СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-УГОЛЬНОЙ РАСТОПКИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО КОТЛА
PLASMA-COAL LIGHTING-UP METHOD OF PULVERISED-COAL FIRED BOILER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов, а также в других процессах, связанных с воспламенением твердого мелкодисперсного топлива.
Известен способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла без использования второго вида топлива - мазута или газа [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., с.89]. Способ заключается в создании горящего пылеугольного потока, вытекающего из горелки в топку котла. Для создания горящего пылеугольного потока пылеугольную аэросмесь подают непосредственно из мельницы по пылепроводу в камеру термохимической подготовки (ТХП) топлива плазменно-угольной горелки, генерируют низкотемпературную плазму в плазмотроне, подают струю плазмы на входе в камеру ТХП и воспламеняют аэросмесь, получают в камере ТХП топливную смесь в результате горения части угля и нагрева остальной аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка, затем подают эту топливную смесь из горелки в топку, в топку подают вторичный воздух, где его смешивают с топливной смесью и получают горящий факел. (Под плазменно-угольной горелкой понимается камера ТХП с пылепроводом для ввода в нее угольной аэросмеси, расположенный на камере ТХП плазмотрон и канал подачи вторичного воздуха в топку котла у устья данной горелки.)
В известном способе плазменного воспламенения пылеугольного топлива в камеру ТХП в зону взаимодействия с плазменной струей вводят по пылепроводу поток аэросмеси непосредственно из мельницы, так как котел имеет систему пылеприготовления с прямым вдуванием пыли.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности регулирования концентрации угля в аэросмеси и, как следствие, затрат электроэнергии на плазменное воспламенение; способ применим лишь на котлах с пылесистемой с прямым вдуванием пыли в топку.
В качестве прототипа выбран способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла, имеющего систему пылеприготовления с промежуточным бункером пыли, описанный в книге [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., стр.86]. Способ включает подачу угольной пыли из промежуточного бункера пыли через пылепитатель в пылепровод, причем расход угольной пыли регулируется посредством пылепитателя. В пылепровод предварительно подают транспортирующий (первичный) воздух, и полученную угольную аэросмесь подают в камеру термохимической подготовки топлива плазменно-угольной горелки, генерируют низкотемпературную плазму в плазмотроне, подают струю плазмы на входе в камеру ТХП и воспламеняют аэросмесь. В камере ТХП получают топливную смесь в результате горения части угля и нагрева остальной аэросмеси до выхода летучих компонентов из угля и частичной газификации коксового остатка, затем подают эту топливную смесь из камеры ТХП в топку, в топку подают вторичный воздух, где его смешивают с топливной смесью и получают горящий факел.
г
Недостаток этого способа заключается в том, что он не всегда дает положительный результат. Так, например, при плазменно-угольной растопке пылеугольного котла посредством низкореакционного угля с выходом летучих компонентов на горючую массу V=7,8% [Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с., стр.353] оказалось невозможным завершить растопку в безмазутном варианте из-за отсутствия в известном способе указаний режима выполнения процесса воспламенения угля.
г
г
Задачей заявляемого изобретения является создание способа плазменно-угольной растопки пылеугольного котла, обеспечивающего реализацию процесса до технологически определенного завершения без использования второго вида топлива (мазута или природного газа) и, при этом, при минимальной мощности, подводимой к плазмотрону, за счет получения в камере ТХП горючих газов с максимальной теплотой их сгорания в топке и, при этом, при минимальных затратах энергии на плазменное воспламенение угля - путем задания в камере ТХП концентрации µ, угля в аэросмеси в диапазоне 0,4<µ<1 кг угля на кг воздуха (кг/кг), соответствующей теплотехническим характеристикам используемого для растопки котла угля: при растопке низкореакционным углем (V≤17%) используется область низких концентраций 0,4<µ<0,5 кг/кг, при растопке высокореакционным углем (V≥37%) используется область высоких концентраций указанного диапазона 0,8<µ<1 кг/кг, и для остальных углей используется концентрация 0,5≤µ≤0,8 кг/кг.
Применительно к котлу, имеющему систему пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в топку, задание концентрации угля в аэросмеси может осуществляться посредством пылеконцентратора (аналогично [Патент РФ №2336465 от 29.09.2006, МПК F23Q 5/00, F23D 1/00]).
Технический результат: надежная плазменно-угольная растопка пылеугольного котла при снижении электрической мощности, подводимой к плазмотрону.
