Способ воспламенения и факельного сжигания топливовоздушной смеси и устройство для реализации способа
METHOD FOR THE IGNITION AND FLARE COMBUSTION OF AN AIR-FUEL MIXTURE AND APPARATUS FOR THE IMPLEMENTATION OF THE METHOD

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для обеспечения розжига и стабилизации горения топлива.
Известен способ сжигания низкосортных углей и плазменная горелка для его осуществления (патент RU №2059926, С1, МКИ F23D 1/00, F23Q 13/00, 1992), заключающийся в генерировании электрической плазменной дуги в плазмотроне-запальнике со стержневыми электродами, нагреве аэросмеси в дуговой плазме, розжиге и стабилизации горения аэросмеси. Генерирование электрической плазменной дуги осуществляют в канале подачи аэросмеси, выполненном в горелке. Для чего в указанном канале первоначально генерируют электрическую плазменную дугу и ее плазменными потоками возбуждают основную дугу, при этом плазмотрон-запальник перемещают вдоль стержневых элементов по мере их эрозионного разрушения.
Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость плазматрона запальника, а также малый объемный контакт дугового разряда плазматрона и пылеугольной смеси. Также к недостаткам данного способа можно отнести высокие температуры (до 6000°C) при которых работает оборудование плазмотрона, что влияет на надежность и долговечность частей плазмотрона.
Известная плазменная пылеугольная горелка, содержит канал подачи аэросмеси, канал подачи вторичного воздуха с установленным в нем завихрителем, плазмотрон-запальник со стержневыми электродами (патент RU №2059926, С1, МКИ F23D 1/00, F23Q 13/00, 1992). Плазмотрон-запальник с электродами установлен в канале подачи аэросмеси. Графитовые электроды размещены по всей длине канала подачи аэросмеси. Плазмотрон-запальник снабжен соплами двустороннего истечения и установлен с возможностью продольного перемещения между стержневыми электродами, при этом сопла плазмотрона сориентированы на концы электродов.
Недостатком плазменной пылеугольной горелки представленной в этом изобретении является низкая надежность воспламенения пылеугольного топлива разного химического состава и низкой реакционностью, а также большая удельная электрическая мощность устройства и большие его размеры.
Известно устройство плазменного воспламенения пылеугольного топлива, содержащее корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2410603, С1, МКИ F23Q 5/00, F23Q 13/00, 2009). Корпус разделен поперечной перегородкой на резонансную и охлаждающую камеры. В центре перегородки выполнен проход вторичного воздуха и в нем установлены с возможностью продольного перемещения стержневые электроды, причем их рабочая часть направлена внутрь резонансной камеры, а электрическую дугу создают переменным током высокой частоты в резонансной камере с образованием акустического поля.
Недостатком этого устройства является ограниченная тепловая и электрическая мощность инициируемого факела и как следствие, невозможность организации сжигания низкореакционного топлива, так как конструкция известного устройства не позволяет осуществить как дополнительного подвода энергии, так и локализации имеющейся мощности.
Известно устройство, для растопки котла с муфелем (Энергосберегающие системы растопки и подсветки факела топочных камер котлов: монография В.А. Дубровский, М.В. Зубова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012 г., стр. 98). Представленное устройство содержит источник пыли, канал подачи воздуха, растопочную горелку, запально-сигнальное устройство, пароакустическую форсунку, линию подвода высокореакционного топлива. Растопочная горелка реализована в виде муфелизированного преддтопка. Растопка котла работает следующим образом. С помощью запально-защитного устройства воспламенялся мазут, который подавался через паромеханическую форсунку. За счет горения небольшого количества мазута нагревалась внутренняя стенка муфеля. Контроль над режимом нагрева муфеля производился с помощью термопар, которые фиксировали значение температуры дымовых газов по длине муфеля и температуру его внутренней стенки. После прогрева муфеля на малых оборотах включался пылепитатель, и угольная пыль высокой концентрации поступала на горение в раскаленный муфельный предтопок. Мазутную форсунку следовало отключить. Расход вторичного воздуха регулировался с помощью поворотного шибера через колонку дистанционного управления. Проходя через разогретый муфель, пылеугольная смесь при малом коэффициенте избытка воздуха подвергалась предварительной термической подготовке, и весь образовавшийся газифицированный поток угольной пыли поступал в объем топки котла, где происходило его выгорание и последующий разогрев объема топочной камеры.
