ВИХРЕВАЯ РАСТОПОЧНАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
VORTEX KINDLING PULVERIZED COAL BURNER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для обеспечения безмазутного розжига и стабилизации горения пылеугольного топлива
Известен запальник (SU №1636647 А1, МПК F23D 5/00, 1989 г.), содержащий основные стержневые электроды, установленные в канале подачи пылеугольного топлива и подсоединенные к источнику высокого напряжения. Запальник дополнительно содержит обтекатель, выполненный в виде конусной обечайки, охватывающей основные стержневые электроды и обращенный меньшим основанием конуса встречно потоку топливовоздушной смеси.
Недостатком этого устройства является его низкая надежность и неустойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Первый недостаток вызван тем, что основные стержневые электроды расположены внутри конического обтекателя. Поэтому часть воспламенившихся частиц угольной пыли при вихревом движении теряет скорость, оседает на внутренних стенках обтекателя, накапливается на них в виде отложений несгоревшего угля, и, перекрывая тем самым дальнейший проход угольной пыли сквозь конусный обтекатель, способны вызывать электрическое замыкание основных стержневых электродов.
Второй недостаток объясняется тем, что в устройстве отсутствует возможность регулирования подачи пылеугольного топлива в межэлектродную зону, а конический обтекатель перехватывает в основном те угольные частицы, которые влетают в него через меньшее основание. Поэтому количество топлива, подвергнутого воздействию электрического поля источника высокого напряжения и электрической дуги особенно при пониженных нагрузках, может оказаться недостаточным для образования устойчивого первичного факела, это вызывает неустойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Наиболее близким по технической сущности является высоковольтный запальник пылеугольного топлива (заявка на изобретение №2018106556, от 21.02.2018, МПК F23D 5/00, 2018 г.). Этот запальник содержит канал пылеугольного топлива, внутри которого установлены стержневые электроды и конический обтекатель (пылеконцентратор), обращенный малым основанием встречно потоку пылеугольного топлива. Конический обтекатель размещен перед стержневыми электродами, к его малому основанию присоединен дополнительный трубопровод пылеугольного топлива, причем просвет b между коническим обтекателем и стержневыми электродами выражается неравенством:
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя;
D - диаметр большого основания конического обтекателя, а длина L конического обтекателя и диаметр D его большего основания равны:
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя. Конический обтекатель выполняет функцию локального пылеконцентратора.
Недостатком этого устройства является наличие расположенного внутри пылеугольного канала конического обтекателя (пылеконцетратора), который не обладает достаточной эффективностью при создании высокого уровня концентрации пыли и не позволяет осуществлять ее регулирование для обеспечения наиболее эффективного воспламенения и сжигания топлива.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости воспламенения и горения пылеугольного топлива при разных нагрузках (мощностях) и обеспечение длительной и безотказной работы на разных по воспламеняемости углях.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Технический результат достигается тем, что в вихревой растопочной пылеугольной горелке, содержащей внешний канал пылеугольного топлива, внутри которого коаксиально установлен внутренний канал пылеугольного топлива, а также стержневые электроды, подключенные к источнику высокого напряжения. Новым, согласно изобретению, является подсоединение входов этих каналов к выходу вихревого пылеконцентратора, снабженного поворотными лопатками, разделяющими входящий в него поток пылеугольного топлива на две части, во внешней части потока создается повышенная концентрация угольных частиц, а во внутренней части потока - пониженная концентрация угольных частиц, причем пылеугольное топливо с повышенной концентрацией угольных частиц поступает во внутренний канал горелки, а пылеугольное топливо с пониженной концентрацией угольных частиц поступает во внешний канал, а стержневые электроды установлены на выходе внутреннего канала пылеугольного топлива.
Между внешним и внутренним каналами установлен коаксиальный завихритель потока пылеугольного топлива с поворотными лопатками.
За стержневыми электродами в направлении потока пылеугольного топлива расположен канал вторичного воздуха с тангенциальными соплами, направленными внутрь внешнего канала.
За каналом вторичного воздуха с тангенциальными соплами в направлении выхода потока пылеугольного топлива из горелки расположены коаксиально цилиндрические теплоизоляционная обечайка и дополнительный канал вторичного воздуха.
Дополнительный канал вторичного воздуха своей цилиндрической частью направлен в топку котла и снабжен завихрителем с поворотными лопатками.
