ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
VORTEX PULVERISED COAL BURNER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания угольной пыли в топках котлов, камер сгорания и печах.
Известна вихревая пылеугольная горелка, содержащая корпус, кольцевой канал аэросмеси, разделенный на отдельные сопла, и, по крайней мере, один соосно расположенный периферийный канал вторичного воздуха, образованный обечайками и снабженный завихрителем (SU №1672116, МПК F23D 1/02, 1989 г.).
Недостатком этой горелки является технологическая сложность выходной части канала пылевоздушной смеси, отсутствие крутки в канале пылевоздушной смеси, что ухудшает стабильное воспламенение и горение пылеугольного топлива. Эта горелка не позволяет эффективно снижать образование оксидов азота при сжигании низкокачественного угольного топлива.
Наиболее близкой по технической сущности является горелка одноканальная по первичному и двухканальная по вторичному воздуху, содержащая короб центрального воздуха, завихритель улиточный пылевоздушной смеси, короб вторичного воздуха, канал центрального воздуха, канал пылевоздушной смеси, каналы вторичного воздуха, завихритель лопаточный и форсунку растопочную (отраслевой стандарт ОСТ 108.030.26-78 «Горелки вихревые пылеугольные, пылегазовые и компоновка их с топками. Методы расчета и проектирования», стр.10, черт.7).
Недостатками этой горелки являются наличие улиточного завихрителя, который приводит к неравномерному распределению пыли в канале аэросмеси и нестабильное воспламенение на пониженных нагрузках из-за невозможности регулирования крутки в каналах вторичного воздуха. Это все приводит к повышенной эмиссии оксидов азота.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение образования оксидов азота и стабильное воспламенение и горение угольной пыли в широком диапазоне нагрузок при сжигании низкокачественного угольного топлива.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
1
2
3
4
Технический результат достигается тем, что вихревая пылеугольная горелка содержит корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайками, образующими кольцевые каналы пылевоздушной смеси, растопочного воздуха и, по крайней мере, один канал вторичного воздуха, на выходных концах этих каналов установлены аксиальные завихрители. Новым согласно изобретению является выполнение на выходном конце горелки на торце средней обечайки, образующей канал пылевоздушной смеси, выходного конфузора с углом сужения 10÷35°, а на торце внешней обечайки, образующей внешний канал вторичного воздуха, выполнен выходной диффузор с углом раскрытия 20÷35°, причем степень перекрытия сечений указанных каналов выбирают из соотношения  равным 0,2÷0,7 и  равно 0,2÷0,7, где F, F, F и F - соответственно площадь сечения каналов пылевоздушной смеси, площадь сужения сечений каналов пылевоздушной смеси, площадь сечения внешнего канала вторичного воздуха и площадь сужения внешнего канала вторичного воздуха.
Кольцевой внутренний канал вторичного воздуха выполнен с возможностью пропуска 30÷40%, а кольцевой внешний канал вторичного воздуха - 60÷70% всего вторичного воздуха.
На фиг.1 представлен продольный разрез вихревой пылеугольной горелки; на фиг.2 - поперечный разрез горелки по А-А; на фиг.3 - вид Б выходной части горелки (увеличено).
Вихревая пылеугольная горелка устанавливается на стене 1 топочной камеры котла. Она состоит из корпуса 2, в котором коаксиально расположены следующие каналы (от центра к периферии):
- центральный канал 3;
- кольцевой канал 4 растопочного воздуха;
- кольцевой канал 5 пылевоздушной смеси (аэросмеси);
- кольцевой внутренний канал 6 вторичного воздуха;
- кольцевой внешний канал 7 вторичного воздуха.
Центральный канал 3 образован внутренними стенками цилиндрической трубы 8, в нем расположены запальник и мазутная горелка (не показаны). Кольцевой канал 4 растопочного воздуха образован внешней стенкой цилиндрической трубы 8 и внутренней стенкой внутренней обечайки 9. Кольцевой канал 5 пылевоздушной смеси образован внешней стенкой внутренней обечайки 9 и внутренней стенкой средней обечайки 10. Кольцевой внутренний канал 6 вторичного воздуха образован внешней стенкой средней обечайки 10 и внутренней стенкой внешней обечайки 11. Кольцевой внешний канал 7 вторичного воздуха образован внешней стенкой верхней обечайки 11 и внутренней стенкой корпуса 2.
В выходных частях каналов 4, 5, 6 и 7 расположены соответственно неподвижные аксиальные завихрители 12, 13, 14 и 15. Причем аксиальные завихрители 14 и 15 дополнительно снабжены регулируемыми аксиальными завихрителями соответственно 16 и 17.
