ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ НИЗКОРЕАКЦИОННОГО ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ОСНОВНЫХ ГОРЕЛОК ТЕПЛОВОГО АГРЕГАТА Российский патент 2007 года по МПК F23Q9/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в паровых котлах, работающих на энергетических углях ухудшенного качества.

Непосредственное сжигание энергетических углей ухудшенного качества затруднено из-за их плохой воспламеняемости. Применение мазутной растопки и стабилизации горения таких углей оказывается неэффективным в связи с дефицитностью мазута и трудностями обеспечения требуемых экологических показателей работы тепловой электростанции. В последнее время получили развитие растопочные горелочные устройства, работающие на том же топливе ухудшенного качества, что и основные горелки котла, но разжигаемые с помощью воздушных плазмотронов (с применением воздушного потока для завихрения и транспортировки плазмы). Применение для термохимической подготовки электродуговой плазмы с высокой концентрацией энергии, на один-два порядка превышающей концентрацию энергии в традиционных огневых устройствах, а также наличие в плазме химически активных центров (атомов, свободных радикалов, ионов и электронного газа) способствуют энергетически и кинетически более эффективному, чем в известных огневых методах, нагреву и термохимическим превращениям угля.

Известно наиболее близкое по назначению и достигаемому эффекту вспомогательное горелочное устройство для воспламенения и стабилизации горения низкореакционного пылеугольного топлива основных горелок теплового агрегата, содержащее два разделенных огнеупорной стенкой цилиндрических концентричных канала - внутренний для подачи пылевоздушной смеси с использованием пыли того же топлива, что и в основных горелках, и внешний для подачи вторичного воздуха, причем на входном участке внутреннего канала установлено устройство воспламенения в виде расположенных на боковой стенке внутреннего канала по меньшей мере одного воздушного плазмотрона [1]. Согласно [1] каждый из внутреннего и внешнего каналов горелочного устройства выполнен с не меняющимся по всей длине канала диаметром, рассчитанным, исходя из требуемых значений скоростей соответственно воспламененного пылевоздушного потока и потока вторичного воздуха для организации факела на выходе из указанных каналов. При этом, как показала практика, известное горелочное устройство [1] обладает рядом серьезных недостатков. Из-за невозможности обеспечить достаточно высокую скорость пылевоздушной смеси на "холодном" входном участке внутреннего канала в нем происходит сепарация и выпадение угольной пыли. В зоне внедрения в поток пылевоздушной смеси воздушной плазмы, нагретой до 3000-4000°С, формируются шлаковые образования, постепенный рост которых и искривление под действием сносящего потока пылевоздушной смеси приводит к разрушению стенок внутреннего канала плазменной струей, искривленной соответственно искривлению указанных образований. Происходит также шлакование выходного участка внутреннего канала, где развивается наиболее высокая температура пламени. Кроме того, из-за отсутствия компенсации теплового расширения внутреннего канала, выполненного в виде цельной обечайки, происходит его коробление, особенно на выходном участке. Из-за вялого процесса смешения пылевоздушной смеси со вторичным воздухом происходит сепарация пыли в топке котла.

Одним из достигаемых результатов изобретения является предотвращение сепарации пыли во внутреннем канале на участке установки плазмотрона и, соответственно, устранение условий шлакования стенки этого участка с последующим ее прогоранием.

Указанный результат обеспечивается тем, что во вспомогательном горелочном устройстве для воспламенения и стабилизации горения низкореакционного пылеугольного топлива основных горелок теплового агрегата, содержащем два разделенных огнеупорной стенкой цилиндрических концентричных канала - внутренний для подачи пылевоздушной смеси с использованием пыли того же топлива, что и в основных горелках, и внешний для подачи вторичного воздуха, причем на входном участке внутреннего канала установлено устройство воспламенения в виде расположенных на боковой стенке внутреннего канала по меньшей мере одного воздушного плазмотрона, входной участок в месте установки плазмотронов выполнен в виде сужения, имеющего форму равносторонней треугольной призмы со скругленными углами, причем внутренний равносторонний треугольник поперечного сечения призмы вписан скругленными углами в окружность внутреннего канала со стороны выхода в него воспламененной плазмой пылевоздушной смеси, диаметр внутреннего канала на входном участке со стороны входа пылевоздушной смеси в сужение выбран из условия, чтобы соответствующая этому диаметру окружность была вписана в указанный равносторонний треугольник, а каждый плазмотрон установлен на грани призмы, и его продольная ось ориентирована в сторону вершины указанного равностороннего треугольника.

