СПОСОБ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ С ЭЛЕКТРОМУФЕЛЕМ ДЛЯ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ УГОЛЬНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2025 года по МПК F23Q5/00 F23D1/02 

Область техники

[0001] Заявленное изобретение относится к области топливной промышленности и энергетики и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и на других аналогичных объектах для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения углеродосодержащих пылевоздушных смесей без использования дополнительных топлив розжига.

Уровень техники

[0002] Известно устройство для поджига и сжигания мелкодисперсного угля в топках котельных установок (патент RU №2 294 486, С 1, МКИ F23D1/00, 2006.01), представляющее собой пылеугольную горелку с завихрителями и стабилизаторами потока предварительно воспламененной пыли, с последующим направлением этого потока в камеру термостабилизации, внутри которой установлены электроды, подключенные к источнику питания для инициации дугового разряда. При включении этого электродугового нагревателя, обеспечивается воспламенение дополнительного объема низкореакционных углей, поступающих в камеру термостабилизации.

[0003] Недостатком такого устройства является высокая удельная энергоемкость электродугового нагревателя и, в связи с этим, необходимость осуществления водяного охлаждения электродов для обеспечения их сохранности, что резко усложняет конструкцию горелки и снижает эксплуатационную надежность. Кроме того, химическая активация пылеугольных частиц в камере термостабилизации происходит за счет термического воздействия дуговой плазмы с температурой до 3000-5000 градусов на примыкающие к дуге потоки топливной смеси. Локальное высокотемпературное воздействие на топливную смесь приводит к взрывообразному испарению минеральных компонентов топлива в этой локальной области с дальнейшей их конденсацией на поверхностях горелочного устройства, что ведет к ошлаковыванию этих поверхностей и снижению эффективности работы горелки, а также к потере ее работоспособности.

[0004] Известно другое устройство для поджига и сжигания пылеугольного и водоугольного топлива в топках котельных установок (патент RU №2 466 331, С 1, МКИ F23D 1/02, F23Q 13/00, F23D 14/12, 2006.01), представляющее собой растопочную угольную горелку, содержащую корпус с излучающей обмуровкой, которая нагревается электрическими нагревателями.

[0005] Недостатком вышеназванного устройства является высокая энергоемкость и длительное время нагрева, требуемые для нагрева электрическими нагревателями массивной обмуровки, имеющей высокую теплоемкость. При этом температура нагрева должна иметь высокие значения, т.к. воспламенение топливовоздушной смеси, пропускаемой через горелку может быть осуществлено только за счет термической активации. Кроме того, при таком способе воспламенения возникает риск попадания в холодную топку существенных объемов несгоревшей пыли при начальном периоде растопки, что повышает риски взрыва накопившейся холодной пыли в объеме топки.

[0006] Другим близким к заявляемому изобретению можно считать решение сжигания топливовоздушных угольных смесей и устройство для реализации способа с использованием электроионизационного воспламенителя (патент RU №2 731 081, С 1, МКИ F23Q 5/00, F23D 1/02, 2006.01), выбранные в качестве прототипа, в которых используется электроионизационное воспламенение на начальном этапе разогрева горелки на участке с низкой теплоемкостью, что обеспечивает высокую скорость разогрева горелки из холодного состояния.

[0007] Недостатком такого способа и устройства является ограничение возможности его использования при низкой доле содержания летучих компонентов в пылеугольной смеси (тощие угли и антрациты) или при высокой доле негорючего балласта в пылеугольной смеси (высокозольные угли). При таких химических составах пылеугольной смеси не обеспечивается устойчивого воспламенения при использовании данного способа и устройства.

Сущность изобретения

[0008] Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков путем использования локального активирующего воздействия отдельно на пылевую топливную составляющую и отдельно на воздушный окислитель, с использованием разных механизмов активации этих составляющих, с дальнейшим перемешиванием топлива и окислителя уже в активном химическом состоянии, что обеспечивает воспламенение топлива из холодного состояния горелки при низком составе летучих компонентов и высоком уровне негорючего балласта в топливе.

[0009] Технический результат достигается способом электроионизационного воспламенения с электромуфелями для факельного сжигания углеродосодержащей пылевоздушной смеси, заключающимся в том, что внутри горелки создают электрический диффузионный разряд в зоне воспламенения факела, подают углеродосодержащую пылевоздушную смесь в зону воспламенения факела на участке с низкой теплоемкостью конструкции горелки и осуществляют факельное сжигание. Согласно изобретению, процесс воспламенения факела осуществляют путем разделения подачи пылевой части и первичного воздуха углеродосодержащей пылевоздушной смеси, с направлением пылевой части непосредственно на разогретую до высокой температуры в 550-950°С поверхность электромуфелей, размещаемых внутри горелки, с одновременной ионизацией потока первичного воздуха в электрическом диффузионном разряде и последующем перемешивании ионизированного воздуха и нагретой электромуфелями пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси.

