СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТРУДНОВОСПЛАМЕНЯЕМЫХ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ ПРИ РАСТОПКЕ КОТЛА Российский патент 2024 года по МПК F23Q5/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и сжигания пылеугольных смесей с малым количеством летучих, высокой зольностью, влажностью, водо-угольных топлив и других трудновоспламеняемых органических топливовоздушных смесей без использования дополнительных топлив розжига.

Известен способ электродугового розжига паро-мазутной форсунки и устройство для его осуществления, (патент RU 2514534 С2, F23Q 5/00, 2006.01.) включающие перемещение электродов запала специальным приводным механизмом в зону подачи паро-мазутной смеси в топке котла, с подачей на электроды высоковольтного напряжения, инициацией электродугового разряда, соприкосновения плазмы разряда со струей паро-мазутной топливной смеси и ее воспламенение.

Недостатком указанного способа является краткосрочность времени работы запального устройства в зоне воспламенения вследствие риска выгорания электродов и выхода запальника из строя. Для обеспечения сохранности электродного блока запальника используется специальный приводной механизм, при помощи которого сразу после воспламенения электродный блок убирается из зоны воспламенения. Кроме того, с целью сохранности электродного блока в процессе воспламенения он располагается в корневой зоне факела с минимизацией контакта электродов с воспламеняемым топливом, что обеспечивает возможность воспламенения только для легко-воспламеняемых топлив типа мазут или углеводородные газы. Использовать такой способ и устройство для растопки котлов на пылеугольном топливе или другом трудновоспламеняемом органическом топливе невозможно, поэтому оно используется только как запальник мазутного факела. В качестве базового механизма эмиссии электронов, являющихся инициаторами формирования плазмы в этом запальнике, является механизм термоэлектронной эмиссии с поверхности катода, который находится в условиях локальной эрозии поверхности при ограниченной токовой нагрузки короткой электрической дуги.

Известны способы плазменно-угольной безллазутной растопки пылеугольного котла и устройства для их реализации описанные в патенте RU 2339878 С2 (F23Q 5/00, F23D 1/00, 2006.01.) вместе с аналогами и прототипами к этому патенту. Основой всех этих способов и устройств является использование плазменно-угольных горелок, в состав которых входят плазматроны, генерирующие низкотемпературную плазму электрической дуги постоянного тока, с подачей струи этой плазмы в камеру термохимической подготовки, где происходит воспламенение топливовоздушной смеси при контакте с этой плазмой и с последующим формированием факела горелки. Недостатками этих способов и устройств является использование плазматронов постоянного тока, формирующих электродуговой разряд постоянного тока, плазма которого обеспечивает воспламенение топливной смеси. Электрическая дуга в таком плазматроне имеет высокую температуру 3000-5000°С, формирующуюся внутри плазматрона, что требует специальных технических решений для обеспечения конструктивной надежности узлов плазматрона с использованием водяного охлаждения. Кроме того, для формирования струи плазмы выдуваемой из сопла плазматрона в камеру воспламенения требуется поддержание дуги существенной протяженности до 100-200 мм, для чего необходимы высокие мощности источника питания - 100-200 кВт. В качестве базового механизма эмиссии электронов, являющихся инициаторами формирования плазмы в таких плазматронах, является механизм термоэлектронной эмиссии с поверхности водоохлаждаемого катода, который находится в условиях локальной эрозии его поверхности. В случае нарушения условий эффективности охлаждения катода или локального его перегрева при нестабильном горении дуги, катод прожигается и выходит из строя. Воспламенение угольной пыли происходит за счет контакта ее частиц с горячей струей плазмы выдуваемой в камеру воспламенения, в локальном объеме. Воздействие плазмы на газовую составляющую ограничено, в частности на кислород, участвующий в реакциях окисления топлива. Вторичная эмиссия электронов в объеме газа за счет ионизации атомов газа не развивается по причине низкого уровня напряженности электрического поля в пространстве плазмы электродугового разряда, т.к. плазмотроны работают в режиме низкого напряжения и высокого тока источника питания.

Известно устройство плазменного воспламенения пылеугольного топлива (патент RU 2410603 C1, F23Q 5/00, F233D 13/00, 2006.01.), выбранное в качестве прототипа, содержащее корпус горелки, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха. При этом электрическую дугу инициируют подачей на стержневые электроды напряжения высокой частоты в диапазоне 1-20 кГц. Рабочий ток электрической дуги поддерживают на уровне, исключающем существенную эрозию электродов, что обеспечивает работу электродов без замены.

