СПОСОБ СТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR STEPWISE COMBUSTION OF PULVERISED COAL FUEL AND APPARATUS FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига котла из холодного состояния без использования другого высокореакционного топлива, а также для обеспечения высокой тепловой мощности горелочных устройств.
Известен способ сжигания топлива (патент RU № 2410603. Устройство факельного сжигания топлива, С 1, МПК F23C 99/00, F23Q 5/00, 2009), заключающийся в том, что воспламенение топлива производят электрическим разрядом, стабилизируют и интенсифицируют горение факела, воздействуя на зону образования пламени переменным электрическим током высокой частоты, образуя в зоне формирования пламени диффузный электрический разряд, и обеспечивают поддержание электростатического потенциала предпламенной зоны на уровне, обеспечивающем требуемые параметры горения факела.
Известно устройство плазменного воспламенения пылеугольная горелка, содержащее корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2410603, С 1, МКИ F23 Q 5/00, F23Q 13/00, 2009). Корпус разделен поперечной перегородкой на резонансную и охлаждающую камеры. В центре перегородки выполнен проход вторичного воздуха и в нем установлены с возможностью продольного перемещения стержневые электроды, причем их рабочая часть направлена внутрь резонансной камеры, а электрическую дугу создают переменным током высокой частоты в резонансной камере с образованием акустического поля.
Недостатками указанного способа и устройства являются низкая скорость прогрева конструкции горелки на начальном этапе пуска из холодного состояния, в результате чего происходит недопустимо большой механический унос несгоревшей угольной пыли в топку котла, что увеличивает риск повышения концентрации несгоревшей пыли в топке, выше критического для взрыва уровня. Кроме того, при низкой скорости нагрева ограничивается возможность использования низкореакционных топлив при эксплуатации котлов.
Известен способ факельного сжигания топливовоздушной смеси, выбранный в качестве прототипа (патент RU 2731081 С1, МПК F23Q5/00 (2006/01), F23D 1/00 (2006.01)), заключающийся в том, что внутри горелки создают электрический разряд в зоне воспламенения факела, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения факела, воздействуют диффузным электрическим разрядом на зону образования пламени факела и осуществляют факельное сжигание топлива путем регулирования скорости набора температуры факела и температуры стенок горелки в области горения факела, за счет перемещения положения зоны воспламенения факела внутри горелки между участками с низкой и высокой теплоемкостью, обеспечивая повышения тепловой мощности и оптимизацию использования топлива.
Известно устройство воспламенения и поддержания горения топливовоздушной смеси, выбранное в качестве прототипа (патент RU 2731081 С1, МПК F23Q 5/00 (2006/01), F23D 1/00 (2006.01), содержащее корпус разделенный на область перемешивания топливовоздушной смеси и область камеры воспламенения, блок стержневых электродов для генерирования электрического разряда, топливопровод и трубопровод воздуха, зону воспламенения топливовоздушной смеси, зону факела сгорания топливовоздушной смеси, область камеры воспламенения разделенную на две части с низкой и высокой теплоемкостью, пылепроводы в комплекте с блоками электродов, тангенциально пристыкованные к зонам с низкой и высокой теплоемкостью.
Недостатками указанного способа и устройства является ограничение тепловой мощности выдаваемой горелкой, связанной с тем, что воспламенение всего потока угольной пыли происходит внутри горелки, и поэтому тепловая мощность горелки ограничивается надежностью ее конструктивных элементов работающих в зоне сверхнормативных температур возникающих при превышении определенного порога расход топлива и выделяемой тепловой мощности.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа и устройства для его реализации, которые позволяют с минимальными удельными затратами энергии обеспечить максимальную тепловую мощность выдаваемую горелкой в топку котла не ограниченную температурной прочностью элементов конструкции горелки и одновременно минимизировать механический унос в топку холодной угольной пыли, исключая опасность хлопка или взрыва в котле при растопке из холодного состояния.
Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря тому, что угольная пыль сжигается ступенчато и разделяется на два потока. При этом первичный поток угольной пыли вводится на входном участке горелки совместно с первичным потоком воздуха, формируя первую ступень сжигания. Соотношение кислорода воздуха и углерода угольной пыли на первой ступени сжигания выбирается близким к стехиометрическому. Воспламенение угольной пыли на первой ступени сжигания обеспечивается при помощи электроионизационного воспламенителя, включающего источник питания и электродный блок. После воспламенения локально запускается реакция горения с выходом горячих дымовых газов при температуре 800-1100°С. Одновременно происходит нагрев стенок горелки до температуры обеспечивающей тепловую активации всего объема топлива на этом участке (ориентировочно 450-650 градусов Цельсия), при которой начинается выход летучих компонентов угольной пыли. Такая тепловая активация обеспечивает условия горения с механическим уносом в топку холодной несгоревшей пыли на безопасном уровне. В начальный период времени при запуске горелки из холодного состояния, подается только угольная пыль первичного потока. Вторичный поток угольной пыли совместно со вторичным потоком воздуха вводится во вторичной ступени уже после формирования стабильного потока горячих дымовых газов поступающих с первой ступени сжигания, а также после прогрева стенок горелки до температуры термической активации угольной пыли. При этом соотношение кислорода воздуха к углероду пыли на участке второй ступени горелки выбирается с существенным дефицитом кислорода. Таким образом, на этом участке минимизируется процесс сжигания, который замещается процессом газификации угля. На второй ступени горелки обеспечивается интенсивное перемешивание нагретых дымовых газов поступающих с первой ступени горелки и газифицированного вторичного потока угля при дефиците кислорода, что препятствует процессу сжигания всего объема угольной пыли в объеме второй ступени горелки и соответственно ограничивает тепловыделение и перегрев конструкции горелки. При выходе нагретого потока смеси дымовых газов и газифицированного потока угольной пыли из горелки в топку, происходит перемешивание этой топливной смеси с кислородом третичного потока воздуха в топке, сопровождаемое интенсивным воспламенением и практически полным сжиганием нагретой газифицированной угольной пыли непосредственно в топке.
Таким образом, при таком ступенчатом сжигании обеспечивается повышенная тепловая мощность факела при сжигании угольной пыли без перегрева конструкции горелки, с обеспечением на безопасном уровне механического уноса холодной угольной пыли из горелки в топку на начальном этапе растопки котла из холодного состояния.
Для реализации описанного способа по изобретению предложено следующее устройство.
Корпус горелки разделяется на две последовательных участка в соответствии со ступенями технологического процесса.
На участке первой ступени размещаются узел ввода первичного потока угольной пыли с регулятором расхода, узел ввода первичного воздуха с регулятором расхода и электродный блок электроионизационного воспламенителя. При помощи регуляторов расхода первичной пыли и первичного воздуха обеспечивается соотношение кислорода воздуха и углерода угольной пыли на участке первой ступени близкое к стехиометрическому. При помощи электродного блока электроионизационного воспламенителя обеспечивается воспламенение угольной пыли из холодного состояния. После воспламенения первичного потока угольной пыли запускается реакция горения на участке первой ступени в условиях близких к стехиометрическим.
На участке второй ступени горелки компонуются узлы для ввода вторичного потока угольной пыли с регулятором расхода и вторичного воздуха с регулятором расхода. При помощи этих регуляторов подбирается соотношение углерода к кислороду воздуха с существенным дефицитом кислорода. Ограничение количества кислорода обеспечивает ограничение выделяемой тепловой мощности в количестве необходимом только для поддержания температуры стенок горелки и температуры топливной смеси до температур термической активации угольной пыли. Нагретые стенки участка второй ступени вместе с теплом горячих дымовых газов пришедших с участка первой ступени, обеспечивают прогрев всего вторичного потока пыли до температур выхода летучих и газификации угольной пыли не участвующей в реакции горения. При этом, участок второй ступени может иметь поперечное сечение как равное сечению участка первой ступени, так и увеличенное по отношению к нему, что позволяет повысить пропускную способность потока угольной пыли и дымовых газов на этом участке и обеспечит повышенную тепловую мощность на второй ступени сжигания.
На фиг. 1 представлен вариант устройства с одинаковым сечением участков.
На фиг. 2 представлен вариант устройства с изменяемым сечением участков.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенные технические решения соответствует условию изобретательского уровня.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
Корпус горелки разделен на участок 1 первой ступени и участок 2 второй ступени. На участке 1 размещаются электроионизационный воспламенитель 3, узел ввода первичного потока угольной пыли 4 с регулятором расхода пыли 5, узел ввода первичного потока воздуха 6 с регулятором расхода воздуха 7, электродный блок электроионизационного воспламенителя 8.
