空冷磁旋弧等離子實(shí)驗(yàn)研究

雍占鋒，王 巍，張紅月，張舉樂(lè)

（徐州科融環(huán)境資源股份有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

國(guó)內(nèi)的等離子點(diǎn)火技術(shù)在2000年前后開(kāi)發(fā)成功后歷經(jīng)14年，已成為我國(guó)大型煤粉鍋爐點(diǎn)火的主流技術(shù)之一。

雖然等離子點(diǎn)火技術(shù)乃至取消燃油點(diǎn)火系統(tǒng)的無(wú)油點(diǎn)火在我國(guó)已廣泛應(yīng)用多年［1-2］，但仍存在一些缺點(diǎn)，由于目前國(guó)內(nèi)大功率等離子點(diǎn)火設(shè)備均采用水作為電極的冷卻介質(zhì)，故現(xiàn)有等離子點(diǎn)火系統(tǒng)均需附帶循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，這導(dǎo)致了系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備繁多，且水作為冷卻介質(zhì)給等離子點(diǎn)火設(shè)備帶來(lái)的密封問(wèn)題、熱效率低下、高頻引弧困難和粉管堵塞等一直未能得到充分解決，另外還有諸如電極頻繁更換、配套煤粉燃燒器結(jié)焦等問(wèn)題［3-6］。因此，等離子發(fā)生器的可靠性制約著等離子點(diǎn)火技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

1 磁旋弧等離子原理

等離子點(diǎn)火系統(tǒng)主要由冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三大部分組成。其中冷卻水系統(tǒng)故障約占等離子點(diǎn)火系統(tǒng)故障或維修量的85%~90%，冷卻水吸熱量約占輸入電功率的25%~40%。因此，如能簡(jiǎn)化甚至取消冷卻水，等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性將大幅提升，系統(tǒng)復(fù)雜性也將得到較大的簡(jiǎn)化。磁旋弧技術(shù)應(yīng)用于等離子以后，電極冷卻需求下降，對(duì)冷卻水的可靠性和冷卻水量的依賴下降，介紹一種以空氣為冷卻介質(zhì)及載體風(fēng)，由電磁力旋轉(zhuǎn)電弧的新型等離子發(fā)生器［7］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

與傳統(tǒng)陰極外或陽(yáng)極外線圈形成內(nèi)磁場(chǎng)不同，使用了陰極內(nèi)部或后部線圈形成的外磁場(chǎng)，并用鐵芯加強(qiáng)磁場(chǎng)，這種改進(jìn)使線圈的直徑減小了1個(gè)數(shù)量級(jí)，而磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)了1個(gè)數(shù)量級(jí)。磁旋弧等離子工作電壓克服了電弧的負(fù)阻特性，調(diào)節(jié)電流時(shí)等離子電壓穩(wěn)定。磁場(chǎng)使等離子穩(wěn)定性增強(qiáng)，不使用磁場(chǎng)穩(wěn)弧時(shí)，等離子的最高穩(wěn)定工作電壓為電源空載電壓的70%；使用磁場(chǎng)穩(wěn)弧時(shí)等離子最高穩(wěn)定工作電壓為電源空載電壓的86%。

圖1 空冷等離子結(jié)構(gòu)

2 軸向磁場(chǎng)對(duì)電弧旋轉(zhuǎn)的作用

電弧受洛倫茲力和氣動(dòng)力兩個(gè)力的作用，無(wú)論什么時(shí)候洛倫茲力幾乎不隨時(shí)間變化，在電弧剛建立時(shí)，氣動(dòng)力吹動(dòng)電弧旋轉(zhuǎn)，隨著電弧越轉(zhuǎn)越快電弧的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到氣體旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，氣動(dòng)力逐漸變?yōu)樽枇?，?dāng)它們達(dá)到平衡時(shí)洛倫茲力的驅(qū)動(dòng)電弧旋轉(zhuǎn)，氣動(dòng)力在阻礙電弧的旋轉(zhuǎn)，電弧以恒定的頻率做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但此時(shí)電弧柱不再保持直線的形狀，就像拴在風(fēng)扇上旋轉(zhuǎn)的紅布條旋轉(zhuǎn)形成螺旋狀。實(shí)驗(yàn)證實(shí)電弧的旋轉(zhuǎn)是由陰極弧根拖著整個(gè)電弧在旋轉(zhuǎn)，這可能是由于電弧從陰極射出來(lái)時(shí)在一薄層內(nèi)是垂直陰極表面尚未彎曲，這一小直段受力最大，因此電弧被陰極弧根的運(yùn)動(dòng)拖著旋轉(zhuǎn)；實(shí)驗(yàn)也表明在相同的電流條件下，無(wú)風(fēng)的時(shí)候電弧在陰陽(yáng)極間旋轉(zhuǎn)速度大于有縱向配風(fēng)的旋轉(zhuǎn)速度。如采用固體圓柱阻力公式來(lái)近似描述弧柱所受的氣動(dòng)力［8-14］

