СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ПРИ РАСТОПКЕ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО КОТЛА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR PREPARATION AND COMBUSTION OF COAL FUEL AT LIGHTING-UP OF PULVERISED-COAL FIRED BOILER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к теплоэнергетике и касается технологии получения, транспортировки, раздельного и совместного сжигания механоактивированного угля микропомола (далее, угля микропомола) и угля штатной системы пылеприготовления (далее, уголь обычного помола) в вихревой растопочной горелке (далее, растопочная горелка) при растопке пылеугольного котла и стабилизации горения с целью замещения дорогостоящего мазута или природного газа.
Неблагоприятные условия для сжигания угольного топлива при растопке пылеугольного котла и функционирования растопочных устройств, включая низкий уровень температур воздуха и топочной среды, повышенные избытки окислителя, значительный диапазон изменения расхода топлива предопределили использование высокореакционного топлива, например, мазута или природного газа в качестве растопочного топлива. Однако, из-за роста цен на жидкое и газообразное топливо, а следовательно, и увеличения затрат на растопку пылеугольного котла задача замещения этого топлива угольной пылью становится все более актуальной. Данная задача определяется способом повышения реакционных свойств угольного топлива до приемлемых значений, позволяющих использовать его в неблагоприятных условиях растопки.
В настоящее время на тепловых электростанциях России, работающих на угольном топливе, существуют технологии растопки пылеугольных котлов без использования жидкого топлива. Они подразумевают использование специальных горелочных устройств, в которых создаются высокотемпературные условия в локальных теплоизолированных камерах для воспламенения угля обычного помола существующей штатной системы пылеприготовления. Данный процесс повышения реакционных свойств угольного топлива обеспечивается его термической активацией, при которой необходимо наличие внутри горелочного устройства высокоэнтальпийного источника энергии, например, плазмотрона.
Известен (патент РФ №2460941, F23D 1/02, опубликовано 11.02.2011) способ совместного сжигания угля микропомола (средняя фракция пыли 50 мкм) и угля обычного помола в пылеугольной горелке, включающий интенсификацию процесса сжигания благодаря использованию в составе горелки локальной теплоизолированной камеры.
К недостаткам известного способа относится применение сложной двухступенчатой схемы сжигания угольного топлива, при которой используют тангенциальный ввод угольного топлива микропомола, обычного помола, вторичного и третичного воздуха в четыре коаксиальных канала. Это предопределяет громоздкость пылеугольной горелки, что затрудняет ее эксплуатацию и обслуживание. Кроме того, процесс сжигания угольного топлива внутри теплоизолированной камеры пылеугольной горелки является неконтролируемым вследствие отсутствия возможности установки в известной конструкции датчика контроля факела.
Известен (патент RU №2419033, опубликовано 20.01.2011, F23K 1/00) способ механической активации (далее механоактивация) угля микропомола перед сжиганием. Указанный способ включает микропомол, механоактивацию (снижение энергии активации вещества под действием механических сил при помоле) и сжигание угля микропомола. Причем операции микропомол и механоактивация осуществляются одновременно внутри камеры дезинтегратора, а полученный твердый раствор угля подвергают термоудару для целей воспламенения.
К причинам, препятствующим достижению нижеуказанного технического результата при использовании известного способа относятся:
а) частичное выгорание теплоизолированной камеры растопочной горелки при воспламенении и горении топлива внутри нее;
б) использование дорогостоящих сплавов в конструктивных элементах мельницы - дезинтегратора, недолговечность которых (элементов) влечет большие эксплуатационные расходы;
в) использование специального дополнительного оборудования: высокоэнтальпийного источника (плазмотрон или газовая горелка), необходимого для осуществления воспламенения топлива и поддержания необходимого температурного режима в теплоизолированной камере горелочного устройства.
Задача настоящей группы изобретений состоит в совершенствовании технологии растопки пылеугольных котлов посредством сжигания твердого топлива с его предварительной активацией.
Единый технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения по каждому из заявленных вариантов, заключается в применении более простого, надежного и экономически выгодного технологического процесса растопки пылеугольного котла и стабилизации горения в нем угольного топлива.
Указанный единый технический результат для первого из заявленных вариантов изобретения достигается за счет того, что в способе подготовки и сжигания угольного топлива при растопке пылеугольного котла помол и механоактивацию угля осуществляют внутри камеры дезинтегратора с получением угля микропомола, который далее транспортируют в вихревую растопочную горелку, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, воспламенение и последующее сжигание которой при растопке пылеугольного котла осуществляют непосредственно в топочном объеме пылеугольного котла.
Указанный единый технический результат для второго из заявленных вариантов изобретения достигается за счет того, что в способе подготовки и сжигания угольного топлива при растопке пылеугольного котла помол и механоактивацию угля осуществляют внутри камеры дезинтегратора с получением угля микропомола, который далее транспортируют в вихревую растопочную горелку, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, дальнейшее воспламенение которой и ее последующее сжигание совместно с углем обычного помола при растопке пылеугольного котла осуществляют непосредственно в топочном объеме пылеугольного котла, а после завершения этапа растопки подачу угля микропомола в растопочную горелку прекращают.
