ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЗАПАЛЬНИК ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
HIGH ENERGY TYPE IGNITER FOR PULVERIZED COAL

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для обеспечения безмазутного розжига и стабилизации горения пылеугольного топлива.
Известно устройство для плазменного воспламенения пылеугольного топлива (RU №2410603 С1, МПК F23Q 5/00, F23Q 13/00, 2009 г.), содержащее стержневые электроды для генерирования электрической дуги, соединенные с источником электропитания, резонансную камеру, охватывающую зону электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха.
Недостатком этого устройства является сложность его конструкции, ненадежность и недолговечность работы. Недостатки связаны с тем, что воспламененные в резонансной камере угольные частицы вследствие вихревого витания в полузамкнутом пространстве камеры, сталкиваются с ее стенками, оседают на них в виде несгоревших частиц угля и накапливаются в виде золовых отложений. Это нарушает условия резонанса камеры и требует циклической остановки запальника для удаления отложений. Все это ограничивает срок непрерывной работы и сокращает срок службы устройства.
Наиболее близким по технической сущности является запальник (SU №1636647 А1, МПК F23D 5/00, 1989 г.), содержащий основные стержневые электроды, установленные в канале подачи пылеугольного топлива и подсоединенные к источнику высокого напряжения. Запальник дополнительно содержит обтекатель, выполненный в виде конусной обечайки, охватывающей основные стержневые электроды и обращенный меньшим основанием конуса встречно потоку топливовоздушной смеси.
Недостатком этого устройства является его низкая надежность и неустойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Первый недостаток вызван тем, что основные стержневые электроды расположены внутри конического обтекателя. Поэтому часть воспламенившихся частиц угольной пыли при вихревом движении теряет скорость, оседает на внутренних стенках обтекателя, накапливается на них в виде отложений несгоревшего угля, и, перекрывая тем самым дальнейший проход угольной пыли сквозь конусный обтекатель, способны вызывать электрическое замыкание основных стержневых электродов.
Второй недостаток объясняется тем, что в устройстве отсутствует возможность регулирования подачи пылеугольного топлива в межэлектродную зону, а конический обтекатель перехватывает в основном те угольные частицы, которые влетают в него через меньшее основание. Поэтому количество топлива подвергнутого воздействию электрического поля источника высокого напряжения и электрической дуги, особенно при пониженных нагрузках, может оказаться недостаточным для образования устойчивого первичного факела, это вызывает неустойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности воспламенения пылеугольного топлива и увеличение длительности непрерывной работы запальника.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном запальнике пылеугольного топлива, содержащим канал пылеугольного топлива, внутри которого установлены стержневые электроды, присоединенные к источнику высокого напряжения, и конический обтекатель, обращенный малым основанием встречно потоку пылеугольного топлива. Новым, согласно изобретению, является размещение конического обтекателя перед стержневыми электродами, присоединение к его малому основанию дополнительного трубопровода пылеугольного топлива, выполнение просвета b между обтекателем и стержневыми электродами, выражаемого неравенством:
,
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя;
D - диаметр большого основания конического обтекателя,
выполнение конического обтекателя длиной L и диаметром D его большого основания равными:
L=(1,5÷2)d и D=(1,5÷2)d
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя.
На рисунке представлено вертикальное сечение высоковольтного запальника пылеугольного топлива.
Высоковольтный запальник пылеугольного топлива содержит канал 1 пылеугольного топлива, внутри которого размещены стержневые электроды 2, и конический обтекатель 3, который обращен малым основанием встречно потоку пылеугольного топлива. Конический обтекатель 3 установлен перед стержневыми электродами 2, образующими между собой межэлектродное пространство 4. Стержневые электроды 2 соединены с источником высокого напряжения 5. К малому основанию конического обтекателя 3 присоединен дополнительный трубопровод 6 пылеугольного топлива.
Размер просвета b между коническим обтекателем 3 и стержневыми электродами 2 выражается неравенством:
,
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя;
D - диаметр большого основания конического обтекателя,
а длина L конического обтекателя и диаметр D его большого основания равны:
L=(1,5÷2)d и D=(1,5÷2)d
где: d - диаметр малого основания конического обтекателя.
На рисунке изображены также первичный 7 и вторичный 8 факела.
Высоковольтный запальник пылеугольного топлива работает следующим образом.
