Способ факельного сжигания топливовоздушной смеси и устройство для реализации способа
METHOD FOR 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 пылеугольного топлива.
Известен способ сжигания низкосортных углей и плазменная горелка для его осуществления (патент RU №2059926, С 1, МКИ F23D1/00, F23Q13/00, 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 её 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 ℃) 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, С 1, МКИ F23D1/00, F23Q13/00, 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, С 1, МКИ F23 Q 5/00, F23Q13/00, 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, принятое в качестве прототипа, для растопки котла с муфелизированным предтопком (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 предтопка. 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 муфелизированного преддтопка (муфелизированной части). Контроль над режимом нагрева муфелизированного преддтопка производился с помощью термопар, которые фиксировали значение температуры дымовых газов по длине муфелизированного преддтопка и температуру его внутренней стенки. После прогрева муфелизированного преддтопка 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 муфелизированный предтопок, топливовоздушная смесь (смесь воздуха и топлива) при малом коэффициенте избытка воздуха подвергалась предварительной термической подготовке, и весь образовавшийся газифицированный поток угольной пыли поступал в объём топки котла, где происходило его выгорание и последующий разогрев объема топочной камеры.
Недостатком описанного технического решения, является воспламенение топливовоздушной смеси (с угольной пылью), которое происходит только за счет термического воздействия от нагретого муфелизированного преддтопка. При этом существенная доля угольной пыли не успевает активироваться за время прохождения через разогретый участок, попадает в топку в не воспламенённом состоянии и способствует формированию зон с повышенной взрывоопасностью в топке котла.
Задачей решаемой предлагаемым изобретением является создание устройства, которое позволяет с минимальными удельными затратами энергии воспламенять с использованием низкореакционного топлива (пылеугольного топлива с повышенной влажностью, зольностью и низким уровнем летучих компонентов), а также повысить устойчивость его последующего сжигания. Обеспечить оптимальное качество воспламенения и поддержания горения факела при различных режимах работы котельного оборудования.
Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря тому, что предварительно высокореакционным топливом (например, мазутом, газом, дизелем) или электрическим воздействием (например, индукционным) прогревается муфелизированная часть горелочного устройства до температур самовоспламенения топливовоздушной смеси, после чего генерируют переменным током электрический разряд на стержневых электродах, введенных тело горелочного устройства, воздействуя на корневую зону факела, а подачу высокореакционного топлива прекращают. Воспламенение топливовоздушной смеси с использованием низкореакционного топлива (пылеугольного топлива с повышенной влажностью, зольностью и низким уровнем летучих компонентов) достигается за счет воздействия электрической активации пылеугольного топлива электрическим разрядом и термической активации за счет излучения муфелизированной части горелочного устройства. Во время растопки при воздействии на низкореакционную топливовоздушную смесь одного из активирующих агентов, энергии активации не достаточно, процесс горения будет затухающим. При этом как электрический разряд, так и высокореакционное топливо используется в качестве стабилизатора горения факела при колебаниях качества пылеугольного топлива или при пониженных нагрузках котла. Причем как совместно, так и по отдельности. Положение факела в горелочном устройстве и длина выхода факела в топочное пространство регулируется при помощи подвода высокореакционного топлива и/или наличием электрического разряда.
Для реализации описанного способа по изобретению предложено устройство термоэлектрического воспламенения топливовоздушной смеси с использованием низкореакционного топлива (пылеугольного топлива с повышенной влажностью, зольностью и низким уровнем летучих компонентов), содержащее муфелизированную часть, стержневые электроды для генерирования электрического разряда, топливопроводы высокореакционного топлива и трубопровод воздуха. Согласно изобретению, муфелизированная часть нагревается за счет сжигания высокореакционного топлива (например, мазутом, газом, дизелем) или электрическим воздействием (например, индукционным). Электрический разряд на стержневых электродах, введенных в горелочное устройство, генерируют переменным током. После чего происходит подача топливовоздушной смеси в горелочное устройство. При прохождении через горелочное устройство на пылевоздушную смесь воздействует термическая и электрическая активация. После достижения в топочном пространстве температуры самовоспламенения, источник электрического разряда отключается. Режим работы горелочного устройства становится автономным, самоподдерживающимся. При возникновении необходимости поддержания факела включается подача высокореакционного топлива и/или электрический разряд.
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 плазменного устройства воспламенения пылеугольного топлива.
Предлагаемое устройство термоэлектрического воспламенения топливовоздушной смеси с использованием низкореакционного топлива (пылеугольного топлива с повышенной влажностью, зольностью и низким уровнем летучих компонентов) содержит муфелизированную часть (1), трубопровод подвода воздуха (2), трубопровод подвода низкореакционного топлива (пылеугольного топлива) (3), трубопровод высокореакционного топлива (4), запально–защитное устройство (5), стержневые электроды (6) для формирования электрического разряда (7), подключенные к источнику питания (8). Пылеугольный факел (9) имеет возможность перемещения внутри горелочного устройства (10) и топочным пространством котла (11).
Предлагаемый способ и устройство факельного сжигания топливовоздушной смеси реализуется следующим образом.
В муфелизированную часть (1) подают высокореакционное топливо по трубопроводу (4), воздух по трубопроводу (2) и воспламеняют его запально–защитным устройством (5), после прогрева муфелизированного корпуса (1) до температуры воспламенения пылеугольного топлива, на стержневые электроды (6) от источника питания (8) подается электрический ток и на концах электродов (6) формируется электрический разряд (7) и в горелочное устройство по трубопроводу (3) подается пылеугольное топливо. Перемешиваясь с воздухом из трубопровода (2), пылеугольное топливо, поступающее из трубопровода (3), образует топливовоздушную смесь. После чего, подача высокореакционного топлива (4) прекращается. Топливовоздушная смесь под воздействием электрического разряда (7) и теплового излучения муфелизированной части (1) воспламеняется. В результате формируется факел (9) сгорания топливовоздушной смеси. Электрический разряд (7) воздействует на факел (9) до тех пор, пока факел (9) не перейдет в самоподдерживающий, незатухающий режим, после чего отключается. В случае ухудшения качества пылеугольного топлива, поступающего из трубопровода (3) или снижения нагрузки котла (11), можно использовать подачу высокореакционного топлива (4) и/или электрического разряда (7) в качестве поддержания горения пылеугольного факела (9). При стационарных режимах работы горелочного устройства (10), возможно регулировать длину выхода факела (9) при помощи высокореакционного топлива (4) и/или электрического разряда (7). Этот эффект достигается за счет дополнительного подвода энергии к факелу (9), что позволяет большему количеству от поступающего в горелочное устройство (10) пылеугольного топлива (3) вступить в химическую реакцию горения.
Предлагаемое изобретение позволяет воспламенять пылеугольную топливовоздушную смесь с использованием низкореакционного топлива (пылеугольного топлива с повышенной влажностью, зольностью и низким уровнем летучих компонентов) с минимальными удельными затратами энергии. Обеспечивает оптимальное качество воспламенения и поддержания горения факела при различных режимах работы котельного оборудования.