СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-УГОЛЬНОЙ РАСТОПКИ КОТЛА Российский патент 2008 года по МПК F23Q5/00 F23D1/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения (подсветки) факела в них, а также в других нагревательных установках, работающих на твердом мелкодисперсном топливе.

Известен способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла (без использования второго вида топлива - мазута или газа) и стабилизации горения факела в нем [1, описание на с.22 к рис.1.6]. Способ заключается в создании горящего пылеугольного потока, вытекающего из горелки в топку котла. Для создания горящего пылеугольного потока пылеугольную аэросмесь подают по пылепроводу в камеру термохимической подготовки (ТХП) топлива плазменно-угольной горелки, генерируют низкотемпературную плазму в плазмотроне, подают струю плазмы на входе в камеру ТХП и воспламеняют аэросмесь, получают в камере ТХП топливную смесь в результате горения части угля и нагрева (до температуры 1200-1300 К) остальной аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка, затем подают эту топливную смесь из горелки в топку, в топку подают вторичный воздух, где его смешивают с топливной смесью и получают горящий факел. (Плазменно-угольная горелка включает камеру ТХП с пылепроводом для ввода в нее аэросмеси, расположенный на камере ТХП плазмотрон и канал подачи вторичного воздуха в топку котла у устья данной горелки.)

В известном способе плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем в камеру ТХП в зону взаимодействия с плазменной струей вводят весь поток аэросмеси, подаваемый в данную горелку. Мощность плазмотрона, требуемая для воспламенения аэросмеси, находится в прямой зависимости от расхода аэросмеси [1], с которой взаимодействует плазменная струя, и может быть снижена путем ввода в эту зону взаимодействия с плазменной струей части общего потока аэросмеси, подаваемой в данную горелку.

В качестве прототипа выбран способ плазменно-угольной растопки котла с использованием двухсупенчатой камеры ТХП, описанный в книге [1] на стр.22, рис.1.7. Способ включает подачу в первую ступень камеры термохимической подготовки части потока пылеугольной аэросмеси, поступающей в данную горелку, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в первую ступень камеры ТХП и воспламенение аэросмеси плазмой, получение топливной смеси в первой ступени камеры ТХП в результате горения части угля и нагрева аэросмеси до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка (до температуры около 1200-1300 К), подачу полученной топливной смеси во вторую ступень камеры ТХП, подачу во вторую ступень камеры ТХП второй части (остальной) аэросмеси, поступающей в данную горелку, воспламенение этой второй части аэросмеси топливной смесью, нагрев второй части аэросмеси в результате горения угля до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка (до температуры около 1200-1300 К) и получение в результате этого топливной смеси из всей подаваемой в данную горелку аэросмеси, подачу полученной топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котла, подачу вторичного воздуха из этой горелки в топку с образованием горящего факела. Характеристики аэросмеси (теплотехнические характеристики угля, тонина его помола, концентрация угля в аэросмеси, ее температура), подаваемой в обе ступени камеры ТХП, одинаковы.

Способ осуществляется следующим образом. Включают плазмотрон плазменно-угольной горелки и подают в первую ступень камеры ТХП пылеугольную аэросмесь. Задают расход аэросмеси во вторую ступень камеры ТХП, составляющий, как правило, (1-2) расхода в первую ступень камеры ТХП [2]. Подают вторичный воздух в эту горелку. Вытекающая из плазмотрона плазменная струя взаимодействует с поступающей в первую ступень камеры ТХП пылеугольной аэромесью и воспламеняет ее. В результате горения части угля аэросмесь нагревается внутри первой ступени камеры ТХП, происходит выделение горючих компонентов из угля и частичная газификация коксового остатка. На выходе из первой ступени камеры ТХП получают топливную смесь с температурой 1200-1300 К и содержанием горючих компонентов в газовой фазе до 40%. Эту топливную смесь подают во вторую ступень камеры ТХП, где она, взаимодействуя с окислителем второй части («холодной») аэросмеси, продолжает гореть и нагревает вторую часть аэросмеси. Происходит выделение горючих компонентов из угля и частичная газификация коксового остатка этой второй части аэросмеси. В результате вся аэросмесь, подаваемая в данную горелку, проходит ТХП и из плазменно-угольной горелки в топку поступает топливная смесь с температурой 1200-1300 К и содержанием горючих компонентов в газовой фазе до 40%. Такая смесь устойчиво горит в топке при смешении с вторичным воздухом, поступающим из данной горелки.

