1-1 我国电力结构图图1-2我国火电发展趋势煤粉悬浮燃烧为锅炉的主要燃烧方式，启动时通常用油点火，并且在低负荷运行或煤质不稳定时也需投油稳燃。随着机组容量向大型化发展，轻工、商业和生活用电量的大幅增加，昼夜电量相差巨大，使电网峰谷差大大增加，因而要求

6、电网中有更多的机组参与调峰，致使点火和助燃用油大幅增加。2002年我国用于锅炉点火和助燃的燃料油超过六百万吨,直接费用高达160亿元人民币。据统计50MW机组锅炉启动一次需要耗油5吨，125MW机组锅炉启动一次需用油15吨，而 200MW机组锅炉启动一次需用油50吨；一台300MW机组锅炉每年需点火用油400吨、稳燃用油15000吨。面对如此严峻的形势，国家明文规定了电厂锅炉的点火和助燃用油量；发布了节约和替代燃料的“十五”规划：“十五”期间，节约和替代燃料油1600万吨，其中电力行业要节约和替代755万吨。伴随大量的燃油消耗，在燃油采购、运输、储存、硬件设备等方面的费用，无疑更加大了发电成本

7、。因此，开发直燃或少油煤粉直接点火燃烧器一直是电力行业内普遍关注的课题。二十多年来，世界各国科技人员在直燃点火方面做了大量工作，开发了一些新式煤粉直接或少油点火燃烧器，取得了一些成果。2006年北京光耀环境工程有限公司计划课题燃煤锅炉超低负荷洁净高效控制与运行技术的研究，大功率交流等离子煤粉直燃技术是该课题的主要内容，从2006年初至今课题组先后完成该技术的实验室研究:1、等离子枪大功率下长寿命试验；2、燃烧器1：1尺寸下不同煤质直燃试验及关键设备升级换代工作，成功地解决等离子前后电极烧损关键难题，节油效果及经济效益显著。由于实现了等离子前后电极长寿命，可靠性高；既可满足点火需要，又可支持火焰

8、燃烧，煤粉燃尽度好，燃烧效率高。交流等离子燃烧器作为点火燃烧器同时也可作为主燃烧器，且在锅炉低负荷时还可起到助燃作用。我们相信该项技术研究符合电力市场需求、符合能源严峻的国情，市场前景广阔，能为我国解决能源紧缺问题做出应有的贡献。1.2课题研究工作完成情况大功率交流等离子煤粉直燃技术作为燃煤锅炉低负荷洁净高效运行技术研究的重要研究内容，是实现燃煤锅炉低负荷洁净高效运行的重要手段。课题组研究开发的交流等离子煤粉直燃技术，是与目前国际上现有技术不同的具有自身特点的技术。目前课题组完成以下课题任务1、大功率交流等离子煤粉直燃燃烧器研制。2、1：1比例300MW燃烧器上试验的应用、多煤种适应性试验。3

9、、交流等离子枪长寿命试验。4、开发出独特的交流等离子点火器，并在实验室进一步进行了一系列试验研究，开发设计制造交流等离子三级点火煤粉燃烧器及辅助系统装置。1.3技术路线理论分析理论分析燃煤理论计算数值模拟计算三级点火枪制造辅助系统设计制造1比1点火燃烧器研制多煤种适应性及长寿命试验交流等离子点火系统计算三级点火燃烧器制造图1-3课题研究技术路线根据课题任务目标制定了上述技术路线，结合技术路线具体研究工作内容包括：1）交流等离子煤粉直燃技术数值模拟计算软件开发；2）交流等离子枪研制；3）三级点火燃烧器设计研究；4）实验室1:1模拟研究；6）辅助系统设计开发与系统技术集成；1.4研究工作过程200

