ГОРЕЛКА ДЛЯ ПЫЛИ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
BURNER FOR HIGH-CONCENTRATION DUST

x
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котельных установках, работающих на пылеугольном топливе при транспортировании его в горелку по пылепроводам системы подачи пыли с высокой концентрацией (далее - ПВК) под давлением. Изобретение направлено на сокращение затрат пускового топлива при пусках, повышение устойчивости горения и экономичности сжигания переменного по реакционности топлива при низком уровне образования вредных веществ (оксидов азота NO) в топочных газах, а так же на уменьшение габаритов горелки.
При традиционной схеме подачи пыли в горелку отработанным сушильным агентом по пылепроводам диаметром 300-500 мм мазутная форсунка, как правило, устанавливалась по центру горелки, соосно каналу первичного воздуха (см., например, В.М.Мейкляр. Современные котельные агрегаты ТКЗ. Москва, «Энергия», 1978, с.90, рис.4-9)[1]. Размер этой горелки в осевом направлении 4 м 30 см. Мазутная форсунка, установленная по ее центру, имеет еще больший размер. Большая длина горелки, как и форсунки, является недостатком конструкции, так как требует дополнительного пространства для установки котла, удорожает строительство в целом, а в дальнейшем затраты на обслуживание и ремонт. Кроме того, головка форсунки размещается за горелкой, и ее факел нагревает в целом все топочное пространство. При подаче пыли на горелку с работающей форсункой поджечь пыль от форсунки невозможно при не нагретой еще топке. Поэтому пыль подают только при повышении температуры газов в конце топки не менее, чем до 400 градусов Цельсия.
x
Разработка системы подачи пыли с высокой концентрацией уменьшила не только диаметр подводящего пыль к горелке пылепровода в 5-8 раз, но и его длину за счет более компактного его гиба перед горелкой. Но главным достижением была установка в корпусе горелки специального пылевыдающего патрубка (далее - ПВП), позволившего осуществить предварительную высокотемпературную обработку топлива и его частичное воспламенение и горение до соединения с основным воздухом для горения (см., например, US 6715432 В2, МПК F23D 1/00, оп. 06.04.2004, прототип). Применение ПВП позволило существенно стабилизировать процесс горения в топке с одновременным уменьшением вредных выбросов (NO) без ухудшения выжига топлива.
Задачей изобретения является возможность использования ПВП в системах ПВК в качестве ограниченного внутреннего объема - смесительной камеры - для одновременного сжигания при необходимости твердого и растопочного (жидкого или газообразного) топлива; осуществления ввода растопочного топлива в объем пылевыдающего патрубка; подведения к форсунке воздуха для сжигания растопочного топлива; использования смесительной камеры как форкамера при растопках и пусках котла и, при необходимости, для подсветки факела; уменьшения осевой длины горелки.
x
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в снижении выхода окислов азота NO путем размещения форсунки для растопочного топлива по центру ПВП, что позволяет стабилизировать процесс горения. Указанный технический результат достигается в горелке для ПВК, включающей корпус с подводящим пылепроводом ПВК, установленный в нем соосно пылевыдающий патрубок, состоящий из конуса-рассекателя и обтекателя, образующими полость, открытую в сторону топки, форсунку для подачи растопочного топлива, причем форсунка растопочного топлива заведена в полость пылевыдающего патрубка через трубу, открытый конец которой соединен с этой полостью, пылепровод ПВК подведен к пылевыдающему патрубку под углом α к его оси, равным от 20° до 90° и соединен с ним промежуточным коробом, причем величина угла раскрытия конуса-рассекателя находится в пределах 20-150°.
Кроме того, результат достигается тем, что:
рассекатель выполнен с центральным отверстием по его оси, соединеным с трубой для форсунки растопочного топлива;
ввод пылепровода ПВК в горелку осуществлен через боковую стенку корпуса горелки;
труба для форсунки растопочного топлива соединена через клапан с источником сжатого воздуха, а ее внешний конец снабжен сальником для предотвращения утечки этого воздуха;
стенки пылевыдающего патрубка горелки снабжены устройством для их термоконтроля.
Предложенная горелка изображена на чертеже. Соосно корпусу 1 горелки для сжигания концентрированной пыли внутри его установлен ПВП, состоящий из рассекателя 2 и обтекателя, составленного из конуса 3 и цилиндра 4. Конические поверхности рассекателя 2 и обтекателя образуют кольцеобразный канал 5. Между ПВП и пылепроводом 6 ПВК установлен промежуточный короб 7. Оси пылепровода 6 и ПВП образуют угол α. В рассекателе 2 выполнено осевое отверстие, соосно соединенное с концом трубы 8 для форсунки 9 растопочного топлива. Выступающий наружу конец трубы 8 снабжен сальником 10 и соединен трубой 11 через клапан 12 с источником сжатого воздуха. В проушине 13, прикрепленной снизу к ПВП, и лючке 14 установлен запальник 15. На стенке цилиндра 4 ПВП установлен термодатчик 16. Пылепровод 6 ПВК введен внутрь корпуса 1 горелки через верхнюю (боковую) стенку 17. Полость 18 внутри обтекателя, образованная цилиндром 4, конусом 3 и рассекателем 2, открыта в сторону топки.
Горелка для ПВК работает в двух режимах следующим образом.
Режим 1: рабочий режим.