Недостаток известного способа заключается в следующем. Концентрация угля в аэросмеси в процессе растопки часто около 0,5 кг угля на кг воздуха (кг/кг). Температура частиц коксового остатка топливной смеси первой ступени на входе второй ступени около 1200 К, и они активно реагируют с окислителем «холодной» аэросмеси, которая поступает по отдельному пылепроводу во вторую ступень. Поскольку температура частиц угля «холодной» аэросмеси низкая, то они до момента своего нагрева не поглощают кислород. Концентрация кислорода, отнесенного к коксовому остатку, поступившему из первой ступени, высокая, что в совокупности с их высокой температурой обеспечивает интенсивное протекание реакции окисления и увеличение (выше 2000 К) температуры частиц коксового остатка. Это подтверждается результатами расчетов [2] (рис.5 на стр.128). При температуре 2000 К минеральная часть большинства энергетических углей содержит жидкую фазу. В рассматриваемом случае может происходить осаждение расплавленных частиц шлака на поверхности второй ступени камеры ТХП. На относительно холодной поверхности шлак затвердевает, происходит его накопление, т.е. шлакование камеры ТХП. На практике это негативное явление служит причиной аварийного выключения плазменно-угольной горелки из работы и прерывание процесса растопки котла с неизбежными экономическими потерями.

В основу изобретения положена задача создания способа плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем, который позволяет задавать менее высокую температуру частиц коксового остатка угля первой ступени камеры ТХП при их горении во второй ступени камеры ТХП, предупредить их плавление, а следовательно, и осаждение этих частиц на поверхности плазменно-угольной горелки и обеспечивает устойчивую и надежную реализацию названных процессов.

Технический результат: отсутствие шлакования второй ступени камеры ТХП, надежная и безостановочная растопка котла или подсветка факела без использования второго вида топлива.

Для достижения этого результата в способе плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем, включающем подачу в первую ступень камеры термохимической подготовки части потока пылеугольной аэросмеси, поступающей в данную горелку, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в первую ступень камеры ТХП и воспламенение аэросмеси плазмой, получение топливной смеси в первой ступени камеры ТХП в результате горения части угля и нагрева аэросмеси до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка (до температуры около 1200-1300 К), подачу полученной топливной смеси во вторую ступень камеры ТХП, подачу во вторую ступень камеры ТХП второй части аэросмеси, поступающей в данную горелку, и ее воспламенение топливной смесью, нагрев этой второй части аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка вследствие частичного горения угля, получение в результате этого топливной смеси из всей подаваемой в данную горелку аэросмеси, подачу полученной топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котла, подачу вторичного воздуха из этой горелки в топку с образованием горящего факела, согласно изобретению во вторую ступень камеры ТХП подают аэросмесь с содержанием кислорода таким, чтобы в смеси с газами из первой ступени камеры ТХП его концентрация была в пределах 8-10%.

Достижение указанной концентрации кислорода возможно двумя вариантами (третий вариант - подача во вторую ступень дополнительного инертного газа - не рассматривается из-за неэффективного использования тепла на его нагрев).

Первый вариант - снижение расхода воздуха в аэросмеси, подаваемой во вторую ступень. Температура топливной смеси на выходе второй ступени камеры ТХП сохраняется в пределах, обеспечивающих надежное ее горение при смешении с воздухом. Если на данную плазменно-угольную горелку имеется два пылепитателя, то требуемая концентрация кислорода на входе второй ступени камеры ТХП задается расходом первичного воздуха в нее, например, посредством шибера. При наличии одного пылепитателя на данную горелку в пылепроводе, подающем аэросмесь во вторую ступень камеры ТХП, устанавливают пылеконцентратор, а изъятый из аэросмеси слабозапыленный воздух вводят, как правило, в третью ступень камеры ТХП или - в режиме подсветки факела - в топку котла.

Второй вариант - снижение расхода аэросмеси. Он менее эффективен, так как при этом уменьшается расход угля в данную горелку и растет относительная (на единицу расхода угля) затрата электроэнергии на плазмотрон, т.е. снижается экономическая эффективность процесса.

Снижение расхода воздуха в «холодной» аэросмеси, подаваемой во вторую ступень, позволяет получить во второй ступени более низкую температуру частиц коксового остатка угля, поступившего из первой ступени камеры ТХП, не допустить их расплавление и шлакование поверхностей второй ступени камеры ТХП, предотвратить аварийный останов растопки котла и исключить экономические потери, связанные с повторной его растопкой.

