ГОРЕЛКА-КОНВЕРТОР

Объектом полезной модели «Горелка-конвертор» является устройство. Оно относится к теплоэнергетике и может быть использовано как горелочное устройство в котельных установках, сжигающих пылеугольное топливо. Устройство преобразует поступающий низко концентрированный поток аэросмеси на входе в улитку в высоко концентрированный поток угольной пыли и выдачи его по центру общего потока на выходе из горелки. Конечной целью является сокращения выбросов оксидов азота NOx.
Известны горелки, созданные для получения частично концентрированного потока на выходе из горелки при поступлении в нее низко концентрированного потока аэросмеси (см. например, рис. 4-9, 4-10 (прототип 1), а так же 4-11 в книге «Современные котельные агрегаты ТКЗ», изд. «ЭНЕРГИЯ», 1978 г. автор М.В. Мейкляр, стр. 90-93). Они были созданы сразу же для повышения устойчивости горения при переходе от слоевого к факельному сжиганию, где частице топлива для сгорания в факеле объема топки отведено менее трех секунд. Указанные вихревые горелки ТКЗ, имеющие на входе первичной аэросмеси традиционную завихритель-улитку (далее - улитку), обеспечивали мощный подсос горячих топочных газов к устью горелки и, казалось, надежное воспламенение вдуваемого в топку топлива. Однако концентрированная пыль, выделенная улиткой, выходит в виде кольцевого конуса на границе первичного и вторичного потоков воздуха (см. рис 4-10, упомянутый выше) и воспламеняется при больших избытках воздуха, что не желательно из-за (как стало ясно в дальнейшем) высоких вредных выбросов NOx в атмосферу и повышенного недожога топлива.
д,
Другое решение связано с оснащением горелок готовым концентрированным потоком от бункера пыли, когда была разработана система транспорта Пыли с Высокой Концентрацией (20-40 кг/кг) - ПВК под давлением (система ПВК в дальнейшем - ПВК), которая позволила применить пылепроводы диаметром 76-89 мм (вместо диаметра 426 мм при низких концентрациях 0,5 кг пыли/на кг воздуха) и подать крнцентрированный поток к устью горелки (1981 год - а.с. №861856, F23K 3/02 (прототип 2). Это явилось большим достижением в топочной технике, так как не только повысило стабильность подачи топлива в топку и ее работу, но и показало возможность снижения вредных выбросов NOx таким мало затратным способом.
Последовательные изменения и совершенствование горелки, снижающей NOx, разработанные в упомянутых системах подачи пыли с высокой концентрацией были зафиксированы в патенте на полезную модель №48027 - «Горелка для концентрированной пыли», класс F23D 1/06 А. Опубликовано 10.09.2005. (прототип 3). В этом прототипе осуществлена идея начального приоритетного прогрева концентрированного потока, выделение летучих в специальном ПылеВыдающем Патрубке - (далее ПВП), а после уж и смешивание со всем воздухом. Применение ПВП показало, что идея подачи концентрированного потока напрямую к устью горелки продуктивна и не только упрощает горелку и наладку режима в топке, но и снижает эмиссию NOx - свойство горелки, обнаруженное уже после оснащения горелок системой ПВК (88 год, изобретение по а.с. №1574991 «Пылеугольная горелка», F23D 1/06).
Нужные нам системы ПВК под давлением и, особенно, под разрежением, хорошо работают там, где пылевой бункер существенно выше уровня горелок и есть перепад «пылепитатель-горелка» по высоте. На части котлов перепад отсутствует и система ПВК не применена из-за возникновения пульсаций. Соответственно борьба с эмиссией оксидов азота - NOx посредством применения системы ПВК как под давлением, так и под разрежением оказалась в таких схемах невозможной. Так же обстоит дело и в системах прямого вдувания, где нет промбункера и пыль поступает к горелке напрямую при низких концентрациях, воспламеняется при больших избытках воздуха со скачком температуры за горелкой и интенсивной эмиссией NOx. Технического решения, как альтернативы имеющейся ПВК, для таких систем пылеприготовления не найдено.
Задачей Полезной Модели «Горелка-конвертор» является: выделить концентрированный поток в улитке (прототип 1), отделить его от очищенной уже пылевоздушной аэросмеси и направить по отдельному каналу по центру - оси горелки. Преобразование (конвертирование), связанное с получением концентрированного потока на выходе по центру горелки при обычном потоке аэросмеси на входе, и является конечной технической задачей.
Для этого в конструкцию горелки, имеющей улитку внесены следующие изменения.
1. В выходном канале первичной аэросмеси после улитки соосно установлена разделительная труба, делящая канал за завихрителем на два канала -центральный и внешний. Передняя часть разделительной трубы рсположена в улитке и снабжена фланцем, диаметр которого больше диаметра трубы внешнего канала аэросмеси и имеет определенный круговой зазор со стенкой улитки. 2. Фланец соединен с разделительной трубой посредством телескопической вставки, подвижно установленной на разделительной трубе.
3. Фланец и телескопическая вставка соединены со специально установленным механизмом их перемещения в осевом направлении.
4. На входе центрального потока в разделительную трубу установлено побудительное сопло.