В заявленном способе уголь микропомола с повышенной реакционной способностью и сниженным уровнем энергии активации получают из предварительно подсушенного сырья, которое проходит, как правило, одновременно стадии измельчения и механоактивации внутри камеры дезинтегратора.
Воспламенение пылевоздушной смеси угля микропомола осуществляют с помощью установленного в топочном объеме пылеугольного котла штатного устройства розжига, в качестве которого обычно используется растопочная мазутная форсунка. После устойчивого воспламенения пылевоздушной смеси угля микропомола устройство розжига отключается. В дальнейшем растопка пылеугольного котла продолжается на угле микропомола (первый вариант изобретения) с постепенным добавлением (второй вариант изобретения) к нему угля обычного помола. При достижении номинального режима работы пылеугольного котла (завершение этапа растопки) по второму из заявленных вариантов изобретения подачу угля микропомола в растопочную горелку прекращают, и, таким образом, в пылеугольном котле происходит сжигание только угля обычного помола.
Воспламенение и сжигание пылевоздушной смеси угля микропомола (при растопке и в номинальном режиме по первому варианту) или пылевоздушной смеси угля микропомола с углем обычного помола (при растопке и в номинальном режиме по второму варианту) происходит непосредственно в топочном объеме пылеугольного котла. Процесс воспламенения и сжигания угольного топлива контролируется с помощью датчика контроля факела, направленного в корень факела растопочной горелки.
Для пояснения сущности заявленного изобретения представлен чертеж, на котором изображена конкретная, но не единственно возможная конструкция вихревой растопочной горелки, с помощью которой может быть осуществлен заявленный способ по любому из заявленных вариантов с достижением вышеуказанного единого технического результата.
Растопочная горелка состоит из центрального цилиндрического 1 и двух кольцевых каналов 2 и 3, оси которых совпадают с осью горелки.
Центральный цилиндрический канал 1 предназначен для ввода пылевоздушной смеси угля микропомола, поступающей из смесителя мельницы-дезинтегратора.
В центральный канал 1 встроен соосный каналу пылепровод 4, по которому поступает пылевоздушная смесь угля обычного помола, который и является, как правило, основным топливом для пылеугольного котла.
Через кольцевые каналы 2 и 3 подается вторичный воздух, для регулирования расхода которого на входах кольцевых каналов 2 и 3 установлены шиберы 5.
Внутри кольцевого канала 2 с целью образования замкнутой зоны рециркуляции высокотемпературных продуктов горения в его приосевой области установлены закручивающие аппараты 6.
Осуществление заявленного способа по второму из заявленных вариантов с применением данной конструкции горелки происходит следующим образом.
В начале технологического процесса по кольцевым каналам 2 и 3 подается вторичный воздух. Уголь обычного помола из существующей системы пылеприготовления не подается. Поступающий по центральному цилиндрическому каналу 1 уголь микропомола после перемешивания с вторичным воздухом воспламеняется с помощью растопочной мазутной форсунки. После воспламенения подача мазута прекращается и увеличивается подача угля микропомола до номинальной производительности мельницы-дезинтегратора и растопочной горелки. В дальнейшем продолжают растопку пылеугольного котла на угле микропомола с постепенным добавлением по пылепроводу 4 угля обычного помола.
При выходе пылеугольного котла в номинальный режим подача угля микропомола по центральному каналу 1 прекращается и продолжается сжигание угля обычного помола.
Устойчивость воспламенения и стабилизации горения угольного топлива при работе растопочной горелки предложенной конструкции базируется на формировании неподвижного фронта, который образуется на границе взаимодействия встречно направленных сред: первичной смеси (пылевоздушная смесь микропомола) из центрального цилиндрического канала растопочной горелки и высокотемпературных продуктов горения этой смеси в зоне возвратного течения (зона смешения), образующейся в приосевой области растопочной горелки вблизи ее среза на границе с топкой пылеугольного котла. Во фронте за счет интенсивного перемешивания первичной пылеугольной смеси с вторичным воздухом происходит рост температур пылеугольной смеси, прогрев частиц угольной пыли, выход и горение летучих компонентов топлива, а также воспламенение мелких коксовых частиц. Интенсивность протекания этого процесса зависит от характеристик угля (кинетических констант, зерновой характеристики пыли), уровня температур газов рециркуляции и количества вторичного воздуха, поступающего в зону смешения. Дальнейший процесс горения происходит в пограничном слое зоны смешения, образующемся из среды, поступающей из фронта горения, вторичного воздуха и эжектируемых продуктов сгорания. Интенсивность этого процесса, а также место разворота рециркулирующего потока высокотемпературных продуктов горения, в свою очередь, определяют уровень температуры газов, подводимых к фронту горения, а значит и устойчивость воспламенения пылевоздушной смеси.
Стабилизация горения зависит также от ряда следующих факторов: зоны возвратного течения, соотношения топливо/воздух, соотношения скоростей пылевоздушной угольной смеси и воздуха, удельной поверхности пыли угля микропомола и энергии активации угольной пыли.