МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2007 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих газ и угольную пыль.

Известна пылегазовая многофункциональная горелка, содержащая корпус, вертикально-щелевые пылевоздуховыводящие и основные воздуховыводящие окна, разделенные простенками, размещенные под и над пылевоздуховыводящим окном дополнительные воздуховыводящие сопла, скомпонованные в вертикальные ряды газовыпускные сопла, а также воздуховыводящие и пылевоздуховыводящие каналы, подключенные соответственно к воздуховыводящим и пылевоздуховыводящим окнам (патент RU № 2228491, МПК F23D 17/00 от 15.04.2003, БИ №13, 2004 г.). Горелка реализует режимы с пониженным выходом оксидов азота в продуктах сгорания. К недостатку горелки, как показывает опыт эксплуатации, можно отнести необходимость подбора места установки газовыпускных сопл в основных воздуховыводящих окнах для повышения термостойкости горелки в зависимости от конкретных размеров элементов и вида сжигаемого твердого топлива. При переходе на сжигание топлива с нерасчетными теплофизическими характеристиками вместе с газом в выхлопном сечении горелки могут возникнуть большие тепловые потоки в направлении обмуровки, активизирующие терморазрушения последней.

Известна пылегазовая горелка, содержащая осесимметричное окно для вывода пылевых и воздушных потоков, пылевоздухоподводящий и воздухоподводящий каналы, подключенные к окну, а также газовыпускные сопла, вынесенные за габариты окна и наклоненные к центральной оси горелки (авторское свидетельство СССР № 1163088, МПК F23С 1/12 от 04.04.83, БИ №23, 1985 г.). Горелка позволяет организовывать совместное сжигание газа и пыли твердого топлива ухудшенного качества при пониженном недожоге последнего. Недостаток горелки - низкая надежность металлоконструкций пылевоздуховыводящих узлов в окне и подводящих каналах при совместном сжигании газа и пыли, а также высокая концентрация оксидов азота в уходящих газах.

Известна также пылегазовая горелка, содержащая осесимметричное окно для вывода пылевых и воздушных потоков, подводящие воздуховод и пылепровод, подключенные к окну, а также встроенные в воздуховыводящее окно основные и дополнительные газовыпускные сопла (Шницер И.Н. Исследование топочного процесса при сжигании непроектного антрацита отдельно и совместно с газом // Журнал "Теплоэнергетика", 1988, № 1, с.16-22). Горелка позволяет сжигать пыль твердого топлива с газом при пониженной степени недожога. Недостаток - высокий выход оксидов азота в продуктах сгорания, а также недостаточно высокая надежность металлоконструкций горелки.

Известна пылегазовая горелка, содержащая вертикально-щелевые, разделенные простенком и условной вертикальной плоскостью симметрии, пылевоздуховыводящее и воздуховыводящее окна, имеющие внешние и внутренние вертикальные стены, потолочные и подовые перекрытия, скомпонованные в вертикальный ряд и установленные в воздуховыводящем окне вдоль его внешней стены под углом к вертикальной плоскости симметрии ˜20,7 град газовыпускные сопла (Руководящий технический материал. Горелки прямоточные пылеугольные, пылегазовые и компоновка их с топками. Методы расчета и проектирования. РТМ 108.030.120-78. Издание официальное. Чертеж 14, с.29). Установкой скомпонованных в вертикальный ряд газовыпускных сопл в воздуховыводящем окне достигается уменьшение выхода оксидов азота с продуктами сгорания. Недостаток горелки - ее невысокая надежность из-за активного обгорания металлоконструкций и разрушения обмуровки, особенно при совместном сжигании газа пылеугольной пыли.

