ПЛАЗМЕННАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
PLASMA PULVERISED COAL BURNER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела (подсветки) в котлах, например энергетических и котлах ЖКХ, а также для воспламенения мелкодисперсного твердого топлива с предварительной электротермохимической подготовкой (ЭТХП).
Известно устройство для безмазутной растопки пылеугольного котла, представляющее собой растопочную горелку прямоточного типа, состоящее из цилиндрической камеры ЭТХП с расположенным на ее боковой поверхности патрубком и размещенным на этом патрубке плазмотроном для ввода потока плазмы в эту камеру. Конструкция камеры ЭТХП состоит из двух соосных труб (внутренняя из нержавеющей стали), пространство между которыми заполняется стойким к высокой температуре огнеупорным теплоизоляционным материалом (шамотобетон, карборунд и т.д.), называемым муфелем. Поступающий по направлению продольной оси камеры прямой незакрученный поток аэросмеси взаимодействует с вводимым через патрубок перпендикулярно оси камеры потоком низкотемпературной плазмы. Контактирующая с потоком плазмы аэросмесь нагревается и воспламеняется, нагревая остальную аэросмесь в объеме муфелизированной камеры. Нагретая до температуры самовоспламенения аэросмесь попадает далее в топочное пространство, где горение ее продолжается при смешении с вторичным воздухом. В данной конструкции время пребывания частиц угольной пыли в камере ЭТХП минимизировано и определяется линейной скоростью поступающего потока аэросмеси. Такая установка хорошо зарекомендовала себя при использовании высокореакционных углей (см. Жуков М.Ф. и др. Низкотемпературная плазма, т.16, Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука, 1995, с.83-86, рис.3.5б).
Недостатком установки является невозможность эффективного регулирования процесса ЭТХП; изготовление муфелизированной камеры является технически сложной и относительно дорогой операцией; время пребывания частиц угольной пыли в камере ЭТХП минимизировано и определяется линейной скоростью поступающего вдоль оси горелки потока аэросмеси.
Известно устройство в составе установки для реализации способа безмазутной растопки энергетического котла и подсветки пылеугольного факела, предусматривающее выделение части аэросмеси из общего потока, электротермохимическую подготовку с последующим смешением продуктов этого процесса с остальной (основной) частью аэросмеси в топочном пространстве. На входе горелки установлено устройство для регулирования двух потоков аэросмеси: первого - направляемого во внутреннюю трубу для электротермохимической подготовки и второго - направляемого в межтрубное пространство, свободного от огнеупорного теплоизоляционного материала, для термоподготовки и попутного охлаждения внутренней трубы. В связи с этим внутреннюю трубу можно изготавливать из обыкновенной стали, что в совокупности с отказом от муфеля уменьшает стоимость данного типа горелки и упрощает технологию изготовления в этой части горелки (см. патент RU №2180075, МПК F23D 1/00, H05H 1/32, опубл. 27.02.2002, Бюл. №6).
Однако наличие патрубка для ввода потока плазмы увеличивает аэродинамическое сопротивление потоку аэросмеси в межтрубном пространстве, а наличие устройства для регулирования двух потоков аэросмеси внутри горелки существенно усложняет конструкцию данного типа и технологию ее изготовления.
Известны также различные варианты плазменных пылеугольных горелок, в основу которых положена идея создания способа плазменного воспламенения топлива с помощью этих горелок, обеспечивающих надежное и устойчивое плазменное воспламенение при минимально возможной электрической мощности, подводимой к плазмотронам. Пылеугольную аэросмесь подают в камеру термохимической подготовки топлива через закручивающее устройство или по пылепроводу, изогнутому по дуге окружности, центр которой расположен на стороне, противоположной плазмотрону. В этом случае образуется область с повышенной концентрацией пыли около внутренней поверхности камеры термохимической подготовки топлива, а струю плазмы подают в камеру в направлении по радиусу поперечного вертикального сечения камеры или по радиусу поперечного сечения, отстоящего от поперечного вертикального сечения на угол не более 15° (см. патент RU №2210032, МПК F23D; F23Q, опубл. 10.08.2003).
