СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО РОЗЖИГА И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ФАКЕЛА Российский патент 1999 года по МПК F23Q9/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для разжигания и стабилизации горения пылеугольнго факела преимущественно с помощью плазмотронов косвенного действия и фикцией средней длины уступа межэлектродной вставкой в пылеугольных горелках котлов ТЭС.

Известен способ воспламенения топлива, в котором топливно-воздушную смесь подают вдоль поверхности, имеющей электрический потенциал, и создают электрический разряд в зоне воспламенения (см.а.с. СССР N 922441, кл. F 23 Q 5/00, 20.05.73г. Способ воспламенения топлива).

Недостатком этого способа является нестабильность горения факела, низкий КПД процесса при высоком расходе мазута.

Наиболее близким по технической сущности является способ плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, в котором в розжиговую горелку вводят плазмотрон и вдувают воздушную плазменную струю в закрученный омутный поток пылеугольной аэросмеси (см. Утович В.А. Новиков В.Л., Перегудов В.С. и др. Исследование плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела // Теплоэнергетика, 1990, N 4, c. 720-23.

В основу настоящего изобретения положена задача усовершенствования способа плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, в котором воздушную плазменную струю вдувают непосредственно в топку котла с температурой струи в диапазоне 2500-4000K, а расход плазмообразующего газа поддерживают равным отношению G = (0,02 - 0,09)G₁, где G₁ - расход воздуха на одну горелку, и за счет этого снижается расход мазута, повышается КПД всего процесса в топочных устройствах, а также обеспечивается стабильность горения факела.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе, включающем введение плазмотрона в розжиговую горелку, вдувание воздушной плазменной струи в закрученный спутный поток пылеугольной аэросмеси, согласно изобретению воздушную плазменную струю вдувают непосредственно в топку котла с температурой струи в диапазоне 2500-4000K, а расход плазмообразующего газа поддерживают равным отношению G = (0,02 - 0,09)G₁, где G₁ - расход воздуха на одну горелку, при этом закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда направляют встречно закрутке пылеугольной аэросмеси. При использовании прямоточной горелки закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда выбирают произвольно.

Достигаемый с помощью изобретения технический результат следует усматривать в тесной причинно-следственной связи между совокупностью признаков:
- при вдувании воздушной плазменной струи непосредственно в топку котла в спутном потоке с пылеугольной аэросмесью идет интенсивное смешение плазмы с угольной аэросмесью и поддерживается стабильное горение пылеугольного факела в топке котла без дополнительной подачи мазута, что позволяет увеличить КПД процесса, так как вся энергия плазмы передается факелу в топке;
- установление среднемассовой температуры t_s струи плазмы в диапазоне 2500-4000K обеспечивает стабильность горения дугового разряда;
- поддержание расхода плазмообразующего газа G и расхода воздуха G₁ на одну горелку в соотношении, равном: G=(0,02 - 0,09)G₁, обеспечивает стабильный режим горения пылеугольного топлива в потоке котла при наименьших энергозатратах, стабильном режиме работы и оптимальном КПД;
- за счет встречного направления закрутки газовихревой стабилизации дугового разряда к направлению закрутки пылеугольной аэросмеси пограничный слой вокруг плазмы разрушается и идет интенсивное проникновение глобул плазмы в поток пылеугольной аэросмеси и частиц угля в плазму, при этом частицы угля интенсивно разогреваются, газифицируются и, воздействуя с кислородом воздуха, возгораются, что обеспечивает стабильное горение пылеугольного факела, увеличение КПД процесса;
- при использовании заявляемого способа для прямоточных горелок закрутка газовихревой стабилизации дугового разряда выбирается произвольно, при этом обеспечивается технический результат, эквивалентный вышеприведенному.

Таким образом, в совокупности эти признаки обеспечивают снижение расхода мазута, повышение КПД и стабильность горения факела.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа.

Устройство состоит из основной горелки 1 с патрубками подвода пылеугольной аэросмеси 2 и воздуха 3 через завихритель 4 в топку котла. Внутри основной горелки размещена розжиговая горелка 5, в которой установлен с возможностью перемещения плазмотрон 6 косвенного действия с газовихревой стабилизацией дугового разряда. Плазмотрон снабжен системой питания 7 с температурным регулятором 8, системой охлаждения водой 9. Регуляторы расхода плазмообразующего газа 10 и воздуха 11 подключены к соответствующим источникам питания.

Способ реализуется следующим образом.

Косвенного действия плазмотрон 6 с газовихревой стабилизацией и фиксацией средней дуги уступом вводят в розжиговую горелку 5 по направлению к топке котла и подводят его к срезу и фиксируют. После фиксации плазмотрона 6 через регулятор расхода плазмообразующего газа 10 и систему охлаждения водой 9 подают плазмообразующий газ и охлажденную воду, включают электропитание 7 и возбуждают дуговой разряд в канале плазмотрона.

Одновременно на осевую горелку 1 подают пылеугольную аэросмесь и через завихритель 4 вдувают в топку котла.

