УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1995 года по МПК F23D1/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для розжига и стабилизации горения пылеугольных горелок.

Известно устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащего пылеугольную горелку, в которой розжиг и стабилизацию горения пылеугольного факела осуществляют путем сжигания мазута или природного газа [1] Пылеугольная горелка содержит мазутную форсунку, улитку ввода первичного воздуха с угольной пылью и завихритель ввода вторичного воздуха. Пусковые или газовые форсунки монтируются совместно с основными угольными горелками, либо устанавливаются дополнительно к ним. При совместной установке мазутная форсунка обычно располагается на оси улитки ввода первичного воздуха с угольной пылью. Например, котлоагрегат ПК-39 имеет 12 основных пылеугольных горелок производительностью 8 т/ч и 8 мазутных форсунок производительностью 1,3 т/ч. При поступлении в топку мазута и угля производят воспламенение высокореакционного жидкого топлива. При горении мазута выделяется значительное количество тепла, которое нагревает угольную пыль. В результате нагрева угольных частиц выделяются летучие и повышается температура твердого топлива. При этом происходит загорание угольных частиц и осуществляется интенсивный розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела.

Однако при совместном сжигании угля и мазута в топке повышается мехнедожог, увеличиваются выбросы оксидов азота и серы, усиливается коррозия поверхностей нагрева и снижается надежность энергетического оборудования [2] Кроме того, мазут дефицитный продукт, а эксплуатация мазутного хозяйства сложна, особенно в зимнее время, когда мазут необходимо постоянно подогревать.

Известно устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее плазменную пылеугольную горелку, предназначенную для воспламенения бурых углей [3] Пылеугольная горелка смонтирована в верхней части топочной камеры факельного стенда. Топочная камера представляет вертикальный цилиндр высотой 7,5 м с диаметром в свету 1,6 м. Верхняя часть камеры утеплена огнеупорной обмазкой, остальная выполнена огнеупорным кирпичом и футерована, все элементы камеры охлаждаются водой. Используется однотопочная пылеугольная горелка с приосевой зоной обратных токов и регулируемыми параметрами крутки. Горелка содержит улитку для ввода угля и первичного воздуха, а также завихритель вторичного воздуха. Вблизи горелки монтируется узел плазменного воспламенения, включающий плазмотрон с источником электропитания. Плазмотрон устанавливается в топочном пространстве устья горелки. Струя плазмы накладывается на поток аэросмеси, поступающей из пылеугольной горелки, и является источником воспламенения пылеугольного потока. Месторасположение плазмотрона относительно пылеугольного потока устанавливается таким образом, чтобы ядро струи пересекало поток аэросмеси. В опытах мощность плазмотрона составляла 16-22 кВт, расход угля 400 кг/ч, первичного воздуха 252 кг/ч. В указанных опытах достигнуто устойчивое зажигание с помощью низкотемпературной плазмы бурых углей (типа канско-ачинских) с выходом летучих V^г 40%
Однако данное устройство для воспламенения пылеугольного топлива эффективно лишь для розжига и стабилизации горения бурых углей с высоким содержанием летучих (40%). При сжигании же низкосортных углей рассматриваемая схема горелки не обеспечивает устойчивого розжига и стабилизации горения пылеугольного факела.

Поскольку в данном устройстве плазмотрон расположен в топочном пространстве на выходе пылеугольной горелке, то плазменная струя взаимодействует с распыленным потоком аэросмеси, что существенно снижает интенсивность тепломассообмена двухфазного потока. К тому же, при таком месторасположении плазмотрона частицы угля, нагреваемые потоком плазмы, не успевают достаточно хорошо прогреться, сразу же попадают в область закрученного потока вторичного воздуха, имеющего низкую температуру, и начинают охлаждаться.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для воспламенения пылеугольного низкосортного донецкого АIII с выходом летучих 4-6% [8] Это устройство содержит плазмотрон, цилиндрический канал стабилизирующего потока аэросмеси, камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси циклонного типа, кольцевой канал с улиткой для подачи основного потока аэросмеси, кольцевой канал с улиткой для подачи вторичного воздуха, причем камера нагрева стабилизирующего потока аэросмеси установлена на входе канала для подачи основного потока аэросмеси, плазмотрон в данном устройстве для воспламенения топлива установлен вдоль оси канала и камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси, на входе в камеру.

