ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
VORTEX PULVERIZED COAL BURNER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания угольной пыли в топках котлов, камер сгорания и печах.
Вихревые пылеугольные горелки позволяют достаточно эффективно сжигать пылеугольное топливо, обеспечивая оптимальный режим перемешивания угольной пыли с воздухом и горения факела. Однако движение аэросмеси угольной пыли и воздуха в горелке сопровождается интенсивным износом ее частей, что приводит к существенному снижению долговечности и надежности горелок, в первую очередь лопаточных аппаратов (завихрителей), обечаек и других деталей каналов подачи аэросмеси. Износ деталей горелок ускоряет высокая температура их эксплуатации, часто превышающая 1000°С. Возникает проблема повышения износостойкости деталей канала аэросмеси горелки и выбора наиболее рациональных материалов для покрытий, обеспечивающих лучшее соотношение простоты конструкции, технологичности и качества - термостойкости и износостойкости, а также стоимости горелки. Наиболее износостойкими и термостойкими являются керамические высокотемпературные покрытия, которые выполняются из отдельных плиток, фасонных деталей или втулок. Однако такие покрытия имеют сложную технологию изготовления с большой длительностью технологического процесса, часто характеризуются большими погрешностями формы и размеров из-за неуправляемой усадки материала во время сушки и термообработки. В связи с этим требуется достаточно сложная конструкция крепления защитной керамики на лопатках и обечайках или применение высокотемпературных клеевых композиций. Все это снижает технологичность горелки и в целом негативно сказывается на ее долговечности и надежности.
Известна вихревая пылеугольная горелка, содержащая центральную трубу растопочного устройства с лопаточным завихрителем аэросмеси, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: подачи аэросмеси и два кольцевых воздушных канала - внутренний и внешний (патент Японии JP 2746917, МПК F23D 1/02, опубл. 06.05.1998). Кромки лопаток завихрителя снабжены со стороны потока аэросмеси пластинами из износостойкой керамики, на основе нитрида кремния, карбида кремния или подобной. Пластины из износостойкой керамики удерживаются фигурными вставками из нержавеющей стали и защищают кромки лопаток от интенсивного износа.
Недостатком этой пылеугольной горелки является недостаточная долговечность и надежность горелок вследствие износа ее частей. У лопаток завихрителя защищены только передние кромки, поэтому в случае сжигания высокоабразивных углей плоскости лопаток со стороны потока аэросмеси интенсивно изнашиваются. Такому же интенсивному износу будут подвергаться внешняя обечайка канала аэросмеси и его центральная труба. Наиболее сильный износ будет происходить в зоне выходного сечения канала, где велик радиационный нагрев лопаток, обечайки и центральной трубы. Снижение износа в этой зоне за счет применения жаропрочных высоколегированных сталей малоэффективно и дорого.
Дополнительной проблемой защиты лопаток завихрителя керамическими вставками или пластинами является возникновение в них сколов и трещин вследствие разного расширения керамического защитного материала и стали лопаток, а также изменений формы изогнутых лопаток, при изменении температуры во время разогрева или охлаждения горелок и за счет разной температуры лопаток со стороны радиационного нагрева излучением из топки и обратной стороны - со стороны набегающего потока относительно более холодной аэросмеси. Для предотвращения таких дефектов предусматривают специальные крепления и различные замковые пазы, которые усложняют конструкцию, снижеют ее технологичность и приводят к увеличению стоимости горелки.
Известна вихревая пылеугольная горелка, содержащая центральный канал для размещения растопочного устройства, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: растопочного воздуха, по меньшей мере один кольцевой канал подачи аэросмеси и два кольцевых канала вторичного воздуха - внутренний и внешний, а в выходной части канала аэросмеси установлены рассекатели потока, в кольцевых каналах вторичного воздуха установлены лопаточные завихрители воздуха (патент РФ №2646164, МПК F23D 1/02, опубл. 01.03.2003).
Недостатком этой горелки является недостаточная ее долговечность и надежность из-за износа лопаток завихрителя и обечаек канала аэросмеси, т.к. лопаточный завихритель канала подачи аэросмеси располагается вблизи выходного сечения этого канала и его лопатки нагреваются до высокой температуры, в зависимости от режима работы горелки до 800-1000°С и более. При таких температурах износостойкость материала лопаток значительно снижается, происходит интенсивный износ лопаток аэросмесями с углями повышенной абразивности, и время их истирания до потери функциональности может снижаться до нескольких месяцев, а иногда до нескольких недель, что недопустимо. Такому же интенсивному нагреву подвергаются и поверхности обечаек канала аэросмеси, расположенные вблизи выходного сечения этого канала. Рассекатели потока представляют собой массивные детали, которые сопротивляются износу более длительное время, чем лопатки и обечайки, но это не повышает долговечность горелки в целом. Применение в конструкции жаропрочных высоколегированных сталей снижает интенсивность износа, но не позволяет радикально решить проблему абразивного износа лопаток и обечаек, в тоже время приводит к значительному удорожанию горелки.
