ГОРЕЛКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ПЫЛИ

д
Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в котельных установках, работающих на пылеугольном топливе при транспортировании его в горелку по пылепроводам системы подачи Пыли с Высокой Концентрацией под давлением (далее ПВК). Полезная модель разработана для сокращения образования вредных веществ (оксидов азота - NOx) в топочных газах, а так же предусматривает уменьшение шлакования топки.
д
Известны горелки, разработанные для системы подачи пыли с высокой концентрацией (от 5 до 40 кг пыли на 1 кг воздуха) под давлением. Главным достижением такой горелки было установка в канале аэросмеси специального Пыле-Выдающего Патрубка - (далее ПВП), позволившего преобразовать поток концентрированной аэросмеси из стержневой в цилиндрическую форму, осуществить предварительную высокотемпературную обработку топлива, частичное воспламенение летучих и горение до соединения с основным воздухом для горения - осуществить «нестехиометрическое горение летучих» (см., например, авторское свидетельство №1574991, «Пылеугольная горелка», F23D 1|06, опубликовано 30.06.88 г., Бюл. №24, прототип). Применение ПВП позволило существенно стабилизировать процесс горения в топке с одновременным уменьшением вредных выбросов (NOx) без ухудшения выжига топлива. Была осуществлена технология Сжигания пылевидного топлива в Концентрированном Виде (далее СКВ) с большой поверхностью теплообмена. До создания ПВКД и внедрения ее на электростанциях СССР в 80-х годах (см. патент №861856, F23K 3/02, «Система подачи угольной пыли», 1979 г.) создание технологии сжигания пыли в концентрированном виде - СКВ - было невозможно, как и в настоящее время в схемах подачи пыли в горелки при прямом ее вдувании от мельницы при низких концентрациях (0,3-0,5 кг/кг). С разработкой и совершенствованием ПВК (см. патент №1227915, «Система подачи высококонцентрированной пыли в топку», F23K 3|02, 1984 г.) возможность осуществления новых способов сжигания появилась и данная заявка является продолжением начатых разработок.
В последующем упомянутая технология СКВ совершенствовалась, что нашло отражение в горелке для сжигания концентрированной пыли, см., например, патент на полезную модель №48027 - «Горелка для концентрированной пыли», класс F23D 1/06 А. Опубликовано 10.09.2005., бюллетень №25 - прототип.
д
д
Конструкция горелки по указанному изобретению, как и у ее предшественницы по а. с.№1574991, предусматривает ввод концентрированной пыли в канал паэросмеси горелки пылепроводом ПВК (подачи пыли с высокой концентрацией под давлением) малого диаметра (70-90 мм), преобразование формы ее потока, частичное воспламенению летучих в ПВП, установленном на конце пылепровода ПВК на некотором расстоянии от выхода из горелки. Мазутная форсунка (форсунка растопочного топлива) установлена ниже пылевыдающего патрубка в канале вторичного воздуха. Внешний (и внутренний) канал первичного воздуха демонтирован за ненадобностью, а сброс сушильного агента от пылесистемы осуществлен отдельными пылепроводами через дополнительные сопла, расположенными, как правило, выше уровня основных горелок. Применение ПВП, как уже отмечалось, позволило осуществить предварительную термообработку пыли и частичное ее воспламенение внутри патрубка ПВП за счет подсоса горячих инертных газов в полость ПВП за рассекателем. Прогрев, выделение летучих, их воспламенение и частичное горение идет уже в объеме ПВП, где концентрация пыли равна 5-40 кг в кг воздуха (практическое его отсутствие), а все топливо воспламеняется еще до полного перемешивания его с необходимым количеством воздуха за горелкой в топке. Поэтому эту технологию организации сжигания топлива с применением пылевыдающего патрубка - ПВП с полным основанием можно назвать технологией сжигания пыли (топлива) в концентрированном виде - СКВ при «нестехиометрическом горении детучих».
л
ф
т
ф
t
Таким образом, внутри ПВП воспламенение протекает при недостатке окислителя, т.е. коэффициент избытка воздуха, потребного для сгорания летучих меньше единицы: α=V/V<1 - «нестехиометрическое сжигание». Здесь V и V соответственно фактический и теоретический объем воздуха, потребного для сгорания летучих.
При воспламенении части топлива в условиях глубокого недостатка воздуха внутри ПВП замедляется образование высоких температур в момент воспламенения. Это приводит к основательному снижению образования вредных выбросов оксидов азота.
л
Однако, при параллельном движении воздуха и аэросмеси, вследствие турбулентности и диффузии, кислород из спутного потока вторичного воздуха, окружающего поток воспламеняющейся первичной аэросмеси, проникает в ее приосевые зоны за горелкой и увеличивает коэффициент избытка окислителя α в них для еще не воспламенившихся объемов выделяющихся вновь летучих до стехиометрического, т.е. до 1, или около того. А это приводит к возрастанию эмиссии NOx.
