УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F23Q5/00 F23D1/00 

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

Известно устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее топливоподающую трубу, камеру воспламенения и плазмотрон (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.

Известно устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее топливоподающую трубу, связанную топливоподводящим каналом с источником угольной пыли и снабженную каналом для ввода сжатого воздуха, камеру воспламенения и плазмотрон (см. пат. РФ 1732119, кл. F 23 Q 5/00, 1992).

Недостаток этого решения - необходимость повышения мощности плазмотрона и соответственно увеличение громоздкости всего устройства, что объясняется неэффективными условиями взаимодействия плазменного "шнура" и пылеугольного потока, который "размазывается" по стенкам топливоподающей трубы, в результате чего основной объем плазмы даже не контактирует с частицами угольной пыли, кроме того, процесс розжига не поддается регулированию.

Известно также устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее топливоподающую трубу, связанную топливоподводящим каналом с источником угольной пыли и снабженную каналом ввода сжатого воздуха, каналом ввода регулировочного воздуха, камеру воспламенения и плазмотрон (см. пат. РФ 2174652, кл. F 23 Q 5/00, 2001).

Недостаток этого решения - зависимость устойчивости и эффективности его работы от качества сжигаемого угля (при использовании высокозольных углей его эффективность снижается), кроме того, сложен процесс запуска устройства в работу (начальный этап розжига).

Задачей на решение которой направлено заявленное решение является обеспечение устойчивости и эффективности процесса воспламенения пылеугольного топлива независимо от качества сжигаемого угля и упрощение процесса запуска устройства в работу.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении максимально эффективных условий взаимодействия плазменного "шнура" и пылеугольного потока, снижении мощности потребляемой плазмотроном, увеличении сроков безремонтной эксплуатации устройства и обеспечении эффективного регулирования процесса розжига и поддержания горения даже высокозольных углей.

Поставленная задача решается тем, что устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее топливоподающую трубу, связанную топливоподводящим каналом с источником угольной пыли и снабженную каналом ввода сжатого воздуха, каналом ввода регулировочного воздуха, камеру воспламенения и плазмотрон, отличается тем, что плазмотрон ориентирован вдоль оси камеры воспламенения топливоподающей трубы, при этом канал ввода регулировочного воздуха выполнен в виде эжектора, на продольной оси которого размещено направляющее кольцо, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещена регулирующая втулка, соосная с продольной осью эжектора и выпускным отверстием плазмотрона, кроме того, выпускное отверстие топливоподводящего канала размещено перед выпускной кромкой эжектора, при этом источник угольной пыли дополнительно связан с зазором, расположенным между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом регулирующая втулка снабжена направляющим лотком, ориентированным вдоль ее продольной оси, выполненным в виде желобчатого выступа, размещенного со стороны вышеупомянутого зазора. Кроме того, канал ввода сжатого воздуха выполнен в виде щелевых прорезей в стенке топливоподающей трубы, по меньшей мере, двух, ориентированных под углом к ее продольной оси, при этом ближайшая из них отстоит от кромки приемного отверстия эжектора на расстоянии 2-2,5 диаметров топливоподающей трубы, при этом каждая щелевая прорезь, разделена на изолированные друг от друга участки, каналы подвода воздуха к которым изолированы друг от друга и снабжены регуляторами ввода воздуха, причем расстояние между щелевыми прорезями соответствует 0,13 диаметра топливоподающей трубы. Кроме того, желоб направляющего лотка открыт к верхней части зазора, расположенного между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом радиус кривизны окружности, описывающей желоб, не менее радиуса полости регулирующей втулки.

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 "плазмотрон ориентирован вдоль оси камеры воспламенения топливоподающей трубы" обеспечивает максимальную возможную продолжительность взаимодействия плазменного шнура и угольной пыли, которая при этом не зависит от диаметра оси топливоподающей трубы и исключает разрушение противоположной плазмотрону стенки трубы.

Признак "канал ввода регулировочного воздуха выполнен в виде эжектора" обеспечивает возможность глубокого регулирования объемов подаваемого воздуха и, следовательно, эффективное регулирование процесса горения.