Наиболее близким техническим решением является пылеугольная горелка, содержащая центральный канал для подачи аэросмеси, состоящий из цилиндрической обечайки с размещенными на ее внутренней поверхности защитными износостойкими плитками и секциями трубы Вентури и опорной трубы с защитной втулкой и завихрителем, выполненным как единый узел со ступицей и лопатками (патент США US 6474250, МПК F23D 1/02, опубл. 05.11.2002). Завихритель со ступицей и лопатками установлены на конце опорной трубы на выходе канала аэросмеси в топку. Устройство позволяет перемещать опорную трубу с завихрителем в осевом направлении на некоторое расстояние для регулирования закручивания потока аэросмеси.
Недостатком этой пылеугольной горелки является размещение завихрителя аэросмеси в непосредственной близости от выходного сечения канала подачи аэросмеси, что приводит к необходимости изготовления завихрителя из дорогостоящих материалов с высокой термостойкостью и жаропрочностью. Регулировочное перемещение опорной трубы с завихрителем в осевом направлении мало и незначительно изменяет температуру нагрева поверхностей лопаток завихрителя, поэтому требования к их материалам по термостойкости и жаропрочности также высоки, соответственно, требуют высоких затрат на сам материал и на изготовление завихрителя в целом. Материалы с высокой жаропрочностью характеризуются низкой обрабатываемостью и технологичностью, это ограничивает количество и угол наклона лопаток завихрителя и требует введения дополнительного рассекателя - стабилизатора горения и усложняет конструкцию. Кроме того нет градации применения в конструкции материалов, что также приводит к удорожанию конструкции за счет необоснованного применения дорогих материалов с повышенной термостойкостью, например, дорогой керамики на основе корунда, нитрида кремния, карбида кремния, сапфировой керамики или дорогих сплавов с высокой жаропрочностью.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в упрощении конструкции горелки и обеспечении ее высокой технологичности при повышенной надежности и долговечности.
1
1л
2
2л
1
2
1
2
1л
2л
3
1об
4
2об
3
4
3
4
1об
2об
Для достижения технического результата вихревая пылеугольная горелка содержит центральный воздушный канал с лопаточным завихрителем и размещенным по оси горелки растопочным устройством, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: канал подачи аэросмеси с лопаточным завихрителем, внутренний и внешний воздушные каналы с лопаточными завихрителями, а внешняя поверхность внутренней обечайки и внутренняя поверхность внешней обечайки канала подачи аэросмеси имеют защитные покрытия. Лопатки лопаточного завихрителя в канале подачи аэросмеси имеют защитное покрытие и располагаются от выходного сечения канала на расстоянии не ближе большего из двух расстояний k⋅(1040 - 0,9⋅t) мм и k⋅(1470 - t) мм но не далее чем 0,8 длины канала, где k и k - коэффициенты, зависящие от требуемой долговечности лопаток завихрителя, k=(1,0…1,2), k=(1,0…1,2); t - максимальная рабочая температура защитного материала лопаток, °С; t - меньшая термостойкость защитного материала или несущего материала лопаток, °С, а защитные покрытия обечаек канала подачи аэросмеси выполнены из материалов разной термостойкости, при этом граница зоны защиты менее термостойким материалом располагается от выходного сечения канала подачи аэросмеси на расстоянии не ближе большего из двух расстояний k⋅(680 - 0,66⋅t) мм и k⋅(1200 - t) мм, где k и k - коэффициенты, зависящие от требуемой долговечности обечайки, k=(1,0…1,35), k=(1,0…1,35); t - максимальная рабочая температура защитного материала обечайки, °С; t - меньшая термостойкость защитного материала или несущего материала обечайки, °С.
На чертеже изображен продольный разрез вихревой пылеугольной горелки.
Вихревая пылеугольная горелка содержит центральный воздушный канал 1 с лопаточным завихрителем 2 и растопочным устройством 3, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: канал 4 подачи аэросмеси с лопаточным завихрителем 5, внутренний воздушный канал 6 с лопаточным завихрителем 7, внешний воздушный канал 8 с лопаточным завихрителем 9. Внешняя обечайка 10 канала 4 подачи аэросмеси имеет с внутренней поверхности защитные покрытия 11 и 12 со стороны потока аэросмеси, внутренняя обечайка 13 канала 4 подачи аэросмеси также имеет с внешней поверхности защитные покрытия 14, 15 и 16 со стороны потока аэросмеси. Лопатки 17 лопаточного завихрителя 5 имеют защитные покрытия 18 (обозначены толстой линией) со стороны набегающего потока аэросмеси.