Известна газовая горелка, содержащая керамический термозащитный корпус с вертикально-щелевыми газовоздуховыводящими окнами, разделенными простенками, условную вертикальную плоскость симметрии, проходящую по телу корпуса, подключенные к окнам корпуса воздуховод и встроенные в него газовыпускные сопла (Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия. 1976, с.175, рис.9-16; рис.9-17). Выполнение корпуса горелки с топливовоздуховыводящим и соплами в термозащитном исполнении увеличивает термостойкость конструкции, повышает надежность работы топки и горелочных узлов, продлевает межремонтный срок. Недостаток горелки - высокий выход оксидов азота с продуктами сгорания.

Задача настоящего изобретения - повышение эффективности сжигания угля ухудшенного качества, особенно с низким выходом летучих веществ, при пониженной концентрации оксидов азота в дымовых газах, уменьшенном недожоге и повышенной термостойкости топливовоздуховыводящих окон и сопл многофункциональной горелки.

Для решения этой задачи в многофункциональной горелке, содержащей термозащитный корпус с вертикально-щелевыми, разделенными простенком и условной вертикальной плоскостью симметрии, пылевоздуховыводящим и основным воздуховыводящим окнами, имеющими внешние и внутренние вертикальные стены, потолочные и подовые перекрытия, размещенное в корпусе под пылевоздуховыводящим окном дополнительное воздуховыводящее сопло, вынесенные за габариты окон, скомпонованные в вертикальные ряды и установленные в корпусе под углом к условной вертикальной плоскости симметрии горелки вдоль внешней стены основного воздуховыводящего окна основные газовыпускные сопла, а также дополнительные газовыпускные сопла, согласно изобретению угол установки основных газовыпускных сопл равен α₁=2,5-9,5 град, а дополнительные газовыпускные сопла также скомпонованы в вертикальные ряды, вынесены за габариты окон амбразуры, но установлены вдоль внешней стены пылевоздуховыводящего окна под углом к вертикальной плоскости симметрии горелки, равным α₂=5,5-20,5 град.

Вынесением газовыпускных сопл за габариты воздуховыводящего окна исключается возможность раннего зажигания газа и распространения нерасчетных больших тепловых потоков внутрь горелки и подключенных воздухоподводящих коробов и пылепроводов независимо от вида сжигаемого топлива, что повышает надежность устройства, продлевает срок его службы, снижает объем необходимого ремонта. Установкой основных газовыпускных сопл под углом α₁=2,5-9,5 град к условной вертикальной плоскости симметрии горелки достигается оптимальность режимов сжигания газа по выходу оксидов азота, окиси углерода и химическому недожогу топлива. Установкой дополнительных газовыпускных сопл вдоль внешней стены пылевоздуховыводящего окна, компоновкой их в вертикальные ряды достигается повышение надежности элементов горелки - ее окон и примыкающих воздуховодов и пылепроводов независимо от их конструктивных размеров и вида сжигаемого топлива. Разворотом дополнительных газовыпускных сопл к вертикальной плоскости горелки α₂=5,5-20,5 град обеспечивается оптимальность режимов совместного сжигания пыли угля ухудшенного качества и газа по механическому недожогу частиц топлива с различным содержанием летучих горючих веществ и выходу оксидов азота с продуктами сгорания. Наличие дополнительного воздуховыводящего сопла способствует активации горения наиболее крупных частиц твердого топлива, сепарирующих из пылевоздушного потока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема многофункциональной горелки с однорядным размещением в корпусе основных и дополнительных газовыпускных сопл, с примыканием к подовому перекрытию пылевоздуховыводящего окна дополнительного воздуховыводящего сопла в горизонтальном разрезе; на фиг.2 - вид А из топки на термозащитный корпус с газопылевоздуховыводящими окнами и соплами на фиг.1; на фиг.3 - схема многофункциональной горелки с двухрядным размещением в корпусе основных и однорядным дополнительных газовыпускных сопл, с простенком между подовым перекрытием пылевоздуховыводящего окна и дополнительным воздуховыводящим соплом в горизонтальном разрезе; на фиг.4 - вид Б из топки на термозащитный корпус с газопылевоздуховыводящими окнами и соплами на фиг.3; на фиг.5 - схема многофункциональной горелки с многослойным корпусом 1 и схема ее установки на стене топочной камеры, горизонтальный разрез.

