ГОРЕЛКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ПЫЛИ

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 (ПВК) под давлением. Полезная модель разработана для сокращения образования вредных веществ (оксидов азота - NOx) в топочных газах, а так же предусматривает уменьшение шлакования топки.
Известны горелки, разработанные для системы подачи пыли с высокой концентрацией под давлением. Главным достижением такой горелки было установка в корпусе горелки специального Пыле-Выдающего Патрубка - (ПВП), позволившего осуществить предварительную высокотемпературную обработку топлива, его частичное воспламенение и горение до соединения с основным воздухом для горения (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 высококонцентрированном потоке пыли.
В последующем эта технология 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.
Конетрукция горелки по указанному изобретеиию, как и у ее предшественницы по а. с..№1574991, предусматривает ввод концентрированной пыли в горелку пылепроводом ПВК (подачи пыли с высокой концентрацией) малого диаметра (70-90 мм), распыливание ее и подготовку к воспламенению 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. Канал первичного воздуха демонтирован за ненадобностью, а сброс сушильного агента от пылесистемы осуществлен отдельными пылепроводами через дополнительные сопла, расположенными выше уровня основных горелок. Применение ПВП, как уже отмечалось, позволило осуществить предварительную термообработку пыли и частичное ее воспламенение внутри патрубка 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 5-30 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 топлива в концентрированном потоке. Воспламенение части топлива в условиях глубокого недостатка воздуха внутри ПВП замедляет образование высоких температур в момент воспламенения. Кроме того, образовавшиеся в момент воспламенения газы внутри ПВП совместно с уже подсосанными топочными газами внутрь ПВП перемешиваются с невоспламенившейся еще пылью и так же способствуют исключению возникновения избытков воздуха при последующем смешении этого потока с вторичным воздухом (уже за выходом из ПВП) и возникновению температурного «пика», обычно возникающего при воспламенении пыли в избыточных объемах воздуха. Это приводит к основательному снижению образования вредных выбросов (оксидов азота).
Недостатком, прототипа является то, что часть концентрированного топлива, в основном внешняя, не успевшая прогреться (или перемешаться при соединении с подсосанными в полость ПВП и образовавшимися в нем горячими газами, выходит из ПВП невоспламенившись и, попадая в мощный поток окружающего ПВП вторичного воздуха, перемешивается с ним. При этом концентрация пыли в воздухе снижается. Дальнейшее ее воспламенение с избыточным воздухом происходит под действием лучистого тепла топки, свободно проникающего через прозрачный диатермичный поток горячего воздуха с внешней стороны пылевой струи, выходящей из ПВП, с некоторым (нежелательным) скачком (высокой) температуры и соответствующим увеличением образования вредных выбросов, характерным для низко концентрированных потоков аэросмеси. Это уменьшает эффективность снижения вредных выбросов при применении новой технологии сжигания пыли в концентрированном потоке при применении ПВП.
Задача изобретения.
Недопущение раннего перемешивания пылевой струи с вторичным воздухом и соединение их (струй воздуха и пыли) на некотором расстоянии от горелки, где воспламенение пыли при недостатке воздуха уже завершено.
Эта задача решается следующими путями.
1. Пылевыдающий патрубок помещен в дополнительный обтекатель и, таким образом, струи пыли и вторичного воздуха отдалены на некоторое расстояние, и вокруг ПВП образуется зона нулевого (или пониженного) расхода воздуха, что обеспечивает его недостаток вокруг пылевой струи, выходящей из ПВП, с внешней ее стороны на протяжении некоторого расстояния от горелки, после которого происходит перемешивание вторичного воздуха с уже воспламенившейся аэросмесью. В итоге полное воспламенение пылевой струи происходит, в том числе с ее внешней стороны за счет лучистого тепла топки, в условиях недостатка воздуха при невысоких температурах, что снижает образование - оксидов азота.
2. ПВП помещают в канал первичного воздуха через центральную трубу, круглой горелки, который остается после перевода подачи пыли на ПВК. При отсутствии сбросного воздуха (например, когда пылесистема остановлена в резерв) канал первичного воздуха горелки работает как дополнительный обтекатель. Канал соединен с коробом вторичного воздуха через регулирующий клапан, что позволяет отрегулировать оптимальную наименьшую скорость и воспламенение концентрированного потока, выходящего из ПВП по условиям отсутствия шлакования и минимальной величины NOx.