Признаки "на продольной оси которого (т.е. - эжектора), размещено направляющее кольцо, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещена регулирующая втулка, соосная с продольной осью эжектора и выпускным отверстием плазмотрона", обеспечивают возможность регулирования объемов сжатого воздуха, подаваемых через эжектор и одновременно обеспечивают работоспособность регулирующей втулки и всего устройства в целом (исключают ее разрушение плазменным шнуром).

Признаки "выпускное отверстие топливоподводящего канала размещено перед выпускной кромкой эжектора" упрощают организацию взаимодействия угольно-воздушного потока и плазменного шнура и обеспечивают более эффективное использование пространства топливоподающей трубы за счет исключения объема, в пределах которого угольная пыль не взаимодействует с плазменным шнуром.

Признаки "источник угольной пыли дополнительно связан с зазором, расположенным между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом" упрощают запуск устройства в работу, поскольку обеспечивают возможность минимизации объема воспламеняемой пыли на начальном этапе розжига.

Признаки "регулирующая втулка снабжена направляющим лотком, ориентированным вдоль ее продольной оси, выполненным в виде желобчатого выступа, размещенного со стороны вышеупомянутого зазора", обеспечивают устойчивость положения плазменного шнура в пространстве, за счет его саморегулирования, кроме того, обеспечивается энергичное "засасывание" угольной пыли в плазменный шнур и исключаются потери пыли за счет ее "беспрепятственного "прохода т.е. просыпания" через зону контакта с плазменным шнуром.

Признаки второго пункта формулы конкретизируют условия, при которых эффективность процесса регулирования аэродинамических качеств топливоподводящей трубы (формирования аэродинамического сопла в полости трубы) максимальна, по результатам опытно-промышленных испытаний, кроме того, эти признаки обеспечивают защиту стенок топливоподводящей трубы от прогара.

Признаки третьего пункта формулы способствуют повышению эффективности работы направляющего лотка и проявлению эффекта стабилизации положения плазменного шнура.

На чертеже показан общий вид устройства (горизонтальная ось повернута по вертикали).

На чертеже показаны источник угольной пыли 1 (бункер), топливоподающая труба 2 с отверстием 3 в колене 4, плазмотрон 5, плазменный шнур 6, изолированные друг от друга участки 7, 8, 9 и 10 щелевых прорезей (каждая пара участков образует одну щелевую прорезь, например, одна щелевая прорезь, ближняя к плазмотрону, образована парой изолированных друг от друга участков 7 и 8, а вторая щелевая прорезь образована второй парой изолированных друг от друга участков 9 и 10), соответствующие им каналы подвода воздуха 11, 12, 13 и 14, камера воспламенения 15, канал 16 вторичного воздуха, короб 17 подвода вторичного воздуха, ось 18 топливоподающей трубы 2, выпускное отверстие 19 топливоподающей трубы, канал 20 подвода регулировочного воздуха, выполненный в виде эжектора, содержащего сопло 21, направляющее кольцо 22, скрепленное стойками 23 с эжектором, при этом в полости направляющего кольца 22 с возможностью возвратно-поступательного движения размещена регулирующая втулка 24, дополнительные топливопроводы 25, которыми источник угольной пыли 1 связан с зазором 26, уставленным между кромкой 27 приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом 22.

Кроме того, на чертежах показан пылеугольный поток 28, направляющий лоток 29, диффузорная часть 30 канала 20 подвода регулировочного воздуха и топливоподводящий канал 31 с выпускным отверстием 32.

Топливоподающая труба 2 выполнена из трубчатой заготовки внутренним диаметром 205 мм и длиной порядка 2 м. Целесообразно, чтобы трубе 2 была придана Г-образная форма с плавным сопряжением вертикального и горизонтального участков в колене 4.