К недостаткам этих плазменных пылеугольных горелок следует отнести громоздкость конструкций ввиду наличия улиток для подачи разделенных потоков пылеугольной аэросмеси, а также улитки для подачи вторичного воздуха, что крайне ограничивает возможность встраивания подобных горелок в систему подачи топлива котлоагрегатов, находящихся в эксплуатации, например котлов типа Е-160-1,4-250КТ.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вихревая горелка, включающая улитку вторичного воздуха, улитку аэросмеси и коаксиально расположенные трубы вторичного воздуха, аэросмеси и внутреннюю трубу аэросмеси. Внутренняя труба аэросмеси выполнена в виде муфеля, длина которого составляет 0,4-0,6 от длины трубы аэросмеси, со встроенным в торце плазмотроном, имеющим напротив зоны горения плазменного факела отверстие, перекрываемое шибером, при этом оконечная часть трубы аэросмеси на 0,7-0,8 длины изнутри ошипована и обмурована огнеупорным и износостойким материалом. Выполнение внутренней трубы аэросмеси в виде муфеля со встроенным в его торце плазмотроном дает возможность производить термохимическую подготовку пылеугольного топлива к сжиганию до его вытекания в топочный объем, что в свою очередь позволило отказаться от использования для растопки и стабилизации горения пылеугольного факела мазута. Длина муфеля, составляющая 0,4-0,6 длины трубы аэросмеси, является оптимальной и обеспечивает необходимую степень электротермохимической подготовки топлива. При уменьшении длины снижается эффективность ЭТХПТ, не возникает "муфельный" эффект. При увеличении длины муфеля ухудшаются условия смешения основного потока аэросмеси и аэросмеси, прошедшей через муфель, в результате чего не вся аэросмесь подвергается термохимической подготовке. Обмуровка внутренней поверхности трубы аэросмеси на 0,7-0,8 ее длины огнеупорным и износостойким материалом выбрана таким образом, чтобы она перекрывала муфель на половину его длины, что достаточно для защиты трубы аэросмеси от воздействия высоких температур. Наличие у муфеля отверстия, перекрываемого шибером, обеспечивает регулируемую подачу частиц аэросмеси в зону горения плазменного факела, где она нагревается и частично газифицируется (см. патент RU №2171429, МГЖ F23D, опубл. 27.07.2001).
Недостатками горелки являются: наличие двух улиток, что ограничивает возможность встраивания подобных горелок в систему подачи топлива котлоагрегатов; невозможность эффективного процесса регулирования процесса ЭТХП и необходимость изготовления муфелизированной камеры, что является сложной технологической и дорогой операцией.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении возможности встраивания предлагаемой конструкции горелки в существующие системы подачи топлива котлоагрегатов действующих электростанций, в осуществлении регулирования коэффициента избытка воздуха пылеугольной смеси, в установлении оптимальных режимов ЭТХПТ для различных марок угля и их смесей.
Технический результат изобретения - получение возможности регулирования коэффициента избытка воздуха пылеугольной смеси в разделенных каналах подачи пылеугольной смеси за счет подачи дополнительного воздуха в эти каналы, что позволяет регулировать процесс ЭТХПТ в предлагаемой конструкции горелки и тем самым влиять на его эффективность.
Технический результат достигается тем, что плазменная пылеугольная горелка, состоящая из двух соосных, коаксиально расположенных труб различного диаметра, внутренней и внешней, со встроенным в торце внутренней трубы на фланце электродуговым плазмотроном, согласно изобретению дополнительно снабжена двумя отдельными регулируемыми каналами подачи воздуха: один - для подачи дополнительного воздуха во внутреннюю трубу первой ступени, а второй - для подачи дополнительного воздуха во внешнюю трубу второй ступени, которые выполнены из труб с тангенциальным входом и установлены перпендикулярно соосным трубам: внешней и внутренней, и жестко соединены с ними, а электродуговой плазмотрон установлен вдоль горизонтальной оси внутренней трубы, кроме того, на выходе питателей, каждый из которых установлен над входом труб с тангенциальным входом, установлены шибера с возможностью регулирования расходов аэросмеси, состоящей из угольной пыли и воздуха.