Недостатком этого устройства является практическое исключение термоэлектронной эмиссии с поверхности электродов для формирования плазмы газового разряда. Возможность существования самостоятельного газового разряда в таких условиях обеспечивается только вторичной электронной эмиссией при ионизации атомов газа топливовоздушной смеси. Снижение общей эмиссии электронов в объеме существования газового разряда (в результате исключения термоэлектронной эмиссии), с существенным уменьшением термического воздействия на топливовоздушную смесь ограничивает возможности воспламенения таким устройством трудновоспламеняемых топлив, включающих угольную пыль с низким уровнем летучих и высоким уровнем зольности, а также водо-угольного топлива и других трудновоспламеняемых органических топлив.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков за счет способа плазменного воспламенения топливовоздушной смеси, заключающегося в том, что топливовоздушную смесь подают в камеру воспламенения горелки, генерируют низкотемпературную плазму в полости горелки посредством базовой части электродов, воспламеняют топливовоздушную смесь при контакте с плазмой и формируют после воспламенения первичный факел горелки и далее сжигают в топке котла, генерации низкотемпературной плазмы в полости горелки посредством базовой части электродов, воспламеняют топливовоздушную смесь при контакте с плазмой и формируют после воспламенения первичный факел горелки и далее сжигают в топке котла. К базовой части электродов присоединяют расходные электроды, выполненные составными с расходной частью из тугоплавкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, генерацию низкотемпературной плазмы осуществляют в электрическом разряде переходной формы за счет управляемого взаимодействия двух физических процессов эмиссии электронов в газовом разряде, включающих термоэлектронную эмиссию во внешнюю среду с поверхности горячих катодных пятен расходных электродов с перегревом торцов расходных электродов до температуры локального подплавления материала расходных электродов и вторичную электронную эмиссию при ионизации атомов газа топливовоздушной смеси в межэлектродном пространстве, с одновременным блокированием перехода газового разряда в чисто дуговую форму и сохранения диффузионных свойств рассеяния энергии разряда.

Использование тугоплавкого материала для расходной части составных электродов с низким коэффициентом теплопроводности (например вольфрам) максимально способствует такому перегреву торцов электродов в зоне контактных пятен при отношении длины к диаметру более чем 7:1. При этом неохлаждаемые электроды из вольфрама при воспламенении топлива нагреваются до температуры горения топлива 900-1300°С, что является допустимым для их конструктивной прочности. Одновременно с этим обеспечивается термическая активация вновь поступающей топливовоздушной смеси, омывающей расходную часть электродов, за счет прямого контакта разогретой поверхности электродов и топливной смеси. Уровень амплитуды рабочего напряжения высоковольтного источника питания выбирается регулируемым с амплитудой более 2 кВ, достаточной для инициации процессов вторичной электронной эмиссии газов топливовоздушной смеси в процессе ионизации их атомов в межэлектродном пространстве. Для того, чтобы блокировать процесс лавинообразного развития термоэлектронной эмиссии, приводящего без усиленного охлаждения к быстрому плавлению электродов, используется источник питания переменного тока с частоты более 1 кГц. В результате использования источника питания переменного тока повышенной частоты процесс лавинообразного нарастания термоэлектронной эмиссии с катодных пятен регулярно прерывается сменой полярности и не дает разряду перейти в шнуровую форму, сохраняя его диффузионные свойства рассеяния энергии.

В результате влияния всех перечисленных эффектов в плазменном объеме газового разряда резко повышается концентрация электронов. При этом в камере воспламенения формируется зона с повышенным содержанием электронов, ионов, атомов и радикалов из состава топливовоздушной смеси, которая воспламеняется из холодного состояния. Источниками электронов эмитируемыми в межэлектродное пространство являются поверхность катодных пятен на расходной части электродов и молекулы газа топливовоздушной смеси омывающие эти электроды. При описанных условиях возможно, например, воспламенение угольной пыли с низким содержанием летучих или высоким содержанием золы и влажности, воспламенение водо-угольного топлива в аэрозольном состоянии, а также воспламенение органических топливных смесей. Примером органических топливных смесей могут быть комбинации смесей из сероводорода, метанола, диметилсульфида, метилмеркаптана, скипидара, которые можно воспламенять предлагаемым способом без использования дополнительного реакционного топлива.