Изменяют ток дуги плазмотрона и устанавливают через температурный регулятор 8 рабочую среднемассовую температуру плазмы, равную 2500-4000K, и вдувают плазму спутно с потоком пылеугольной аэросмеси непосредственно в топку котла в основание факела.

Указанный температурный диапазон определен экспериментально. Нижний предел t_s = 2500K обусловлен стабильностью горения дугового разряда. При интенсивном охлаждении дуги в канале плазмотрона дуговой разряд нестабилен, происходит периодическое погасание плазмотрона, а вместе с ним и пылеугольного факела. Так, например, при t_s = 2800K амплитуда пульсаций тока дугового разряда ΔJg достигает величины 50-60 A и при t_s = 2200K плазмотрон периодически гаснет. Следует отметить, что при уменьшении t_s КПД плазмотрона увеличивается до 0,92 - 0,94.

При увеличении t_s стабильность горения дуги в плазмотроне (горение пылеугольного факела) возрастает и при t_s = 2500K ΔJg = 7-15 A, Дальнейшее повышение t_s 2500 K ощутимого влияния на снижение ΔJg не оказывает, однако более интенсивно идут процессы горения в пылеугольном факеле, уменьшается недожог, при этом снижается КПД плазмотрона.

Экспериментально установлено, что при t_s = 3000K, КПД плазмотрона равен 0,85 - 0,86, при t_s = 4000K, КПД 0,77 - 0,8. Для дальнейшего увеличения t_s требуется увеличивать ток дугового разряда до величины более 600 A, что приводит к резкому снижению ресурса электродов плазмотрона и выходу его из строя, что в конечном итоге снижает стабильность и понижает экономические показатели процесса. Так, например, при t_s = 4300K КПД плазмотрона снижается до 0,67 - 0,7, а ресурс катода уменьшается до 20 часов.

После установления температуры плазмообразующего газа устанавливают посредством регуляторов расхода плазмообразующего газа 10 и воздуха 11 расход плазмообразующего газа G в зависимости от расхода воздуха G₁ в пределах (0,02 - 0,09) G₁ на одну горелку.

Известно, что мощность плазмотрона зависит от тока дуги, длины дуги, расхода плазмообразующего газа и т.д. Кроме того, большая электрическая мощность, вложенная в малый расход плазмообразующего газа, не будет эффективно использоваться, т.к. в топках и горелках основные процессы смешения зависят от скорости движения масс, которые в свою очередь зависят от расхода газа.

Поэтому в заявляемом способе и рассматривается расход газа и его температура, т. к. только масса газа, нагретого до определенной температуры, позволяет поддерживать процесс горения пылеугольного топлива в топке котла.

Исходя из общих рассуждений, приведенных выше, экспериментально установлено, что стабильный режим горения пылеугольной аэрозоли (факела) в топке котла при наименьших энергозатратах и стабильном режиме работы плазмотрона осуществляется при соотношении расхода плазмообразующего газа и расхода воздуха на горение, равном G-(0,02 - 0,09)G₁. В указанном диапазоне наблюдаются стабильные режимы дугового разряда в плазмотроне и пылеугольного факела в топке без использования мазута и других добавок ( в т.ч. природного газа и пр.) при оптимальном КПД
Экспериментально установлено, что при уменьшении G снижаются удельные энергозатраты на 1 т условного топлива (УЭТУТ), снижается стабильность горения факела, а также уменьшается КПД плазмотрона.

Так, например, при G = 0,01 G₁ УЭТУТ составляют 8-9 кВт/ч, но горение факела не стабильно, происходит периодическое погасание факела, при G = 0,02 G₁, энергозатраты возрастают до 16-20 кВт/ч, повышается стабильность горения факела, КПД плазмотрона увеличивается и достигает величины 0,83 - 0,86. При увеличении до G = 0,05 G₁ КПД плазмотрона возрастает до 0,88 - 0,9, стабильность режима горения дуги и факела возрастает, однако УЭТУТ увеличиваются до 20 - 30 кВт/ч. Дальнейшее увеличение G = 0,09 G₁ стабилизирует горение факела еще в большей степени (при поддержании среднемассовой температуры плазмы в заявляемом диапазоне), КПД плазмотрона повышается до 0,92 - 094, однако УЭТУТ возрастает до 30-40 кВт/ч и при G = 0,12 G₁ УЭТУТ достигает величины 50 - 70 кВт/ч.

После стабилизации горения закрученного факела направление закрутки газовихревой стабилизации дугового разряда плазмотрона и закрученного факела устанавливают встречными.

При стабилизации горения факела прямоточной горелки направление закрутки газовихревой стабилизации дуги выбирают произвольно.

Плазменная закрученная струя распространяется внутри пылеугольного потока аэросмеси, интенсивно перемешивается с ним, частицы угля проникают из переферийной области в плазму, интенсивно разогреваются, газифицируются и, взаимодействуя с кислородом воздуха, возгораются. При этом за счет встречного направления закрутки плазмы и потока пограничный слой вокруг плазмы разрушается и идет интенсивное проникновение глобул плазмы в поток и потока частиц угля в плазму.