Отличительными существенными признаками заявляемого изобретения являются:
- выполнение двух отдельных регулируемых каналов подачи воздуха: один - для подачи дополнительного воздуха во внутреннюю трубу, другой - для подачи дополнительного воздуха во внешнюю трубу, позволяет регулировать коэффициент избытка воздуха пылеугольной смеси за счет дополнительной подачи воздуха во внутреннюю и внешнюю трубы подачи аэросмеси;
- выполнение каналов подачи воздуха в виде труб с тангенциальном входом, которые установлены перпендикулярно соосным трубам: внутренней и внешней, и соединенных с ними жестко, дает возможность регулировать коэффициент избытка воздуха пылеугольной смеси путем дополнительной подачи воздуха через трубы с тангенциальным входом во внутреннюю и внешнюю трубы;
- тангенциальная подача аэросмеси во внутреннюю трубу первой ступени создает вихревой закрученный поток, тем самым увеличивается интенсивность взаимодействия пылеугольной аэросмеси с плазменным факелом и в итоге повышается эффективность ЭТХПТ в плазменной горелке;
- благодаря наличию вышеуказанных конструктивных отличий принцип разделения потока аэросмеси на два остается, а основное назначение потока аэросмеси, направляемого во внешнюю трубу второй ступени, заключается в охлаждении внутренней трубы первой ступени, где и происходит основной процесс ЭТХПТ, а поток аэросмеси в пространстве, образованном внутренней поверхностью внешней трубы и наружной поверхностью внутренней трубы, где происходит смешение аэросмеси первой и второй ступеней, подвергается термохимической подготовке;
- установка электродугового плазмотрона вдоль горизонтальной оси внутренней трубы первой ступени обеспечивает эффективную электротермохимическую обработку части пылеугольного топлива аэросмеси, поступающей во внутреннюю трубу первой ступени горелки тангенциально плазменному факелу плазмотрона (см. фиг.1, поз.5), при этом плазменный факел плазмотрона вытягивается вдоль оси внутренней трубы первой ступени, что исключает возможность соприкасания плазменного факела со стенками внутренней трубы и его перегрев и прожигание;
- установка питателей в виде бункеров с пылеугольной смесью, каждый из которых расположен над входом труб с тангенциальным входом, обеспечивает необходимый запас угольной пыли на время растопки котлоагрегата или стабилизации горения пылеугольного факела в топке котла, кроме того, при необходимости дает возможность использовать мелкодисперсные отходы угля (пыль, отсев) в первой ступени, а во второй ступени - более крупные фракции угля после дробления или помола;
- установка шиберов на выходе питателей обеспечивает возможность регулирования расходов угольной пыли через первую и вторую ступени плазменной горелки и, соответственно, установления оптимальной концентрации потоков аэросмеси регулированием расходов подачи воздуха (см. фиг.1, поз.8 и 9), что в свою очередь позволяет регулировать длину, температуру и интенсивность горения пылеугольного факела в топке котла, то есть потока аэросмеси, прошедшей ЭТХПТ в плазменной горелке (см. фиг.1, поз.22).
Таким образом, предлагаемая совокупность конструктивных признаков позволяет достичь технический результат, заключающийся в возможности регулирования коэффициента избытка воздуха пылеугольной смеси в двух отдельных регулируемых каналах для подачи в них пылеугольной смеси и подачи дополнительного воздуха в эти каналы, что позволяет регулировать процесс ЭТХПТ в данных горелках и тем самым влиять на его эффективность.
Из уровня техники по научно-технической литературе и патентной документации заявителю не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым, изложенных в формуле предлагаемого изобретения.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и фото, на которых:
на фиг.1 схематично изображено устройство плазменной пылеугольной горелки;
на фото 2 показано устройство плазменной пылеугольной горелки в рабочем состоянии с выходом пылеугольного факела из горелки.