Многофункциональная горелка на фиг.1, 2 содержит термозащитный корпус 1 с вертикально-щелевыми пылевоздуховыводящим 2 и основным воздуховыводящим 3 окнами, простенком 4 между ними, условной вертикальной плоскостью симметрии 5; пылевоздуховыводящее окно 2 имеет внешнюю 6 и внутреннюю 7 вертикальные стены, потолочное 8 и подовое 9 перекрытия; воздуховыводящее окно 3 имеет также внешнюю 10 и внутреннюю 11 вертикальные стены, потолочное 12 и подовое 13 перекрытия; под пылевоздуховыводящим окном 2 в корпусе 1 без простенка размещено дополнительное воздуховыводящее сопло 14; в корпус 1 вдоль внешней стены 10 основного воздуховыводящего окна 3 под углом "α₁" к условной вертикальной плоскости симметрии 5 установлены основные газовыпускные сопла 15, скомпонованные в один вертикальный ряд; со стороны стены 6 пылевоздуховыводящего окна 2 под углом "α₂" к условной вертикальной плоскости симметрии 5 установлены дополнительные газовыпускные сопла 16, также скомпонованные в один вертикальный ряд. Оси 17 всех сопл 15 проходят через условную вертикальную плоскость 19, а оси 18 всех сопл 16 - через условную вертикальную плоскость 20. Плоскость 19 с осями 17 всех сопл 15 образует с условной плоскостью 5 угол "α₁", а плоскость 20 с осями 18 всех сопл 16 - угол "α₂".

Работа многофункциональной горелки на фиг.1, 2 осуществляется путем подачи в топку котла через окна 2, 3 и сопло 14 потоков пыли и воздуха, а через сопла 15, 16 - газа. При истечении в топочный объем потоки нагреваются до температуры, необходимой для воспламенения, частицы топлива вступают с кислородом воздуха в экзотермическую окислительную реакцию с образованием высокотемпературных дымовых газов. Последние отдают тепло воде, подаваемой в котел для выработки пара. Вынесением газовыпускных сопл 15, 16 за габариты окон 2, 3 достигаются приемлемые тепловые условия работы корпуса 1, а разворот их на определенные углы "α₁" и "α₂" обеспечивает минимизацию выхода оксидов азота, окиси углерода и потерь тепла с химическим и механическим недожогом топлива независимо от конструктивных соотношений каналов 2, 3 и вида сжигаемого топлива. Возможно вариантное сжигание только газа, только угольной пыли и совместное сжигание газа с пылью.

Особенностью горелки на фиг.3, 4 является двухъярусная компоновка основных газовыпускных сопл 15 и наличие простенка 21 между подовым перекрытием 9 пылевоздуховыводящего канала 2 и дополнительным воздуховыводящим соплом 14. При фиксированном угле "α₁" для обоих рядов основных газовыпускных сопл 15 условные плоскости 19 прохождения их осей 17 параллельны между собой.

Работа многофункциональной горелки на фиг.3, 4 аналогична работе горелки на фиг.1, 2.

Корпус 1 многофункциональной горелки, представленной на фиг.5, может выполняться многослойным. Слой 22, обращенный в сторону топочного факела, выполняется из жаропрочного бетона, слой 23 - из пористого плохопроводимого тепло пенобетона, гасящего тепловой поток из топки. Возможно применение дополнительных теплопоглощающих материалов.

Работа горелки на фиг.5 аналогична работе горелки на фиг.1, 2.

