空冷磁旋弧等离子实验研究

雍占锋，王 巍，张红月，张举乐

（徐州科融环境资源股份有限公司，江苏 徐州 221004）

0 引言

国内的等离子点火技术在2000年前后开发成功后历经14年，已成为我国大型煤粉锅炉点火的主流技术之一。

虽然等离子点火技术乃至取消燃油点火系统的无油点火在我国已广泛应用多年［1-2］，但仍存在一些缺点，由于目前国内大功率等离子点火设备均采用水作为电极的冷却介质，故现有等离子点火系统均需附带循环冷却水系统，这导致了系统复杂、设备繁多，且水作为冷却介质给等离子点火设备带来的密封问题、热效率低下、高频引弧困难和粉管堵塞等一直未能得到充分解决，另外还有诸如电极频繁更换、配套煤粉燃烧器结焦等问题［3-6］。因此，等离子发生器的可靠性制约着等离子点火技术的进一步推广。

1 磁旋弧等离子原理

等离子点火系统主要由冷却水系统、压缩空气系统、电气系统三大部分组成。其中冷却水系统故障约占等离子点火系统故障或维修量的85%~90%，冷却水吸热量约占输入电功率的25%~40%。因此，如能简化甚至取消冷却水，等离子点火系统的可靠性将大幅提升，系统复杂性也将得到较大的简化。磁旋弧技术应用于等离子以后，电极冷却需求下降，对冷却水的可靠性和冷却水量的依赖下降，介绍一种以空气为冷却介质及载体风，由电磁力旋转电弧的新型等离子发生器［7］，其结构如图1所示。

与传统阴极外或阳极外线圈形成内磁场不同，使用了阴极内部或后部线圈形成的外磁场，并用铁芯加强磁场，这种改进使线圈的直径减小了1个数量级，而磁场强度增强了1个数量级。磁旋弧等离子工作电压克服了电弧的负阻特性，调节电流时等离子电压稳定。磁场使等离子稳定性增强，不使用磁场稳弧时，等离子的最高稳定工作电压为电源空载电压的70%；使用磁场稳弧时等离子最高稳定工作电压为电源空载电压的86%。

图1 空冷等离子结构

2 轴向磁场对电弧旋转的作用

电弧受洛伦兹力和气动力两个力的作用，无论什么时候洛伦兹力几乎不随时间变化，在电弧刚建立时，气动力吹动电弧旋转，随着电弧越转越快电弧的旋转速度达到气体旋转速度时，气动力逐渐变为阻力，当它们达到平衡时洛伦兹力的驱动电弧旋转，气动力在阻碍电弧的旋转，电弧以恒定的频率做旋转运动。但此时电弧柱不再保持直线的形状，就像拴在风扇上旋转的红布条旋转形成螺旋状。实验证实电弧的旋转是由阴极弧根拖着整个电弧在旋转，这可能是由于电弧从阴极射出来时在一薄层内是垂直阴极表面尚未弯曲，这一小直段受力最大，因此电弧被阴极弧根的运动拖着旋转；实验也表明在相同的电流条件下，无风的时候电弧在阴阳极间旋转速度大于有纵向配风的旋转速度。如采用固体圆柱阻力公式来近似描述弧柱所受的气动力［8-14］

式中：FD，A为气动阻力，N；CD为阻力系数，无量纲量；V为来流速度，m／s；ρ为气体密度，kg／m3；A 为柱体的迎风面积，m2。取电弧柱中任一微元，径向分量单位弧拄长度上的洛伦茨力为

式中：B为磁感应强度在轴向的分量，T；空气的磁导率μ0=4π×10-7，H／m；n 为线圈的圈数；I为线圈中的电流，当线圈串接在电弧回路中时也即是电弧电流，A；R为线圈的平均半径，m。

图2 同轴电极间磁旋弧及受力

图2中起始弧柱在虚线位置以直线形式产生，产生后立即受洛伦茨力作用开始加速，当洛伦茨力被气动阻力所平衡后，弧柱以恒定频率旋转，即弧柱微元上的气动阻力等于该弧柱微元上的洛伦茨力

最后得到磁旋弧在轴向的投影形状为近似螺旋线

式中：R0为阴极半径；r为弧柱微元在弧柱中的半径。

弧的理论运动速度为［15-17］

代入实验数据得v＝9.8 m／s，也即理论旋转频率f＝78 Hz；上述计算是在忽略了等离子载体风切向旋转做出的，旋转速度比实际要慢，但不影响这种原理的解释。实际测量电弧长度约220 cm、直径140 mm。一次风的平均速度为25 m／s时，煤粉颗粒进入高温电弧时如果仅有轴向速度，那么煤粉必须在0.6 ms内着火，实验证实煤粉在0.3 ms内着火。