10、6年北京光耀工程有限公司计划课题燃煤锅炉低负荷洁净高效运行技术的研究。本课题研究实施过程中，首先对燃煤技术理论做了充分调研：不同的煤种、不同煤粉浓度着火温度不同，随着煤粉浓度增加煤粉气流着火温度降低；煤粉气流可以实现分级着火；足够高温度、足够高温的等离子火焰（6000-10000）使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分的含量提高了80%，着火热降低，火焰传播速度加快。在理论分析、文献调研、数值模拟计算基础上，开发出了大功率交流等离子三级点火燃烧器，并进一步在实验室内经过大量试验研究，先后完成1：1模拟试验为后续工程应用打下基础。第2章前期基础研究工作2.1煤粉直燃技术简述

11、在煤粉直接点火方面，现主要有三种技术，分别为等离子直接点火、激光直接点火、电直接点火。进入90年代，美国、澳大利亚和日本的科学家致力于采用激光技术实现直接点火，已在实验室进行了大量实验，但并未实现工程化。烟台龙源技术有限公司在俄罗斯等离子直接点火技术的基础上，开发了新型的直流等离子直接点火装置，已处于工程应用阶段。2.1.1直流等离子体煤粉直燃技术图2-1直流等离子体煤粉直燃点火技术阴极与阳极之间的高压电场，将流过其间的工作气体电离，形成温度达几千K以上的等离子电弧，形成等离子炬在喷入炉膛后，卷吸周边的煤粉气流，卷入的煤粉颗粒迅即燃烧，焦炭等残余物即刻升华，其燃烧热使得火炬能量发生增值。在大量

12、煤粉颗粒急剧升温的同时，由于颗粒中存在挥发份及水分，煤粉颗粒发生炸烈。这些高温碎片穿越火炬，进入周围的气流中火炬随即与周界发生质的交换，高温火炬通过对流，辐射耦合作用的方式向周界进行热传递。2.1.2感应式加热壁面点火直燃技术图2-2感应式加热壁面点火原理图其工作原理是，给水冷感应线圈中通入中频电流，在高温合金管及点火室的整个区域，产生强的交变电磁场。在交变电磁场的作用下，耐高温合金管中产生电涡流，高温合金管被加热并迅即升温。在高温合金管，即点火室内壁温度合适时，送入一次风粉气流。煤粉气流迅即点燃，在点火室出口形成强烈燃烧的煤粉火炬，喷入炉膛。这种点火方式优于等离子点火方式，但也存在着致命的弱

13、点：由于煤粉在电热腔内燃烧，结焦问题就在所难免。这些制约因素决定了该种点火方式难以实现工业应用。2.1.3激光加热点燃煤粉直燃技术激光加热点火技术通过非接触的方式对煤粉进行加热，不存在结焦的问题。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。高温空气大功率煤粉直燃技术就是将常温空气加热到足够高的温度（1000），利用这部分高温空气作为点火源去点燃部分煤粉气流，达到无油点火的目的。2.2大功率交流等离子煤粉直燃技术原理和特点从化学动力学的角度看，工程上煤粉空气混合气流着火及气体可燃混合物的着火都是以点燃方式进行的，根据预混可燃气体点燃的热

14、力理论，要点燃气体可燃混合物，则必须提供一定的点火能量，即在短时间内提供大量的能量，或用较低水平的能量维持足够长的时间，否则着火是不可能的。煤粉空气混合物与气体燃料相比不易点燃且更难维持稳定的着火，而且维持连续稳定着火的机理亦与预混气体的火焰传播有显著的差别。在煤粉炉中，煤粉的点燃过程是将一次风射流与高温烟气混合，使得煤粉空气混合物的温度升高到煤粉能够着火温度，这一温度由一定环境条件下煤粉着火的临界条件所决定。所以，煤粉气流的着火条件不仅取决于用来点燃煤粉气流的热烟气温度，而且需足够的热量，所需的着火热比气体可燃混合物的点火能量大得多。如果能够对新鲜煤粉空气气流连续地提供足够的着火热量，则可维