В качестве топливоподводящего канала 31 используется вертикальный участок топливоподающей трубы 2 (выпускным отверстием 32 топливоподводящего канала является сопряжение вертикального участка топливоподающей трубы и колена 4). В качестве камеры воспламенения 15 используется горизонтальный участок топливоподающей трубы 2, на котором плазменный шнур 6 взаимодействует с потоком угольной пыли, поступающим по вертикальному участку трубы (фактически это участок от колена 4 трубы 2 до щелевых прорезей, длина которого составляет 1,5-2 диаметра топливоподводящей трубы. В качестве плазмотрона используют плазмотрон известной конструкции мощностью порядка 30-40 кВт (диаметр выпускного отверстия плазмотрона порядка 8 мм), при этом плазмотрон 5 установлен так, чтобы продольная ось его выпускного отверстия совпадала с осью 18 топливоподающей трубы 2, регулирующей втулки 24 (диаметр порядка 16 мм) и продольной осью канала 20 (сопла эжектора). На практике это означает соосность плазменного шнура 6 и названных элементов устройства. Целесообразно, чтобы плазмотрон 5 был установлен с возможностью возвратно-поступательного движения относительно эжектора, что обеспечивает возможность не только управления подачей регулировочного воздуха, но и регулирование теплового потока, поступающего в камеру воспламенения. Перемещение регулировочной втулки 24 в полости направляющего кольца 22 обеспечивается одинаковой резьбовой нарезкой на внешней поверхности регулировочной втулки 24 и поверхностью полости направляющего кольца 22 (на чертежах не обозначены), при этом понятно, что перемещение регулировочной втулки осуществляют ее поворотом на целое число витков (оборотов) резьбовой нарезки для сохранения пространственного положения желоба направляющего лотка 29.

Между изолированными друг от друга участками 7 и 8, а также 9 и 10 щелевых прорезей оставлены перемычки, ширина которых определяется толщиной стенок соответствующих им каналов подвода воздуха 11, 12, 13 и 14, что обеспечивает возможность изолированной подачи через них воздуха. Щелевая прорезь, образованная изолированными друг от друга участками 7 и 8, ближе расположенная к плазмотрону 5, имеет ширину 2 мм, а щелевая прорезь, образованная изолированными друг от друга участками 9 и 10 имеет ширину 1 мм, причем расстояние между щелевыми прорезями соответствует 0,13 диаметра топливоподающей трубы. Стенки каналов подвода воздуха 11-14 и короба подвода вторичного воздуха 17 являются несущей конструкцией, обеспечивающей цельность конструкции устройства (конструктивно они одинаковы и представляют из себя кольцевые желоба, охватывающие соответствующие участки трубы 2 (изолированные друг от друга участки 7-10 щелевых прорезей) и снабженные отверстиями для подсоединения источников воздуха (через регуляторы ввода воздуха, которые на чертежах не показаны). Отличие этих элементов только в размерах.

В качестве канала 20 подвода регулировочного воздуха (эжектора) используется сопло Вентури (диаметр кромки приемного отверстия - порядка 30 мм, ширина выпускного отверстия - также порядка 30 мм (его длина превышает ширину за счет того, что сопряжение сопла и трубы 2 приходится на колено 4), т. е. кромка выпускного отверстия эжектора представляет из себя кромку отверстия 3, образованную пересечением внутренних поверхностей канала 20 подвода регулировочного воздуха и топливоподающей трубы 2.