Для горелочного устройства с двумя плазмотронами указанная призма может быть ориентирована в пространстве из условия горизонтального расположения нижней грани, а плазмотроны установлены на боковых гранях.

Еще одним достигаемым результатом изобретения является предотвращение шлакования выходной части горелочного устройства. Согласно изобретению это обеспечивается тем, что выходной участок внутреннего канала устройства протяженностью 1÷2 его диаметра выполнен в виде расширяющегося конуса с углом наклона образующей к его оси, равным 7÷9°.

Концевая часть расширяющегося участка внутреннего канала протяженностью 0,2÷0,3 длины указанного участка может иметь корончатую форму с продольными равновеликими равномерно распределенными по окружности концевой части сквозными прорезями, а стенки выходной части внешнего канала относительно оси горелки - иметь форму сужающихся конусов, из которых наружный усечен плоскостью торца внутреннего канала и образует с его стенкой кольцевой проход, а другой - примыкает к стенке внутреннего канала непосредственно перед сквозными прорезями. Это позволяет улучшить проникновение вторичного воздуха в поток подожженной плазмотронами пылевоздушной смеси и предотвратить коробление расширяющегося участка.

Горелочное устройство согласно изобретению дополнительно может содержать примыкающую соосно к его торцевой части цилиндрическую футерованную изнутри камеру с внутренним диаметром, равным выходному диаметру наружного конуса внешнего канала горелки. Это предотвращает шлакование экранов топочной камеры на входе в нее вспомогательного горелочного устройства.

Внутренний канал горелочного устройства согласно изобретению может быть выполнен составным с по меньшей мере двумя участками, соединенными внахлестку со свободой взаимного осевого перемещения, что предотвращает деформацию указанного канала в результате температурных напряжений.

Указанные участки внутреннего канала согласно изобретению могут быть выполнены из сплава ХН45Ю с содержанием хрома 21%, никеля 45%, алюминия 3%.

На фиг.1 изображено горелочное устройство согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - вид по стрелке А фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез В-В фиг.1; на фиг.4 - поперечный разрез по С-С фиг.1; на фиг.5 - узел D фиг.1.