Практическое использование многофункциональной горелки связано с топочными устройствами котлоагрегатов тепловых электростанций, сжигающих газ и уголь с различными теплофизическими свойствами. В частности, на котле БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 горелки устанавливаются на стене топочной камеры в соответствии со схемой на фиг.5. Корпус 1 горелки встраивается в разводку экранных труб 24 и крепится к ним металлическим листом 25. К листовому креплению 25 подсоединяются воздухопровод 26 и пылепровод 27. Сопла 15, 16 подключены к газопроводам 28, 29. Управление расходом потоков воздуха, пыли и газа производится регуляторами расхода, на фиг.5 они не показаны. На экранные трубы 24 нанесен теплозащитный слой изоляции 30. При работе котла БКЗ-210-140Ф с горелками на фиг.5 выявлена определенная связь параметров факельного сжигания газообразного и твердого топлива с величиной углов установки газовыпускных сопл "α₁" и "α₂". Параметр "α₁", в основном, характеризует эффективность процесса сжигания газа. Так если зафиксировать α₂=10 град, а 2,5 град <α₁<9,5 град, то значения концентрации оксидов азота имеют минимальные значения , а концентрация окиси углерода CO≈0%. Последнее означает, что и степень химического недожога газообразного топлива q_x≈0%. При α₁=2,5 град появляются следы СО в уходящих газах, а соответствующие потери тепла (степень) химического недожога топлива q_x≈0,05%. Как только α₁≤2,5 град, параметры CO>0%, q_x=0,5÷1,0%, то есть начинают резко скачкообразно увеличиваться; при этом значения сохраняются. При α₁=9,5 град уровень на ˜5%, а при α₁>9,5 град параметр NO_x резко скачкообразно увеличивается, достигая 120-130% от своего минимального значения ; при этом СО≈0%; q_x≈0%. Отсюда только в диапазоне α₁=2,5-9,5 град сохраняются улучшенными все показатели сжигания газа: NO_x, СО и q_x. Все то же сохраняется и при α₂=6; 15; 20 град. При α₂=5,5 град и при α₂=20,5 град значения NO_x увеличиваются на ˜5%, а при даже незначительных дальнейших отклонениях α₂<5,5 град и α₂>20,5 град параметр NO_x достигает величины . Значения параметра "α₂" очень сильно влияют на протекание процесса совместного сжигания газа и угольной пыли. При фиксированном α₁=5,0 град и 5,5 град <α₂<20,5 град все частицы с содержанием летучих горючих веществ V^Л=10-46% имеют минимальные потери тепла с механическим недожогом топлива и концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания . При α₂=5,5 град , если V^Л≥40%; , если V^Л=20-30%; , если V^Л=10-20%. Как только α₂=5,0 град параметр, характеризующий качество горения "q_M" начинает резко скачкообразно увеличиваться: , если V^Л≥40%; , если V^Л=20-30%; , если V^Л<20%. При этом параметры СО≈0%; q_x1≈%; во всех вышерассмотренных случаях. Если α₂=20,5 град, то для всех видов твердого топлива; дальнейшее даже незначительное увеличение угла наклона, например до α₂=21,0 град, приводит к резкому скачкообразному увеличению экологического показателя горения до ; значения , CO≈0%; q_x1≈0%, то есть не меняются во всех случаях используемого топлива. При дальнейшем, даже незначительном, увеличении угла наклона, например до α₂>21,0 град, кроме того, наблюдается резкое увеличение потока тепла в направлении топливо- и воздуховыводящих окон многофункциональной горелки, что уже нежелательно с позиции термостойкости этих элементов. Таким образом, только в диапазоне α₂=5,5-20,5 град сохраняются минимальные показатели совместного сжигания газа и угольной пыли различного качества: CO≈0%; q_x1≈0%, ; . Та же картина наблюдается, если фиксируется параметр α₁=3; 7; 9 град. Как только α₁=2,5 град; α₁=9,5 град значение NO_x1 увеличивается на ˜5%; дальнейшее отклонение этого параметра до α₁=2,0 град; α₁=10,0 град приводит к резкому скачкообразному увеличению NO_x1 на 30-40%. Раздельное сжигание газа только в основных 15 или только в дополнительных 16 газовыпускных соплах ухудшает параметры горения: появляются следы сажи на стенах, в связи с чем возникает необходимость увеличивать расход воздуха. Неизбежно при этом увеличиваются потери тепла с уходящими газами, а также концентрация оксидов азота. Форма дополнительного воздуховыводящего сопла 14 и наличие установочного простенка 21 принципиально на процесс горения пыли в топке не влияют. Вместе с тем наличие самого дополнительного сопла 14 существенно способствует снижению недожога сепарирующих из пылеугольного факела крупных частиц. При испытаниях котла БКЗ-210-140Ф конструктивные параметры высоты, длины, ширины пыле- и воздуховыводящих окон 2, 3 имели фиксированные значения, также как диаметры и количество газовыпускных сопл 15, 16. Отыскание возможной связи обозначенных параметров с режимами работы топочного устройства - за границами настоящего изобретения. Дополнительный анализ термостойкости горелок показал, что при использовании установочных значений углов α₁=2,5-9,5 град; α₂=5,5-20,5 град в направлении топливовыводящих окон и сопл со стороны факела фиксируется минимальный уровень падающих лучистых потоков. Выход за пределы α₁>9,5 град; α₂>20,5 град влечет резкое скачкообразное увеличение падающих лучистых потоков в 1,5-2 раза с нарушением прочности конструкций топливовыводящих окон и сопл. Таким образом, диапазоны α₁=2,5-9,5 град; α₂=5,5-20,5 град полезны для использования не только с экономических и экологических позиций, но и с точки зрения термостойкости, продления срока службы основных технологических узлов многофункциональных горелок.