实验条件：电流210 A、弧电压350 V、功率73.5 kW、线圈数21圈、线圈平均直径40 mm、阴极外径94 mm、阳极内径100 mm、阴阳极间隙4 mm、风机铭牌压力5 200 Pa、流量220 m3、电机功率735 W带变频调速。

3 磁旋弧等离子体电极的冷却

水冷电极的冷却量可以通过测量冷却水量和冷却水进出口温差计算得出精确数据，空冷磁旋弧等离子也可以通过测量冷却空气流量和金属壁面温度计算得出足够精确的数据。陈熙等人对水冷却电极内部传热做了大量的研究［18］，对比之前过增元等人的研究可以得出［8］，水冷却电弧等离子的热效率在40%～80%之间，比较典型的在70%左右。对100 kW的XPG－2－100C系列等离子进行了大量实测，平均热效率在73%左右，在同一等离子发生器上使用磁旋弧技术后实测平均热效率约上升到85%左右，原因是磁旋弧后电压上升、电流下降及轴向强磁场条件下带电粒子的径向扩散受到约束。

如前所述磁场越强等离子体对电极的导热越少，空冷磁旋弧等离子发生器的磁场强度把实验条件数据代入式（3）计算得水冷磁旋弧等离子发生器的磁场强度空冷等离子使用铁芯后磁场强度增加4倍。因此，空冷等离子磁场强度约是水冷磁旋弧等离子的20倍，磁场对热等离子体向电极壁面的传热进一步得到约束。同时磁旋弧等离子发生器由于阴极弧根和阳极弧根都在以线速度10 m／s量级的速度旋转，因此电极的烧损速度比气吹弧要慢。用红外测温仪测量电极外壁面温度和计算得出100 kW的空冷磁旋弧等离子发生器，电极散热量仅2 kW左右。阴极散热量占30%，阳极散热量占70%，电极平均温度工作在350～400℃之间，通过阴阳极散热面积和遮热罩的平衡后阴阳极寿命一致，100 kW时平均寿命在250～300 h之间。

4 空冷磁旋弧等离子点燃煤粉实验

4.1 空冷磁旋弧等离子和水冷等离子对比实验

磁旋弧等离子发生器为2014年生产的100 kW空冷等离子发生器，实验功率为73.5 kW；水冷等离子发生器为2013年生产的磁旋弧100 kW的XPG－2－100C水冷等离子发生器。实验采用空冷等离子发生器和水冷等离子发生器于2014年7月进行多次，一次风温25～30℃。该燃烧器为某工程实际100 kW水冷等离子点火的燃烧器1：1实验件［19］；实验时将等离子发生器可以安装水冷等离子发生器或空冷等离子发生器，煤种及其他条件均与工程实际一致。

实验煤质见表1，燃烧器结构见图3，拉弧及点煤粉见图4，图4左为水冷，右为空冷。

表1 煤样工业分析数据一

图3 对比燃烧器结构

图4 对比拉弧及点粉

实验结果表明，在一次风速为18～25 m／s时，73.5 kW空冷磁旋弧等离子与100 kW水冷等离子点火效果一致。

4.2 空冷磁旋弧等离子点火功率实验

对比实验完成后，按某工程实际燃烧器做了1∶1的实验件，并重新磨制了煤粉于2014年9月进行了多次空冷等离子不同功率点燃烟煤实验，一次风温23～28℃，实验煤质见表2，空冷等离子燃烧器结构见图5，空冷等离子运行参数见表3。

表2 煤样工业分析数据二

图5 空冷等离子燃烧器结构

表3 空冷等离子运行参数

实验结果表明，60 kW时在风速小于22 m／s时能将煤粉点燃并燃烧稳定，当风速继续增加时空冷等离子的功率必须增加，85 kW时能点燃并燃烧稳定的最大风速为26 m／s。

5 结论

空冷磁旋弧等离子系统简单、可靠、稳定性较水冷等离子有显著的提高、等离子热效率从水冷等离子的60%～75%上升到99%；功率73.5 kW的空冷磁旋弧等离子发生器与原100 kW水冷等离子点燃煤粉效果相同。空冷磁旋弧等离子发生器输出功率可调节范围大，可根据燃烧需要调整其功率大小以适应不同的喷口风速。与水冷等离子相比，由于等离子体直径大，与煤粉换热充分，空冷磁旋弧等离子发生器更适宜点燃煤粉。

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