УСТРОЙСТВО ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
FLARE COMBUSTION DEVICE

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для оптимизации процесса сжигания и обеспечения розжига котлов и стабилизации горения топлива, например, угольной пыли, при его факельном сжигании без применения дополнительного высокореакционного топлива.
Известно техническое решение, раскрытое в патенте на изобретение RU 2377467 C2 (МПК F23D 1/00; опубликован 27.12.2009), которое представляет собой устройство факельного сжигания топлива. Данное устройство содержит воспламенительную камеру, внутренняя поверхность которой имеет цилиндрическую форму, канал подачи топливной аэросмеси в эту камеру, плазмотрон, снабженный стержневыми электродами. Плазмотрон установлен на боковой поверхности воспламенительной камеры, у ее входной части. Устройство также содержит патрубок воспламенительной камеры, в который установлен плазмотрон, и канал вторичного воздуха.
В конструкции данного устройства отсутствует разделение на камеру воспламенения и камеру охлаждения, вторичный воздух подается непосредственно в камеру воспламенения. В связи с этим возрастает риск быстрого отрыва факела и его погасания в ходе эксплуатации данного устройства, что является существенным недостатком известного устройства.
Известно техническое решение, раскрытое в патенте на изобретение RU 2059926 C1 (МПК F23D 1/00, F23Q 13/00; опубликован 10.05.1996), которое представляет собой устройство факельного сжигания топлива. Данное устройство содержит канал подачи топливной аэросмеси, канал вторичного воздуха с установленным в нем завихрителем, плазмотрон-запальник со стержневыми электродами. Данное устройство отличается тем, что плазмотрон-запальник со стержневыми электродами установлен в канале подачи аэросмеси, электроды выполнены графитовыми и размещены по всей длине канала подачи аэросмеси, а плазмотрон-запальник снабжен соплами двустороннего истечения и установлен с возможностью продольного перемещения между стержневыми электродами, при этом сопла плазмотрона сориентированы на концы электродов.
С точки зрения эксплуатации данное устройство характеризуется низкой надежностью воспламенения пылеугольного топлива, а также большой удельной электрической мощностью горелки и большими ее размерами. Это, в свою очередь, приводит к высоким удельным затратам электроэнергии в ходе эксплуатации известного устройства, что является существенным его недостатком. Кроме того, из-за быстрой изнашиваемости стержневых электродов возникает необходимость их замены, что приводит к усложнению процесса обслуживания известного устройства факельного сжигания топлива. В качестве прототипа выбрано известное техническое решение, раскрытое в патенте на изобретение RU 2410603 C1 (МПК F23Q 5/00, F23Q 13/00; опубликован 27.01.2011), которое представляет собой устройство факельного сжигания топлива. Данное устройство содержит корпус, стержневые электроды, присоединенные к источнику высокочастотного переменного тока, для генерирования электрической дуги, канал подачи топливной аэросмеси и канал вторичного воздуха, согласно изобретению корпус разделен на камеру воспламенения и камеру охлаждения, причем в камере охлаждения выполнен проход вторичного воздуха с установленными в нем стержневыми электродами. Указанные признаки являются общими с предлагаемым техническим решением.
Недостатком этого устройства является ограниченная тепловая мощность инициируемого факела и невозможность организации оптимального процесса сжигания всего объёма топлива, так как конструкция известного устройства ориентирована лишь на создание инициирующего факела. Подача вторичного воздуха в камеру воспламенения также ограничивает объём воспламеняемого пылеугольного топлива вследствие необходимости увеличения объёмов воздуха и как следствие недопустимых, с точки зрения отрыва факела, значения скорости потока аэросмеси. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую надежность воспламенения низко реакционных топлив (тощие, забалластированные и обводненные топлива, например, водоугольное топливо). Это связано в первую очередь с последующим воспламенением основного факела от полученного факела. При сжигании топлива с высокой степенью шлакообразования может происходить ошлаковывание поверхностей камеры воспламенения, что требует их постоянного обслуживания. Это ведет к снижению надежности работы системы розжига.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства, которое позволяет обеспечить воспламенение и сжигание всего объема пылеугольного топлива подаваемого в горелки котла при пониженных требованиях к сжигаемому топливу (забалластированные, тощие, обводненные угли), и к температуре подаваемого топлива и воздуха на горелку, что обеспечивает пуск котла из холодного состояния с холодными компонентами и с минимальными затратами электрической энергии без использования высокореакционного топлива. Что обеспечивает надежность работы котлов и безопасность процессов растопки и сжигания топлива. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность факельного сжигания топлива, в том числе и низко реакционного, и повышение эффективности его сжигания.
Под эффективностью сжигания топлива понимается получение тепловой энергии с минимальными её потерями (минимальные избытки воздуха, то есть близкие к стехиометрическому значению, а также минимальный химический и механический недожог топлива).