Мощность плазмотрона 320-400 кВт. В циклонную камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси подается высококонцентрированная аэросмесь около 20% от полного расхода угля. Остальное количество топлива поступает в улитку для ввода основного потока угля. В камере нагрева стабилизирующего потока за счет плазмотрона производится разогрев частиц угля, выход летучих и частично газификация топлива. При этом образуется двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего газа и нагретого коксового остатка. Полученное двухкомпонентное топливо, поступая в топочное пространство, обеспечивает розжиг и стабилизацию горения основного потока аэросмеси, вводимого через кольцевой канал с улиткой. Для нагрева стабилизирующего потока аэросмеси применяется электродуговой плазмотрон [4] в котором часть дугового столба выдувается воздухом в пылеугольный поток.

Однако в этом известном устройстве для воспламенения пылеугольного топлива не достигаются оптимальные условия розжига и стабилизации горения топлива.

Установка плазмотрона совместно с камерой нагрева стабилизирующего потока на входе канала основного потока аэросмеси обеспечивает достаточно полный нагрев частиц угля до их поступления в область вторичного воздуха с пониженной температурой. Вместе с тем, на указанном расстоянии от входа до выхода канала основного потока аэросмеси (обычно длина промышленных вихревых горелок составляет 2-3 м) крутка газа в циклонной камере нагрева стабилизирующего потока аэросмеси (⊘_к ≈ 0,3-0,4 м, где ⊘_к внутренний диаметр камеры нагрева) гаснет и это существенно нарушает аэродинамическую структуру потока аэросмеси в пылеугольной горелке. Как известно, циклонный эффект сохраняется на расстоянии 2-2,5 ⊘_к (где ⊘_к диаметр камеры) [5 и 6] Промышленные испытания плазменных пылеугольных горелок, проведенные на Новосибирской ТЭЦ-2, также выявили ухудшение воспламенения пылеугольного факела при нарушении аэродинамической структуры потока аэросмеси в пылеугольной горелке, которая обусловлена снижением интенсивности тепломассообмена в зоне воспламенения.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании устройства для эффективного розжига и стабилизации горения пылеугольного топлива, которое наряду с обеспечением достаточного времени прогрева частиц угля до их поступления в топочное пространство в зону вторичного воздуха с пониженной температурой, в то же время, исключало нарушение аэродинамической структуры потока аэросмеси, что способствует сохранению высокой интенсивности тепломассообмена в зоне горения топлива и повышает надежность воспламенения низкосортного угля.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для воспламенения пылеугольного топлива, содержащем плазмотрон, расположенный вдоль оси канала и камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси, кольцевой канал основного потока аэросмеси и кольцевой канал для подачи вторичного воздуха, согласно изобретению камера нагрева стабилизирующего потока аэросмеси установлена у выхода из канала подачи основного потока аэросмеси так, что выходные торцы камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси и канала основного потока аэросмеси расположены в одной плоскости, на входе камеры нагрева стабилизирующего потока установлен плазмотрон и завихритель, охлаждающий плазмотрон, расстояние от плазмотрона и завихрителя до выходного торца камеры нагрева составляет 1,5-2 внутренних диаметра последней.

Установлена плазмотрона и завихрителя на расстоянии до выхода из камеры нагрева стабилизирующего потока, составляющим 1,5-2 внутреннего диаметра последнего, позволяет удовлетворить двум основным требованиям, необходимым для обеспечения эффективного воспламенения низкосортного твердого топлива. Во-вторых, на этом расстоянии сохраняется крутка аэросмеси и закрученный пылеугольный поток без нарушения аэродинамической структуры вытекает в топочное пространство. Во-вторых, данное расстояние достаточно для полного прогрева частиц угля в потоке низкотемпературной плазмы. При этом происходит интенсивный выход летучих и частичная газификация коксового остатка. Образующийся горючий газ поддерживает процесс горения нагретого коксового остатка даже в области вторичного воздуха в зоне пониженных температур. Отмеченные два фактора сохранение крутки пылегазовой смеси и достаточное время нагрева частиц угля играют определяющую роль в интенсификации процессов тепломассообмена в зоне горения основного потока твердого топлива и повышении надежности воспламенения низкосортных углей.

