СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО РОЗЖИГА ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F23Q5/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для розжига котлов, работающих на пылеугольном топливе.

Известен способ плазменного розжига пылеугольного топлива, включающий формирование огневого факела путем организации взаимодействия плазменного шнура и потока угольной пыли в присутствии воздуха (см. пат. Великобритании 1585943, кл. F 23 Q 5/00, 1981).

Недостаток этого решения - эффективность работы только при сжигании высокосортных углей с высоким выходом летучих.

Известен также способ плазменного розжига пылеугольного топлива, включающий формирование огневого факела путем организации взаимодействия плазменного шнура и потока угольной пыли в присутствии воздуха (см. пат. РФ 2174652, кл. F 23 Q 5/00, 2001). При этом воздух вводят в несколько этапов, т.е. используют первичный и вторичный воздух.

Недостаток этого решения - зависимость устойчивости и эффективности процесса розжига от качества сжигаемого угля (при использовании высокозольных углей его эффективность снижается), кроме того, этот способ не может бить использован при обеспечении работы котлов большой мощности (превышающей 200 МВт) и приводит к интенсивным выбросам окислов азота.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является обеспечение устойчивости и эффективности процесса воспламенения пылеугольного топлива независимо от качества сжигаемого угля и мощности используемых котельных установок.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении мощности потребляемой плазмотроном, используемым в работе, увеличении сроков безремонтной эксплуатации устройства и обеспечении возможности регулирования параметров процесса розжига в широком диапазоне условий (как по мощности котельной установки, так и по зольности углей и содержанию в них летучих). Кроме того, выбросы окислов азота снижаются до минимума.

Поставленная задача решается тем, что способ плазменного розжига пылеугольного топлива, включающий формирование огневого факела путем организации взаимодействия плазменного шнура и потока угольной пыли в присутствии воздуха, отличается тем, что формируют стартовый факел, для чего во взаимодействие с плазменным шнуром вводят меньшую часть расхода угольной пыли, используемой для розжига при подводе воздуха в количестве, достаточном для воспламенения частиц угольной пыли, затем стартовый факел используют для термохимической подготовки оставшейся части расхода угольной пыли, используемой для розжига, из которой формируют пылевоздушный поток, который вводят в контакт со стартовым факелом, при этом воздух используют в количестве, недостаточном для воспламенения частиц угольной пыли, а их температуру доводят предпочтительно до 600-700^oС, после чего формируют огневой факел, для чего в поток пылеугольного топлива, прошедшего термохимическую подготовку, вводят воздух в количестве, необходимом для воспламенения слагающих его частиц угольной пыли. Кроме того, при формировании стартового факела, воздух подают в соотношении воздух/топливо, равном 1. Кроме того, в процессе термохимической подготовки топлива, воздух подают в соотношении воздух/топливо, меньшем 1. Кроме того, при формировании огневого факела, воздух вводят в количестве, доводящем соотношение воздух/топливо в огневом факеле до 1-1,1. Кроме того, при формировании огневого факела, используют предварительно подогретый воздух. Кроме того, доля части расхода угольной пыли, используемой при создании стартового факела, составляет от 1 до 10% от общей величины расхода угольной пыли в единицу времени.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак "формируют стартовый факел" обеспечивает возможность минимизации мощности используемых плазмотронов, а следовательно, облегчает решение вопросов повышения их ресурсов работы (и работоспособности и надежности оборудования, используемого при розжиге) и снижает энергоемкость процесса розжига. Кроме того, повышается эффективность использования плазменного шнура как средства температурного воздействия на угольную пыль.

Признак "во взаимодействие с плазменным шнуром вводят меньшую часть расхода угольной пыли, используемой для розжига, при подводе воздуха в количестве, достаточном для воспламенения частиц угольной пыли", обеспечивает формирование стартового факела - высокотемпературного потока горящих частиц топлива и плазмы, за счет обеспечения высокой тепловой нагрузки на частицы топлива, объем которого существенно превышает объем плазменного шнура (одновременно, это дает возможность резко уменьшить мощность плазмотрона).

Признаки "стартовый факел используют для термохимической подготовки оставшейся части расхода угольной пыли, используемой для розжига, из которой формируют пылевоздушный поток, который вводят в контакт со стартовым факелом", обеспечивают возможность разогрева и газифицирования топлива при существенном расширении реакционной зоны, фактически до размеров поперечного сечения пылеугольного потока, формируемого из оставшейся части расхода угольной пыли.

Признаки "воздух используют в количестве, недостаточном для воспламенения частиц угольной пыли, а их температуру доводят до 600-700^oС" упрощают организацию процесса розжига, поскольку позволяют снизить тепловые нагрузки на оборудование, используемое при реализации способа за счет "недоведения" угольных частиц до горения (они только раскаляются, подвергаясь одновременно газификации, т.е. в результате этого процесса в пылевоздушном потоке формируется "газовая" компонента, представляющая горючие газы - продукты газификации). При этом температурный диапазон обеспечивает газифицирование даже углей с предельно низким содержанием летучих.