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1 и 2).

На фиг.1 в первую ступень 1 камеры термохимической подготовки по пылепроводу 3 подают угольную аэросмесь 4. Также в первую ступень у ее входа подают плазму 5, генерируемую в плазмотроне 2. Топливную смесь из первой ступени камеры ТХП подают во вторую ступень 7 камеры ТХП. По пылепроводу 14 подают вторую часть 13 исходной аэросмеси данной плазменно-угольной горелки. Она поступает в пылеконцентратор 12, откуда аэросмесь 6 с повышенной концентрацией угля направляют во вторую ступень 7. Из второй ступени камеры ТХП полученную в ней топливную смесь подают в третью ступень 9. Туда же подают слабозапыленный воздух 8, изъятый в пылеконцентраторе 12 из аэросмеси 13. Из третьей ступени топливную смесь подают в топку 11. Также в топку у устья плазменно-угольной горелки подают вторичный воздух по каналу 10.

При наличии второго пылепитателя, подающего угольную пыль во вторую ступень камеры ТХП данной горелки, имеется возможность задавать требуемую концентрацию кислорода на входе второй ступени. Поэтому отпадает необходимость в пылеконцентраторе и, как следствие, отсутствуют слабозапыленный воздух и третья ступень 9 камеры ТХП - фиг.2.

Способ осуществляется следующим образом.

Включают плазмотрон 2, задают расходы пылеугольной аэросмеси 4 - в первую и 13 - во вторую ступени камеры ТХП. Задают расход вторичного воздуха в эту горелку через канал 10. Вытекающая из плазмотрона 2 плазменная струя 5 взаимодействует с поступающей в первую ступень 1 камеры аэромесью и воспламеняет ее. В результате горения части угля эта аэросмесь нагревается, происходит выделение горючих компонентов из угля и частичная газификация коксового остатка. Полученная топливная смесь поступает во вторую ступень камеры ТХП 7, где продолжается ее горение при взаимодействии с воздухом подаваемой в нее «холодной» аэросмеси 6. В результате нагрева угля, поступившего в аэросмеси 6 во вторую ступень, и выделения из него горючих компонентов получают топливную смесь из всей аэросмеси, подаваемой в данную горелку. Далее эту топливную смесь подают в третью ступень камеры ТХП, куда подают часть первичного воздуха 8, изъятую из аэросмеси второй ступени. В результате частичного ее горения температура топливной смеси повышается, утилизируется слабозапыленный воздух и она поступает в топку. При смешении топливной смеси с вторичным воздухом на выходе из устья плазменно-угольной горелки в топку получают горящий пылеугольный факел.

При наличии отдельного пылепитателя в пылепроводе второй ступени камеры ТХП данной горелки пылеконцентратор и третья ступень камеры ТХП отсутствует, фиг.2, и топливная смесь из второй ступени поступает в топку 11, где в результате смешения с вторичным воздухом, поступающим по каналу 10, образуется горящий пылеугольный факел.

Проведенные кинетические расчеты показали, что снижение концентрации кислорода в смеси с газами из первой ступени камеры ТХП ниже 8% сопровождается снижением надежности воспламенения аэросмеси во второй ступени камеры ТХП. Повышение концентрации сверх 10% ведет к повышению во второй ступени температуры коксового остатка частиц угля, поступившего из первой ступени камеры ТХП, выше 1700 К и вероятность шлакования возрастает. Для углей с легкоплавкой золой следует выбирать нижний предел, а для углей с тугоплавкой золой приемлем верхний предел концентрации кислорода в смеси газов на входе второй ступени. Из расчета следует, что концентрация кислорода в смеси газов на входе третьей ступени камеры ТХП при подаче в нее слабозапыленного воздуха, изъятого из аэросмеси второй ступени, в заданных условиях ниже 8% и ее шлакование на основе рассматриваемого эффекта не будет происходить.