Обеспечиваемый изобретением технический результат достигается тем, что устройство факельного сжигания топлива содержит камеру воспламенения, источник переменного тока, не менее двух стержневых электродов, соединенных с источником переменного тока, канал подачи топливной аэросмеси, канал вторичного воздуха и камеру охлаждения, причем между камерой воспламенения и охлаждения выполнены проходы для установки стержневых электродов. Заявляемое устройство факельного сжигания топлива отличается тем, что, по крайней мере к одному из стержневых электродов, подключен, относительно оболочки камеры воспламенения, источник постоянного напряжения, а на выходе камеры воспламенения установлена камера формирования факела, к которой подведен канал вторичного воздуха. Такая конструкция устройства позволяет осуществлять возбуждение диффузного электрического разряда между электродами, который производит ионизацию и воспламенение топливной аэросмеси. При этом за счет хемоионизационных процессов формируется высоко ионизированная предпламенная зона факела, которая является основным условием для обеспечения гетерогенных химических реакций окисления всего объема топливной аэросмеси, что позволяет эффективно сжигать низко реакционное топливо, то есть реакция окисления, которого имеет высокую энергию активации. Наличие, по крайней мере, одного стержневого электрода, с подключенным к нему, относительно оболочки камеры воспламенения, источником постоянного напряжения, позволяет поддерживать высоко ионизированное состояние предпламенной зоны факела и обеспечить выполнение необходимого условия для полного сгорания топливной аэросмеси при его факельном сжигании. Кроме того, наличие канала вторичного воздуха, подведенного к камере формирования факела, обеспечивает формирование и горения факела в топке путем подачи в камеру формирования факела вторичного воздуха через канал вторичного воздуха. Таким образом, достигается создание возможности факельного сжигания топлива, а также повышение эффективности сжигания низко реакционного топлива.
Стержневые электроды закреплены на тепло- и токопроводящих стойках, другой конец которых закреплен на опорных пластинах, размещенных в камере охлаждения изолированно относительно токопроводящих поверхностей устройства. Это позволяет с одной стороны, надежно зафиксировать стержневые электроды, а с другой – осуществлять отвод излишков тепла со стержневых электродов и опорных пластин. Это приводит к увеличению срока эксплуатации стержневых электродов, повышая надежность работы устройства для эффективного сжигания низко реакционного топлива.
Кроме того, камера охлаждения снабжена каналом для подвода уплотняющего воздуха, а вторичный воздух подведен к камере формирования факела. Это позволяет отводить тепло от стержневых электродов за счет подачи уплотняющего воздуха в камеру охлаждения, что приводит к эффективному отводу тепла с электродов устройства, что повышает надежность работы устройства для эффективного сжигания низко реакционного топлива. Также подача вторичного воздуха в камеру формирования факела обеспечивает оптимальное формирование факела и, как следствие, эффективность сжигания низко реакционного топлива с помощью заявляемого устройства факельного сжигания топлива.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства факельного сжигания топлива, на фиг. 2 показано принципиальная схема ионизационного блока 2.
Предлагаемое устройство факельного сжигания топлива содержит (фиг. 1) канал подачи топливной аэросмеси 1, ионизационный блок 2, камеру формирования факела 3, источник переменного тока 4, источник постоянного напряжения 5.
В качестве топливной смеси может быть использована любая известная топливная аэросмесь. Топливная смесь является смесью воздуха или газа-окислителя, например, кислорода, и топлива. Используемое топливо может находится в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком или газообразном), однако, необходимым условием является размер частиц или капель топлива, в случае использования в качестве компонента топливной смеси твердого или жидкого топлива, соответственно. Размер частиц для твердого топлива не должен превышать 60 мкм. В тоже время для жидкого топлива размер капель не должен превышать10 мкм. Примерами твердого топлива, которое может быть использовано как компонент аэросмеси, являются уголь, торф, отходы деревообработки, и т. д. Примерами жидкого топлива, которое может быть использовано как компонент аэросмеси, являются нефтепродукты, водоугольное топливо и т. д.
В качестве источника переменного тока 4 может быть использован источник переменного тока любой известной конструкции, например, серийно выпускаемый преобразователь источника электропитания генератора плазмы ИРБИ943- 5- 0,4 УХЛ3.1В. В качестве источника постоянного напряжения 5 может быть использован источник постоянного напряжения любой известной конструкции, например, серийно выпускаемый источник высокого напряжения, построенный по схеме умножения напряжения, ИВНР-5/50. Ионизационный блок 2 содержит камеру воспламенения 6, камеру охлаждения 7, стержневые электроды 8, закрепленные на токо- и теплопроводящих стойках 9, опорных изоляторов 10, установленных снаружи камеры воспламенения 6, служащими опорой для пластины 11, соединенной с помощью крепежных элементов 12 с изоляторами 10 и стойкой 9. В камере охлаждения 7, выполненной герметично, выполнены проходы для электрического кабеля 13, проход 14 для ввода охлаждающего воздуха и проход 15 для стоек 9.