Устройство относится к энергетике и может быть использовано на котлах тепловых электростанций, сжигающих газ и угольную пыль, для снижения оксидов азота, повышения экономичности и надежности. Многофункциональная горелка содержит термозащитный корпус с вертикально-щелевыми, разделенными простенком и условной вертикальной плоскостью симметрии, пылевоздуховыводящим и основным воздуховыводящим окнами, имеющими внешние и внутренние вертикальные стены, потолочные и подовые перекрытия, размещенное в корпусе под пылевоздуховыводящим окном дополнительное воздуховыводящее сопло и вынесенные за габариты окон, скомпонованные в вертикальные ряды и установленные в корпусе под углом к условной вертикальной плоскости симметрии горелки вдоль внешней стены основного воздуховыводящего окна основные газовыпускные сопла, а также дополнительные газовыпускные сопла. При использовании устройства угол установки основных газовыпускных сопл равен 2,5-9,5 град, а дополнительные газовыпускные сопла также скомпонованы в вертикальные ряды, вынесены за габариты окон, но установлены вдоль внешней стены пылевоздуховыводящего окна под углом к условной вертикальной плоскости симметрии горелки, равным 5,5-20,5 град. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания угля ухудшенного качества, особенно с низким выходом летучих веществ, понизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах, уменьшить недожог и повысить термостойкость топливовоздуховыводящих окон и сопл многофункциональной горелки. 5 ил.

Многофункциональная горелка, содержащая термозащитный корпус с вертикально-щелевыми разделенными простенком и условной вертикальной плоскостью симметрии пылевоздуховыводящим и основным воздуховыводящим окнами, имеющими внешние и внутренние вертикальные стены, потолочные и подовые перекрытия, размещенное в корпусе под пылевоздуховыводящим окном дополнительное воздуховыводящее сопло и вынесенные за габариты окон, скомпонованные в вертикальные ряды и установленные в корпусе под углом к условной вертикальной плоскости симметрии горелки вдоль внешней стены основного воздуховыводящего окна основные газовыпускные сопла, а также дополнительные газовыпускные сопла, отличающаяся тем, что угол установки основных газовыпускных сопл равен 2,5-9,5 град, а дополнительные газовыпускные сопла также скомпонованы в вертикальные ряды, вынесены за габариты окон, но установлены вдоль внешней стены пылевоздуховыводящего окна под углом к условной вертикальной плоскости симметрии горелки, равным 5,5-20,5 град.