Направления крутки вихревого пылеконцентратора, снабженного поворотными лопатками, коаксиального завихрителя потока пылеугольного топлива, тангенциальных сопел канала вторичного воздуха и коаксиального завихрителя дополнительного канала вторичного воздуха совпадают друг с другом.
На фиг. 1 представлено вертикальное сечение вихревой растопочной пылеугольной горелки; на фиг. 2 - разрез по А-А по фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по Б-Б по фиг. 1; на фиг. 4 - разрез по В-В по фиг. 1.
Вихревая растопочная пылеугольная горелка содержит внешний канал 1 пылеугольного топлива, внутри которого коаксиально установлен внутренний канал 2 пылеугольного топлива. На выходе внутреннего канала 2 установлены стержневые электроды 3, образующие между собой межэлектродное пространство 4 и подключенные к источнику 5 высокого напряжения. Количество стержневых электродов 3 составляет не менее двух.
Входы каналов 1 и 2 подсоединены к выходу вихревого пылеконцентратора 6 с поворотными лопатками 7, разделяющими входящий поток пылеугольного топлива на две части так, что во внешней части потока создается повышенная концентрация угольных частиц, а во внутренней части потока - пониженная концентрация угольных частиц. Причем пылеугольное топливо с повышенной концентрацией угольных частиц подается из пылеконцентратора 6 во внутренний канал 2 горелки, а пылеугольное топливо с пониженной концентрацией угольных частиц подается из пылеконцентратора 6 во внешний канал 1 горелки. Между каналами 1 и 2 установлен коаксиальный завихритель 8 с поворотными лопатками (не показаны). К входу пылеконцентратора 6 подведен общий канал 9 подачи пылеугольного топлива.
За стержневыми электродами 3 в направлении потока пылеугольного топлива размещен канал 10 для подачи вторичного воздуха через тангенциальные сопла 11, расположенные равномерно по окружности канала 1 и направленные внутрь его. За каналом 10 вторичного воздуха с тангенциальными соплами 11 в направлении выхода пылеугольного топлива из горелки в топку 12 котла установлены коаксиально цилиндрические теплоизоляционная обечайка 13 и дополнительный канал 14 вторичного воздуха. Теплоизоляционная обечайка 13 выполнена из огнеупорного материала с низкой теплопроводностью, например, шамотного кирпича. Дополнительный канал 14 вторичного воздуха направлен в топку 12 котла и снабжен коаксиальным завихрителем 15 с поворотными лопатками (не показаны). Канал 10 вторичного воздуха и дополнительный канал вторичного воздуха 14 снабжены, соответственно, клапанами 16 и 17, регулирующими расходы вторичного воздуха.
Расстояние между стержневыми электродами 3 выбирается максимальным настолько, чтобы обеспечить электрический пробой межэлектродного пространства 4, которое для сухого чистого воздуха должно быть менее 30 кВ/см. Это расстояние может быть увеличено с повышением частоты источника 5 высокого напряжения и/или наличия в межэлектродном пространстве 4 угольной пыли.
На фиг. 1 изображены также первичный 18 и вторичный 19 факелы горения пылеугольного топлива в горелке.
Вихревая растопочная пылеугольная горелка работает следующим образом.
По общему каналу 9 в вихревой пылеконцентратор 6 подают пылеугольное топливо, где оно посредством поворотных лопаток 7 разделяется на две части, во внешней части потока создается повышенная концентрация угольных частиц, а во внутренней части потока - пониженная концентрация угольных частиц. Причем пылеугольное топливо с повышенной концентрацией угольных частиц из пылеконцентратора 6 поступает во внутренний канал 2, а поток пылеугольного топлива с пониженной концентрацией угольных частиц поступает во внешний канал 1. Пылеугольное топливо с повышенной концентрацией угольных частиц проходит по внутреннему каналу 2 и попадает в межэлектродное пространство 4.