Недостатком описанного технического решения, является воспламенение угольной пыли, которое происходит только за счет термического воздействия от нагретого муфеля. При этом существенная доля угольной пыли не успевает активироваться за время прохождения через разогретый участок, попадает в топку в не воспламененном состоянии и способствует формированию зон с повышенной взрывоопасностью в топке котла.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2731081, С1, МКИ F23Q 5/00, F23D 1/00, 2020). Корпус, разделенный на две части, разгонный участок с низкой теплоемкостью и теплопередачей конструктивных элементов, выполненную без муфелизирующих элементов, и аккумулирующий участок с высокой теплоемкостью конструктивных элементов, выполненную с муфелем, два топливопровода в комплекте с блоками электродов, тангенциально присоединенные соответственно на участки с низкой и высокой теплоемкостью, два воздухопровода вторичного воздуха тангенциально присоединенные по отдельности на участки с низкой и высокой теплоемкостью, электрический разряда, инициированный на блоке электродов подключенных к источнику питания, зона воспламенения для факела в период разогрева горелочного устройства, зона воспламенения для факела в период стационарной работы горелочного устройства.
Недостатком данного устройства является ограниченная тепловая мощность, обусловленная коэффициентом избытка воздуха и скоростью истечения из горелочного устройства. Ограничением также является низкая плотность воздействия электрического поля на пусковых режимах.
Задачей решаемой предлагаемым изобретением является создание устройства, которое позволяет с минимальными удельными затратами энергии воспламенять топливовоздушную смесь, а также повысить устойчивость его последующего сжигания. Обеспечить оптимальное качество воспламенения и поддержания горения факела при различных режимах работы котельного оборудования и минимизация уноса не воспламенившегося топлива в топку.
Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря тому, что электрическое воспламенение топлива производится в разгонной ступени, которая является первым участком горелочного устройства, за счет воздействия электрического разряда генерируемого источником питания на концах электродов, вмонтированных в разгонную ступень и оптимального коэффициента избытка воздуха, который в свою очередь достигается регулированием подачи топлива и воздуха в разгонную ступень и зависит от теплотехнических и реакционных свойств топлива. Также за счет малого размера разгонной ступени обеспечивается быстрый прогрев корпуса, создается дополнительное температурное воздействие на топливовоздушную смесь, наряду с этим создается максимальная локализация воздействия электрического разряда на пылевоздушную смесь. При этом подача топлива в последующие, рабочие ступени на данном этапе не производится, а регулирование подачи воздуха в рабочие ступени позволяет не захолаживать образовавшийся факел, а также регулировать степень выгорания топлива внутри горелочного устройства. Что в свою очередь позволяет минимизировать процесс уноса в топочное пространство котла не воспламенившейся пыли. Вместе с тем, на данном этапе прогреваются последующие (рабочие) ступени горелочного устройства. Размер разгонной ступени определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива, необходимой тепловой мощности факела для пуска рабочей ступени, оптимального коэффициента избытка воздуха и скорости истечения факела. После набора расчетной мощности разгонной ступени и прогрева первой рабочей ступени до проектной температуры производится подача топлива в первую рабочую ступень, которая имеет размер больший, чем разгонная. В рабочих ступенях каналы подачи воздуха оборудованы стержневыми электродами, подключенными к источнику питания, которые обеспечивают возможность дополнительного подвода энергии активации к факелу. В зависимости от режима работы горелочного устройства количество находящихся электродных блоков в работе и характеристики электрического разряда регулируется источником питания. На этапе пуска первой рабочей ступени на топливо, поступающее в эту ступень воздействуют следующие факторы инициации воспламенения и поддержания горения: термическая активация за счет теплового выделения факела исходящего из разгонной ступени, а также теплового выделения от разогретых стенок рабочей ступени, химическая активация за счет химических реакций с разогретыми продуктами сгорания факела исходящего из разгонной ступени, и электрическая активация за счет генерации переменным током электрического разряда на стержневых электродах, введенных в канал подачи воздуха рабочей ступени. Данное воздействие позволяет эффективно воспламенять и сжигать топливо, поступающее в рабочую ступень горелочного устройства. После выхода первой рабочей ступени на проектный режим, включается вторая рабочая ступень. Режим работы и конструкция второй рабочей и последующих рабочих ступеней аналогичны первой рабочей ступени, за исключением размера и количества подаваемого топлива и воздуха. Размер рабочих ступеней и количество подаваемого в них топлива и воздуха последовательно растет. Количество рабочих ступеней определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива и необходимой тепловой мощности горелочного устройства. После достижения горелочным устройством температуры самовоспламенения топлива, возможно прекращение подачи топлива и электрического воздействия в разгонную ступень и предшествующие рабочие ступени. Режим работы горелки становится автономным, самоподдерживающимся. В зависимости от режима работы горелочного устройства количество находящихся электродных блоков в работе и характеристики электрического разряда регулируется источником питания. Положение факела в горелочном устройстве, длина выхода факела в топочное пространство, скорость истечения факела из горелочного устройства, а также степень химического недожога по ступеням и в горелочном устройстве в целом, контролируется регулированием подачи воздуха, топлива и электрического разряда по ступеням горелочного устройства. В случае ухудшения качества топлива или снижения нагрузки котла, возможно использование подачи топлива и электрического разряда в разгонную и предшествующие рабочие ступени для поддержания качества горения топливного факела.