Также технический результат достигается устройством электроионизационного воспламенения с электромуфелями для факельного сжигания углеродосодержащей пылевоздушной смеси, содержащим цилиндрический корпус, имеющий камеру воспламенения, пылепровод пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и воздухопровод первичного воздуха, примыкающие тангенциально к корпусу и перпендикулярно оси корпуса, блок стержневых электродов для генерирования электрического диффузионного разряда, вставленный в воздухопровод первичного воздуха. Согласно изобретению, внутри камеры воспламенения, напротив ввода пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси, расположены электромуфели, внутри корпусов которых размещены электронагревательные элементы, пылевую часть подают непосредственно из пылепровода в зону контакта с разогретыми поверхностями электромуфелей, с охватом этой зоны контакта, зоной омывания электромуфелей первичным воздухом, прошедшим через ионизирующую область электрического диффузионного разряда, с дальнейшим перемешиванием нагретой пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и ионизированного воздуха.

Описание чертежей

[0010] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[0011] Фиг.1. На этой фигуре показан общий вид варианта расположения электромуфелей вдоль оси горелочного устройства. Цифрой 1 обозначен корпус горелки; цифрой 2 – пылепровод; цифрой 3 – поток пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси; цифрой 4 - пылепитатель.; цифрой 5 - корпуса электромуфелей; цифрой 6 - электронагревательные элементы; цифрой 7 – воздухопровод; цифрой 8 – поток первичного воздуха; цифрой 9 – регулирующая арматура; цифрой 10 – блок стержневых электродов; цифрой 12 - факел.

[0012] Фиг.2. На этой фигуре показан вид сбоку (Вид А) варианта расположения электромуфелей вдоль оси горелочного устройства. Цифрой 5 – показано расположение корпусов электромуфелей в поперечной сечении горелки; цифрой 11 – зону инициации электрического диффузионного разряда.

[0013] Фиг.3. На этой фигуре показан общий вид варианта расположения электромуфелей перпендикулярно оси горелочного устройства. Другое расположение корпусов электромуфелей показано цифрой -5.

[0014] Фиг.4. На этой фигуре показан вид сбоку (Вид А) варианта расположения электромуфелей перпендикулярно оси горелочного устройства. Другое расположение корпусов электромуфелей показано цифрой -5, а электронагревательных элементов цифрой - 6.

Подробное описание изобретения

[0015] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

[0016] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[0017] К цилиндрическому корпусу горелки 1, тангенциально к его образующей, пристыкован ввод пылепровода 2, по которому в горелку подается пылевая часть углеродосодержащей пылевоздушной смеси 3 от пылепитателя 4. Напротив ввода пыли расположены трубчатые корпуса электромуфелей 5, прикрепленные к глухому торцу корпуса горелки и вытянутые вдоль оси корпуса горелки (см.фиг.1, 2), либо прикрепленные к цилиндрическим стенкам поперек оси корпуса горелки (см.фиг.3,4). Внутри корпусов электромуфелей установлены электронагревательные элементы 6.

[0018] В другой части цилиндрического корпуса горелки 1, тангенциально к его образующей, пристыкован воздухопровод 7 первичного воздуха 8 с регулирующей арматурой 9. Воздухопровод конструктивно объединен с блоком 10 стержневых электродов, инициирующим электрический диффузионный разряд 11 во внутренней полости горелки, в зоне омывания первичным воздухом 8 поверхности электромуфелей 5. В результате перемешивания активированных потоков пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и первичного воздуха, в зоне, примыкающей к разряду по ходу спирали вдоль оси корпуса, обеспечивается воспламенение и формирование факела 12 во внутренней полости корпуса горелки со стороны открытого торца.

[0019] Растопочная горелка работает следующим образом. На холодной горелке открывается регулирующая арматура 9 для подачи первичного воздуха 8 во внутреннюю полость корпуса горелки 1. От специализированного источника питания подается напряжение на блок 10 стержневых электродов и в зоне 11 инициируется электрический диффузионный разряд. Под воздействием этого разряда происходит последовательно диссоциация молекул, составляющих первичного воздуха 8, с формированием сначала свободных атомов азота, кислорода, водорода и далее ионизация атомов с последующим формированием ионов этих же газов. Полученная газовая среда имеет очень высокую химическую активность. Далее включается пылепитатель 4, который обеспечивает подачу пыли 3 во внутреннюю полость корпуса 1 горелки. При контакте частиц пыли с высокоактивированными газовыми составляющими первичного воздуха в зоне действия электрического разряда 11 происходит выделение летучих компонентов из состава пыли и инициируются реакции окисления углерода и водорода пыли при столкновении их с атомами и ионами кислорода воздуха. Одновременно в таких цепных реакциях принимают участие атомы кислорода и водорода в составе летучих пыли. В результате таких цепных химических реакций происходит выделение тепла, которое дополнительно ускоряет эти реакции с переводом всего процесса в «автотермический режим», что заканчивается воспламенением угольной пыли и устойчивым горением факела 12 в горелке.

