ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПЫЛЕВИДНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована при проектировании новых, ремонте и модернизации действующих котлов.
Известна растопочная пылеугольная горелка с подачей пылевоздушной смеси по оси горелки, снабженная электрическим нагревателем для зажигания топливной смеси, приведена в патенте N 12743 (СССР). В корпусе этой растопочной пылеугольной горелки вдоль его оси дополнительно установлены с радиальными зазорами три обечайки, в которых происходит ступенчатое сжигание твердого топлива.
В заявке Великобритании N 1585943 приведена система зажигания пылевидного угля с электродуговым подогревом. Часть воздуха подогревается в отдельном устройстве электродуговым разрядом и подается в камеру сгорания в виде высокотемпературной струи для зажигания пылевидного угля, транспортируемого потоком воздуха. Положение дуги регулируют с помощью магнитного поля, создаваемого катушкой. Уголь, поступающий в камеру сгорания, распределяется аксиально подвижным устройством, дополнительный воздух подают через регулирующие лопатки.
В растопочных пылеугольных горелках, разработанных в ГДР (патент 156544 и патент 238176) угольная пыль к растопочным горелкам транспортируется паровоздушной смесью. При транспортировке угольная пыль, смешиваясь с паровоздушной смесью, имеющей более высокую температуру, предварительно подогревается, что способствует устойчивому воспламенению топливной смеси в растопочной горелке. Для обеспечения устойчивого воспламенения и горения угольной пыли в горелке используют мазутную форсунку или газовую запальную горелку. Часть воздуха, необходимая для полного сгорания угольной пыли (вторичный воздух), подается непосредственно в туннель (муфель) горелки. При использовании пара для транспортировки и прогрева угольной пыли, а также при подаче вторичного воздуха в горелку надежное устойчивое воспламенение и горение топливной смеси возможны в условиях использования очень сухой и тонкого помола пыли при достаточно мощной запальной форсунке.
В другой известной растопочной пылеугольной горелке (патент N 4614492, США) подачу угольной пыли осуществляют в цилиндрическую часть корпуса горелки тангенциально к ее внутренней поверхности. Форсунка жидкого топлива располагается по оси горелки в центре ее задней стенки. Вторичный воздух подают в зону горения первичной пылевоздушной смеси. Конструкция горелки выполнена таким образом, что основная часть топлива сгорает в самой горелке, а в топку выходят горячие дымовые газы и небольшая часть несгоревшей угольной пыли.
Известна пылеугольная горелка по патенту США N 4466363 (Способ сжигания пылевидного топлива, МПК: F23D 1/00, опуб. 21.08.1984 г). Она содержит запальник и вспомогательную горелку, являющуюся внутренней трубой горелки, а также - основную - внешнюю - кольцевую горелку. Воспламенение угольной пыли производят запальником с газообразным или жидким топливом во вспомогательной горелке. После того как угольная пыль устойчиво загорится во вспомогательной горелке, угольную пыль начинают подавать в основную, внешнюю по отношению к внутренней, кольцевую факельную горелку. Вторичный воздух подают по периферии горелки у ее выходной горловины.
Недостатком известных способов и устройств является малый диапазон регулирования производительности (мощности) горелки, что приводит к высокой концентрации вредных веществ в уходящих в атмосферу газов.
Задачей заявленной полезной модели является увеличение диапазона регулирования производительности (мощности) горелки при получении топливной смеси, образующей при горении в топке минимум вредных веществ.
Поставленная задача решается за счет того, что горелка для сжигания пылевидного топлива перед подачей горячей смеси в топку содержит модуль подготовки топливной смеси, сообщающийся одним концом с топкой, а другим концом с плазмотроном, линии подвода в указанный модуль пылевидной топливной смеси и воздуха, линию подвода в топку вторичного воздуха и электрические нагреватели модуля подготовки топливной смеси..
Плазмотрон при этом является высокотемпературным источником тепла для осуществления газификации (пиролиза) топливной смеси при недостатке кислорода и для получения высокотемпературного, частично газифицированного топливного потока. Таким образом в модуле подготовки топливной смеси преобразуют обычную топливную смесь в топливную смесь, имеющую увеличенное количество газа (продуктов пиролиза), которую и подают в топку.
Краткое описание процесса пиролиза.
Термические превращения угля начинаются при температурах около 2000°С. Однако уже при нагревании до 1200°С выделяются (физически связанная влага, адсорбируемые углем газы (диоксид углерода, метан, компоненты воздуха). При температурах более 2000°С начинается выделение воды, образующейся при термическом разложении органической массы угля и диоксида углерода. Это является результатом химических превращений, затрагивающих в основном внешние полярные группы.
В диапазоне 2500-3250°С процессы разложения угольного вещества усиливаются. Идет интенсивное выделение паров воды, диоксида углерода, выделяется некоторое количество сероводорода и органических соединений серы. На этой стадии заметно уменьшается содержание кислорода в угле, особенно в угле ранней стадии метаморфизма. В этом температурном интервале идет расщепление химических связей на концевых участках макромолекул угля. Глубоких изменений внутренней структуры органической массы угля еще не происходит.
При температурах выше 3500°С начинается разложение основной органической массы угля. Макромолекулы угля расщепляются с образованием коротко живущих свободных радикалов, претерпевающих рекомбинацию и переходящие при этом в стабильные системы. При этом процессы рекомбинации развиваются в двух конкурирующих направлениях: образование высоко конденсированных твердых продуктов, различающихся повышенным содержанием углерода и низким - водорода, и образование жидких и газообразных (летучих) продуктов, обогащенных водородом. Между этими группами продуктов и происходит перераспределение водорода в ходе термического разложения. Наибольшее количество ненасыщенных и нестабильных продуктов разложения угля образуется в диапазоне 3500-5000°С.