1
1
1л
2
2л
1
2
1л
2л
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Лопаточный завихритель 5 в канале 4 подачи аэросмеси расположен так, чтобы его лопатки 17 находились от выходного сечения канала на расстоянии L не ближе большего из двух расстояний k⋅(1040 - 0,9⋅t) мм и k⋅(1470 - t) мм, но не далее чем 0,8 длины канала 4, где k и k - коэффициенты, зависящие от требуемой долговечности лопаток завихрителя; t - максимальная рабочая температура защитного материала лопаток, °С; t - меньшая термостойкость защитного материала или несущего материала подложки (конструктивной основы) лопаток, °С. Коэффициенты k и k выбираются в зависимости от требований к долговечности лопаток, например, в диапазоне от 1,0 до 1,2. По мере увеличения k и k температуры эксплуатационных режимов горелки снижаются, поэтому повышается износостойкость лопаток, их надежность и долговечность. При k и k равных 1,0 лопатки завихрителя будут эксплуатироваться при наибольших допустимых температурах, и их долговечность будет наименьшей из всех возможных для нормальной эксплуатации горелки. При k и k равных 1, 2 износостойкость и долговечность лопаток будет повышенной. Ограничение L величиной равной 0,8 длины канала 4 связано с тем, что при удалении лопаточного завихрителя от выходного сечения канала 4 подачи аэросмеси и, соответственно, приближении его к входному сечению канала эффективность работы завихрителя (эффективность закручивания им потока аэросмеси) снижается за счет торможения потока трением об обечайки канала.
1
1
1л
1
1
1
2л
2
2
Приведен расчет расстояния L на примере защитного покрытия лопатки лопаточного завихрителя наплавки материалом CDP 4666 фирмы «Мессер Эвтектик Кастолин». Наибольшая рекомендуемая рабочая температура защитного покрытия длительной эксплуатации составляет 550°С, а меньшая термостойкость подложки, на которую наплавляется защитный материал - 900°С, поэтому L для t=550°С и k=1 составит 545 мм, а для k=1,2 - 654 мм, L для t=900°С и k=1 составит 570 мм, а для k=1,2 - 684 мм. Таким образом, лопатки завихрителя необходимо располагать не ближе расстояния 570 мм, а при наличии каких-либо конструктивных препятствий можно увеличить это расстояние до 684 мм.
2
3
1об
4
2o6
3
4
1об
2об
3
4
3
4
3
4
3
4
Защитные покрытия 11 и 12 внешней обечайки 10 и защитные покрытия 14 и 16 внутренней обечайки 13 канала 4 подачи аэросмеси выполнены из материалов разной термостойкости. При этом граница зоны защиты менее термостойким материалом располагается от выходного сечения канала подачи аэросмеси на расстоянии L не ближе большего из двух расстояний k⋅(680-0,66⋅t) мм и k⋅(1200 - t) мм, где k и k - коэффициенты, зависящие от требуемой долговечности обечайки, t - максимальная рабочая температура защитного материала обечайки, °С., t - меньшая термостойкость защитного материала или несущего материала обечайки, °С. Коэффициенты k и k выбираются в зависимости от требований к долговечности обечаек и конструктивных особенностей горелки, например, в диапазоне от 1,0 до 1,35. По мере увеличения k и k температуры эксплуатационных режимов обечаек горелки снижаются, поэтому повышается их износостойкость, надежность и долговечность. При k и k равных 1,0 обечайки будут эксплуатироваться при наибольших допустимых температурах, и их долговечность будет наименьшей из всех возможных для нормальной эксплуатации горелки. При k и k равных 1,35 износостойкость и долговечность обечаек будет повышенной.
3
2
3
1об
4
2об
1об
2о6
3
4
3
Зон защиты с покрытиями разной термостойкости и разной рекомендованной максимальной температурой эксплуатации на обечайках может быть более двух, как, например, показано на чертеже, где на внутренней обечайке 13 последовательно расположены три зоны покрытий 14, 15 и 16. Защитный материал 15 располагается от выходного сечения канала подачи аэросмеси на расстоянии L, как и для L, не ближе большего из двух расстояний k⋅(680 - 0,66⋅t) мм и k⋅(1200 - t) мм, где t - максимальная рабочая температура защитного материала, выбранного для данной зоны обечайки, °С., t - меньшая термостойкость выбранного защитного материала или несущего материала обечайки, °С. Коэффициенты k и k также выбираются в зависимости от требований к долговечности обечаек и конструктивных особенностей горелки, но диапазон их варьирования может быть уменьшен, например, от 1,0 до 1,2, т.к. температура этой зоны относительно низка и увеличение L в меньшей степени влияет на долговечность защитного покрытия.