Пример 1. Испытания проводились на котле ТП-170 с устройством для растопки, схема которого изображена на фиг.2. Использовался кузнецкий уголь Красногорского месторождения, теплотехнические характеристики которого следующие: теплота сгорания Q_н ^p=21 МДж/кг, выход летучих компонентов на горючую массу V^г=20%, зольность и влажность на рабочую массу А^p=16%, W^p=12%. Температура начала жидкоплавкостного состояния его золы t₃=1590 К. Она относится к группе легкоплавкой золы. Расход угля в первую ступень - 1 т/ч, во вторую - 2 т/ч. Концентрация угля в аэросмеси первой и второй ступени μ=0,5 кг/кг. При мощности плазмотрона 60 кВт на выходе второй ступени получили устойчиво горящий факел с температурой 1300 К. Наблюдалось накопление шлака на внутренней стенке второй ступени. Частицы шлака размером около 10-15 мм эпизодически срывались потоком и выносились из горелки. Осмотр плазменно-угольной горелки после двух часов ее работы показал наличие шлаковых отложений на стенке второй ступени камеры ТХП в области, прилегающей к ее выходу.

Пример 2. Испытания проводились с тем же кузнецким углем и устройством для растопки котла, изображенным на фиг.1. Расход угля остался неизменным: в первую ступень - 1 т/ч, во вторую - 2 т/ч. Концентрация угля в аэросмеси первой ступени и на входе пылеконцентратора μ=0,5 кг/кг. Мощность плазмотрона также осталась неизменной - 60 кВт. Расход газа, поступающего из первой ступени во вторую, определяют по известным методикам или расчетам по программе «Плазма-уголь-3» (см. [1]). Для данных условий он составил 2,6 т/ч. Исходя из условия задания концентрации кислорода на входе второй ступени 8% расход первичного воздуха в подаваемой в эту ступень «холодной» аэросмсеси должен быть 1,6 т/ч (μ=1,25 кг/кг). Такой расход воздуха (и концентрация угля в аэросмеси) обеспечивались посредством пылеконцентратора, установленного в пылепроводе подачи аэросмеси во вторую ступень (см. фиг.1). На выходе из горелки в топку наблюдался устойчиво горящий пылеугольный факел, температура которого 1200-1230 К. Признаков шлакования горелки в испытаниях при названных условиях не обнаружено.

Список литературы

1. Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.

2. Перегудов B.C. Расчет плазменной стабилизации горения пылеугольного факела // Теплофизика и аэромеханика. - 2003. - Т.10. - №1. С.123-133.

Изобретение относится к области энергетики. Способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем включает подачу в первую ступень камеры термохимической подготовки (ТХП) части потока пылеугольной аэросмеси, поступающей в данную горелку, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в первую ступень камеры ТХП и воспламенение аэросмеси плазмой, получение топливной смеси в первой ступени камеры ТХП в результате горения части угля и нагрева аэросмеси до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка, подачу полученной топливной смеси во вторую ступень камеры ТХП, подачу во вторую ступень камеры ТХП второй части аэросмеси, поступающей в данную горелку, и ее воспламенение этой топливной смесью, нагрев этой второй части аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка вследствие частичного горения угля, получение в результате этого топливной смеси из всей подаваемой в данную горелку аэросмеси, подачу полученной топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котла, подачу вторичного воздуха из этой горелки в топку с образованием горящего факела. Во вторую ступень камеры ТХП подают аэросмесь с содержанием кислорода таким, чтобы в смеси с газами из первой ступени камеры ТХП его концентрация была в пределах 8-10%. Изобретение позволяет устранить шлакование второй ступени камеры ТХП, обеспечить надежную и безостановочную растопку котла или подсветку факела без использования второго вида топлива. 2 ил.

Способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем, включающий подачу в первую ступень камеры термохимической подготовки (ТХП) части потока пылеугольной аэросмеси, поступающей в данную горелку, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в первую ступень камеры ТХП и воспламенение аэросмеси плазмой, получение топливной смеси в первой ступени камеры ТХП в результате горения части угля и нагрева аэросмеси до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка, подачу полученной топливной смеси во вторую ступень камеры ТХП, подачу во вторую ступень камеры ТХП второй части аэросмеси, поступающей в данную горелку, и ее воспламенение этой топливной смесью, нагрев этой второй части аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка вследствие частичного горения угля, получение в результате этого топливной смеси из всей подаваемой в данную горелку аэросмеси, подачу полученной топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котла, подачу вторичного воздуха из этой горелки в топку с образованием горящего факела, отличающийся тем, что во вторую ступень камеры ТХП подают аэросмесь с содержанием кислорода таким, чтобы в смеси с газами из первой ступени камеры ТХП его концентрация была в пределах 8-10%.