式中：FD，A為氣動(dòng)阻力，N；CD為阻力系數(shù)，無(wú)量綱量；V為來(lái)流速度，m／s；ρ為氣體密度，kg／m3；A 為柱體的迎風(fēng)面積，m2。取電弧柱中任一微元，徑向分量單位弧拄長(zhǎng)度上的洛倫茨力為

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸向的分量，T；空氣的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7，H／m；n 為線圈的圈數(shù)；I為線圈中的電流，當(dāng)線圈串接在電弧回路中時(shí)也即是電弧電流，A；R為線圈的平均半徑，m。

圖2 同軸電極間磁旋弧及受力

圖2中起始弧柱在虛線位置以直線形式產(chǎn)生，產(chǎn)生后立即受洛倫茨力作用開(kāi)始加速，當(dāng)洛倫茨力被氣動(dòng)阻力所平衡后，弧柱以恒定頻率旋轉(zhuǎn)，即弧柱微元上的氣動(dòng)阻力等于該弧柱微元上的洛倫茨力

最后得到磁旋弧在軸向的投影形狀為近似螺旋線

式中：R0為陰極半徑；r為弧柱微元在弧柱中的半徑。

弧的理論運(yùn)動(dòng)速度為［15-17］

代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得v＝9.8 m／s，也即理論旋轉(zhuǎn)頻率f＝78 Hz；上述計(jì)算是在忽略了等離子載體風(fēng)切向旋轉(zhuǎn)做出的，旋轉(zhuǎn)速度比實(shí)際要慢，但不影響這種原理的解釋。實(shí)際測(cè)量電弧長(zhǎng)度約220 cm、直徑140 mm。一次風(fēng)的平均速度為25 m／s時(shí)，煤粉顆粒進(jìn)入高溫電弧時(shí)如果僅有軸向速度，那么煤粉必須在0.6 ms內(nèi)著火，實(shí)驗(yàn)證實(shí)煤粉在0.3 ms內(nèi)著火。

實(shí)驗(yàn)條件：電流210 A、弧電壓350 V、功率73.5 kW、線圈數(shù)21圈、線圈平均直徑40 mm、陰極外徑94 mm、陽(yáng)極內(nèi)徑100 mm、陰陽(yáng)極間隙4 mm、風(fēng)機(jī)銘牌壓力5 200 Pa、流量220 m3、電機(jī)功率735 W帶變頻調(diào)速。

3 磁旋弧等離子體電極的冷卻

水冷電極的冷卻量可以通過(guò)測(cè)量冷卻水量和冷卻水進(jìn)出口溫差計(jì)算得出精確數(shù)據(jù)，空冷磁旋弧等離子也可以通過(guò)測(cè)量冷卻空氣流量和金屬壁面溫度計(jì)算得出足夠精確的數(shù)據(jù)。陳熙等人對(duì)水冷卻電極內(nèi)部傳熱做了大量的研究［18］，對(duì)比之前過(guò)增元等人的研究可以得出［8］，水冷卻電弧等離子的熱效率在40%～80%之間，比較典型的在70%左右。對(duì)100 kW的XPG－2－100C系列等離子進(jìn)行了大量實(shí)測(cè)，平均熱效率在73%左右，在同一等離子發(fā)生器上使用磁旋弧技術(shù)后實(shí)測(cè)平均熱效率約上升到85%左右，原因是磁旋弧后電壓上升、電流下降及軸向強(qiáng)磁場(chǎng)條件下帶電粒子的徑向擴(kuò)散受到約束。