После подачи напряжения на стержневые электроды 3 от источника 5 высокого напряжения в межэлектродном пространстве 4 возникает электрическое поле. Частицы пыли, попавшие в него, электризуются. Электризация частиц угольной пыли способствует электрическому пробою межэлектродного пространства 4 и возникновению высоковольтных электрических разрядов между стержневыми электродами 3. Электрические разряды сливаются друг с другом и под напором потока движущейся пылеугольной среды вытягиваются в виде электрических дуг. Высокое электрическое напряжение и высокая температура плазмы в электрических дугах вызывают электрохимические процессы неполного окисления кокса, входящего в состав угольных частиц, кислородом, входящим в состав транспортирующего их воздуха. В результате этого образуется первичный факел 18 с образованием угарного газа. Частицы кокса угольной пыли, которые окисляются в этом факеле, поступают в основном из внутреннего канала 2, а сам первичный факел 18 начинается в межэлектродном пространстве 4 между стержневыми электродами 3, где самая высокая концентрация угольных частиц. Далее, благодаря горению угарного газа из-за подмешивания кислорода, поступающего вместе с потоком пылеугольного топлива из внешнего канала 1, первичный факел 18 увеличивается в объеме.
Эффективность этого процесса обеспечивается коаксиальным завихрителем 8, причем действие электрических разрядов стержневых электродов 3 на частицы угольной пыли продолжается во всей зоне первичного факела 18. Оптимизация воспламенения и стабильность процесса неполного горения топлива в первичном факеле 18 достигается регулированием расхода угольных частиц в каналах 1 и 2, для чего изменяют наклон поворотных лопаток 7 в пылеконцентраторе 6. Под действием тепла, выделяемого в первичном факеле 18, происходит частичное окисление кокса, входящего в состав угольных частиц, и выделение из них летучих веществ - газификация и их воспламенение. В результате этого образуется вторичный факел 19.
Кислород вторичного воздуха, поступающего из канала 10 во внешний канал 1, дополнительно через тангенциальные сопла 11, интенсифицирует газификацию пылеугольного топлива. Интенсивность этого процесса создается тем, что направление тангенциальных сопел 11 канала 10 ориентировано по касательной к внутренней стенке внешнего канала 1, а выходные части сопел 11 выполнены в виде прямоугольных щелевых отверстий. Этим создается вращение вторичного воздуха внутри внешнего канала 1, способствующее перемешиванию вторичного воздуха с горящим пылеугольным топливом.
Цилиндрическая теплоизоляционная обечайка 13 вследствие аккумуляции тепловой энергии в ее стенках создает условия, способствующие более стабильному горению пылеугольного топлива в зоне вторичного факела 19, ускоряет газификационные процессы частиц угольной пыли, подготавливает не выгоревшее полностью в горелке топливо для эффективного догорания его в топке 12 котла. На выходе из горелки к топливу, состоящему из не полностью окисленных горючих компонентов, подмешивается воздух, поступающий из дополнительного канала 14 вторичного воздуха. Этот воздух подается в количестве, обеспечивающим догорание пылеугольного топлива. Для эффективного догорания топлива коаксиальный завихритель 15 снабжен регулируемыми поворотными лопатками (не показаны).
Направления крутки вихревого концентратора 6, снабженного поворотными лопатками 7, коаксиального завихрителя потока пылеугольного топлива 8, тангенциальных сопел 11 канала 10 вторичного воздуха и завихрителя 15 дополнительного канала 14 вторичного воздуха совпадают друг с другом. Это способствует лучшему воспламенению и стабилизации горения пылеугольного топлива в горелке и догоранию его в топке 12 котла.
x
Клапаны 16 и 17 в канале 10 вторичного воздуха и, соответственно, в дополнительном канале 14 вторичного воздуха позволяют регулировать расходы вторичного воздуха, подаваемого в горелку и в топку 12 котла, тем самым достигается эффективное сжигание разных по реакционной способности пылеугольных топлив, приводящее к повышению КПД котла и к улучшению экологических показателей выбросов от сжигания топлива: уменьшению в дымовых газах оксидов азота NO, угарного газа СО и бензапирена.
Использование предлагаемого изобретения повышает устойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива при разных нагрузках (мощностях) котла и обеспечивает длительную и безотказную работу вихревой растопочной пылеугольной горелки на разных видах углей.
Горелка может быть использована для безмазутного розжига котла и стабилизации горения (поддержание факела) основных горелок котлов при сжигании разных видов пылевых топлив, в том числе низкореакционных и забалластированных углей. Объекты применения предлагаемой вихревой растопочной пылеугольной горелки: тепловые электростанции, промышленные и бытовые котельные, печное хозяйство предприятий.