Газификация (пиролиз) топливной смеси позволяет увеличить теплотворную способность части исходной топливной смеси и стабилизировать горение факела, что в свою очередь позволяет расширить диапазон нагрузки горелки и разгружать котел до 30-40% от номинальной нагрузки при неизменном стабильном воспламенении и выгорании топлива в топке котла.
После растопки при достижении 50% нагрузки котла плазматрон отключается, и разогрев модуля подготовки топливной смеси горелки до 800-900°С обеспечивают установленные по его окружности электрические нагреватели - ТЭНы.
Устройство поясняется схематическим изображением.
Устройство содержит модуль подготовки топливной смеси 1, сообщающийся одним концом с топкой 2, а другим концом посредством фланцевого соединения 3 - с плазмотроном 4. В непосредственной близости от фланцевого соединения 3 к модулю 1 подсоединены линия 5 подачи воздуха и линия 6 подачи пылевидного угля. На корпусе модуля 1 также расположены электрические нагреватели (ТЭНы) 7. К топке 2 подсоединена линия 8 подачи вторичного воздуха для обеспечения основного горения топливной смеси.
3
Для плазменной растопки и поддержания горения на низких нагрузках котла можно использовать плазматроны постоянного тока (например типа DLZ-200). Для создания плазмы используют сжатый воздух. Воздух подают от высоконапорного вентилятора (не показан). Давление воздуха составляет 5-20 кПа, расход на один плазмотрон - 60 м/ч.
Мощность плазмотрона 4 можно регулировать в диапазоне 80-200 кВт, что очень важно для влияния на количество вредных веществ в уходящих из топки 2 газов.
Описание работы горелки:
При эксплуатации пылеугольных котлов их растопку и стабилизацию горения факела в нем осуществляют с использованием мазута или газа.
Горелочное устройство с расходом топлива 5-15 т/час (в зависимости от нагрузки котла) работает следующим образом.
Включают плазмотрон 4 постоянного тока, состоящий из анода и катода, которые образуют электрическую дугу. Для создания плазмы (ионизированного газа) используют сжатый воздух. При подаче напряжения, возникает электрическая дуга между катодом и анодом и, воздействуя на сжатый воздух, образует ионизированный газ - низкотемпературную плазму.
Низкотемпературная плазма прогревает модуль подготовки топливной смеси (МПТ) 1 горелки. После прогрева МПТ 1 до температуры самовоспламенения топливной смеси, по линии 6 в него при недостатке воздуха подают угольную пыль, где она, взаимодействуя с низкотемпературной плазмой, создаваемой плазмотроном 4, окисляется, нагревая остальную смесь до 1200°С. При этом, из угля выделяются горючие компоненты. Полученная топливная смесь устойчиво горит в топке 2 при смешении со вторичным воздухом, подаваемым по линии 8 (объемы воздуха определяют по результатам регулирования топочного процесса).
При недостатке кислорода и температуре 3500-5000°С происходит предварительная газификация топлива. Далее воспламененное топливо попадает в топку 2, где при смешении со вторичным воздухом происходит основное горение. Аэросмесь воспламеняется и горит в присутствии вторичного воздуха. Вторичный воздух обеспечивает эффективное воспламенение выделяющихся из топлива в МПТ 1 летучих горючих веществ, которые своим факелом поджигают топливную смесь, догорающую в топке котла. После растопки при достижении 50% нагрузки котла плазматрон 4 отключается, и разогрев МПТ 1 горелки до 800-900°С обеспечивают установленные по окружности ТЭНы 7 (количество ТЭНов определяется проектом).
2
За счет того, что коэффициент избытка воздуха в исходной смеси меньше единицы, топливная смесь газифицируется с образованием газообразных горючих компонентов (Н, CO, углеводороды). При этом в топку 2 поступает двухкомпонентная топливная смесь (горючий газ+остаток угля) с температурой, превышающей температуру ее самовоспламенения. Горение этой смеси при смешении ее с воздухом может происходить в топке котла без использования подсветки мазутом или газом.
Х
X
X
Результаты измерений фактической концентрации вредных веществ в уходящих из топки газов приведены в отдельной таблице (см. ниже), из которой видно значительное снижение данной концентрации. Благодаря более низкой температуре горения топливной смеси не достигается температура образования термических NО. Значительно снижается образования NO при сжигании водо-угольного топлива (ВУТ), что препятствует образованию топливных NO и резко снижает их образование.
Таблица
Предельно допустимые выбросы вредных веществ энергетических котлоагрсгатов при сжигании угля
ПДВ, мг/н.м3
Фактическая концентрация вредных веществ в уходящих газах при сжигании, мг/н.м3
Виды  выброса
Нормы ЕЭС, принятые в 1995 г.
США
Нормы России
Пылевидное сжигание с использованием известных горелок
Пылевидное сжигание с использованием предлагаемой горелки
ЦКС без азотной и сероочистки DeNO<sub>x</sub> и DeSO<sub>x</sub>
Мазут
Газ
ВУТ при использов предлагаемой горелки
SO<sub>2</sub>
50
600
750
400-800
200-300
200
400-760
-
до 50
NO,
200
600
650
250-600
150-250
200
150-750
50-200
30-100
СО
50
нет данных
не более 375
до 300
до 100
200
до 400
до 10
до 50