При работающей пылесистеме отработанный (сбросной) воздух поступает в топку через первичный канал горелок. Этот сброс относительно «холодный» и слабо запыленный. Эти факторы замедляют процесс прогрева пыли лучистым теплом топки и «затягивают» воспламенение, что исключает появление «скачка» температуры и увеличение оксидов азота при работе пылесистемы. Предложенная горелка изображена на чертежах.
На чертеже Фиг.1 представлена горелка с дополнительным обтекателем.
На чертеже Фиг.2 представлен вариант горелки, в котором канал первичного (мельничного) воздуха у круглой горелки не демонтирован и используется в качестве дополнительного обтекателя при отсутствии сбросного воздуха (например, когда пылесистема не работает, или сброс поступает в топку по отдельному каналу).
В корпус 1 горелки (Фиг.1), заведен пылепровод подачи пыли с высокой концентрацией (ПВК) 2, на конце которого установлен ПВП 3, помещенный в дополнительный обтекатель 4. Последний выполнен в виде конуса и образует с ПВП 3 канал 5, а с амбразурой корпуса 1 горелки канал 6 для выхода вторичного воздуха. Входное сечение (вход) 7 канала 5 (в вершине конуса) меньше сечения на выходе (у основания). Перед входом 7 установлен подвижный клапан 8.
В корпусе 1 горелки по Фиг.2, с пылепроводом ПВК 2 и ПВП 3 канал первичного воздуха не демонтирован и его выходные стенки 4 для вторичного воздуха играют роль дополнительного обтекателя 4 (по Фиг.1). Они образуют с ПВП 3 канал 5, а с корпусом 1 канал 6. Центральная труба 7 подсоединена к коробу вторичного воздуха через клапан 8 и образует с ПВП 3 кольцевой канал 9. Горелка снабжена улиткой вторичного воздуха 10.
Горелка работает следующим образом.
По пылепроводу ПВК 2 (Фиг.1) концентрированная пыль поступает в ПВП 3, где происходит ее подогрев, выделение части летучих и их воспламенение (как и в прототипе). Часть пыли, однако, выходит из ПВП 3 невоспламенившись. Поскольку на выходе из ПВП 3 концентрированная смесь начинает прогреваться лучистым теплом топки с внешней стороны, происходит быстрый ее прогрев и воспламенение. Однако ограниченное количество воздуха, выходящее из канала 5 исключает его избыток в момент воспламенения и, следовательно, появление высоких температур, снижает эмиссию оксидов азота. Ограничение количества воздуха на выходе горелки по каналу 5 (Фиг.1) достигнуто неодинаковой величиной входного 7 и выходного сечения канала 5, образованного ПВП 3 и дополнительным обтекателем 4. При одинаковом перепаде давления «корпус 1 горелки - топка» скорость вторичного воздуха в канале 6 и на входе 7 в канал 5 одинаковы (при открытом клапане 8). При уменьшении входного сечения канала 5, например в 10 раз против выходного, скорость и количество воздуха на выходе из канала 5 будут в 10 раз меньше, чем на его входе. Клапан 8 в придвинутом к входному сечению 7 положении (буква «З» по указателю) закрывает его, и проток воздуха через канал 5 отсутствует полностью. При осевом движении клапана 8 влево на некоторое расстояние L входное сечение 7 канала 5 открыто полностью (буква «О» по указателю) и расход воздуха через канал 5 определен только конструктивными размерами входного и выходного сечений канала 5. Установка подвижного клапана 8 позволяет отрегулировать минимальный расход воздуха на выходе из канала 5 по условиям отсутствия его шлакования и минимального образования оксидов азота.:
Таким образом, достигается недостаток воздуха с внешней стороны потока, выходящего из ПВП в топку и организуется своеобразная ступенчатость горения топлива по ходу его движения вглубь Стойки. По аналогии со ступенчатым сжиганием по вертикали (вертикальная ступенчатость) и по горизонтали (горизонтальная ступенчатость) полученную можно с полным правом назвать осевой ступенчатостью сжигания концентрированной пыли.