Вихревая пылеугольная горелка работает следующим образом. При работе горелки в каналы 1, 6 и 8 подается воздух, нагретый чаще всего до температуры 200-300°С. В канал 4 подается аэросмесь, состоящая из воздуха и пылевидного угольного топлива, нагретая до температуры 200-300°С. Во время пуска котла аэросмесь в потоках воздуха воспламеняется с помощью растопочного устройства 3. С помощью лопаточного завихрителя 5 потоку аэросмеси придается заданная крутка - вихревое движение, аналогично, заданные крутки потокам воздуха в каналах 1, 6 и 8 придаются лопаточными завихрителями соответственно 2, 7 и 9. Вихревые движения потоков воздуха и аэросмеси позволяют поддерживать нужный режим горения угольной пыли в топке. Во время работы котла происходит разогрев горелки за счет высокой температуры газов в топке и интенсивного радиационного облучения горелки тепловым потоком из топки и факела горящего топлива. Энергетический котел обычно имеет несколько горелок, которые могут работать все одновременно при работе котла на номинальной нагрузке, или часть из горелок может быть отключена при работе котла на пониженной нагрузке. При отключении горелки на работающем котле для ее охлаждения во все каналы с относительно малым расходом подается воздух. Это обеспечивает снижение температуры всех частей горелки. Однако при аварийных ситуациях воздух в отключенные горелки может не подаваться. Эти режимы эксплуатации горелки определяют разные условия выбора материалов конструктивных элементов горелки.
1
В случае расположения лопаток лопаточного завихрителя на указанном расстоянии L появляется возможность использования более технологичного защитного покрытия 18 лопаток 17, например, в виде наплавки износостойким материалом. Кроме этого обеспечивается возможность упрощения конструкции завихрителя, например, выполнение его сварным совместно с участком внутренней обечайки 13, защиту от износа которого также можно обеспечить наплавкой защитного покрытия, тем самым увеличив надежность и долговечность горелки. Использование защитных материалов обечаек канала подачи аэросмеси разной термостойкости в зонах с разной температурой их поверхности обеспечивает лучшее соотношение простоты конструкции, технологичности и износостойкости, а также позволяет снизить стоимость горелки.
3
4
1
2
1
2
3
4
Таким образом, все описанные конструктивные меры защиты частей канала подачи аэросмеси вихревой пылеугольной горелки позволяют при обеспечении требуемой долговечности и надежности при сжигании углей с высокой абразивностью существенно упростить конструкцию горелок и повысить их технологичность по сравнению с использованием однотипных защитных покрытий с максимальными значениями термостойкости и температуры эксплуатации, без учета температуры нагрева разных участков обечаек в канале подачи аэросмеси и с расположением завихрителя аэросмеси вблизи выходного сечения этого канала. Для горелок мощностью от 25 до 60 МВт предложенные зависимости позволяют выбрать положение границ между зонами обечаек с разными защитными материалами с точностью не хуже 1,2% при k и k равных 1,0 и положение лопаток завихрителя с точностью не хуже 0,7% при k и k равных 1,0. Увеличение коэффициентов k, k, k и k повышает долговечность и надежность горелок, не приводит к усложнению конструкции и ухудшению технологичности.
Использование предложенного технического решения: согласования выбора эксплуатационных характеристик защитных материалов с температурой участка обечайки и температурой лопаток завихрителя, технологичностью этих материалов и возможностью упрощения конструкции при их применении позволило достичь заявленного технического результата. Так для вихревой пылеугольной горелки мощностью 60 МВт для котла типа ПП-1900-25,8-568/568 КТ применение на обечайках защитных керамических плиток на первом участке от выходного сечения канала подачи аэросмеси, на втором участке обечайки с наплавленным защитным покрытием, углубление лопаточного завихрителя с использованием для защиты лопаток наплавляемого покрытия со стороны набегающего потока аэросмеси и приварки лопаток к обечайке с наплавленным защитным покрытием позволило существенно упростить конструкцию горелки, повысить ее технологичность при обеспечении гарантийного срока эксплуатации горелки при сжигании углей с высокой абразивностью до 5-6 лет. При этом стоимость одной горелки за счет упрощения конструкции и повышения ее технологичности снизилась на более чем на 15%. Кроме этого, предложенное конструктивное решение позволило существенно ускорить технологический цикл изготовления завихрителя аэросмеси и сборки горелки.