Одним из основных параметров процесса плазменной ТХП является электрическая мощность, подводимая к плазмотрону и, соответственно, мощность плазменного оборудования, от которых зависит, с одной стороны, надежность безмазутной растопки пылеугольного котла, с другой - стоимость поставки оборудования и его эксплуатации: с увеличением энергозатрат на плазменное воспламенение растет не только расход электроэнергии, но и капитальные затраты.
g
s
Существенное влияние на надежность безмазутной растопки пылеугольного котла и величину мощности плазмотрона, требуемой для воспламенения угля, оказывает концентрация угля в аэросмеси µ. В процессе растопки котлоагрегата, имеющего систему пылеприготовления с промбункером, она может быть задана в широких пределах - от µ=0,2 до µ=2 и более кг угля на кг воздуха, а для систем пыли высокой концентрации существует принципиальная возможность задать µ до 35-50 кг/кг. Определяющими параметрами потока топливной смеси на выходе из плазменно-угольной горелки в топку является температура газа T и твердых частиц T в потоке и теплотворная способность Q горючих газов продуктов ТХП. Для более полного последующего сгорания угля также важна величина степени конверсии углерода D в частице угля. С понижением этих показателей - снижением качества ТХП - полнота сгорания углерода коксового остатка в холодной топке снижается, в результате растет мехнедожог угля, снижается количество выделившегося в топке тепла, что может служить причиной неудачи в растопке котла [Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с., стр.353].
4
Проведенные расчеты, результаты которых показаны на фиг.1 (расход угля - 1 т/ч), свидетельствуют, что с уменьшением концентрации угля в аэросмеси до значения µ=0,4 кг/кг теплотворная способность горючих газов Q на выходе из камеры ТХП растет и далее рост прекращается. (О методике расчета и других его результатах см., например, [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с.]). Объясняется это тем, что при µ≥0,4 кг/кг кислород расходуется, в основном, на образование горючих газов (СО, CH и др.). При уменьшении концентрации угля от этого значения дополнительный кислород (как результат относительного увеличения расхода воздуха) начинает вступать в реакции с этими горючими газами. Например, при µ=0,25 кг/кг на такие реакции будет использоваться оставшийся в газовой фазе топливной смеси кислород, масса которого составляет 30% от исходной ее величины в начале процесса ТХП. В результате этого теплота сгорания горючих газов на выходе из камеры ТХП Q снижается. В то же время, с уменьшением µ от 0,4 до 0,25 кг/кг удельные энергозатраты на плазменное воспламенение возрастают на 37% (фиг.2). Также при этом растет температура и возникает опасность шлакования камеры ТХП. Отсюда следует, что наиболее эффективная термохимическая подготовка будет при µ>0,4 кг/кг.
g
уд
уд
уд
уд
Из фиг.1 следует, что с повышением концентрации угля в аэросмеси от µ=0,4 кг/кг из-за возрастающего дефицита окислителя качество ТХП снижается: так, при µ=1 кг/кг теплота Q снизилась на ~ 35%, температура газа (средняя по сечению камеры ТХП) низкая, T около 1000 К, в связи с чем снижается надежность ее воспламенения в топке, а содержание углерода в коксовом остатке возросло и составляет 50% от исходного (против 20% при µ=0,4 кг/кг). Расчеты показали, что массовая доля СО в горючих газах равна 65%. (Напомним, что температура воспламенения СО равна 880 К). С другой стороны, с увеличением а динамика уменьшения удельных энергозатрат Q снижается - фиг.2. На фиг.2 приведены зависимости энергозатрат на плазменное воспламенение угля Q от концентрации угля в аэросмеси µ: кривая 1 - расчетная, 2 - экспериментальная. Так, при изменении µ от 0,4 до 1 кг/кг энергозатраты на воспламенение Q снижаются в 2 раза. При такой же величине диапазона по µ, но при увеличении µ от 1 до 1,6 кг/кг Q снижается лишь на 28%. Таким образом, с дальнейшим увеличением µ от µ=1 кг/кг воспламенение топливной смеси в топке и полномасштабная безмазутная растопка котла становятся все менее надежными, а эффект снижения энергозатрат на воспламенение все более слабым. Следовательно, наиболее эффективным с позиций надежной плазменно-угольной безмазутной растопки пылеугольного котла и минимальных энергозатрат на воспламенение является диапазон изменения концентрации угля в аэросмеси 0,4<µ<1 кг/кг.
При плазменно-угольной растопке котла посредством низкореакционных углей (антрацитов, тощих углей) из-за более низкого выхода горючих компонентов большая часть потенциального тепла угля остается в коксовом остатке. Так как горючих газов при ТХП этих углей, полученных в результате выхода летучих, образуется меньше, то количество тепла от их сгорания в топке и температура оказываются недостаточными для полного сгорания возросшего (в сравнении с высокореакционными углями) углерода коксового остатка. К тому же, с увеличением µ (с уменьшением количества кислорода) снижается степень газификации коксового остатка. В результате неполного горения угля в топке (и выделения тепла) прекращается рост тепловых параметров котла при растопке, и завершение безмазутной его растопки становится невозможным [Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с., стр.353]. Для успешной плазменно-угольной растопки котла посредством низкореакционных углей требуется более высокая степень конверсии углерода коксового остатка, более высокая температура топливной смеси на выходе из плазменно-угольной горелки в топку, и поэтому следует задавать концентрацию µ в области нижнего ее предела (например, 0,4<µ<0,5 кг/кг).