Технический результат достигается путем создания специальной конструкции горелки, содержащей корпус, внутри которого, со стороны глухого торца, располагается камера воспламенения. В зоне камеры воспламенения к корпусу тангенциально пристыкованы ввода топливопровода и трубопровода воздуха, обеспечивающими тангенциальное закручивание топливовоздушной смеси вдоль оси камеры воспламенения от глухого торца корпуса горелки в сторону свободного торца идущего к топке. При этом, в полости камеры воспламенения размещается электродный блок с составными электродами, включающими базовую и расходную части. Составные электроды подключены к специализированному источнику питания. Каждый составной электрод имеет базовое основание, размещаемое за пределами камеры воспламенения в потоке вторичного воздуха и отъемную расходуемую часть, размещаемую в полости камеры воспламенения в зоне воспламенения топливовоздушной смеси. Отъемная расходуемая часть электродов выполняется из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, например вольфрама или молибдена. Отношение длины к диаметру отъемной части должно быть более чем 7:1, что обеспечивает устойчивое формирование горячих катодных пятен на торцах расходуемых электродов с их частичным подплавлением и активной термоэлектронной эмиссией с поверхности при инициации электрического разряда между электродами. Рабочее напряжение специализированного источника питания выбирается более 2 кВ с частотой более 1 кГц.

Изобретение поясняется чертежом с вариантом конструктивного исполнения, представленным на фиг. 1. и фиг. 2. Пояснение того, что изображено на фиг. 1 и фиг. 2 приведено ниже.

В корпусе 1 к его глухому торцу 2 примыкает камера воспламенения, в зоне которой тангенциально к корпусу и перпендикулярно его оси пристыкован топливопровод 3, через который в камеру воспламенения подается пылеугольное топливо 4 с сопутствующим первичным транспортирующим воздухом из топливоподающего устройства 5. В этом же сечении тангенциально к корпусу 1 пристыкован трубопровод воздуха 6, через который в камеру воспламенения подается вторичный воздух 7. Объем подачи вторичного воздуха регулируется арматурой 8. В трубопроводе вторичного воздуха размещаются базовая часть электродов 9, которая омывается и охлаждается вторичным воздухом 7. К базовой части электродных блоков 9 пристыковываются расходные электроды 10 из тугоплавкого материала, размещаемые в полости камеры воспламенения, в объеме воспламенения топливовоздушной смеси. К базовой части электродов 9 подключается специализированный источник питания 11. Торцы расходных электродов 10 формируют зону термоэлектронной эмиссии 12 с торцевой поверхности электродов в газовый разряд. Зона объема воспламенения 13, вместе со спиральным потоком топливовоздушной смеси 15, формируют выходящий из корпуса горелки факел 14.

Способ осуществляется следующим образом.

Топливовоздушную смесь подают в камеру воспламенения горелки. На горелке в холодном состоянии открывается регулирующая арматура 8 для подачи вторичного воздуха 7 во внутреннюю полость корпуса горелки 1. От специализированного источника питания 11 подается напряжение на электродный блок 9 и в зоне 12 инициируется электрический диффузионный разряд на торцах расходных электродов 10. В связи с низким коэффициентом теплопроводности расходных электродов 10 их торцы быстро перегреваются с появлением катодных пятен и началом процесса подплавления с лавинообразным развитием термоэлектронной эмиссии в межэлектродное пространство газового разряда. В связи с повышенной частотой напряжения источника питания более 1 кГц следует постоянная смена полярности катодной части электродов, что приводит к стабилизации процесса термоэлектроннной эмиссии и блокированию процесса шнурования электрического разряда за счет диффузионного рассеяния энергии разряда. Одновременно в межэлектродном пространстве идут процессы вторичной электронной эмиссии при ионизации газовой составляющей вторичного воздуха за счет амплитуды регулируемого высокого напряжения более 2 кВ. Таким образом, формируется стабильная форма самостоятельного газового разряда переходной формы с одновременным участием в эмиссии электронов в разряд за счет механизма термоэлектронной эмиссии с поверхности расходных подплавляемых электродов и вторичной электронной эмиссии из газовой составляющей в межэлектродном пространстве. Далее включается топливоподающее устройство и в камеру воспламенения подается топливо 4 через топливопровод 3. На спиральной траектории 15 топливо смешивается с воздушной плазмой газового разряда в объеме 13, где происходит реакция окисления и воспламенения топливовоздушной смеси из холодного состояния. Постепенно температура расходной части электродов достигает температуры горения топлива 900-1300°С, чем обеспечивается дополнительная термическая активация вновь поступающих порций холодного воздуха и топлива за счет омывания нагретой поверхности расходуемых электродов. Активное воспламенение топливовоздушной смеси в объеме 13 приводит к формированию устойчивого горения факела 14. По мере подплавления торцевых участков расходуемых электродов 10 они расходуются с расчетной скоростью. Расчетная скорость определяется параметрами источника питания и геометрией электродов 10 и соотносится с технологическим режимом работы топки. По мере выхода горелки на стабильный режим обеспечивается прогрев стенок корпуса 1 до температур «муфелизации» - процесса термической активации топливовоздушной смеси в полости горелки за счет радиационно-конвективного воздействия нагретых стенок горелки. Температура эффекта «муфелизации» стенок горелки для трудновоспламеняемых пылеугольных и органических топлив может составлять 500-800°С. После выхода горелки в режим «муфелизации» и после полного сгорания расходной части электродов 10, воспламенение топливовоздушной смеси поддерживается за счет плазмы газового разряда формирующего на базовой части электродов 9 и термической активации нагретых стенок корпуса 1 (эффект «муфелизации»). После остановки процесса топки и ее охлаждения, для возобновления процесса воспламенения из холодного состояния, устанавливаются новые расходные электроды 10 в базовую часть электродов 9 и процесс воспламенения повторяется.