Предлагаемая конструкция плазменной пылеугольной горелки состоит из двух коаксиально расположенных труб различного диаметра: металлической внутренней трубы 1 диаметром, например, 220 мм и длиной 1,5 м и металлической внешней трубы 2 диаметром, например, 270 мм и длиной 2,5 м. Внутри внешней трубы 2 соосно установлена металлическая внутренняя труба 1. Внутренняя труба 1 является первой ступенью горелки, а внешняя труба 2 является второй ступенью горелки. На торце внутренней трубы 1 первой ступени установлен фланец 3, на котором вдоль горизонтальной оси внутренней трубы 1 установлен и закреплен электродуговой плазмотрон 4 типа ЭДП-212, так чтобы плазменный факел 5 электродугового плазмотрона 4 был направлен по горизонтальной оси внутренней трубы 1 первой ступени (см. фиг.1). Внутренняя труба 1 первой ступени выполнена из обыкновенной стали. В плазменной пылеугольной горелке дополнительно выполнены два отдельных регулируемых канала для подачи воздуха: один - для подачи дополнительного воздуха во внутреннюю трубу 1 первой ступени, а второй - для подачи дополнительного воздуха во внешнюю трубу 2 второй ступени. Каналы для подачи дополнительного воздуха выполнены в виде труб 6 и 7 с тангенциальным входом, которые установлены перпендикулярно соосным трубам: внутренней 1 и внешней 2. Трубы 6 и 7 с тангенциальным входом жестко соединены, например, сваркой с отверстиями (на фиг.1 не показаны), выполненными в соосных трубах: внутренней 1 и внешней 2, так, чтобы дополнительный воздух и угольная пыль подавались тангенциально двумя потоками внутрь соосных труб: внутренней 1 и внешней 2. При этом канал для подачи дополнительного воздуха и пылеугольной смеси, выполненный из трубы 6 с тангенциальным входом, является топливопроводом первой ступени, а канал для подачи дополнительного воздуха и пылеугольной смеси, выполненный в виде трубы 7 с тангенциальным входом, является топливопроводом второй ступени.
Подвод потоков 8 и 9 аэросмеси, состоящей из угольной пыли и воздуха, во внутреннюю трубу 1 первой ступени и внешнюю трубу 2 второй ступени осуществляется через дополнительно установленные отдельные регулируемые трубы 6 и 7 с тангенциальным входом. При этом по трубе 6 с тангенциальным входом осуществляется подвод потока 8 аэросмеси первой ступени, а по трубе 7 с тангенциальным входом осуществляется подвод потока 9 аэросмеси второй ступени. Над трубами 6 и 7 с тангенциальным входом установлены питатели 10 и 11 в виде бункеров с пылеугольной смесью. Подача дополнительного воздуха во внутреннюю трубу 1 первой ступени и во внешнюю трубу 2 второй ступени осуществляется через трубы 6 и 7 с тангенциальным входом через патрубки 12 и 13 ввода воздуха, соответственно для первой и второй ступеней, а пылеугольная смесь из питателей 10 и 11 подается через патрубки 14 и 15 ввода угольной пыли, соответственно первой и второй ступени, в трубы 6 и 7 с тангенциальным входом и далее во внутреннюю трубу 1 первой ступени и во внешнюю трубу 2 второй ступени. На входе патрубков 12 и 13 ввода воздуха, соответственно для первой и второй ступеней, установлены шибера: воздушный шибер 16 первой ступени и воздушный шибер 17 второй ступени. На выходе из питателей 10 и 11 установлены шибера 18 и 19 с возможностью регулирования расходов аэросмеси. Для регулирования коэффициента избытка воздуха в подаваемых потоках 8 и 9 аэросмеси, состоящей из пылеугольной смеси и воздуха, в конструкции горелки дополнительно установлены трубы 6 и 7 с тангенциальным входом для подачи в них первичного дополнительного воздуха.
Поток аэросмеси 20 первой ступени, прошедший обработку плазмой во внутренней трубе 1, состоит из раскаленных частиц угля в виде искр и горючего газа, выделенного из частиц угля при взаимодействии их с плазмой при температуре 1200-1500°C. В пространстве, образованном внутренней поверхностью внешней трубы 2 и оконечной частью внутренней трубы 1, происходит смешение потоков 20 и 21 аэросмеси первой и второй ступеней. Суммарный поток 22 аэросмеси, прошедший ЭТХПТ в плазменной пылеугольной горелке, в виде горящего факела выходит из внешней трубы 2 второй ступени в топку котла (последняя на фиг.1 не показана), где продолжает интенсивно гореть при избытке воздуха.
Кроме того, устройство имеет источник питания 23, который представляет собой тиристорный трехфазный преобразователь (выпрямитель) переменного тока в постоянный. Источник питания 23 имеет силовой кабель 24 со знаком плюс и силовой кабель 25 со знаком минус, которые соединены с электродуговым плазмотроном 4.
Плазменная пылеугольная горелка работает следующим образом.