г
В случае растопки посредством высокореакционных углей (с V>37%) эффективнее область верхнего предела по концентрации угля в аэросмеси µ указанного выше диапазона (например, 0,8<µ<1 кг/кг). Однако дальнейшее увеличение концентрации µ (µ>1 кг/кг) ведет к снижению качества ТХП (снижению Т, Q, D - фиг.1) и незавершенности растопки котла. (При определенных условиях концентрация µ>1 кг/кг применима в режиме стабилизации горения факела в топке.)
С учетом этих пояснений для решения поставленной в основу изобретения задачи в способе плазменно-угольной растопки пылеугольного котла, включающем подачу в пылепровод транспортирующего (первичнного) воздуха, подачу угольной пыли из промежуточного бункера пыли через пылепитатель в пылепровод, задание расхода угольной пыли посредством этого пылепитателя, подачу полученной угольной аэросмеси в камеру термохимической подготовки топлива плазменно-угольной горелки, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в камеру термохимической подготовки топлива, подачу полученной в камере термохимической подготовки топлива топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котлоагрегата, подачу в топку вторичного воздуха и смешивание его с топливной смесью в топке с образованием горящего факела, согласно изобретению концентрацию угля в аэросмеси µ задают в пределах 0,4<µ<1 кг угля на кг воздуха, причем при растопке низкореакционным углем используется область низких концентраций диапазона, а при растопке высокореакционным углем используется область высоких концентраций указанного диапазона.
Способ осуществляется следующим образом.
г
После подготовки котла к растопке в соответствии с Инструкцией по его эксплуатации подают первичный воздух в камеры ТХП и включают в работу плазмотроны, размещенные у входа в камеры. Включают в работу пылепитатели, подающие угольную пыль в камеры ТХП из промежуточного бункера пыли (пыль в бункере сохранилась от предыдущей рабочей стадии, или подана в этот бункер от соседнего работающего котла). Задают расход пыли в камеру ТХП таким, который был определен в соответствии с известными методиками, например, [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с.] и уточнен в предварительных наладочных испытаниях. Задают расход первичного воздуха - соответствующий теплотехническим характеристикам угля: например для угля с V>37% расход воздуха должен обеспечить концентрацию угля в аэросмеси 0,8<µ<1 кг/кг, которая также конкретизируется по результатам предварительных наладочных испытаний. Подают вторичный воздух в плазменно-угольные горелки в соответствии с известными методиками [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с.] и на их выходе получают горящие факелы. Дальнейшая растопка котла осуществляется в соответствии с известными методиками [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с., Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с.].
г
уг
Пример 1. Испытания проводились на пылеугольном котле с двумя плазменно-угольными горелками. Основным топливом для него является антрацит с выходом летучих на горючую массу V=8,3%, который использовался и при испытаниях. Расход угля в каждую плазменно-угольную горелку был задан G=6,2 т/ч, расход транспортирующего воздуха - 8,9 т/ч (концентрация угля в аэросмеси µ=0,7 кг/кг). Максимальная температура потока на расстоянии 0,2-0,4 м от выхода из камер ТХП в топку составляла 1120-1170 К. (Она несколько выше расчетной на фиг.1, т.к. в расчете - средняя температура по сечению камеры.) При достижении давления в барабане котла 1,1 МПа и температуры пара 450 К прекратился рост тепловых параметров котла. При таком режиме в камерах ТХП его растопка не была завершена.
уг
Пример 2. Условия испытаний аналогичны примеру 1, но расход угля был задан G=4 т/ч. Расход первичного воздуха остался неизменным - 8,9 т/ч; концентрация угля в аэросмеси составила µ=0,45 кг/кг. Температура в ядре потока на выходе из камер ТХП достигала 1380-1450 К. Была успешно завершена плазменно-угольная растопка котла без применения мазута.
г
Пример 3. Котел работает на угле с V=38% и оснащен двумя плазменно-угольными горелками. При испытаниях расход воздуха в камеру ТХП был задан 4,4 т/ч, расход угля - 5,3 т/ч (µ=1,2 кг/кг). Максимальная температура потока на срезе камер ТХП была в пределах 1030-1120 К (воспламенение неустойчивое, наблюдались струи невоспламененной пыли). Темп роста тепловых параметров был ниже определяемых Инструкцией по эксплуатации котла. Когда длительность растопки превысила регламентную в 1,7 раза, рост тепловых параметров прекратился, завершение растопки стало невозможным.
уг
Пример 4. Условия испытаний аналогичны примеру 3. При этом расход угля был задан G=3,7 т/ч. Расход первичного воздуха в камеру ТХП остался неизменным - 4,4 т/ч (µ=0,84 кг/кг). Максимальная температура факелов на срезе камер ТХП достигала 1310-1340 К. При таком режиме в камерах ТХП плазменно-угольная растопка была успешно завершена.
Использование заявляемого изобретения позволяет осуществить надежную плазменно-угольную растопку посредством углей с разными теплотехническими характеристиками.