Дополнительный топливопровод 25 выполнен из металла или другого огнестойкого материала, при этом его выпускное отверстие (на чертежах не показано) открыто в верхнюю часть зазора 26 и максимально приближено к полости втулки 24, а его приемные отверстия, как минимум два, (на чертежах не показаны) открыты в источник угольной пыли 1. Направляющий лоток 29 ориентирован вдоль продольной оси регулировочной втулки 24 и выполнен в виде желобчатого выступа, размещенного со стороны зазора 26. Диаметр желоба соответствует диаметру полости втулки 24, глубина соответствует радиусу полости втулки 24. Длина направляющего лотка 29 должна быть такой, чтобы его конец "доставал" до начала диффузорной зоны 30 канала 20 подвода регулировочного воздуха, в полости которого лоток размещен. Для условий приводимого примера это порядка 50 мм.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Плазмотрон 5 приводят в рабочее состояние - формируют плазменный шнур 6, таким образом, чтобы зона его воздействия была локализована по оси канала 20 подвода регулировочного воздуха, после чего смесь воздуха и угольной пыли подают через топливопроводы 25 в зазор 26. Плазменный шнур 6 проходит через полость регулировочной втулки 24, пересекает зазор 26 и через сопло эжектора (канал 20 подвода регулировочного воздуха) попадает в камеру воспламенения 15, при этом пересекая зазор 26, плазменный шнур увлекает за собой углевоздушную смесь, поступающую через топливопровод 25, в канал 20 подвода регулировочного воздуха и далее - в топливоподающую трубу 2. После того, как плазменный шнур 6, пройдя регулировочную втулку 24, оказывается над направляющим лотком 29 имеет место следующее: плазменный шнур 6 движется вдоль желоба лотка, при этом остается воздушный зазор между поверхностью желоба и плазменным шнуром 6. При отклонении плазменного шнура вверх от лотка давление в зазоре снижается (из-за увеличения его сечения), что приводит к появлению силы подтягивающей (подсасывающей) плазменный шнур к лотку до тех пор, пока давление в зазоре не восстановится до исходного. Одновременно направляющий лоток 29 работает, как поверхность, ограничивающая "просыпание" угольной пыли через зазор 26, и совместно с зазором между лотком 29 и плазменным шнуром 6 обеспечивают возможность всасывания угольной пыли в плазменный шнур 6 (при отсутствии лотка только часть пыли засасывается в плазменный шнур из-за его высокой плотности). Таким образом, пылеугольный поток, подводимый по топливопроводу 25, взаимодействует с плазменным шнуром 6 в течение продолжительного времени, при этом частицы пыли воспламеняются. Далее раскаленные частицы топлива (фактически это уже не плазменный шнур, а факел, т.е. объем, включающий в себя и плазму и раскаленные частицы топлива, имеющий объем, больший чем исходный объем плазменного шнура) попадают в камеру воспламенения 15, воспламеняя объем топлива, попадающий туда непосредственно из источника угольной пыли (бункера) 1 через выпускное отверстие 32 топливоподводящего канала 31. Пылеугольный поток 28 после этого взаимодействия воспламеняется. При этом воздух, подаваемый в каналы подвода воздуха 11-14 и короб подвода вторичного воздуха 17, выбрасывается в полость топливоподающей трубы 2 через щелевые прорези, образованные изолированными друг от друга участками 7-10 и канал 16. Воздушные потоки, подаваемые через щелевые прорези, образуют "воздушную рубашку", покрывающую стенки топливоподающей трубы 2, мешают воспламененному пылеугольному потоку касаться ее стенок и обжимают его в виде шнура, локализованного по оси 18 топливоподающей трубы 2.

Далее раскаленные частицы топлива попадают в топку, воспламеняя объем топлива, находящийся там.

Перед выходом из топливоподающей трубы 2, в перемещающийся по ней поток раскаленных угольных частиц, газа и воздуха подается (через канал 16) заданный объем вторичного воздуха, что обеспечивает поддержание оптимального соотношения топлива и воздуха.

При необходимости регулирования процесса розжига выполняют следующие операции:
- регулируют расход воздуха через изолированные друг от друга участки 7-10 щелевых прорезей (в качестве регуляторов используются дистанционно управляемые краны-регуляторы известного типа, установленные на магистрали сжатого воздуха - на чертежах регуляторы не показаны);
- через канал 20 подвода регулировочного воздуха (в колене 4 топливоподающей трубы 2) подают объем регулировочного воздуха, величину которого регулируют посредством регулировочной втулки 24.

При необходимости регулирования местоположения потока раскаленной пылевоздушной смеси выполняют следующие операции: например, если необходимо его переместить вниз относительно оси 18, расход воздуха через вышележащие изолированные друг от друга участки 7 и 9 щелевых прорезей делают больше, чем через нижележащие 8 и 10, в результате этого, местоположение зоны взаимодействия плазмы и топлива смещается вниз. Если необходимо обратное смещение этой зоны, то наоборот повышают расход воздуха через нижележащие щелевые прорези.