В канал 1 и дополнительный трубопровод 6 подают пылеугольное топливо. Вследствие того, что конический обтекатель 3 установлен перед стержневыми электродами 2, сквозь межэлектродное пространство 4, образованное ими, проходит в основном пылеугольное топливо, которое поступает по трубопроводу 6. При этом снаружи межэлектродного пространства 4 движется пылеугольное топливо, поданное в канал 1. После включения источника высоковольтного напряжения 5, в межэлектродном пространстве 4 между стержневыми электродами 2 возникает электрическое поле. Частицы пыли, попавшие в межэлектродное пространство, электризуются, причем вероятность получить электрический заряд больше у тех частиц, которые больше всего времени находились в электрическом поле. Электризация частиц угольной пыли способствует электрическому пробою промежутка между стержневыми электродами 2 и возникновению высоковольтных электрических разрядов в межэлектродном пространстве 4, количество которых пропорционально числу заряженных угольных частиц. Электрические разряды сливаются между собой и под напором движущейся пылеугольной среды вытягиваются в виде электрической дуги. Высокое электрическое напряжение и высокая температура плазмы электрической дуги вызывают электрохимические процессы окисления кокса, входящего в состав угольных частиц, в результате они воспламеняются, формируется первичный факел 7, состоящий в основном из частиц, поступающих из дополнительной трубы 6. Затем под действием тепла первичного факела 7 воспламеняются частицы пылеугольного топлива, поданного в канал 1, образуется вторичный факел 8. Причем во вторичном факеле 8 происходит не только горение, но и термическое разложение угольных частиц пылеугольного топлива, поступившего в канал 1 и дополнительную трубу 6, с выделением летучих и их воспламенением. Регулирование нагрузки (мощности) предлагаемого устройства достигается изменением количества пылеугольного топлива, поступающего в канал 1. При этом подача пылеугольного топлива по дополнительной трубе 6 обеспечивает надежную и устойчивую работу предлагаемого запальника на разных нагрузках.
Особенность работы запальника состоит в том, чтобы частицы угольной пыли, попав в электрическое поле межэлектродного пространства 4, получили как можно большой электрический разряд. Для этого необходимо создать условия, чтобы угольные частицы, попавшие в межэлектродное пространство 4, как можно дольше в нем задержались. Этого можно достичь торможением частиц. Выполнение конического обтекателя 3 определенных размеров: длиной L=(1,5÷2)d и диаметром большого основания D=(1,5÷2)d, где d - диаметр малого основания, создает внутри конического обтекателя 3 и за его большим основанием зону аэродинамического торможения пылеугольного топлива. Математическое моделирование аэродинамических процессов показало следующее. Чтобы межэлектродное пространство 4 оказалось в зоне аэродинамического торможения, необходимо конический обтекатель 3 установить перед стержневыми электродами 2 на расстоянии b, составляющим не менее половины диаметра d малого основания конического обтекателя 3 и не более половины диаметра D его большого основания:
При этом выполнением условия, чтобы расстояние b не превышало значения равного , гарантируется, что межэлектродное пространство 4 стержневых электродов 2 попадет в зону аэродинамического торможения пылеугольного топлива. Выполнение условия, чтобы расстояние b было не менее , исключает попадание воспламененных частиц пылеугольного топлива внутрь конического обтекателя 3, это позволяет избежать в нем золовых отложений. Вследствие выполнения вышеуказанных размеров соотношений между параметрами d, D, L и b время взаимодействия пылеугольного топлива с электрическим полем в межэлектродном пространстве 4 увеличивается. В результате чего воспламеняется большое количество угольных частиц, причем воспламененные частицы пылеугольного топлива не могут вернуться в конический обтекатель 3, чтобы создать в нем отложения. Наличие дополнительной трубы 6, подающей пылеугольное топливо в конический обтекатель 6 создает благоприятные условия для регулирования нагрузки (мощности) данного запальника изменением количества топливной пыли, поступившей в канал 1. При таком регулировании нагрузки (мощности) сохранятся устойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Благодаря размещению конического обтекателя 3 перед стержневыми электродами 2 на расстоянии b, составляющим не менее половины диаметра d малого основания конического обтекателя 3 и не более половины диаметра D его большого основания:
а также вследствие выполнения конического обтекателя 3 длиной L=(1,5÷2)d и диаметром большого основания, равным D=(1,5÷2)d, гарантируется надежность воспламенения пылеугольного топлива и обеспечивается длительная и безотказная работа запальника.
Наличие дополнительной трубы 6, подающей пылеугольное топливо в конический обтекатель 3 позволяет изменять нагрузку (мощность) данного запальника изменением расхода пылеугольного топлива, поступающего в канал 1, при этом сохраняется устойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива.
Использование предлагаемого запальника повышает устойчивость воспламенения и горения пылеугольного топлива при разных нагрузках (мощностях) и обеспечивает длительную и безотказную работу устройства.