15、持煤粉气流连续稳定地着火。煤粉空气混合物也具有气体燃料和液体燃料的各种燃烧特性参数，如着火浓度范围、火焰传播速度、燃烧反应速度等。实验研究结果表明，在一定的温度和压力条件下，对煤粉火炬火焰传播速度影响较大的因素主要是煤粉浓度、煤的挥发分含量和灰分含量、煤粉颗粒细度等。一次风煤粉气流的浓度变化就反应在一次风率（r1k）上，取u为一次风煤粉气流的重量百分比浓度，则r1k与u的关系为：r1k=Br/(1kuV0) （2-1）式中：Br燃煤量，1k一次风气粉混合物密度，V0理论空气量，过量空气系数显然，煤粉浓度增加，一次风率减少，相应地煤粉气流着火热将减少。依据热力着火理论及经验总结，可得出不同煤种不

16、同煤粉浓度对应的着火温度，如表2-1、表2-2所示：表2-1 煤粉浓度与着火温度的关系煤种无烟煤烟煤煤粉初始浓度kg/kg0.515100.4335混合物着火温度1200800730540370325表2-2 煤种、一次风率与着火温度的关系单位烟煤贫煤无烟煤劣烟煤褐煤一次风率%3020203030着火温度7008501000750550随煤粉浓度的增加，煤粉气流的着火温度是降低的，着火时间短，着火距离也变短。从燃烧动力学来看，高温可以使火焰稳定, 火焰的稳定极限是随温度的提高而加宽的，或者说温度的提高导致火焰稳定的下限降低，上限拓宽，使火焰在较大范围内获得稳定，同时，可燃物挥发分析出量大，也即

17、在着火阶段参加燃烧的可燃物浓度高，易着火和稳定燃烧。另外空气温度越高，火焰的熄灭应变能力越强，火焰也越稳定，需要的氧浓度可以降低。其次高温还可使烧烧速率提高，随着温度的提高燃烧速率几乎直线上升。尽管煤的着火性质有其特殊性，影响煤燃烧的影响因素也较多，但与其它各种可燃物燃烧的本质是相同的，即燃烧要同时满足四项条件：可燃物、氧气、足够高的着火温度、加热时间。煤粉气流在进入炉膛前已同时具备两个着火条件，即煤粉和输送煤粉气流空气中的氧气，虽然输送用的空气中氧与煤完全燃烧所需的氧气相比数量有限，但一定程度上还能满足初期燃烧。大功率交流等离子三级点火提供了足够高温度（6000-10000）热源，由于是三级

18、点火提供足够的燃烧时间。再将这部分高温热源与燃烧器合理的结合最终形成一个稳定的火炬。三级等离子点火机理：等离子点火采用分级点火方式。首先在燃烧器一次室内点燃部分煤粉，然后在二次燃烧室和三次燃烧室内点燃其余的煤粉。挥发份的迅速析出是在一次室里完成的。一部分风粉进入一次燃烧室，与等离子相互作用，在0.3-0.4的空气中氧化产生高温热量，使其它风粉加热到生成挥发份温度。一次风中少量的氧气保证煤中剩余碳按2C+O2=2CO进行反应。结果，温度达到1200K以上的燃料混合物（燃气剩余煤粉）通过燃烧器喷入炉膛，在无第二种燃料（燃油）的作用下通过同空气（二次风）的相互作用完全稳定燃烧。最初进入一次室的风粉只

19、有其总量的30%，煤粉颗粒在加热速度达到103-104度/秒时产生热激化破裂。实验结果表明，粒度达到250mm的煤粉颗粒，在热激化产生的内部热应力作用下，在0.01-0.05秒破裂成8-10个碎粒煤粉颗粒的热破裂，致使反应面扩大，不断加速挥发物的产生，不断出现非常细小的粒子。这些细小的煤粉粒子与氧气的反应比大粒子要快得多。同时当煤粉颗粒破裂时，煤的挥发份（CO，CO2，CH4，C6H6）便从这些原始的碎粒中析出，同时生成含氮组分，如C5H5N和C4H4N。然后，在气相中生成单原子模（O，H，N，C，S）、煤的矿物质组分（Si，Al，Ca）和原子团（NH，CH，CN，OH，等）并出现负离子（O，