Для реализации описанного способа по изобретению предложено устройство электрического воспламенения, и поддержания горения топливовоздушной смеси, содержащее муфелизированный корпус, разделенный разгонную и рабочие ступени, блоки стержневых электродов для генерирования электрического разряда, топливопроводы и трубопроводы воздуха. Согласно изобретению, электрический разряд на стержневых электродах, введенных в разгонную ступень, генерируют переменным током. После чего происходит подача пылевого топлива в разгонную ступень. Пылевоздушная смесь воспламеняется за счет воздействия электрического разряда и прогревает стенки разгонной ступени. Далее разгонная ступень набирает расчетную тепловую мощность и нагревает рабочие ступени, имеющие больший размер. Размер разгонной ступени определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива, необходимой тепловой мощности факела для пуска рабочей ступени, оптимального коэффициента избытка воздуха и скорости истечения факела. После прогрева рабочей ступени в нее подается топливо. Рабочая ступень имеет муфелизированный корпус, канал подачи топлива и воздуха, причем канал подачи воздуха оборудован электродными блоками для генерации электрического разряда. Размер рабочих ступеней и количество подаваемого в них топлива и воздуха последовательно растет. Количество рабочих ступеней определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива и необходимой тепловой мощности горелочного устройства. При прохождении через рабочую ступень на пылевоздушную смесь воздействует следующие факторы инициации воспламенения и поддержания горения: термическая активация за счет теплового выделения факела исходящего из разгонной ступени, а также теплового выделения от разогретых стенок рабочей ступени, химическая активация за счет химических реакций с разогретыми продуктами сгорания факела исходящего из разгонной ступени, и электрическая активация за счет генерации электрического разряда на стержневых электродах, введенных в канал подачи воздуха рабочей ступени. После выхода первой рабочей ступени на проектный режим, включается вторая рабочая ступень. Режим работы и конструкция второй рабочей и последующих рабочих ступеней аналогичны первой рабочей ступени, за исключением размера и количества подаваемого топлива и воздуха. После достижения в горелочном устройстве температуры самовоспламенения топливовоздушной смеси, возможно прекращение подачи топлива и электрического воздействия в разгонную ступень и предшествующие рабочие ступени. Режим работы горелки становится автономным, самоподдерживающимся. В зависимости от режима работы горелочного устройства количество находящихся электродных блоков в работе и характеристики электрического разряда регулируется источником питания. В случае ухудшения качества топлива или снижения нагрузки котла, возможно использование подачи топлива и электрического разряда в разгонную и предшествующие рабочие ступени для поддержания качества горения топливного факела. Положение факела в горелочном устройстве, длина выхода факела из ступеней и в топочное пространство, скорость истечения факела из горелочного устройства, а также степень химического недожога по ступеням и в горелочном устройстве в целом, контролируется регулированием подачи воздуха, топлива и электрического разряда в ступенях горелочного устройства.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенные технические решения соответствует условию изобретательского уровня.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами
На Фиг. 1 представлено продольное сечение устройства электрического воспламенения и факельного сжигания топливовоздушной смеси.