Экспериментально установлено, что установка плазмотрона и охватывающего плазмотрона завихрителя внутри цилиндрического канала стабилизирующего потока на расстоянии до выходного торца камеры нагрева стабилизирующего потока меньше 1,5 ⊘ камеры уменьшает время нагрева частиц угля и температуру потока на выходе из этой камеры, а при установке на расстоянии больше 2 ⊘ камеры существенно гаснет крутка аэросмеси. Таким образом, в том и другом случае снижается надежность воспламенения основного потока аэросмеси.

Если плазмотрон установить на расстоянии от камеры нагрева стабилизирующего потока, равном 1,5 ⊘ камеры, а завихритель на расстоянии меньше 1,5 ⊘ камеры, то снижается циклонный эффект. Кроме того, в этом случае завихритель будет находиться в зоне высоких температур, и с учетом абразивного износа будет трудно обеспечить длительный ресурс его работы. Если плазмотрон установить на расстоянии от камеры нагрева стабилизирующего потока, равном 2 ⊘ камеры, а завихритель на расстоянии больше 2 ⊘ камеры, то снижается крутка аэросмеси.

Если завихритель установить на расстоянии от камеры нагрева стабилизирующего потока, равном 1,5 ⊘ камеры, а плазмотрон на расстоянии меньше 1,5 ⊘ камеры, то снижается время нагрева частиц угля. Если завихритель установить на расстоянии от камеры нагрева стабилизирующего потока, равном 2 камеры, а плазмотрон на расстоянии больше 2 камеры, то завихритель будет находиться в зоне высоких температур, а это снижает ресурс его работы.

На чертеже схематично изображено устройство для воспламенения пылеугольного топлива.

Устройство содержит плазмотрон 1 с тягой 2 для его перемещения и завихрителем 3, расположенным вокруг плазмотрона. Плазмотрон установлен вдоль оси цилиндрического канала 4 стабилизирующего потока на входе в камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси 5 циклонного типа, футерованную огнеупорной обмазкой. Камера нагрева стабилизирующего потока аэросмеси установлена у выхода из канала с улиткой для подачи основного потока аэросмеси 6 так, что выходные торцы камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси 5 и канала основного потока аэросмеси 6 расположены в одной плоскости. Кроме того, устройство содержит канал с улиткой для подачи вторичного воздуха 7.

Устройство работает следующим образом.

Вначале изготовленную аэросмесь разделяют на два потока стабилизирующий и основной потоки. Затем стабилизирующий поток, содержащий 20% угля, с первичным воздухом подают по цилиндрическому каналу 4. Поступая в завихритель 3, аэросмесь закручивается и втекает в камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси 5, где установлен плазмотрон 1. Расстояние от плазмотрона и завихрителя до выходного торца камеры нагрева составляет 1,5-2,0 внутренних диаметров камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси 5. Плазмотрон 1 интенсивно нагревает стабилизирующий поток аэросмеси. При этом происходит выход летучих и частичная газификация топлива. Образующееся двухкомпонентное топливо, содержащее горючие газы и нагретый коксовый остаток, истекает в топку в закрученном виде без нарушения аэродинамики с высокой температурой угольных частиц. В топку через канал 6 с улиткой вводится основной поток аэросмеси, содержащий оставшиеся 80% угля, и на выходе из устройства, в топке продукты нагрева стабилизирующего потока воспламеняют основной поток аэросмеси. Подаваемый через канал 7 с завихрителем вторичный воздух поддерживает горения угля в топочном пространстве. Таким образом осуществляется безмазутный розжиг и стабилизация горения низкосортного угля.

При проектировании устройства для розжига и стабилизации горения низкосортных углей, зная производительность котлоагрегата и теплотехнические характеристики сжигаемого угля, можно обычными инженерными методами [7] рассчитать основные параметры аппарата: мощность плазмотрона, ток и напряжение дуги, расход угля и воздуха, диаметр камеры нагрева стабилизирующего потока аэросмеси, расстояние установки плазмотрона от топки и т.д.