Задача полезной модели: не допустить раннего перемешивания пылевой струи первичной аэросмеси с вторичным воздухом за горелкой и обеспечить соединение их (потоков воздуха и пыли) на некотором расстоянии от горелки, где воспламенение при недостатке воздуха (нестехиометрическое сжигание летучих) уже завершено. В этом случае обеспечивается нужный технический результат: происходит уменьшение образования оксидов азота - NOx. Это уменьшение связано с задержкой горения выделяющихся из топлива летучих веществ, представляющих наиболее активную составляющую твердого топлива. Это, в свою очередь, не позволяет развиться высоким температурам, при которых и происходит активное образование NOx.
Для этого в конструкцию прототипа внесены следующие решения:
- выходные каналы вторичного воздуха и первичной аэросмеси выполнены под некоторым углом друг к другу β и возможностью изменения величины этого угла, для чего канал первичной аэросмеси разделен на неподвжную и подвижную части, подвижная часть расположена под углом β к выходному каналу вторичного воздуха
- между неподвижной и подвижной части канала первичной аэросмеси горелки установлен разделяющий их шарнир;
- подвижная часть канала первичной аэросмеси соединена с механизмом поворота, имеющим внешний привод;
- угол «β» по величине максимального отклонения подвижной части канала певичной аэросмеси «вверх-вниз» находится в пределах «15-25°»;
- оси канала вторичного воздуха и канала первичной аэросмеси горелки на входе в нее разнесены между собой на некоторое расстояние «h», равное от 0 до Н/2 мм, где Н - высота окна выходного канала вторичного воздуха горелки, мм.
Таким образом, выполнение канала первичной аэросмеси на выходе из горелки под углом к каналу вторичного воздуха (точнее - их осей) позволяет избежать уже на начальном участке факела полного перемешивания струй первичной аэросмеси и вторичного воздуха, выходящих в топку из горелки по этим каналам, поскольку первичная аэросмесь «выводится» из потока вторичного воздуха (существенный признак). Это служит выполнению задачи полезной модели, так как позволяет замедлить процесс воспламенения факела на начальном его участке, снизить температуру на этом участке факела, что приводит к снижению образования NOx. Для ускорения и облегчения «вывода» потока первичной аэросмеси из потока вторичного воздуха, ввод первичной аэросмеси (как вариант) осуществлен со смещением канала первичной аэросмеси к периферии канала вторичного воздуха и служит той же цели и облегчает получение нужного технического результата (существенный признак).
Для полноты осуществления поставленной задачи угол β выполнен изменяемым по величине, а сам канал первичной аэросмеси разделен на 2 части: начальную - горизонтальную (или параллельную каналу вторичного воздуха) и конечную - наклонную. Установка шарнира между ними обеспечивает изменяемость угла β по величине и делает конечный участок канала первичной аэросмеси подвижным. Механизм поворота незначительно усложняет конструкцию самого поворота, но, главное, позволяет получить возможность оптимизировать величину угла β при работе котла по условиям минимизации образования NOx. Совокупность признаков, обеспечивающих изменяемость угла β, является существенной.
Предложенная горелка изображена на чертежах.
На чертеже Фиг.1 представлен вариант горелки для концентрированной пыли с каналом вторичного воздуха, который, как правило, расположен горизонтально и неподвижно, и каналом первичной аэросмеси, установленными под углом β друг к другу, определяющими соответствующие направления потоков: вторичного воздуха - по вектору «В», потока первичной аэросмеси - по вектору «А». Канал первичной аэросмеси имеет шарнир, разделяющий его на неподвижную (на входе) и подвижную (на выходе) части. Подвижная часть может иметь любое положение в пределах возможности располагаемогоого угла поворота Р вокруг шарнира в вертикальной плоскости.
На чертеже Фиг.2 представлен вариант горелки для концентрированной пыли, в котором ввод первичной аэросмеси осуществлен со смещением канала первичной аэросмеси к периферии канала вторичного воздуха, т.е. их оси разнесены между собой на некоторое расстояние «h», равное от 0 до Н/2 мм, где Н - высота окна (выходного) канала вторичного воздуха горелки, мм. Другими словами, вывод канала первичной аэросмеси частично или полностью из канала основного (вторичного) воздуха для горения служит той же цели недопущения полного их перемешивания на начальном участке развития факела и снижения NOx.
Д
В корпусе горелки (Фиг.1, 2) 1, имеющей канал вторичного воздуха 2, размещен канал первичной аэросмеси, состоящий из неподвижной его части 3, к которой на входе подсоединен пылепровод подачи пыли высокой концентрации (ПВК) 4, а на выходном конце подсоединенную через шарнир 5 его подвижную часть 6, заканчивающуюся пылевыдающим патрубком (ПВП) 7. Подвижная часть 6 снабжена внешним механизмом поворота 8. Горелка размещена в амбразуре стены экрана 9, ограждающей топку 10 котла.