Признаки "после чего формируют огневой факел, для чего в поток пылеугольного топлива, прошедшего термохимическую подготовку, вводят воздух в количестве, необходимом для воспламенения слагающих его частиц угольной пыли", обеспечивают формирование факела за счет полного окисления топлива при одновременном обеспечении возможности минимизации выбросов окислов азота.

Признаки второго - четвертого пунктов формулы конкретизируют условия, при которых обеспечивается поддержание тепловых параметров, необходимых на этапах реализации способа и обеспечивающих минимизацию выбросов азота.

Признаки пятого пункта формулы способствуют повышению эффективности процесса формирования огневого факела.

Признаки шестого пункта формулы обеспечивают многократное снижение энергоемкости процесса розжига, поскольку мощность плазмотрона используется для воспламенения только части расхода угольной пыли, используемой при розжиге.

На чертеже показана схема устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа (горизонтальная ось сориентирована вертикально).

Для реализации заявленного способа используется устройство, включающее в себя ряд последовательно и соосно размещенных элементов - стартовую камеру 1, выход которой связан со входом камеры подготовки 2, выход которой связан с камерой воспламенения 3, выход которой в свою очередь связан с котлом 4. Стартовая камера 1 и камера подготовки 2 снабжены отверстиями 5 и 6 для подачи топлива, которые сообщаются с узлами подачи угольной пыли 7 и 8, сообщающимися непосредственно с источником угольной пыли 9 (бункером). Кроме того, стартовая камера 1, камера подготовки 2 и камера воспламенения 3 снабжены воздухоподающими отверстиями, соответственно, 10, 11 и 12, связанными с источниками сжатого воздуха 13, снабженными регуляторами расхода 14. Кроме того, на входе в стартовую камеру 1 размещен плазмотрон 15, плазменный шнур 16 которого сориентирован вдоль продольной оси стартовой камеры 1, каналы 17, стартовый факел 18, огневой факел 19.

Камеры 1, 2 и 3 выполнены из металла и при необходимости снабжены дополнительной футеровкой из термостойкого материала, например, керамики. Для обеспечения возможности подвода подогретого воздуха в камеру воспламенения 3, целесообразно предварительно использовать этот воздух для охлаждения конструкции, например пропуская его через каналы 17, выполненные на узлах конструкции, испытывающих большие термические нагрузки. Размеры камер 1-3, отверстий 5 и 6 и воздухоподводящих отверстий 10-12, мощность плазмотрона определяются мощностью котельной установки, розжиг которой необходимо осуществлять, и качеством сжигаемого угля, т.е. при использовании высококачественных углей, мощность плазмотрона и доля расхода угольной пыли, используемой при формировании стартового факела, может быть существенно снижена и наоборот. Также при небольшой мощности котельной установки мощность плазмотрона может быть существенно снижена и наоборот. В качестве плазмотрона используют плазмотрон известной конструкции мощностью порядка 30-40 кВт (диаметр выпускного отверстия плазмотрона порядка 8 мм - при использовании высококачественных углей и котельных установок мощностью до 50 МВт), либо плазмотрон мощностью порядка 200 кВт (диаметр выпускного отверстия плазмотрона порядка 30 мм - при использовании высокозольных углей с низким выходом летучих, при использовании способа на котельных установках мощностью порядка 200 МВт).

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Плазмотрон 15 приводят в рабочее состояние - формируют плазменный шнур 16 в стартовой камере 1, после чего во взаимодействие с плазменным шнуром вводят смесь воздуха и угольной пыли. Угольную пыль подают через отверстия 5 для подачи топлива от узлов подачи угольной пыли 7, а воздух вводят через воздухоподающие отверстия 10. На этой стадии (т.е. при создании стартового факела 18) доля расхода угольной пыли составляет от 1 до 10% величины от общей величины расхода пыли (используемой для розжига) в единицу времени, кроме того, воздух подают в соотношении воздух/топливо, равном 1. В результате этого на выходе из стартовой камеры 1 формируется стартовый факел 18, представляющий из себя высокотемпературный поток горящих частиц топлива (угольной пыли) и плазмы, за счет обеспечения высокой тепловой нагрузки на частицы топлива, объем которого существенно превышает объем плазменного шнура 15.