Таким образом, для реализации комплекса мер по обеспечению воспламенения трудновоспламеняемых топлив из ассортимента пылеугольных топлив водо-угольных топлив или трудновоспламеняемых органических топливных смесей, предложен способ и устройство плазменного воспламенения в газовом разряде переходной формы с одновременной эмиссией электронов в межэлектродное пространство с поверхности торцов расходуемых тугоплавких электродов и вторичной электронной эмиссии за счет ионизации газов в межэлектродном пространстве.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и сжигания пылеугольных смесей с малым количеством летучих, высокой зольностью, влажностью, водо-угольных топлив и других трудновоспламеняемых органических топливовоздушных смесей без использования дополнительных топлив розжига. Горелка для плазменного воспламенения топливовоздушной смеси содержит корпус, тангенциальный топливопровод для подачи топливной смеси, тангенциальный трубопровод для подачи вторичного воздуха, в котором размещена базовая часть электродов, камеру воспламенения и источник питания. К базовой части электродов присоединены расходные электроды, выполненные составными с расходной частью из тугоплавкого материала с низким коэффициентом теплопроводности и отношением длины к условному диаметру на расходуемой части более чем 7:1, расходная часть размещена в полости камеры воспламенения топливовоздушной смеси, рабочее напряжение источника питания более 2 кВ с возможностью регулирования, а частота напряжения источника питания составляет более 1 кГц.

Изобретение позволяет в камере воспламенения сформировать зону с повышенным содержанием электронов, ионов, атомов и радикалов из состава топливовоздушной смеси, которая воспламеняется из холодного состояния их ввода. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ плазменного воспламенения топливовоздушной смеси в горелке, заключающийся в том, что топливовоздушную смесь подают в камеру воспламенения горелки, генерируют низкотемпературную плазму в полости горелки посредством базовой части электродов, воспламеняют топливовоздушную смесь при контакте с плазмой и формируют после воспламенения первичный факел горелки, и далее сжигают в топке, отличающийся тем, что к базовой части электродов присоединяют расходные электроды, выполненные составными с расходной частью из тугоплавкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, генерацию низкотемпературной плазмы осуществляют в электрическом газовом разряде переходной формы за счет управляемого воздействия двух физических процессов эмиссии электронов в газовый разряд, включающих термоэлектронную эмиссию с поверхности горячих катодных пятен расходных электродов в межэлектродное пространство с перегревом торцов расходных электродов до температуры локального подплавления материала расходных электродов и вторичную электронную эмиссию при ионизации атомов газа топливовоздушной смеси в межэлектродном пространстве, с одновременным блокированием перехода электрического газового разряда в чисто дуговую форму и сохранения диффузионных свойств рассеяния энергии разряда.

2. Горелка для плазменного воспламенения топливовоздушной смеси, содержащая корпус, тангенциальный топливопровод для подачи топливной смеси, тангенциальный трубопровод для подачи вторичного воздуха, в котором размещена базовая часть электродов, камеру воспламенения и источник питания, отличающаяся тем, что к базовой части электродов присоединены расходные электроды, выполненные составными с расходной частью из тугоплавкого материала с низким коэффициентом теплопроводности и отношением длины к условному диаметру на расходуемой части более чем 7:1, расходная часть размещена в полости камеры воспламенения топливовоздушной смеси, рабочее напряжение источника питания более 2 кВ с возможностью регулирования, а частота напряжения источника питания составляет более 1 кГц.