20、HN2-）。等离子点火除了具有燃料本身实际所含有的各种特性外，此外还具备只有等离子才具有的特性。如此高的温度，如此般能量的集中，等离子内具有如此大量的活性粒子、原子、原子团、离子、氧和电子，并以此组分设计研制出来的相当精良的等离子发生器及其简捷小巧的外轮廓尺寸，单位有效功率高，可广泛使用在单相或多相工作介质中，惰性电弧小，自控过程简单，这一切都图2-3 交流等离子燃烧器原理图首先启动引风机、送风机调整燃烧器入口风速在合理范围内，投入交流等离子冷却水系统、压缩空气系统检查各系统正常后开启交流等离子电源，交流等离子枪投入运行，启动给粉机调整给粉量观察燃烧器出口燃烧情况。并记录各部温度。给粉机投入后

21、适当的给粉量与一次风混合后，在高温等离子火焰（6000-10000）的加热下煤粉迅速燃烧，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，释放出来的挥发分在气相环境中或煤粒表面上燃烧，产生的热量或者使环境温度升高或者使煤粒本身被迅速加热，使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙机构发生很大变化，从而改变了煤焦的反应性能和燃烧速率。随着进一步的燃烧，完成煤粉气流着火。资料表明，1kg煤粉燃烧可以点燃20kg以上的煤粉，为了减小交流等离子的功率及其规模，点火燃烧器在设计上采用分级点火技术，一般视煤粉性质，可将其分为三级或三级以上。等离子高温火焰首先把一级煤粉点燃，一级着火后再去点燃二级，二

22、级再点燃三级。这种大功率交流等离子煤粉直燃点火系统，点火时一级先着火，然后是二级、三级着火，使得该技术防结焦性能非常优越。另外，由于功率相比直流等离子可大两倍以上煤粉适应性强，使用煤种范围广，调节简单。不仅解决了锅炉用油点火启动时电除尘器无法投入而造成的环境污染问题，简化了电厂设备系统，还具有火焰稳定、燃烧速率高等技术优势；同时还可给电厂带来较大的经济利益。点火燃烧器上还设有火焰检测器及壁温监测热电偶装置，整个点火燃烧器系统运行时是在自动控制系统严格监控下完成的，该自动控制系统与锅炉控制系统紧密联系，保证锅炉及点火燃烧器安全正常运行。目前，世界燃煤发电机组中，点火方式除油枪外，真正运行的有微油

23、点火和直流等离子而直流等离子的弱点是功率小，阴极寿命短小于50小时。大功率交流等离子电极使用寿命大于180小时。2.2.1大功率交流等离子点火技术与直流等离子点火技术对比1)运行维护量直流等离子直燃点火装置运行维护量较大，等离子点火器产生电弧的阴阳极使用寿命短，一般只有20-50小时，电功率较小一般在150KW以下并且两极容易粘贴粉尘而拉不出电弧，需要运行人员经常擦拭清洁及经常通风才能保证点火顺利进行。交流等离子直燃点火装置前后电极使用寿命在180小时以上，并且功率可做到500KW以上可点燃挥发分含量在8%以上的煤种。2)低负荷稳燃直流等离子直燃点火器阴阳极有寿命限制，所以很难保证在低负荷稳燃

24、时安全可靠的连续运行。交流等离子由于电极寿命长，可在锅炉低负荷等离子枪小功率下长期稳燃运行。3)设备投资直流等离子直燃点火装置需要整流装置。交流等离子直燃点火装置只需380V交流电源投资小。4)运行成本每台直流等离子直燃点火器需要功率120KW，需要经常更换等离子电弧阴、阳极。每台交流等离子直燃点火器需要80500KW，电极寿命长。5）可靠性直流等离子是用一只枪点燃燃烧器内煤粉，等离子火焰加热煤粉时间短燃烧稳定性差一旦等离子火焰不稳易引起灭火。交流等离子一只燃烧器上加装三只等离子点火枪不仅对煤粉加热时间相比直流等离子增加了三倍，可大大增加燃烧器着火可靠性。表2-3 几种点火技术对比表项目微油点