В камере подготовки 2 во взаимодействие со стартовым факелом 18 вводят оставшуюся долю расхода угольной пыли (от 99 до 90% от общей величины в единицу времени, расхода пыли используемой для розжига), которую подают через отверстия 6 для подачи топлива, сообщающиеся с узлами подачи угольной пыли 8, связанными непосредственно с источником угольной пыли 9 (бункером). Кроме того, в камеру подготовки 2 через воздухоподающие отверстия 11, связанные с источниками сжатого воздуха 13, подают воздух в количестве, недостаточном для воспламенения частиц угольной пыли (для чего соотношение воздух/топливо выдерживают на уровне, меньшем 1), регулируя объем подачи воздуха соответствующими регуляторами расхода 14. При этом температуру частиц угольной пыли доводят до 600-700^oС. В результате этого в камере подготовки 2 частицы угольной пыли раскаляются и газифицируются, т.е. отдают летучие компоненты, вследствие чего в пылевоздушном потоке формируется "газовая" компонента (представляющая из себя горючие газы - продукты газификации). Названный температурный диапазон обеспечивает газифицирование углей даже с предельно низким содержанием летучих (менее 7%).

Таким образом, на выходе камеры подготовки формируется раскаленный газопылевой поток, пылеугольные компоненты которого разогреты до 600-700^oС. При этом, за счет ограничения подаваемых объемов воздуха (и, следовательно, пониженного содержания кислорода) выход окислов азота минимален.

Далее раскаленный газопылевой поток попадает в камеру воспламенения 3, где во взаимодействие с ним (через отверстия 12, связанные с источниками сжатого воздуха 13, снабженными регуляторами расхода 14) вводят воздух, доводя в соотношение воздух/топливо до величины 1-1,1. При этом используют подогретый воздух, для чего его перед подачей в камеру воспламенения 3 пропускают через каналы 17, выполненные на узлах конструкции, испытывающих большие термические нагрузки (тем самым утилизируя избыточное тепло). В результате этого раскаленные частицы угольной пыли (топлива) воспламеняются и из камеры воспламенения 3 в котел 4 вводится огневой факел 19, представляющий из себя высокотемпературный поток горящих частиц топлива (угольной пыли), объем которого существенно превышает объем стартового факела 18.

Огневой факел 19, попадая в котел 4 и взаимодействуя с пылеугольным топливом, вводимым в котел 4 для сжигания, воспламеняет этот объем топлива.

Далее все повторяется.

Изобретение может быть использовано для розжига и стабилизации горения пылеугольных горелок и обеспечивает устойчивость и эффективность процесса воспламенения пылеугольного топлива независимо от качества сжигаемого угля и мощности используемых котельных установок. Способ плазменного розжига пылеугольного топлива включает формирование огневого факела путем организации взаимодействия плазменного шнура и потока угольной пыли в присутствии воздуха. Указанный технический результат достигается тем, что формируют стартовый факел, для чего во взаимодействие с плазменным шнуром вводят меньшую часть расхода угольной пыли, используемой для розжига при подводе воздуха в количестве, достаточном для воспламенения частиц угольной пыли, затем стартовый факел используют для термохимической подготовки оставшейся части расхода угольной пыли, используемой для розжига, из которой формируют пылевоздушный поток, который вводят в контакт со стартовым факелом, при этом воздух используют в количестве, недостаточном для воспламенения частиц угольной пыли, а их температуру доводят предпочтительно до 600-700^oС, после чего формируют огневой факел, для чего в поток пылеугольного топлива, прошедшего термохимическую подготовку, вводят воздух в количестве, необходимом для воспламенения слагающих его частиц угольной пыли. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ плазменного розжига пылеугольного топлива, включающий формирование огневого факела путем организации взаимодействия плазменного шнура и потока угольной пыли в присутствии воздуха, отличающийся тем, что формируют стартовый факел, для чего во взаимодействие с плазменным шнуром вводят меньшую часть расхода угольной пыли, используемой для розжига при подводе воздуха в количестве, достаточном для воспламенения частиц угольной пыли, затем стартовый факел используют для термохимической подготовки оставшейся части расхода угольной пыли, используемой для розжига, из которой формируют пылевоздушный поток, который вводят в контакт со стартовым факелом, при этом воздух используют в количестве, недостаточном для воспламенения частиц угольной пыли, а их температуру доводят до 600-700^oС, после чего формируют огневой, для чего в поток пылеугольного топлива, прошедшего термохимическую подготовку, вводят воздух в количестве, необходимом для воспламенения слагающих его частиц угольной пыли. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании стартового факела воздух подают в соотношении воздух/топливо, равном 1. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе термохимической подготовки топлива воздух подают в соотношении воздух/топливо, меньшем 1. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании огневого факела воздух вводят в количестве, доводящем соотношение воздух/топливо в огневом факеле до 1-1,1. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что при формировании огневого факела используют предварительно подогретый воздух. 6. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что доля части расхода угольной пыли, используемой при создании стартового факела, составляет от 1 до 10% от общей величины расхода пыли в единицу времени.