В варианте по Фиг.2 направления (оси) каналов вторичного воздуха 2 и неподвижной части канала первичной аэросмеси на входе в горелку 3 разнесены между собой на некоторое расстояние «h», равное от 0 до Н/2, где Н - высота выходного окна канала вторичного воздуха горелки, мм. (в дальнейшем выходной канал вторичного воздуха 2).
Таким образом, при неподвижном канале вторичного воздуха 2 и векторе скорости потока вторичного воздуха «В» (Фиг.1, 2) часть канала первичной аэросмеси 6 с ПВП 7 конструктивно выполнена подвижной с изменением ее углового положения в вертикальной плоскости, измеряемого углом β с вершиной в центре шарнира 5.
Горелка работает следующим образом.
Из пылепровода ПВК 4 (Фиг.1, 2) концентрированная пыль попадает в канал первичной аэросмеси 3 горелки 1 и, пройдя его неподвижную часть, шарнир 5, и подвижную часть (например, установленную наклонно) 6 (Фиг.1, 2), поступает в ПВП 7, где происходит ее преобразование, подогрев, выделение части летучих и их воспламенение. Вторичный воздух по (выходному) каналу вторичного воздуха 2 поступает через амбразуру стены экрана 9 в топку 10. Поскольку на входе в ПВП 7 количество воздуха сильно ограниченно, воспламенение летучих в нем происходит при глубоком недостатке воздуха для горения («нестехиометрическое сжигание» летучих). В дальнейшем, вследствие наклона канала 6 и вектора «А», поток аэросмеси выходит за пределы фиксированного направления потока вторичного воздуха по вектору «В» в зону его рассеивания.
Отклонение подвижной части канала первичной аэросмеси (и вектора «А») осуществляется механизмом поворота 8, скрепленным с подвижной частью канала первичной аэросмеси 6, например, вниз на угол β, как показано на Фиг.1. В этом случае поток первичной аэросмеси по направлению вектора «А» на некоторое время выходит за пределы потока вторичного воздуха, выходящего из канала вторичного воздуха 2 по направлению вектора «В», и развитие факела и полное воспламенение летучих протекает и завершается за пределами амбразуры экрана 9 в топке котла 10 при их «нестехиометрическом» горении в условиях недостатка кислорода. Это обуславливает минимальную эмиссию топливных оксидов азота NOx. При необходимости получения иного качества (например, при смене топлива для уменьшения шлакования, увеличения перегрева пара и т.д.) положение поворотной части канала первичной аэросмеси и вектора «А» может быть уточнено при работе и наладке режима котла отклонением подвижной части канала первичной аэросмеси 6 от максимального его положения «вниз» (угол 25°) до максимального положения «вверх» (угол 15°).
При смещении канала первичной аэросмеси 3 к (нижнему) краю, на переферию канала вторичного воздуха 2 (Фиг.2) на величину «h» достигается тот же результат «постепенного вывода» потока аэросмеси за пределы потока вторичного воздуха при β=0°, или при меньшем угле «β» наклона вектора «А» по сравнению с Фиг.1, что предотвращает опасность «сепарации» пыли в холодную воронку котла. При этом, чем ближе смещение к нижнему краю, тем меньше вероятности «сепарации», однако на уровне нижнего края канал первичной аэросмеси принимает горизонтальное положение, «β»=0, но выходящий поток первичной аэросмеси наполовину (верхнюю) погружен в спутный поток вторичного воздуха. Опасность «сепарации» исчезает, но цель «нестехимеотрического горения» летучих становится менее полной.
4
В обоих вариантах наличие подвижной части канала первичной аэросмеси 6, благодаря «миниатюрных» размеров шарнира 5 и канала 6 несущественно усложняет конструкцию и затраты, но позволяет в кратчайший срок оптимизировать минимумы или максимумы параметров, по которым поставлены конкретные цели (например, величину NOx, потери q и т.д.), так что «роскошь» устройства подвижной части канала первичной аэросмеси оправдана.
ф
т
д
В схемах низко концентрированной подачи пыли с пылепроводами и шарнирами диаметром от 377 до 500 мм осуществлялся поворот всей горелки при параллельном движении векторов «А» и «В» для регулирования тепловыделения по высоте топки. Кроме того, в самом начале воспламенения летучих избыток воздуха в потоке первичной аэросмеси (для летучих) был гораздо больше единицы, и сделать его меньше было невозможно, как и осуществить начало «нестехиометрического сжигания» при низких концентрациях. Поэтому развитие конструкции горелок в направлении прототипов и предлагаемой заявки не происходило. Другими словами, предлагаемая полезная модель позволяет вначале наиболее полно осуществить воспламенение летучих и коксового остатка в условиях глубокого недостатка кислорода, когда горение идет при нестехиометрических условиях и соотношение V/V Для летучих меньше 1 (приблизительно от 0.8 до 0,2), а потом уже идет смешение с воздухом и горение заканчивается при необходимых его избытках в топке. Это новое направление в топочной технике, не могло быть применено ранее, до разработки системы ПВК. Поэтому применялось дорогостоящее ступенчатое сжигание.