Вспомогательное горелочное устройство для воспламенения и стабилизации горения низкореакционного пылеугольного топлива основных горелок теплового агрегата (парового котла - на чертеже не показан) содержит два разделенных огнеупорной стенкой 1 цилиндрических концентричных канала - внутренний канал 2 для подачи пылевоздушной смеси с использованием пыли того же топлива, что и в основных горелках, и внешний канал 3 для подачи вторичного воздуха. На входном участке внутреннего канала установлено устройство воспламенения в виде расположенных на боковой стенке внутреннего канала 2 по меньшей мере одного воздушного плазмотрона 4 (фиг.4). Согласно изобретению входной участок 5 канала 3 в месте установки плазмотронов 4 выполнен в виде сужения, имеющего форму равносторонней треугольной призмы со скругленными углами (фиг.4), причем внутренний равносторонний треугольник поперечного сечения призмы вписан скругленными углами в окружность внутреннего канала 2 со стороны выхода в него воспламененной плазмой пылевоздушной смеси. Диаметр внутреннего канала 2 на входном участке со стороны входа пылевоздушной смеси в сужение выбран из условия, чтобы соответствующая этому диаметру окружность была вписана в указанный равносторонний треугольник поперечного сечения призмы входного участка 5, а каждый плазмотрон 4 установлен на грани призмы, и его продольная ось ориентирована в сторону вершины указанного равностороннего треугольника. Предпочтительно выполнение горелочного устройства согласно изобретению с двумя плазмотронами (фиг.4). При этом призма входного участка 5 ориентирована в пространстве из условия горизонтального расположения ее нижней грани, а плазмотроны 4 установлены на боковых гранях указанной призмы. Выходной участок внутреннего канала 2 протяженностью 1÷2 его диаметра (фиг.1) выполнен в виде расширяющегося конуса с углом наклона образующей к его оси, равным α=7÷9°. Концевая часть расширяющегося участка внутреннего канала протяженностью 0,2÷0,3 длины указанного участка имеет корончатую форму с продольными равновеликими равномерно распределенными по окружности концевой части сквозными прорезями 6, а стенки выходной части внешнего канала 3 относительно оси горелки имеют форму сужающихся конусов 3.1, 3.2, из которых наружный конус 3.2 усечен плоскостью торца внутреннего канала 2 и образует с его стенкой кольцевой проход 3.3, а другой конус 3.1 примыкает к стенке внутреннего канала 2 непосредственно перед сквозными прорезями 6. Горелочное устройство согласно изобретению дополнительно содержит примыкающую соосно к его торцевой части цилиндрическую футерованную изнутри камеру 7 (фиг.1) с внутренним диаметром, равным выходному диаметру наружного конуса 3.2 внешнего канала горелки. Внутренний канал 2 горелочного устройства согласно изобретению выполнен составным (фиг.1, 5) с по меньшей мере двумя участками 2.1, 2.2 (фиг.5), соединенными внахлестку со свободой взаимного осевого перемещения. При этом участки 2.1, 2.2 выполнены из сплава ХН45Ю с содержанием хрома 21%, никеля 45%, алюминия 3%.

Вспомогательное горелочное устройство согласно изобретению работает следующим образом. Часть твердого пылевидного топлива, подлежащего сжиганию в основных горелках (не показаны) теплового агрегата (парового котла), направляется во вспомогательное горелочное устройство согласно изобретению для поджигания этого топлива с помощью воздушных плазмотронов 4. При этом топливо во вспомогательное горелочное устройство подается в виде пылевоздушной смеси через входной участок 5 внутреннего канала 2, выполненный в поперечном сечении в виде треугольной призмы со скругленными углами. Расположенные на боковых гранях указанной призмы два плазмотрона 4 за счет высокой температуры воздушно-плазменного шнура поджигают топливо при недостатке воздуха, компенсируемого выходящим из внешнего канала 3 вторичным воздухом при выходе горящей пылевоздушной смеси в основную топочную камеру.

Выполнение входного участка 5 со сужением в форме треугольной призмы обеспечивает отсутствие застойных пазух на входе плазменно-воздушного шнура в поток воспламеняемой топливовоздушной смеси, что в сочетании с повышением скорости этого потока исключает образование шлаковых наростов, приводящих к повреждению стенок внутреннего канала 2.

Выполнение выходного участка внутреннего канала 2 в виде расширяющегося конуса с корончатой формой концевого участка обеспечивает эффективное проникновение вторичного воздуха в поток горящей топливовоздушной смеси и предотвращает шлакование этого участка. Примыкающая к торцевой части горелочного устройства цилиндрическая футерованная изнутри камера предотвращает шлакование охлаждающих экранов основной топочной камеры.

Промышленные испытания опытного образца вспомогательного горелочного устройства согласно изобретению на одной из тепловых электростанций подтвердили надежность и эффективность его работы.