如前所述磁場(chǎng)越強(qiáng)等離子體對(duì)電極的導(dǎo)熱越少，空冷磁旋弧等離子發(fā)生器的磁場(chǎng)強(qiáng)度把實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算得水冷磁旋弧等離子發(fā)生器的磁場(chǎng)強(qiáng)度空冷等離子使用鐵芯后磁場(chǎng)強(qiáng)度增加4倍。因此，空冷等離子磁場(chǎng)強(qiáng)度約是水冷磁旋弧等離子的20倍，磁場(chǎng)對(duì)熱等離子體向電極壁面的傳熱進(jìn)一步得到約束。同時(shí)磁旋弧等離子發(fā)生器由于陰極弧根和陽(yáng)極弧根都在以線速度10 m／s量級(jí)的速度旋轉(zhuǎn)，因此電極的燒損速度比氣吹弧要慢。用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電極外壁面溫度和計(jì)算得出100 kW的空冷磁旋弧等離子發(fā)生器，電極散熱量?jī)H2 kW左右。陰極散熱量占30%，陽(yáng)極散熱量占70%，電極平均溫度工作在350～400℃之間，通過(guò)陰陽(yáng)極散熱面積和遮熱罩的平衡后陰陽(yáng)極壽命一致，100 kW時(shí)平均壽命在250～300 h之間。

4 空冷磁旋弧等離子點(diǎn)燃煤粉實(shí)驗(yàn)

4.1 空冷磁旋弧等離子和水冷等離子對(duì)比實(shí)驗(yàn)

磁旋弧等離子發(fā)生器為2014年生產(chǎn)的100 kW空冷等離子發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)功率為73.5 kW；水冷等離子發(fā)生器為2013年生產(chǎn)的磁旋弧100 kW的XPG－2－100C水冷等離子發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)采用空冷等離子發(fā)生器和水冷等離子發(fā)生器于2014年7月進(jìn)行多次，一次風(fēng)溫25～30℃。該燃燒器為某工程實(shí)際100 kW水冷等離子點(diǎn)火的燃燒器1：1實(shí)驗(yàn)件［19］；實(shí)驗(yàn)時(shí)將等離子發(fā)生器可以安裝水冷等離子發(fā)生器或空冷等離子發(fā)生器，煤種及其他條件均與工程實(shí)際一致。

實(shí)驗(yàn)煤質(zhì)見(jiàn)表1，燃燒器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，拉弧及點(diǎn)煤粉見(jiàn)圖4，圖4左為水冷，右為空冷。

表1 煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)一

圖3 對(duì)比燃燒器結(jié)構(gòu)

圖4 對(duì)比拉弧及點(diǎn)粉

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一次風(fēng)速為18～25 m／s時(shí)，73.5 kW空冷磁旋弧等離子與100 kW水冷等離子點(diǎn)火效果一致。

4.2 空冷磁旋弧等離子點(diǎn)火功率實(shí)驗(yàn)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)完成后，按某工程實(shí)際燃燒器做了1∶1的實(shí)驗(yàn)件，并重新磨制了煤粉于2014年9月進(jìn)行了多次空冷等離子不同功率點(diǎn)燃煙煤實(shí)驗(yàn)，一次風(fēng)溫23～28℃，實(shí)驗(yàn)煤質(zhì)見(jiàn)表2，空冷等離子燃燒器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，空冷等離子運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)二

圖5 空冷等離子燃燒器結(jié)構(gòu)

表3 空冷等離子運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60 kW時(shí)在風(fēng)速小于22 m／s時(shí)能將煤粉點(diǎn)燃并燃燒穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)空冷等離子的功率必須增加，85 kW時(shí)能點(diǎn)燃并燃燒穩(wěn)定的最大風(fēng)速為26 m／s。

5 結(jié)論

空冷磁旋弧等離子系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定性較水冷等離子有顯著的提高、等離子熱效率從水冷等離子的60%～75%上升到99%；功率73.5 kW的空冷磁旋弧等離子發(fā)生器與原100 kW水冷等離子點(diǎn)燃煤粉效果相同?？绽浯判〉入x子發(fā)生器輸出功率可調(diào)節(jié)范圍大，可根據(jù)燃燒需要調(diào)整其功率大小以適應(yīng)不同的噴口風(fēng)速。與水冷等離子相比，由于等離子體直徑大，與煤粉換熱充分，空冷磁旋弧等離子發(fā)生器更適宜點(diǎn)燃煤粉。

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