25、火直流等离子点火高温空气点火初投资低高中运行成本高高中日常维护工作量小高小燃烧不稳时自动投入可以可以可以低负荷稳燃性能可以时间短可以安全性较高一般高适应性广窄广可靠性高一般高2.2.2大功率交流等离子煤粉直燃技术特点概述1）用途：用于煤粉锅炉启动、停止以及低负荷稳燃，替代原油枪，实现以煤代油，达到不用油目的。2）技术指标：燃烧器喷口使用寿命不低于6年，锅炉低负荷自稳燃能力达40%，节油效果100。3）技术特点：相对于直流等离子投资低、回报周期短；系统简单，操作方便，检修维护量小；便于生产管理；运行稳定可靠、燃烧稳定、火焰明亮；对煤粉浓度和一次风速的适应性强，有益于锅炉启动过程中热负荷调节；与控

26、制系统的兼容性强、安全可靠；设备和系统可靠。4）环保指标：投入交流等离子枪助燃时，静电除尘器不需解列，由于没有油参入燃烧，保证静电除尘器电极板不污染，由于环保指标的进一部提高，目前电厂正在应用袋式除尘器，交流等离子点火的应用对袋式除尘器的使用更为有利。2.2.3前期基础研究工作北京光耀环境工程有限公司云岗实验基地建有专门的交流等离子煤粉直燃点火实验室，为更真实地模拟现场工况，按1：1比例建设实验台。实验室主要由燃烧室，控制室及主设备间组成，点火装置主体主要布置在主设备间内，另外还配电源系统、水冷系统、供风系统、给粉系统、自控系统等辅助系统。图2-5 实验室三维布置图大型交流等离子煤粉直燃点火系

27、统组成： 等离子枪产生6000-10000左右的高温等离子火焰。 电源柜为等离子枪提供电源。 300MW机组1：1比例点火燃烧器与三只交流等离子枪配套，点燃煤粉。 自动控制系统全数字自动控制。 电路、风机、水泵、压缩机、管路及粉仓、给粉机系统。2.2.4大功率交流等离子三级点火燃烧器1：1数值模拟研究工作2.2.4.1交流等离子燃烧器燃烧特性数值模拟的意义为了设计性能良好的交流等离子燃烧器，进一步分析了解其燃烧特性，本文用数值仿真软件Fluent对其点火特性进行了模拟。2.2.4.2交流等离子燃烧器的数值模拟1） 模拟条件本算例模拟的交流等离子燃烧器为逐级点火、分级燃烧式的燃烧器。由于煤粉燃烧

28、过程的模拟是一个复杂的过程，包括挥发分析出、焦炭燃烧、辐射传热、颗粒运动、气相流动和燃烧等。燃烧器内气相的湍流流动选择标准的k-epsilon模型，煤粉颗粒相流动采用随机轨道模型，气相湍流反应使用Two mixture fraction/PDF模型，挥发分析出使用Two-competing-rates模型，燃烧模型使用kinetics/diffusion-limited模型。辐射传热选用P1 模型。燃烧器的数值模拟采用第一类边界条件，给定了壁面的温度。湍流流动的近壁面采用标准壁面函数。图1.交流等离子燃烧器交流等离子燃烧器三维计算区域见图1，其中，交流等离子燃烧器区域是按照实物1：1尺寸进行模

29、拟的。燃烧器入口处的风粉混合物速度均匀分布，速度为u进入燃烧器的各级燃烧区。为了提高一级燃烧室的点火效果，在燃烧器入口前段设计安装了煤粉浓缩装置。本算例以20m/s的一次风速度为例，取磨煤机出口煤粉空气混合物的温度为350K，对交流等离子燃烧器的燃烧特性进行数值模拟。2）网格划分使用Gambit 对燃烧器结构进行构体，并划分网格，比较了结构化和非结构化网格在收敛速度、收敛趋势等方面的效果后，本燃烧器一次风入口段和喷口段采用结构化网格、中间部分采用非结构化网格划分，如图2所示。图2.交流等离子燃烧器网格划分2.2.4.3计算结果与分析在上述边界条件下，用Fluent软件对等离子燃烧器的点火、燃烧