Канал подачи топливной аэросмеси 1 может быть выполнен из любого известного конструкционного материала, например, из стали. Ионизационный блок 2 может быть выполнен из любого известного токопроводящего конструкционного материала, например, стали. Стержневые электроды 8, стойки 9 и опорная пластина 11, в свою очередь, могут быть выполнены из любого известного токо- и теплопроводного материала, например, меди или бронзы. Камера формирования факела 3 может быть выполнена из любого известного термостойкого материала. В качестве примера камера формирования факела 3 может быть выполнена из жаропрочной легированной стали, например, стали марки Х20Н35. Кроме того, камера формирования факела 3 может иметь внутреннее высокотемпературное термоизоляционное покрытие, выполненное с использованием любого известного огнеупорного материала, например, материала, изготовленного на основе шамотного порошка, огнеупорной глины и т. д., устойчивыми к воздействию температуры в температурном диапазоне, верхний предел которого достигает 1500°С – 1700°С.
Работа устройства факельного сжигания топлива плазменного осуществляется следующим образом.
В камеру воспламенения 6 по каналу 1 подачи топливной аэросмеси подают подготовленную аэросмесь топлива. От источника переменного тока 4 подают на стержневые электроды 8 напряжение переменного тока в диапазоне частот 1-30 кГц, происходит пробой межэлектродного пространства, в результате чего происходит замыкание электрической цепи. Вследствие этого, происходит возбуждение диффузного электрического разряда, который производит ионизацию и воспламенение топливной аэросмеси. При этом за счет хемоионизационных процессов формируется высоко ионизированная предпламенная зона факела, которая является основным условием для обеспечения гетерогенных химических реакций окисления всего объема топливной аэросмеси. Обеспечение протекания гетерогенных химических процессов является основным условием сжигания низко реакционных топлив, включая водоугольное топливо. Для обеспечения высоко ионизированного состояния предпламенной зоны факела, по крайней мере, на один стержневой электрод 8 подают электростатический потенциал от источника постоянного напряжения 5 относительно токопроводящей поверхности камеры воспламенения 6. Камера воспламенения 6 может быть выполнена как часть канала 1 подачи топливной аэросмеси. Воспламененная аэросмесь поступает в камеру формирования факела 3, где происходят основные химические процессы. Далее, сформированный факел, содержащий высоко активированные компоненты топлива и окислителя, поступает в топку котла, в котором осуществляется полное сжигание топлива. При изменении характеристик топлива, его объема и т.д. регулируют величину потенциала предпламенной зоны, обеспечивая требуемые параметры горения факела. Диапазон изменения электрического потенциала находится в диапазоне от 0,1 до 5 кВ.
Для обеспечения формирования и горения факела в топке в камеру формирования факела 3 подают вторичный воздух через канал вторичного воздуха. Избытки воздуха в камере формирования факела 3 устанавливают с учетом организации горения топлива в топке.
Тепло, выделяемое на стержневых электродах 8, отводится через электропроводящие стойки 9 на опорную пластину 11, которую охлаждают воздухом уплотнения, поступающим под оболочку ионизационного блока 2. После чего, тепло сбрасывается в камеру воспламенения факела 3 через проходы 15 для электропроводящих стоек 9, выполненные в камере воспламенения факела 3. Часть тепловой энергии со стержневых электродов 8 и стоек 9 отводится потоком топливной аэросмеси, что обеспечивает долговечность работы стержневых электродов 8.
На выходе из камеры формирования факела 3 получают топливную смесь с температурой свыше 700°С и содержанием горючих веществ в газовой фазе до 50%. Такая смесь устойчиво горит, что позволяет повысить надежность горения факела даже в холодной топке, что позволяет использовать данное устройство для целей розжига котлов без применения высокореакционного топлива, обеспечивая высокую степень выгорания топлива.
Частота работы источника переменного тока 4 выбирается из условий обеспечения устойчивого диффузного разряда и технических ограничений, связанных с технической реализацией, находится в диапазоне 3 – 50 кГц. Для ограничения величины эрозии стержневых электродов 8 амплитудная величина тока должна находится в диапазоне 0,1 – 2 А, что обеспечивает долговечность работы стержневых электродов 8 без их замены.
Описанное в тексте данной заявки устройство может иметь множество конкретных вариантов исполнения, в настоящей заявке раскрыты лишь существенные признаки изобретения и наилучшее исполнение изобретения, которое не ограничивает возможности применения настоящего изобретения, для специалиста очевидно возможное множество вариантов исполнения изобретения согласно настоящего описания.
Применение предлагаемого изобретения позволяет производить факельное сжигание топлива, в том числе и низко реакционного, и повысить эффективность его сжигания.