Горелка по Фиг.2, где дополнительным обтекателем 4 (Фиг.1) служат элементы выходного канала первичного воздуха 4 (Фиг.2), рассчитана для случая перевода котла на ПВК, когда пылепроводы первичного воздуха не подверглись реконструкции, а использованы для сброса отработанного воздуха пылесистемы в топку через тракт первичного воздуха горелки. При этом пыль от пылепитателей системой ПВК подается, как и ранее, в свои же горелки, но отдельным потоком через центральную трубу горелки. Такая схема применена для реализации технологии сжигания пыли в концентрированном потоке. Наиболее явно эта схема реализуется при остановленой пылесистеме, когда мельничный вентилятор не работает и сброса воздуха через горелку нет.
В этом случае вторичный воздух из улитки 10 корпуса 1 выходит из горелки (Фиг.2) по каналу 6, параллельно потоку концентрированной пыли, поступившей по пылепроводу ПВК 2, и выходящей из ПВП 3, на расстоянии ширины канала 5 от него, определяемом разницей размеров трубы первичного воздуха 4 и ПВП 3. Частично воспламенившаяся внутри ПВП 3 концентрированная смесь на выходе попадает под действие лучистого тепла топки с внешней стороны потока, под действием которого воспламеняется. Однако при отсутствии контакта с вторичным воздухом из канала 6 это воспламенение замедлено из-за недостатка воздуха для интенсивного горения, и возникновение «скачка» температур не происходит, что снижает образование оксидов азота. Процесс воспламенения протекает аналогично вышеописанному процессу для горелки с дополнительным обтекателем по Фиг.1. При этом так же предусмотрена регулировка количества воздуха, выходящего из канала 5. Из короба вторичного воздуха горелки воздух через клапан 8, центральную трубу 7 и кольцевой зазор 9 между трубой 7 и ПВП 3 поступает в канал 5 в минимальном количестве, Это количество задается клапаном 8 во время наладки бесшлаковочного режима горелки. При этом скорость воздуха, выходящего из канала 5, на порядок меньше скорости вторичного воздуха, выходящего из канала 6 горелки, что приводит к недостатку воздуха для горения воспламеняющейся за ПВП концентрированной пыли. Поэтому эмиссия оксидов азота снижается.
При работе мельничного вентилятора первичный тракт 4 и канал 5 горелки, используются для сброса слабо запыленного воздуха после мельничного вентилятора (Фиг.2,). При этом из канала 5 выходит слабо запыленный воздух при низкой температуре (70-80°). Кроме того, при сушке топлива в мельнице инертными газами содержание кислорода в сбросном слабо запыленном воздухе понижено. Вторичный воздух выходит из горелки 1 по каналу 6. В этом случае прогрев потока из ПВП 3, поступившего в него по ПВК 2, лучистым теплом топки оказывается слабым и воспламенение его внешних слоев по вышеназванным причинам задерживается. Это тормозит развитие высоких температур и эмиссия вредных оксидов азота не возрастает. Поступление незначительного количества воздуха через клапан 8, центральную трубу 7 и кольцевой зазор 9 в канал 5 особой роли в изменении условий воспламенения и образования оксидов азота в данном режиме не играет. Главным же фактором снижения оксидов азота является в этом случае применение технологии сжигания пыли в концентрированном потоке.
Таким образом, концентрируя топливо по центру круглой (вихревой) горелки устройством системы подачи пыли с высокой концентрацией - ПВК - с применением ПВП даже без изменения места сброса мельничного воздуха, мы получили переход от обычной технологии к технологии сжигания пыли в концентрированном потоке и новое качество: снижение оксидов азота без организации традиционного ступенчатого сжигания по высоте или по горизонтали. Это качество получено за счет организации ступенчатости по оси факела горелки. Поэтому перевод котлов на ПВК с сохранением схемы разводки пылепроводов первичного воздуха и места сброса запыленного воздуха через первичный тракт горелок неизменными оправдан, помимо уменьшения ремонтных затрат, снижением оксидов азота.
Горелка для концентрированной пыли по Фиг.1 и по Фиг.2 может быть применена как при прямоточном, так и при вихревом исполнении потоков вторичного и первичного воздуха.