30、特性进行了模拟。图2 显示的是交流等离子燃烧器一次风入口速度u =20m/s，T=350K 工况下，煤粉进入交流等离子燃烧器着火后的燃烧特性分布图。1）温度分布及分析图3.中心截面温度图图4.几个具有代表性截面的温度分布在一级燃烧室内，煤粉已经开始着火，在等离子体高温区域增大，燃烧速度加快，在一级燃烧室出口处煤粉温度整体升高，原因是一级燃烧室内煤粉吸收等离子体的热量后，煤粉温度逐渐升高，一部分挥发分析出之后，燃烧放热，使得整体温度升高。由于位于中心部位的煤粉首先着火，形成的高温火焰主要通过对流、辐射方式向外围、径向四周的大量煤粉空气混合物释放热量；此时，外围煤粉着火消耗大量氧气，而中心线上的煤

31、粉形成局部缺氧区。进入二三级燃烧室，当二三级燃烧煤粉的进入高温煤粉火焰，并经过第二三只等离子体的进一步高温加热，二三级煤粉迅速着火燃烧，在三级燃烧室出口处平均温度达到1900k。当第四五级煤粉进入高温煤粉火焰后，由于处于良好的高温环境，煤粉迅速着火燃烧，在五级燃烧室区域，煤粉火焰中心温度较高，而燃烧室近壁处温度偏低，形成了粉包火的燃烧工况。由模拟的结果（如图3、4所示）可以看出该结构燃烧器喷口处温度均匀。2）速度分布及分析图5.中心截面速度分布图图6.几个具有代表性截面的速度分布从速度分布图5、6所示，速度经过一二三级燃烧室之后，到了四五级燃烧室逐渐分布均匀，而在燃烧器中心截面上速度相对要高，

32、贴壁处速度要低，有利于交流等离子燃烧器的长期运行。燃烧器喷口处速度分布均匀。3）速度分布及分析图7.中心截面煤粉浓度分布图图7为中心截面的煤粉浓度分布，煤粉在经过燃烧器入口前段浓缩装置的作用，在一级燃烧室内形成高浓度的煤粉空气混合物，这时正好遇到高温的等离子体火焰，使煤粉中挥发分快速析出，并燃烧放热。2.2.4.4 结论用Fluent计算流体动力学软件为基础，选用合适的数学物理模型与结构模型，可以较好的模拟煤粉燃烧的流动、传热和燃烧特性，并能较详细、准确地预报炉内的温度场、速度场和煤粉颗粒相等组分的浓度场。本算例数值模拟结果表明：一定数量的煤粉在一级燃烧室受等离子体高温热化学作用后，首先着火。

33、在一级燃烧室出口，加入二三级煤粉在二三级燃烧室内受等离子体继续加热升温，着火燃烧，提高了整体燃烧温度，较易点燃四五级更为稀释的风粉混合物。燃烧器内贴壁温度较低，速度较低，使得交流等离子燃烧器可长期安全运行，对延长等离子燃烧器的寿命是有利的。该模拟结果与热态点火试验得到的等离子燃烧器点火特性基本一致。该模拟为等离子燃烧器试验及现场运行提供了参考。第3章课题实验研究阶段3.1变风速试验三相电流分别保持在350A给粉机转速300转/分不变调整一次风速在10m/s、13 m/s、16 m/s、19 m/s、22 m/s、25 m/s六个工况下测得燃烧器内个测点处火焰温度变化性能试验。煤质特性见下表下表

34、：项目符号单位分析值全水分收到基水分Mar%6.21工业基分析空干基水分Mad%2.81收到基灰分Aar %34.83收到基挥发分Var%收到基固定碳FCar%干燥无灰基挥发份Vdaf%36.44元素分析基收到基碳Car%47.39收到基氢Har%3.36收到基氧Oar%5.50收到基氮Nar%0.91收到基全硫St.ar%1.80收到基低位发热量Qnet.arkJ/kg18240图2-6 交流等离子燃烧器温度测点布置图给粉机转速300转/分不变调整一次风速在10m/s、13 m/s、16 m/s、19 m/s、22 m/s、25 m/s六个工况下测得燃烧器内个测点处火焰温度变化性能试验图2-