5. Между подводящим аэросмесь пылепроводом и улиткой горелки установлен переходной патрубок, осевой размер которого меньше осевого размера улитки.
6. Центральная часть фланца выполнена в форме усеченного конуса.
Предложенная горелка-конвертор изображена на чертеже. Рассматриваемая горелка состоит из улитки первичной аэросмеси 1 и трубы 2 канала отвода аэросмеси в топку. В трубе 2 размещена дополнительно разделительная труба 3, делящая исходный канал аэросмеси на два: центральный 4 и внешний 5. Разделительная труба 3, снабжена телескопической вставкой 6 и фланцем 7 на входе. Фланец 7 жестко соединен с телескопической вставкой 6 и снабжен механизмом премещения 8. Улитка первичной аэросмеси 1 подключена к пылепроводу низкой концентрации 9 через переходной патрубок 10, осевой размер которого меньше осевого размера улитки. В передней части центрального канала 4 установлено побудитеное сопло 11. Рассмотренный первичный тракт горелки помещен, как правило, в подводящий вторичный воздух короб 12.
Горелка работает следующим образом.
Аэросмесь по пылепроводу 9 и соединяющему пылесистему с горелкой переходному патрубку 10, при низких концентрациях поступает в улитку первичной аэросмеси 1, где происходит сепарация частиц топлива под действием центробежных сил к стенке улитки и возникает движущийся по кругу концентрированный пристенный слой пыли. Очищенный в улитке воздух уходит в топку по каналу, ограниченному с внешней стороны трубой 2. Фланец 7 делит улитку на 2 части, которые могут выдавать потоки завихренной аэросмеси в общем случае влево и вправо. Однако в нашем случае левый поток, меньший по объему, идет по центральному каналу 4, принадлежащему разделительной трубе 3, вправо, как и правый поток по внешнему каналу 5, определяемому трубой 2. Скоростной режим потоков для прохода аэросмеси в горелке определяется размерами сечений каналов 4 и 5 и задается, как и местоположение и диаметр фланца 7 конструктивно при расчете оптимальных сопротивлений. С помощью механизма перемещения 8 фланец 7 с телескопической вставкой 6 могут перемещаться в осевом направлении на определенную величину по условиям минимизации общего сопротивления перед горелкой. Конечное положение фланца 7 находится и фиксируется при наладке режима работы горелки-конвертора при первом ее пуске после монтажа.
При правильной конструкции переходного патрубка 10, осевой размер окна которого меньше, чем у улитки 1, и внутренних элементов 3, 6, 7 большая часть воздушного потока (75-90%) уходит во внешний канал 5, оставляя свои 85% (КПД обычного циклона) выделенной пыли в улитке. Зазор между фланцем 7 и стенкой улитки 1 позволяет перемещаться концентрированному пристенному слою пыли в осевом направлении. Поскольку конструктивно задается, что в нашем случае справа от фланца 7 давление за счет аэродинамического удара, а так же сопротивления выходу уже очищенного в улитке 1 воздуха через канал 5, выше, чем за фланцем 7 слева, избыточное давление справа от фланца 7 «выдавливает» концентрированный слой в левую сторону от фланца 7. В левой части завихренный улиткой концентрированный поток уменьшается в диаметре и, попадая в разделительную трубу 3, как центральный концентрированный поток 4, движется на выход горелки. Его движению способствует работа побудительного сопла 11 меняющего вектор скорости концентрированнрго потока с левого направления в зазоре на правое в потоке 4. Соотношение сечений переходного патрубка 10 и размера улитки 1, связанное с обеспечением нужного полузакрытого объема слева от фланца 7 для изменения, формирования и направления вихря выбрано из условий оптимизации общего сопротивления «горелка-конвертор» и получения максимальной концентрации на выходе в топку по каналу 4. С этой же целью фланец 7 выполнен по своему внутреннему размеру в виде усеченного конуса.
Обязательность изменения короба вторичного воздуха 12, как и установка ПВП должны рассматриваться по другим условиям оптимизации горения дополнительно. Например, как показывает опыт эксплуатации, при сжигании высокореакционных углей, обуславливающих высокую надежность воспламенения и «короткий» факел горения в топке, установка ПВП на выходе не является обязательной, но основательное снижение выбросов NOx полезной моделью «Горелка-конвертор» остается. Для углей менее реакционных, при которых наблюдается сепарация плохо воспламенившейся пыли вниз или «длинный» факел горелки, при применении горелки-конвертора установка ПВП может оказаться желательным.
Таким образом, поставленная перед полезной моделью «горелка-конвектор» техническое решение - задача выделить в улитке концентрированный поток, отделить его от очищенной уже пылевоздушной аэросмси и направить по отдельному каналу по центру - оси горелки оказывается выполненной. Преобразование (конвертирование) с получением концентрированного потока на выходе по центру горелки при обычном низко концентрированном потоке аэросмеси на входе осуществлено, технический результат достигнут.
Для прямоточных горелок без улитки, особенно в схемах прямого вдувания, эта задача станет выполнимой при условии установки описанной выше полезной модели «Горелка-конвертор», содержащей такую улитку.
Горелка-конвертор может быть изготовлена на действующих электростанциях по рабочим чертежам существующих горелок с внесением в них изменений в объеме полезной модели «горелка-конвертор».