Ко входным концам обечаек 9, 10, 11 и корпусу 2 присоединены соответственно подводящая труба 18 центрального воздуха, подводящий короб 19 пылевоздушной смеси, подводящий короб 20 вторичного воздуха и подводящий короб 21 вторичного воздуха. Со стороны топки на выходном конце горелки на торце средней обечайки 10, образующей канал 5 пылевоздушной смеси, выполнен выходной конфузор 22 с углом сужения 10÷35° и степенью перекрытия сечения этого канала 0,2÷0,7.
1
где: F - площадь сечения канала 5 пылевоздушной смеси;
2
F - площадь сужения сечения канала 5 пылевоздушной смеси.
На торце внешней обечайки 11, образующей внешний канал 7 вторичного воздуха, выполнен выходной диффузор 23 с углом раскрытия 20÷35° и степенью перекрытия сечения этого канала 0,2÷0,7.
3
где: F - площадь сечения внешнего канала 7 вторичного воздуха;
4
F - площадь сужения внешнего канала 7 вторичного воздуха.
Эти показатели выбираются в зависимости от физико-механических свойств сжигаемого топлива, мощности и, соответственно, размеров горелки и габаритов топочной камеры.
Вихревая пылеугольная горелка работает следующим образом.
Через центральный канал 3 посредством запальника и мазутной горелки производят розжиг растопочного топлива в топке. По подводящей трубе 18 в кольцевой канал 4 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного растопочного топлива (например, мазута). Завихритель 12 в кольцевом канале 4 закручивает поток растопочного воздуха и вместе с ним распыленный мазут, что улучшает смесеобразование, а значит, и воспламенение и сгорание. Этот растопочный воздух также охлаждает запальник и мазутную форсунку.
После розжига мазутной горелки через подводящий короб 19 и кольцевой канал 5 в топку подают основное топливо - пылевоздушную смесь. Завихритель 13 в кольцевом канале 5 закручивает эту пылевоздушную смесь. Крутка в кольцевых каналах 4, 5, 6 и 7 создает благоприятные условия для образования приосевой зоны рециркуляции дымовых газов к устью горелки, что способствует быстрому прогреву и надежному воспламенению угольной пыли во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок.
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку подают вторичный воздух. Его подача осуществляется через кольцевые каналы 6 и 7, куда вторичный воздух подается из подводящих коробов соответственно 20 и 21. На выходе из каналов 6 и 7 вторичный воздух закручивается соответственно завихрителями 14 и 15. Наличие двух каналов вторичного воздуха 6 и 7 дает возможность перераспределять вторичный воздух по этим каналам, что позволяет обеспечить стабильность воспламенения и горения угольной пыли. Согласно расчетным и экспериментальным данным оптимальное распределение вторичного воздуха по каналу 6 составляет 30÷40%, а по каналу 7 составляет 60÷70% от всего объема вторичного воздуха, подаваемого для сжигания пылеугольной смеси в горелку. Это позволяет организовать горизонтальную стадийность горения пылеугольного факела и в то же время подать в корень факела необходимое количество воздуха для стабильного воспламенения топлива на начальном участке факела при пониженных нагрузках.
Выходной конфузор 22, установленный на торце средней обечайки 10 кольцевого канала 5 пылевоздушной смеси, направляет угольную пыль в зону рециркуляции горячих газов, крайне обедненную кислородом, куда происходит подсос горячих газов. В результате этого происходит быстрый прогрев пылевоздушной смеси и ее быстрое воспламенение. Кроме того, из-за конфузора 22 происходит отрыв пылевоздушной смеси от подаваемого в топку вторичного воздуха, что способствует организации хорошей горизонтальной стадийности горения пылеугольного топлива.
Завихрители 16 и 17 позволяют производить регулировку крутки вторичного воздуха в каналах 6 и 7 при пусконаладочных работах. Этим самым выполняется дополнительная регулировка крутки потока вторичного воздуха в пределах 2<n<4,5. При большой величине крутки кольцевой воздушный поток вторичного воздуха отрывается от потока пылевоздушной смеси и усиливает горизонтальную стадийность горения. Это дополнительно снижает концентрацию кислорода в корне факела на стадии выхода летучих веществ, а следовательно, способствует снижению эмиссии оксидов азота.
Выходной диффузор 23, установленный на торце внешней обечайки 11 внутреннего кольцевого канала 6 вторичного воздуха, усиливает действие конфузора 22. Он способствует отрыву потоков вторичного воздуха от потока пылевоздушной смеси, что также усиливает стадийное сжигание топлива и снижает процесс образования оксидов азота.
Использование предлагаемой вихревой пылеугольной горелки для сжигания каменных углей марки СС в камерных топках энергетических котлов, например Экибастузских углей на котле ПК-39 Рефтинской ГРЭС, позволит снизить оксиды азота на 40÷50%, с 900÷1000 до 530-550 мг. Горелка обеспечивает стабильное воспламенение и горение угольной пыли в широком диапазоне нагрузок, что особенно актуально при сжигании низкокачественного угольного топлива.