35、6所示是不同风速工况下交流等离子火焰点燃煤粉温度曲线，功率不变，风速不同燃烧器各部温度也不同，在1016 m/s之间风速变化对喷燃器燃烧温度影响较明显。等离子燃烧筒出口温度始终在2000以上，进入二级混合室后由于大量风粉混合气体的混入使二级混合室出口温度平均降500以上，燃烧器出口火焰温度在25 m/s风速下仍能保持1000 以上，火焰明亮燃烧稳定。3.2变给粉浓度试验三相电流分别保持在350A、煤质不变、调整给粉机转速测量燃烧器测点温度测量结果分析：见图2-7为煤质不变，风速保持20 m/s不变煤粉浓度与燃烧器内个热电偶测点温度的关系曲线。给粉机转速在300转/分时燃烧最好燃烧器出口温度最高

36、可达1250火焰明亮燃烧强烈，当给粉机转速加到500按转/分时燃烧器出口温度为1000并且火焰边界含有未燃烧的煤粉颗粒，一次风速在20m/s时最佳給粉机转速范围是250350转/分，燃烧器出口火焰温度在1200以上着火稳定燃烧强烈。3.3变功率试验给粉机转速不变、选3种煤质变功率测量各部温度，分析交流等离子火焰适应煤种能力1）一次风速15m/s、煤质可燃基挥发分:7.65%、应用基水分:4.85%、应用基低位发热量：28.2M J、三相电流为：450A、500A、550A、600A测量燃烧器内测点温度变化结果分析：图2-8温度特性曲线看出煤质可燃基挥发分:7.65%的无烟煤引燃能力很差。在三相

37、电流600A的大功率下此时中心等离子燃烧筒出口火焰温度达到2300以上，燃烧器出口火焰温度可达1200左右，但是煤粉火焰离开燃烧器后温度降低很快离开燃烧器1000mm左右温度低于900，火焰长度只有2500mm持续燃烧能力较差。2）一次风速15m/s、煤质可燃基挥发分:14.25%、应用基水分:6.43%、应用基低位发热量：18.9MJ、三相电流为：450A、500A、550A、600A测量燃烧器内测点温度变化 结果分析：图2-9温度特性曲线看出煤质可燃基挥发分:14.25%的贫煤引燃能力相对无烟煤有很大改善。在三相电流550A的大功率下此时中心等离子燃烧筒出口火焰达到2400左右，燃烧器出口

38、火焰温度可达1200以上，煤粉火焰离开燃烧器1000mm左右温度保持1100以上，火焰长度有3500mm燃烧稳定该火焰强度具有一定稳燃能力。3）一次风速25m/s、煤质可燃基挥发分:33.5%、应用基水分:6.85%、应用基低位发热量：19.2MJ、三相电流为：300A、350A、400A、450A测量燃烧器内测点温度变化结果分析：图2-10温度特性曲线看出煤质可燃基挥发分:33.5%的烟煤引燃能力很强。在三相电流350A至400A的功率下此时中心等离子燃烧筒出口火焰达到2000左右，燃烧器出口火焰温度可达1200以上，煤粉火焰离开燃烧器1000mm后温度保持1100以上，火焰冲满整个炉膛燃烧

39、强烈。3.4交流等离子枪长寿命试验1)工况一：三相电流保持400A、等离子枪入口压缩空气压力保持在0.350.45Mpa;入口水压保持0.650.75Mp连续运行180小时后A枪电流突然增大停止运行。对三支枪解体检查A枪后电极烧损漏水。三支枪前后电级烧损情况见下列图片。A枪电极烧损图片B枪电极烧损图片C枪电极烧损图片2)工况二：三相电流保持600A、等离子枪入口压缩空气压力保持在0.350.45Mpa;入口水压保持0.650.75Mp连续运行89小时后C枪电流突然增大停止运行。对三支枪解体检查C枪后电极烧损漏水。三支枪前后电级烧损情况见下列图片。A枪电极烧损图片C枪电极烧损图片B枪电极烧损图片