П р и м е р 1. Котел ТП-170 паропроизводительностью 170 т/ч пара, работающий на тощих кузнецких углях, имеет с двух сторон по три вихревые горелки, расположенные треугольником вершиной вниз. Характеристики сжигаемого угля: низшая теплотворная способность на рабочую массу Q^p_н 5100 ккал/кг, зольность А^c 17% влажность W^p 16% выход летучих V^г 15% фракционный состав R_уо 6,5% Расход угля через каждую горелку 5 т/ч. Расход первичного воздуха 6000 м³/ч. Эта аэросмесь разделялась на два потока: стабилизующий (расход угля 1,0 т/ч, расход первичного воздуха 1200 м³/ч) и основной поток аэросмеси (расход угля 4,0 т/ч, расход первичного воздуха 4800 м³/ч). Через завихритель подавался вторичный воздух с расходом 33700 м³/ч. Диаметр камеры нагрева стабилизирующего потока ⊘_к= 0,4 м. Для розжига и стабилизации горения углей использовался двухкамерный плазмотрон постоянного тока с цилиндрическими медными электродами ЭДП-199. Плазмотрон и завихритель установлены на расстоянии 0,7 м (1,75 ⊘_к) до выходного торца камеры. Мощность плазмотрона 110 кВт. Ток дуги 300 А, напряжение на дуге 350 В. Расход воздуха 12 г/с. Перед плазмотроном по потоку размещен завихритель стабилизирующего потока аэросмеси. Его наружный диаметр меньше диаметра цилиндрического канала стабилизирующего потока, чтобы обеспечить установку завихрителя внутри последнего, в центральной части завихрителя имеется отверстие для размещения плазмотрона. Плазмотрон снабжен специальной тягой, расположенной по оси канала стабилизирующего потока и служащей для удаления плазмотрона из канала, например, при необходимости ремонта плазмотрона. Температура на выходе из камеры нагрева стабилизирующего потока 1450 К, температура основного потока аэросмеси 1150 К. Розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела устойчивые.

П р и м е р 2, Условия аналогичны примеру 1. Отличие в том, что плазмотрон установлен до выходного торца камеры на расстоянии 0,6 м (1,5 ⊘_к). Температура на выходе из камеры нагрева стабилизирующего потока 1300 К, температура основного потока аэросмеси 1000 К. Розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела устойчивые.

П р и м е р 3. Условия аналогичны примеру 1. Отличие в том, что плазмотрон размещен до выходного торца камеры на расстоянии 0,8 м (2 ⊘_к). Температура на выходе из камеры нагрева стабилизирующего потока 1250 К, температура основного потока 980 К. Розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела устойчивые.

П р и м е р 4. Условия аналогичны примеру 1. Отличие в том, что плазмотрон расположен до выходного торца камеры на расстоянии 0,4 (1 ⊘_к). Температура на выходе камеры нагрева стабилизирующего потока 950 К, температура основного потока 720 К. Розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела неустойчивые.

П р и м е р 5. Условия аналогичны примеру 1. Отличие в том, что плазмотрон установлен до выходного торца камеры на расстоянии 1,0 м (2,5 ⊘_к). Температура на выходе камеры нагрева стабилизирующего потока 900 К, температура основного потоке 670 К. Розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела неустойчивые.

Таким образом, использование предлагаемого устройства для воспламенения пылеугольного топлива повышает надежность розжига и стабилизацию горения, в том числе низкосортного угля, при минимальном удельном расходе электроэнергии. Так, в вышеприведенных примерах работы устройства расход электроэнергии на процесс не превышает 1% от тепловой мощности устройства, в то время как в прототипе устойчивый розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела достигается за счет повышения удельного расхода электроэнергии в 2-3 раза.

Использование: в энергетике, на ТЭС и в котельных для обеспечения безмазутного устойчивого розжига и стабилизации горения пылеустойчивого факела при минимальных энергозатратах. Сущность изобретения: плазмотрон 1 и охватывающий его завихритель 3 установлены вдоль оси камеры 5 нагрева стабилизирующего потока на расстоянии 1,5 2 внутренних диаметра камеры 5 от выхода из нее, причем торцы камеры 5 нагрева стабилизирующего потока и выходной торец канала 6 подачи потока аэросмеси находятся в одной плоскости. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА, содержащее камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси, плазмотрон, расположенный на входе в указанную камеру и соосной с ней, каналы подачи основного потока аэросмеси и вторичного воздуха, отличающееся тем, что вокруг плазмотрона установлен завихритель, при этом плазмотрон и завихритель расположены от выходного торца камеры нагрева на расстоянии, равном 1,5-2 внутреннего диаметра последней, причем выходные торцы камеры нагрева и канала подачи основного потока аэросмеси находятся в одной плоскости.