Из литературы известно, что при течении плазмы внутри вихревого потока уже при отношении х/Д 0,1 (где x - осевая координата потока, D - внутренний диаметр вихревого потока) осевая температура плазмы уменьшается почти в 5 раз, что свидетельствует об интенсивном смешении плазмы с потоком (см. Волчков В. П. , Балдинов Г.Р., Терехов В.И., Ткач Ю.Н. Исследование закономерностей развития струи в закрученном потоке газа // Сборник "Генерация потоков электродуговой плазмы". /Под ред. Некорякова В.Е., Новосибирск, 1987). Экспериментально установлено, что осевая температура плазмы на срезе сопла достигает значения 4500 - 5500K и при истечении ее в атмосферу осевые динамический напор P_o и температура T_o изменяются по закону:


где
T, P - текущая температура и динамический напор по длине струи;
l_c - осевая координата струи;
d_c - выходной диаметр сопла плазмотрона.

Анализ приведенных формул показывает, что плазменные струи в отличие от обычных подогретых газовых более интенсивно смешиваются с окружающей средой и уже на расстоянии l_c=4-5 идет выравнивание профилей температур и выравнивание температуры по длине струи. При этом осевая температура уменьшается в 2-3 раза. Далее интенсивность спада температуры по оси замедляется. Т.е. при вдувании плазмы непосредственно в топку котла в спутном потоке с пылеугольным топливом идет интенсивное смешение плазмы с угольной аэросмесью и поддерживается стабильное горение пылеугольного факела в топке котла без дополнительной подачи мазута, что позволяет увеличить КПД процесса, т.к. вся энергия плазмы передается пылеугольному факелу в топке.

При встречном направлении закрутки плазменной струи и факела УЭТУТ в связи с интенсификацией процессов смешения плазмы с пылеугольной аэросмесью, снижается на 8-12%. При изменении направления закрутки плазмы при стабилизации прямоточной горелки снижения УЭТУТ не обнаружено.

Заявляемый способ реализован в условиях Молдавской ГРЭС.

Устанавливали расход пылеугольного топлива через горелку 4000 кг/ч, коэффициент избытка воздуха α = 0,20 (G =4800 кг/ч), устанавливали расход плазмообразующего воздуха G = 0,25 G₁, что составило G = 120 кг/ч и устанавливали среднемассовую температуру плазмы 2500K путем поддерживания тока 220 А при рабочем напряжении 500 В. КПД плазмотрона составил 0,9. Указанные рабочие режимы устанавливали после перемещения плазмотрона внутри горелки по направлению к топке и ввода анода плазмотрона в топку. Вдували плазму непосредственно в топку внутри пылеугольного факела, при этом направление закрутки плазмообразующего газа и закрутки пылеугольной смеси было встречным.

При заявленных параметрах наблюдалось стабильное горение факела в течение 60 часов.

Таким образом, приведенные результаты показывают, что при использовании заявляемого способа достигается технический результат выражающийся в том, что возможно разжигать и стабилизировать горения пылеугольного факела без использования мазута и других топлив, при этом осуществляется стабильное горение факела, КПД плазмотрона увеличивается на 20%.

Список литературы
1. А.с. СССР N 922441, кл. F 23 G 5/00, 20.05.73г., Способ воспламенения топлива.

2. Утович В.А., Новиков В.Л., Перегудов В.С. и др. Исследование плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела // Теплоэнергетика, 1990, N 4, c. 20-23.

3. Волчков В.П., Болдинов Г.Р., Терехов В.И., Ткач Ю.Н. Исследование закономерностей развития струи в закрученном потоке газа // Сборник "Генерация потоков электродуговой плазмы". /Под ред. Некорякова В.Е., Новосибирск, 1987).

Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике в системах розжига и стабилизации горения пылеугольного факела в горелках котлов ТЭС. Плазмотрон косвенного действия вводят в розжиговую горелку, вдувают плазменную струю спутно с закрученной струей пылеугольной аэросмеси непосредственно в топку котла. Регуляторами расхода плазмообразующего газа G и расхода воздуха G₁ устанавливают расходы этих компонентов в пределах G=(0,02-0,09) G₁ на одну горелку. Изменением тока дуги плазмотрона устанавливают среднемассовую температуру плазмы в диапазоне 2500-4000К. Закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда направляют встречно закрутке пылеугольной аэросмеси. При использовании прямоточных горелок направление стабилизации дугового разряда выбирают произвольно. Технический результат: снижение расхода мазута, обеспечение стабильности горения факела, повышение КПД процесса. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела путем ввода плазмотрона в розжиговую горелку и вдувания воздушной плазменной струи в закрученный спутный поток пылеугольной аэросмеси, отличающийся тем, что воздушно-плазменную струю вдувают непосредственно в топку котла с температурой струи в диапазоне 2500 - 4000К, а расход плазмообразующего газа поддерживают равным отношению
G = (0,02 - 0,09) G₁,
где G₁ - расход воздуха на одну горелку,
при этом закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда направляют встречно направлению закрутки пылеугольной аэросмеси. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление закрутки газовихревой стабилизации дугового разряда выбирают произвольно.