Поток концентрированной аэросмеси от пылепитателя по пылепроводу 6 ПВК поступает в промежуточный короб 7, который необходим для преобразования потока пыли, движущегося под углом α, из стержневой в кольцевую форму. Изменив направление и форму, поток в таком виде поступает в кольцеобразный канал 5 ПВП и затем в полость 18 и, двигаясь вдоль внутренних стенок обтекателя, выходит через амбразуру горелки в топку параллельно оси горелки и оси ПВП. Угол раскрытия рассекателя 2 находится в пределах 20-150° и связан с реакционностью топлива и параметрами горелки.
x
Благодаря эжектирующей способности выходящего из кольцевого канала 5 за пределы рассекателя 2 потока аэросмеси, к нему через полость 18 подсасываются горячие инертные газы из топки. В результате этого по мере перемешивания происходит подогрев концентрированной аэросмеси, выделение летучих в центральных объемах полости 18 и их сгорание при значительном недостатке кислорода. При этом наружные слои аэросмеси, непосредственно контактирующие со стенками обтекателя, «холоднее» внутренних. Процесс горения в ПВП и уровень температур стенки обтекателя контролируется по показаниям датчика 16 термоконтроля. Головка форсунки 9 растопочного топлива находится внутри трубы 8 и не подвержена опасному действию высокой температуры газов, подсасываемых в полость 18 из топки. Клапан 12 «подорван», и сжатый воздух по трубам 11 и 8 поступает в полость 18 в минимальном количестве, обеспечивая нормальный температурный режим форсунки 9 и процесс воспламенения в полости 18. При его ухудшении через форсунку 9 подается растопочное топливо для «подсветки» факела в топке котла в целом. При нормальном режиме горения «подсветка» не требуется, и форсунка 9 на большинстве горелок отсутствует. Опыт показал, что установка ПВП в горелках для ПВК сама по себе стабилизирует процесс воспламенения и горения в топке, уменьшает случаи использования растопочного топлива для «подсветки». Поскольку процесс прогрева топлива в ПВП, выделение летучих и их воспламенение протекает при значительном недостатке воздуха, образование NO резко снижается. В аварийных режимах, когда пылепитатели или пылесистема в целом остановлены, растопочное топливо начинает гореть в потоках сжатого и первичного воздуха, поступающих в ПВП, а затем в общем воздухе горелки.
Режим 2, используемый при растопке котла.
При растопке в трубе 8 установлена форсунка 9 подачи растопочного топлива, и ее головка выступает в полость 18 ПВП, куда подается также сжатый воздух через клапан 12, трубу 11 и трубу 8. Сальник 10 на внешнем конце трубы 8 предотвращает утечку сжатого воздуха наружу. Через лючок 14 и проушину 13 на выходе горелки устанавливают запальник 15, факел которого частично засасывается в полость 18 и поджигает распыливаемое форсункой 9 растопочное топливо. Его факел прогревает ПВП до необходимой температуры, определяемой с помощью термодатчика 16, по достижении которой включается пылепитатель, и в процессе растопки начинает участвовать твердое топливо - угольная пыль. Уровень этой необходимой температуры определяется наладочными испытаниями. Размещение форсунки 9 в полости 18 ускоряет прогрев стенок ПВП, подъем температуры внутри ПВП и эффективность прогрева и воспламенения поступающей в полость 18 аэросмеси при растопке. Уже разгоревшийся в ПВП факел догорает в основном воздухе горелки в объеме топки и разогревает ее в целом. Это сокращает количество растопочного топлива, используемого для растопки за счет основного. Ввод пылепровода 6 в горелку через верхнюю 17 (или боковую) стенки под углом от 20° до 90° освобождает пространство перед горелкой и облегчает ее обслуживание и ремонт. После повышения температуры в топке и появления устойчивого воспламенения пыли в полости 18 пылевыдающего патрубка, что определяется по показанию термодатчика 16, необходимость работы запальника 15 отпадает, расход растопочного топлива через форсунку 9 уменьшается, а затем прекращается полностью, и работа горелки из растопочного режима 2 переводится в режим 1.
Таким образом, использование ПВП для сжигания двух видов топлива одновременно, в особенности при растопке, придает горелке для ПВК совершенно новые свойства, позволяющие использование ее не только в рабочем, но и в растопочном режиме, при этом сам ПВП работает как форкамера внутри основной горелки (минимуфель) при растопках котла или для «подсветки» факела в топке при поступлении низкореакционного топлива. Этим при растопке достигается экономия растопочного топлива - мазута или газа.
Таким образом, размещение форсунки для растопочного топлива 9 по центру ПВП превращает его в важнейший узел горелки, позволяющий не только стабилизировать процесс горения, снижать вредные выбросы, но и уменьшать количество растопочного топлива при пусках. Ввод пылепровода 6 через боковую стенку 17 в обход центральной оси горелки, занятой теперь растопочной форсункой 9, позволяет уменьшить длину горелки до 1,5-2 метров, улучшить условия ее эксплуатации. Для горелок системы ПВК эти два конструктивных изменения обладают несомненной новизной, несмотря на массовое применение установки растопочной форсунки по оси в традиционных горелках с первичными трубами диаметром 700-800 мм. Ранее пылепровод диаметром 70-80 мм с цельнолитым рассекателем на конце в системе ПВК принципиально не позволял разместить форсунку по центру горелки и получить упомянутые выше преимущества. При этом все горелки для ПВК во всей массе их применения по электростанциям страны выполнены с пылевыдающими патрубками только на Томь-Усинской ГРЭС ОАО «Кузбассэнерго».