На участке горелки 2 размещаются узел ввода вторичного потока угольной пыли 9 с регулятором расхода пыли 10, узел ввода вторичного воздуха 11 с регулятором расхода воздуха 12. Выход второй ступени горелки в топку осуществляется через амбразуру котла 13.
На участке 1 первой ступени горелки происходит воспламенение первичного потока угольной пыли в зоне 14. После воспламенения запускается процесс горения всего первичного потока угольной пыли в зоне 15. На участке 2 второй ступени горелки происходит газификация вторичного потока угольной пыли в зоне 16. При выходе смешанного потока дымовых газов и вторичного потока газифицированной угольной пыли в топку происходит сжигание этой смеси при перемешивании с третичным потоком воздуха топки в зоне 17.
Предлагаемый способ и устройство ступенчатого сжигания пылеугольного топлива реализуется следующим образом.
В изначальном состоянии при холодном состоянии котла и горелочного устройства, на участке 1 первой ступени горелки включается источник питания электроионизационного воспламенителя 3 и формируется газовый разряд на электродном блоке 8, обеспечивающий воспламенение топлива в зоне размещения электродов. Через узлы ввода первичного потока угольной пыли 4 и первичного потока воздуха 6 подаются компоненты топливовоздушной смеси и при помощи регуляторов расхода первичного потока угольной пыли 5 и первичного потока воздуха 7 устанавливается соотношение топливо-воздух близкое к стехиометрическому. В результате воспламенения первичной топливной смеси в зоне 14 первой ступени горелки происходит ее сжигание в зоне 15, с конверсией углерода и кислорода топливной смеси в дымовые газы, которые поступают на участок 2 второй ступени горелки. Одновременно с этим происходит нагрев стенок горелки на всех участках за счет теплообмена излучением при горении первичного потока угольной пыли и конвекции при теплообмене с полученными дымовыми газами. После прогрева стенок горелки до температуры термической активации угольной пыли обеспечивается безопасный уровень механического уноса холодной пыли при сжигании угольной пыли на первой ступени из холодного состояния горелки.
После прогрева стенок горелки на всех участках до температуры достаточной для термоактивации угольной пыли (450-650°С) подается вторичный поток угольной пыли через узел 9 и вторичный поток воздух через узел 11. При помощи регулятора потока пыли 10 и регулятора потока воздуха 12 устанавливается соотношение вторичного потока топлива-воздух с существенным дефицитом кислорода для реакций горения. Доля кислорода выбирается такой, чтобы обеспечить тепловую мощность реакции горения достаточную для компенсации энтальпии холодных объемов угольной пыли и воздуха, поступающих на участок 2 второй ступени горелки и поддержать температуру стенок второй ступени горелки в диапазоне температур достаточных для термоактивации и газификации угольной пыли.
Во второй ступени горелки происходит перемешивание горячих дымовых газов пришедших с первой ступени и вторичного потока угольной пыли второй ступени. В результате теплообмена с горячими дымовыми газами и нагретыми стенками горелки в зоне 16 вторичный поток угольной пыли интенсивно нагревается и газифицируется. Подготовленная таким образом к сжиганию топливная смесь, состоящая из горячих дымовых газов и газифицированной угольной пыли, поступает из горелки в зону 17 пространства топки. В этой зоне перегретая топливная смесь перемешивается с третичным воздухом, находящимся в топке. При взаимодействии термоактивированной и газифицированной угольной пыли с кислородом третичного воздуха топки происходит интенсивное воспламенение и практически полное сжигание угольной пыли в пространстве топки. Тепловыделение от реакции горения в этом случае полностью идет на нагрев тепловоспринимающих элементов котла, исключая перегрев элементов конструкции горелки.
Для целей дополнительного увеличения тепловой мощности горелки количество вторичных ступеней может быть увеличено до необходимого уровня. При этом в связи увеличением объема отходящих дымовых газов в каждой последующей ступени и сохранения скорости отходящих газов в допустимых пределах, необходимо пропорционально увеличивать поперечное сечение каждой следующей ступени горелки по ходу движения топливной смеси, как показано на фиг. 2.
Предлагаемое изобретение позволяет сжигать пылеугольное топливо с безопасным уровнем механического уноса холодной угольной пыли при розжиге котла из холодного состояния без использования других высокореакционных топлив, а также обеспечивает высокие тепловые мощности горелки при выходе на рабочий режим без перегрева элементов конструкции горелки.