Предлагаемое устройство электрического воспламенения и факельного сжигания топливовоздушной смеси содержит муфелизированный корпус (1), разделенный на ступени (2, 3, 4), разгонная ступень (2) имеет наименьший размер, размер рабочих ступеней (3, 4) увеличивается последовательно, трубопроводы подвода воздуха (5), трубопроводы подвода топлива (6), стержневые электроды (7) для формирования электрического разряда (8), подключенные к источнику питания (9). Топливный факел (10, 11, 12) имеет возможность перемещения внутри горелочного устройства (13) и топочном пространстве котла (14). Размеры ступеней (2, 3, 4) определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива, необходимой тепловой мощности факела (10, 11, 12), оптимального коэффициента избытка воздуха и скорости истечения факела (10, 11, 12).
Предлагаемый способ и устройство электрического воспламенения и факельного сжигания топливовоздушной смеси реализуется следующим образом.
На стержневые электроды (7) расположенные трубопроводе (6) и трубопроводе (5) в разгонной ступени (2), от источника питания (9) подается электрический ток и на концах электродов (7) формируется электрический разряд (8). В разгонную ступень (2) по трубопроводу (6) подается топливо и по трубопроводу (5) воздух. Топливовоздушная смесь под воздействием электрического разряда (8) воспламеняется. В результате формируется топливный факел (10) сгорания. Топливный факел (10) сгорания прогревает муфелизированный корпус (1) разгонной ступени (2). В результате чего на подаваемую топливную смесь дополнительно воздействует тепловая активация от разогретого корпуса (1) разгонной ступени (2). Далее разгонная ступень (2) набирает расчетную тепловую мощность и нагревает рабочие ступени (3, 4). После прогрева рабочей ступени (3) в нее по трубопроводу (6) подается топливо и по трубопроводу (5) воздух, при этом трубопровод (5) рабочей ступени (3) оборудован стержневыми электродами (7). От источника питания (9) на электроды (7) подается электрический ток и на концах электродов (7) формируется электрический разряд (8). В результате воздействия на топливовоздушную смесь термической активации за счет теплового выделения факела (10) исходящего из разгонной ступени (2), а также теплового выделения от разогретого муфелизированного корпуса (1) рабочей ступени (3), химической активации за счет химических реакций с разогретыми продуктами сгорания факела (10) исходящего из разгонной ступени (2), и электрической активации за счет генерации электрического разряда (8) на стержневых электродах (7), введенных в канал подачи воздуха (5) рабочей ступени (3) образуется устойчивый топливный факел сгорания (11). После выхода рабочей ступени (3) на рабочий режим, включается рабочая ступень (4). Режим работы и конструкция рабочей ступени (4) и последующих рабочих ступеней аналогичны рабочей ступени (3). Количество рабочих ступеней (3, 4) определяется исходя из теплотехнического состава подаваемого топлива и необходимой тепловой мощности горелочного устройства (13). Электрический разряд (8) и топливные факела (10, 11) воздействует на топливный факел сгорания (12) до тех пор, пока факел (12) не перейдет в самоподдерживающий, незатухающий режим, после чего возможно прекращение подачи топлива (6), и электрического разряда (8) в разгонную (2) и рабочую ступень (3). В зависимости от режима работы горелочного устройства (13) количество находящихся в работе электродов (7) и характеристики электрического разряда (8) регулируется источником питания. В случае ухудшения качества топлива или снижения нагрузки котла (14), можно использовать подачу топлива (6), и электрического разряда (8) в разгонную (2) и рабочую ступень (3) для поддержания качества горения топливного факела (12). Положение факела (10, 11, 12) в горелочном устройстве (13), длина выхода факела из ступеней (2, 3, 4) в топочное пространство (14), скорость истечения факела (10, 11, 12) из горелочного устройства (13) и из ступеней (2, 3, 4), а также степень химического недожога по ступеням (2, 3, 4) и в горелочном устройстве (13) в целом, контролируется регулированием подачи воздуха, топлива и электрического разряда (8) в ступенях (2, 3, 4) горелочного устройства.
Предлагаемое изобретение позволяет воспламенять топливо с минимальным уносом не воспламенившихся частиц в топку. Обеспечивает оптимальное качество воспламенения и поддержания горения факела при различных режимах работы котельного оборудования.