40、3.5电厂工业应用系统设计1)、系统参数1、电源：三相电源 380 -5V10V 频率：502%Hz最大消耗功率：350kVA负荷电流工作范围：（300 600）2%A电弧电压调节范围：3805%V2、压缩空气：最低气压：0.35MPa 最高气压：0.5MPa空气压力调节范围：0.35 0.5MPa空气流量（单角）：60100Nm3/h3、冷却水：最小压力：0.7MPa正常压力：1.0MPa最大压力：1.2MPa最大流量（单角）：10t/h4、水质要求：除盐水，温度405、输粉管内风速（一次风）：最低风速：10m/s最高风速：26m/s最低风温：206、气膜冷却风风速：4560m/s 7、等离

41、子发生器功率范围 正常运行90300kW8、等离子火焰温度 6000C9、前电极寿命 设计工况下不低于300h(易更换)10、后电极寿命 设计工况下不低于200h11、等离子燃烧器出力 设计最低出力的100%200% 范围12、投粉后的着火时间 中储式系统：投粉后不大于30秒13、燃烧器壁温控制温度 保证小于50014、煤粉浓度 0.360.52kg/kg，最低不得低于0.3kg/kg15、单角等离子功率：3（60100）kw；16、保护风压力：2500Pa左右；17、单角保护风流量：3（100150）Nm3/h；18、交流等离子燃烧器出口火焰中心温度：10001500；19、二次风风量：根据

42、燃烧器壁温控制，保证燃烧器壁温不超过500。2）、燃烧系统燃烧器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。 图1 流等离子燃烧器结构原理根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，如图1所示，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据煤粉特性不同可设计成500-1200kg/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

43、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。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。和现场管路连接时须正确选用焊条型号。等离子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1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做成和原燃烧器相同，改造工作量小。给粉机为满足等离子燃

44、烧器对于煤粉浓度和均匀性的要求并能做主燃烧器使用，与等离子燃烧器相匹配的给粉机选择，应满足做主燃烧器使用时燃烧器的最大出力，100MW及以下等级的锅炉，与等离子燃烧器匹配的给粉机额定出力以2-6t/h为宜。对200MW及以上容量的锅炉，一般选用给粉机的额定出力在3-9t/h为宜。磨煤机对于新建机组，选定的点火用磨煤机，最低出力应能满足最低投入功率的要求，MPS中速磨宜采用可变加载型。根据磨煤机的型式，调整其出力和细度至最佳状态，例如：适当调整回粉门的开度、调整分离器开度，适当减小一次风量（但风量的调整应满足一次风管的最低流速，中速磨最低风量应保证允许的风环风速），对于MPS中速磨煤机还应适当调

45、整碾磨压力。暖风器主要应包括暖风器进出口风道的连接方式、支吊架的位置、整体重量、入口蒸汽管道尺寸及连接方式、出口疏水管道尺寸及连接方式、投运前是否需要对蒸汽管道进行吹扫等。一次风系统应根据锅炉燃用煤种、炉型和容量、制粉燃烧系统各自的特点，进行系统配套、结构和参数选择。中储式制粉系统100MW及以下机组宜选择另设等离子燃烧器的系统；直吹式制粉系统宜采用主燃烧器兼有等离子点火功能的系统。采用直吹式制粉系统的锅炉，宜采用本炉冷炉制粉的方式。制粉用热风的来源，在有条件时宜采用邻炉热风。在邻炉来热风有困难时，宜在磨煤机入口热风道上或专设旁路风道上加装空气加热装置，将磨煤机入口风温加热至允许启磨温度。加热装置宜采用蒸汽加热器。如热风温度要求较高时，可采取串联安装风道燃烧器加热等方式。磨煤机对应的所有煤粉输送管道，应设有进行冷态、热态输粉风（一次风）调平衡的阀门；宜加装煤粉分配器等措施，以尽可能保持各煤粉输送管道内风速一致、煤粉浓度一致、煤粉