Изобретение может быть использовано для розжига и стабилизации горения пылеугольных горелок. Устройство для воспламенения пылеугольного топлива содержит топливоподающую трубу, связанную топливоподводящим каналом с источником угольной пыли и снабженную каналом ввода сжатого воздуха, каналом ввода регулировочного воздуха, камеру воспламенения и плазмотрон, плазмотрон ориентирован вдоль оси камеры воспламенения топливоподающей трубы, при этом канал ввода регулировочного воздуха выполнен в виде эжектора, на продольной оси которого размещено направляющее кольцо, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещена регулирующая втулка, соосная с продольной осью эжектора и выпускным отверстием плазмотрона, кроме того, выпускное отверстие топливоподводящего канала размещено перед выпускной кромкой эжектора, при этом источник угольной пыли дополнительно связан с зазором, расположенным между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом регулирующая втулка снабжена направляющим лотком, ориентированным вдоль ее продольной оси, выполненным в виде желобчатого выступа, размещенного со стороны вышеупомянутого зазора. Канал ввода сжатого воздуха выполнен в виде щелевых прорезей в стенке топливоподающей трубы, по меньшей мере, двух, ориентированных под углом к ее продольной оси, при этом ближайшая из них отстоит от кромки приемного отверстия эжектора на расстоянии 2-2,5 диаметров топливоподающей трубы, при этом каждая щелевая прорезь разделена на изолированные друг от друга участки, каналы подвода воздуха к которым изолированы друг от друга и снабжены регуляторами ввода воздуха, причем расстояние между щелевыми прорезями соответствует 0,13 диаметра топливоподающей трубы. Желоб направляющего лотка открыт к верхней части зазора, расположенного между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом радиус кривизны окружности, описывающей желоб, не менее радиуса полости регулирующей втулки. Изобретение позволяет обеспечить устойчивость и эффективность процесса воспламенения пылеугольного топлива и упростить процесс запуска устройства в работу. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для воспламенения пылеугольного топлива, содержащее топливоподающую трубу, связанную топливоподводящим каналом с источником угольной пыли и снабженную каналом ввода сжатого воздуха, каналом ввода регулировочного воздуха, камеру воспламенения и плазмотрон, отличающееся тем, что плазмотрон ориентирован вдоль оси камеры воспламенения топливоподающей трубы, при этом канал ввода регулировочного воздуха выполнен в виде эжектора, на продольной оси которого размещено направляющее кольцо, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещена регулирующая втулка, соосная с продольной осью эжектора и выпускным отверстием плазмотрона, кроме того, выпускное отверстие топливоподводящего канала размещено перед выпускной кромкой эжектора, при этом источник угольной пыли дополнительно связан с зазором, расположенным между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом регулирующая втулка снабжена направляющим лотком, ориентированным вдоль ее продольной оси, выполненным в виде желобчатого выступа, размещенного со стороны вышеупомянутого зазора. 2. Устройство для воспламенения пылеугольного топлива по п. 1, отличающееся тем, что канал ввода сжатого воздуха выполнен в виде щелевых прорезей в стенке топливоподающей трубы, по меньшей мере, двух, ориентированных под углом к ее продольной оси, при этом ближайшая из них отстоит от кромки приемного отверстия эжектора на расстоянии 2-2,5 диаметров топливоподающей трубы, при этом каждая щелевая прорезь, разделена на изолированные друг от друга участки, каналы подвода воздуха к которым изолированы друг от друга и снабжены регуляторами ввода воздуха, причем расстояние между щелевыми прорезями соответствует 0,13 диаметра топливоподающей трубы. 3. Устройство для воспламенения пылеугольного топлива по п. 1, отличающееся тем, что желоб направляющего лотка открыт к верхней части зазора, расположенного между кромкой приемного отверстия эжектора и направляющим кольцом, при этом радиус кривизны окружности, описывающей желоб, не менее радиуса полости регулирующей втулки.