Источники информации

1. Низкотемпературная плазма. Том 16. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. Новосибирск: Наука, 1995 г., с.21, 22, рис.1.6.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в паровых котлах, работающих на энергетических углях ухудшенного качества. Во вспомогательном горелочном устройстве, оборудованном воздушными плазмотронами, входной участок внутреннего канала для подачи пылевоздушной смеси в месте установки плазмотронов выполнен в виде сужения, имеющего форму равносторонней треугольной призмы со скругленными углами, каждый из двух плазмотронов установлен на грани призмы и его продольная ось ориентирована в сторону вершины указанного равностороннего треугольника. Выходной участок внутреннего канала устройства протяженностью 1÷2 его диаметра выполнен в виде расширяющегося конуса с углом наклона образующей к его оси, равном 7÷9°. Концевая часть расширяющегося участка внутреннего канала протяженностью 0,2÷0,3 длины указанного участка имеет корончатую форму с продольными равновеликими равномерно распределенными по окружности концевой части сквозными прорезями, а стенки выходной части внешнего канала относительно оси горелки имеют форму сужающихся конусов. Устройство содержит также примыкающую соосно к его торцевой части цилиндрическую футерованную изнутри камеру с внутренним диаметром, равным выходному диаметру наружного конуса внешнего канала горелки. Конструкция горелочного устройства обеспечивает повышение надежности работы путем устранения условий шлакования и последующего прогорания. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вспомогательное горелочное устройство для воспламенения и стабилизации горения низкореакционного пылеугольного топлива основных горелок теплового агрегата, содержащее два разделенных огнеупорной стенкой цилиндрических концентричных канала - внутренний для подачи пылевоздушной смеси с использованием пыли того же топлива, что и в основных горелках, и внешний для подачи вторичного воздуха, причем на входном участке внутреннего канала установлено устройство воспламенения в виде расположенных на боковой стенке внутреннего канала по меньшей мере одного воздушного плазмотрона, отличающееся тем, что входной участок в месте установки плазмотронов выполнен в виде сужения, имеющего форму равносторонней треугольной призмы со скругленными углами, причем внутренний равносторонний треугольник поперечного сечения призмы вписан скругленными углами в окружность внутреннего канала со стороны выхода в него воспламененной плазмой пылевоздушной смеси, диаметр внутреннего канала на входном участке со стороны входа пылевоздушной смеси в сужение выбран из условия, чтобы соответствующая этому диаметру окружность была вписана в указанный равносторонний треугольник, а каждый плазмотрон установлен на грани призмы и его продольная ось ориентирована в сторону вершины указанного равностороннего треугольника.2. Горелочное устройство по п.1 с двумя плазмотронами, отличающееся тем, что указанная призма ориентирована в пространстве из условия горизонтального расположения нижней грани, а плазмотроны установлены на боковых гранях.3. Горелочное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что выходной участок внутреннего канала протяженностью 1÷2 его диаметра выполнен в виде расширяющегося конуса с углом наклона образующей к его оси, равным 7÷9°.4. Горелочное устройство по п.3, отличающееся тем, что концевая часть расширяющегося участка внутреннего канала протяженностью 0,2÷0,3 длины указанного участка имеет корончатую форму с продольными равновеликими равномерно распределенными по окружности концевой части сквозными прорезями, а стенки выходной части внешнего канала относительно оси горелочного устройства имеют форму сужающихся конусов, из которых наружный усечен плоскостью торца внутреннего канала и образует с его стенкой кольцевой проход, а другой примыкает к стенке внутреннего канала непосредственно перед сквозными прорезями.5. Горелочное устройство по п.4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит примыкающую соосно к его торцевой части цилиндрическую футерованную изнутри камеру с внутренним диаметром, равным выходному диаметру наружного конуса внешнего канала горелочного устройства.6. Горелочное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что внутренний канал выполнен составным с по меньшей мере двумя участками, соединенными внахлестку со свободой взаимного осевого перемещения.7. Горелочное устройство по п.6, отличающееся тем, что указанные участки выполнены из сплава ХН45Ю с содержанием хрома 21%, никеля 45%, алюминия 3%.8. Горелочное устройство по п.7, отличающееся тем, что концевая часть расширяющегося участка внутреннего канала протяженностью 0,2-0,3 длины указанного участка имеет корончатую форму с продольными равновеликими равномерно распределенными по окружности концевой части сквозными прорезями, а стенки выходной части внешнего канала относительно оси горелочного устройства имеют форму сужающихся конусов, из которых наружный усечен плоскостью торца внутреннего канала и образует с его стенкой кольцевой проход, а другой примыкает к стенке внутреннего канала непосредственно перед сквозными прорезями.9. Горелочное устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит примыкающую соосно к его торцевой части цилиндрическую футерованную изнутри камеру с внутренним диаметром, равным выходному диаметру наружного конуса внешнего канала горелочного устройства.