От источника питания 23 через силовые кабели 24 и 25 запускается в работу электродуговой плазмотрон 4. Угольная пыль из питателя 10 подается воздухом во внутреннюю трубу 1 первой ступени, на которой установлен электродуговой плазмотрон 4, из расчета до 20% от общего расхода пыли через горелку. Угольная пыль подается тангенциально, закручивается по спирали по внутренней стенке трубы 1 и попадает на плазменный факел 5, горящий вдоль горизонтальной оси внутренней трубы 1, где частично возгорается, и плазменный факел 5 вытягивается во внешнюю трубу 2 - первая ступень. После этого угольная пыль до 80% от общего расхода через горелку подается воздухом из второго питателя 11 также тангенциально, закручивается по спирали по внутренней стенке внешней трубы 2 второй ступени большего диаметра, чем внутренняя. Основная масса пылевоздушной смеси, встречаясь с пылеугольным плазменным факелом 5 первой ступени, частично возгорается, и горящий плазменный факел 5 выходит из внешней трубы 2 второй ступени в топку котла (последняя на фиг.1 не показана), где при избытке воздуха происходит полное возгорание пылеугольного плазменного факела 5, выходящего из горелки в виде выхода суммарного потока 22 аэросмеси. Регулирование расходов дополнительного воздуха и пылеугольной пыли, их соотношение (концентрация в горелке) производится шиберами 18 и 19, установленными на выходе питателей 10 и 11. Регулирование тока на электродуговом плазмотроне 4 от 100 до 300 A и напряжения от 200 до 300 B производится на источнике питания 23, который выпрямляет переменный ток в постоянный. Совместное регулирование расхода воздуха и угля через горелку, тока и напряжения на электродуговом плазмотроне 4 позволяет регулировать длину и температуру пылеугольного факела 22 на выходе из горелки и, соответственно, регулировать мощность горелки.
Регулируемые шиберами 18 и 19 потоки 8 и 9 аэросмеси, состоящей из пылеугольной смеси и воздуха, по трубам 6 и 7 с тангенциальным входом поступают во внутреннюю трубу 1 первой ступени и внешнюю трубу 2 второй ступени тангенциально. Поток аэросмеси (угольная пыль + воздух), поступающий во внутреннюю трубу 1 первой ступени, подвергается электротермохимической подготовке плазмой, а поток аэросмеси (пылеугольная смесь + воздух), поступающий во внешнюю трубу 2 второй ступени, проходит термохимическую подготовку за счет снятия тепла с наружной стенки внутренней трубы 1. В пространстве, образованном внутренней поверхностью внешней трубы 2 второй ступени и оконечной частью внутренней трубы 1 первой ступени, происходит смешение потоков 20 и 21 аэросмеси первой и второй ступеней. Для регулирования коэффициента избытка воздуха в подаваемых потоках аэросмеси через трубы 6 и 7 с тангенциальным входом подается первичный дополнительный воздух через патрубки 12 и 13 ввода воздуха первой и второй ступени соответственно.
Получение возможности регулирования коэффициента избытка воздуха пылеугольной смеси в дополнительно установленных отдельных регулируемых каналах, выполненных в виде труб 6 и 7 с тангенциальным входом, для подачи пылеугольной смеси из питателей 10 и 11 через патрубки 14 и 15 ввода угольной пыли первой и второй ступеней соответственно за счет подачи дополнительного воздуха в эти каналы через патрубки 12 и 13 ввода воздуха первой и второй ступеней соответственно позволяет регулировать процесс ЭТХПТ в предлагаемой конструкции плазменной пылеугольной горелки и тем самым влиять на его эффективность.
Предлагаемое изобретение - плазменная пылеугольная горелка - по сравнению с прототипом (см. патент RU №2171429, МПК F23D, опубл. 27.07.2001) имеет следующие преимущества:
- упрощение конструкции устройства и габаритов плазменной пылеугольной горелки, а в прототипе нагроможденность двумя улитками;
- внутри плазменной пылеугольной горелки производится электротермохимическая подготовка топлива с регулированием коэффициента избытка воздуха в подаваемых потоках аэросмеси, что позволяет оптимизировать процесс ЭТХПТ и встраивать ее в существующие системы подачи топлива котлоагрегатов действующих электростанций;
- изготовление внутренней трубы первой ступени из обыкновенной стали уменьшает стоимость изготовления горелки, а в прототипе применен высокотемпературный теплоизолирующий материал для обмуровки внутренней трубы;
- конструкция плазменной вихревой горелки позволяет полностью автоматизировать процессы управления подачи воздуха, угольной пыли, температуры и длины пылеугольного факела в топке котла.