[0020] Однако, в случае низкого содержания летучих компонентов (при использования тощих углей и антрацитов) или высокого уровня содержания негорючего балласта (при использовании высокозольных углей), «автотермический режим» не формируется и устойчивого воспламенения не происходит, по причине нехватки масс реагентов или избытка массы балласта. Для исправления создавшейся ситуации необходимо дополнительно обеспечить окисление коксового остатка пыли, остающегося после выхода летучих компонентов, который имеет высокую температуру воспламенения и которая для углей с разными морфологическими свойствами может иметь значения в диапазоне 650-950°С. Для инициации процесса окисления коксового остатка во внутренней полости корпуса 1 горелки размещаются электромуфели 5, обеспеченные возможностью нагрева до необходимых температур 650-950°С. В результате при непосредственном контакте пыли 3 с нагретой поверхностью электромуфелей 5 частицы успевают прогреваться до температур, позволяющих им вступить в реакцию окисления в химически активной среде окислителя, представляющего собой атомизированный и ионизированный кислород.

[0021] Таким образом, для реализации всего комплекса мер по обеспечению воспламенения пыли с низким уровнем летучих компонентов и высоким уровнем негорючего балласта, перед подачей пыли высокой концентрации 3 при помощи пылепитателя 4, включаются электронагревательные элементы 6, с прогревом поверхности электромуфелей 5 до требуемой температур 650-950°С. В результате после включения пылепитателя 4 и подачи в горелку пыли 3, частички пыли начинают вращаться по спирали в зоне расположения электромуфелей 5 с регулярным столкновением с нагретыми поверхностями электромуфелей. Нагретая за счет таких столкновений угольная пыль, после выхода летучих компонентов в ионизированной среде разряда, превращается в нагретый коксовый остаток. Далее в ходе перемешивания потоков нагретые частички коксового остатка контактируют с атомами и ионами кислорода, воспламеняются и стимулируют развитие «автотермического режима» воспламенения и устойчивого горения факела 12 за счет реакций окисления коксового остатка.

[0022] После обеспечения устойчивого воспламенения и горения факела горелки можно повышать тепловую мощность горелки, увеличивая производительность подачи пыли и первичного воздуха.

[0023] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения пылеугольных и водоугольного топливных смесей без использования дополнительных топлив розжига. Устройство электроионизационного воспламенения с электромуфелями для факельного сжигания углеродосодержащей пылевоздушной смеси содержит цилиндрический корпус, имеющий камеру воспламенения, пылепровод пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и воздухопровод первичного воздуха, примыкающие тангенциально к корпусу и перпендикулярно оси корпуса, блок стержневых электродов для генерирования электрического диффузионного разряда, вставленный в воздухопровод первичного воздуха. Внутри камеры воспламенения, напротив ввода пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси, расположены электромуфели, внутри корпусов которых размещены электронагревательные элементы, пылевую часть подают непосредственно из пылепровода в зону контакта с разогретыми поверхностями электромуфелей, с охватом этой зоны контакта, зоной омывания электромуфелей первичным воздухом, прошедшим через ионизирующую область электрического диффузионного разряда, с дальнейшим перемешиванием нагретой пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и ионизированного воздуха. Изобретение позволяет обеспечить качественное перемешивание химически активированных потоков нагретой электромуфелями пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и ионизированного электрическим разрядом первичного воздуха. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ электроионизационного воспламенения с электромуфелями для факельного сжигания углеродосодержащей пылевоздушной смеси, заключающийся в том, что внутри горелки создают электрический диффузионный разряд в зоне воспламенения факела, подают углеродосодержащую пылевоздушную смесь в зону воспламенения факела на участке с низкой теплоемкостью конструкции горелки и осуществляют факельное сжигание, отличающийся тем, что процесс воспламенения факела осуществляют путем разделения подачи пылевой части и первичного воздуха углеродосодержащей пылевоздушной смеси, с направлением пылевой части непосредственно на разогретую до высокой температуры 550-950°С поверхность электромуфелей, размещаемых внутри горелки, с одновременной ионизацией потока первичного воздуха в электрическом диффузионном разряде и последующим перемешиванием ионизированного воздуха и нагретой электромуфелями пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси.

2. Устройство электроионизационного воспламенения с электромуфелями для факельного сжигания углеродосодержащей пылевоздушной смеси, содержащее цилиндрический корпус, имеющий камеру воспламенения, пылепровод пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и воздухопровод первичного воздуха, примыкающие тангенциально к корпусу и перпендикулярно оси корпуса, блок стержневых электродов для генерирования электрического диффузионного разряда, вставленный в воздухопровод первичного воздуха, отличающееся тем, что внутри камеры воспламенения, напротив ввода пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси, расположены электромуфели, внутри корпусов которых размещены электронагревательные элементы, пылевую часть подают непосредственно из пылепровода в зону контакта с разогретыми поверхностями электромуфелей, с охватом этой зоны контакта, зоной омывания электромуфелей первичным воздухом, прошедшим через ионизирующую область электрического диффузионного разряда, с дальнейшим перемешиванием нагретой пылевой части углеродосодержащей пылевоздушной смеси и ионизированного воздуха.