СПОСОБ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННОГО ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ
METHOD FOR FLARE COMBUSTION OF A FUEL-AIR MIXTURE AND DEVICE FOR REALIZING A METHOD USING AN ELECTRO-IONIZATION IGNITER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига котла из холодного состояния и обеспечения стабилизации горения пылеугольных и водоугольных топливных смесей с низкой реакционной способностью.
Известен способ сжигания низкосортных углей и плазменная горелка для его осуществления (патент RU №2059926, С1, МКИ F23D 1/00, F23Q 13/00, 1992), заключающийся в генерировании электрической плазменной дуги в плазмотроне-запальнике со стержневыми электродами, нагреве аэросмеси в дуговой плазме, розжиге и стабилизации горения аэросмеси. Генерирование электрической плазменной дуги осуществляют в канале подачи аэросмеси, выполненном в горелке. Для чего в указанном канале первоначально генерируют электрическую плазменную дугу и ее плазменными потоками возбуждают основную дугу, при этом плазмотрон-запальник перемещают вдоль стержневых элементов по мере их эрозионного разрушения.
Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость плазматрона запальника, а также малый объемный контакт дугового разряда плазматрона и пылеугольной смеси. При этом химическая активация пылеугольных частиц происходит только за счет термического воздействия дуговой плазмы, с температурой до 6000 градусов, на примыкающие к плазменной струе потоки топливной смеси. Локальное высокотемпературное воздействие на топливную смесь приводит к взрывообразному испарения минеральных компонентов топлива в этой локальной области с дальнейшей их конденсацией на поверхностях горелочного устройства, что ведет к ошлаковыванию этих поверхностей и снижению эффективности работы горелки. При этом существенная доля угольных частиц, не контактирующая с горячей плазмой, попадает в топку в холодном состоянии, не участвует в реакциях горения и способствует формированию механического уноса из топки.
Известно устройство для безмазутной растопки котла с индуктором (Энергосберегающие системы растопки и подсветки факела топочных камер котлов: монография В.А. Дубровский, М.В. Зубова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012 г., стр. 94). Представленное устройство содержит источник пыли, канал подачи воздуха, растопочную горелку, запально-сигнальное устройство, электронагреватель, выполненный в виде магнитной катушки индуктора с муфелем. Растопочная горелка присоединена к камере сгорания и выполнена в виде кольцевого канала, охваченного магнитной катушкой индуктора. Растопка котла работает следующим образом. Включается индуктор и запально-сигнальное устройство. Прогревается кольцевой канал и муфель за счет сгорания в нем легко воспламеняемого топлива. Затем подается пыль, которая за счет центробежных силы отбрасывается к наружной раскаленной стенке кольца у индуктора, перемешивается с воздухом, измельчается при ударе и воспламеняется запально-сигнальным устройством. После стабилизации горения факела в растопочной горелке и выхода ее на рабочий режим, запально-сигнальное устройство отключается, а затем отключается и индуктор. Благодаря тому, что перед подачей в растопочную горелку топки котла прогревается вся пыль, воспламенение происходит более эффективно и обеспечивается безотказная растопка котла.
Однако, в описанном техническом решении прогрев пыли магнитной катушкой индуктора не обеспечивает необходимого уровня активации для воспламенения пыли при более низких температурах, а также сопровождается высокими энергетическими затратами на прогрев.
Известен способ сжигания топлива, принятый в качестве прототипа (патент RU №2410603, Устройство факельного сжигания топлива, С1, МПК F23C 99/00, F23Q 5/00, 2019) 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 пылеугольного топлива, принятое в качестве прототипа, содержит корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2410603, С1, МКИ F23Q 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, принятых в качестве прототипов является низкая скорость прогрева конструкции горелки на начальном этапе пуска из холодного состояния, в результате чего происходит 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.
Задачей решаемая предлагаемым изобретением является создание способа и устройства для его реализации с использованием электро-ионизационных воспламенителей, которые позволяют с минимальными удельными затратами энергии обеспечить максимальную скорость разогрева факела и элементов конструкции горелки, обеспечивающих стабильное и полноценное сжигание топливной смеси с низкой реакционной способностью на этапе разогрева из холодного состояния, тем самым минимизируя механический унос в топку, исключая опасность хлопка или взрыва в котле.
Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря тому, что электроионизационное воспламенение на начальном этапе разогрева горелки из холодного состояния происходит на участке с низкой теплоемкостью и теплопередачей, в результате чего, потери тепла за счет его аккумуляции в окружающие конструкции и теплопередачи в окружающую среду минимизируются. Минимизация указанных тепловых потерь приводит в максимальной скорости роста температуры стенок горелки и как следствие температуры пламени в горелке в зоне воспламенения до уровня достаточного для стабильного воспламенения низкореакционных топлив и минимизации механического уноса несгоревшей топлива в топку котла. При достижении указанных температур на участке с низкой теплоемкостью происходит постепенный подъем температуры на муфелизированном участке, за счет перераспределения тепловых потоков. После достижения температуры муфелизированного участка требуемых для процесса значений, зона электроионизационного воспламенения переносится на муфелизированный участок и дальнейшая работа на котором обеспечивает стабильное воспламенение при подаче повышенных объемов топлива с повышением тепловой мощности горелки. При этом обеспечивается минимальный уровень механического уноса в топку котла за счет стабилизации температуры в зоне воспламенения. Одновременно с этим происходит выход активной части факела в топочное пространство котла и его разогрев. В это же время на участке горелки с низкой теплоемкостью контур подачи вторичного воздуха может переключится на охлаждение участка с низкой теплоемкостью, где скорость роста температуры уже не требуется. Такое переключение обеспечивает охлаждение части горелки с низкой теплоемкость до допустимых величин по надежности и безопасности, при этом подогрев вторичного воздуха в свою очередь повышает эффективность всего процесса горения.
Перемещение области электроионизационного воспламенения с участка низкой теплоемкостью и теплопередачи на участок высокой теплоемкостью, по настоящему изобретению, может производится при помощи нескольких приемов, реализованных в устройствах:
- путем перераспределения напора вторичного воздуха на участках с низкой и высокой теплоемкостью, исходя из условий аэродинамики обеспечивающей положение зоны воспламенения;
- путем выключения разряда в электродном блоке на участке с низкой теплоемкостью и включением разряда в электродном блоке на участке с высокой теплоемкостью.
Для второго случая усиление эффекта повышения скорости нагрева на участке с низкой теплоемкость, можно достичь обеспечением подачи на этот участок топлива с более высокой реакционной способностью.
Усиление эффекта повышения тепловой мощности после первоначального разогрева обеспечивается добавлением присоединением дополнительных секций с электродными блоками горелки на участок с высокой теплоемкостью.
Для реализации описанного способа по изобретению предложены следующие устройства.
Конструкция корпуса устройств имеет цилиндрическую форму и состоит из двух частей. Первая часть с низкой теплоемкостью и теплопередачей в окружающую среду состоит из внутренний цилиндрической образующей из металла, окруженной внешней замкнутой полостью с воздухом. Через эту полость есть возможность прокачивать вторичный воздух. Внутренняя цилиндрическая образующая, выполненная из металла имеет низкую теплоемкость, что минимизирует тепловые потери от факела на аккумуляцию тепла окружающими конструкциями и обеспечивает быстрый рост температуры ее поверхности при горении факела. Внешняя замкнутая полость теплоизолированна от внутренней и в промежутке между ними на первоначальном этапе располагается неподвижный воздух, имеющий низкую теплопроводность. В этом случае обеспечивается низкий коэффициент теплопередачи от внутренней металлической образующей в окружающую среду, а, следовательно, минимизация тепловых потерь от факела и повышение скорости нагрева стенок горелки.
Вторая часть корпуса имеющего высокую теплоемкость выполняется в виде муфеля. При разогреве муфеля обеспечивается стабилизация горения факела и возможность увеличения количества воспламеняемой топливной смеси, увеличивая таким образом тепловую мощность горелки.
Топливопровод горелки встроен в образующую цилиндрическую часть горелки тангенциально. В области присоединения топливопровода к горелке размещается электродный блок электрического разряда, обеспечивающий эффективную активацию топливной смеси, закручивающейся по спирали, внутри горелки.
Воздухопроводы вторичного воздуха раздельно присоединены к участкам с низкой и высокой теплоемкостью тангенциально по ходу вращения топливной смеси.
Топливопроводы в комплекте с электродными блоками в разных вариантах стыкуются с горелкой, либо на линии разграничения этих участков (при использовании одного топливопровода см. фиг. 1.), либо отдельно на участках с низкой и высокой и теплоемкостью (при использовании двух топливопроводов см. фиг. 2.).
На участке горелки с низкой теплоемкостью контур вторичного воздуха может подключаться как напрямую во внутреннюю область горелки, так и путем включения в контур воздухопровода внутренней воздушной полости этого участка горелки обеспечивая охлаждение внутренней образующей.
Для увеличения тепловой мощности горелки имеется возможность секционировать муфелизированный участок горелки, добавляя секции с отдельными топливопроводами в комплекте с электродными блоками, выполненными по типовой конструкции.
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 представлено продольное и поперечное сечение горелочного устройства электроионизационного воспламенения угольной топливной смеси с одним топливным вводом.
Предлагаемое горелочное устройство с использованием электроионизационного воспламенения топливовоздушной смеси содержит корпус (1), разделенный на две части, разгонный участок (2) с низкой теплоемкостью и теплопередачей конструктивных элементов, выполненный без муфелизирующих элементов и аккумулирующий участок (3) с высокой теплоемкостью конструктивных элементов, выполненный с муфелем (4), топливопровод (5) в комплекте с блоком электродов (6), тангенциально присоединенный в зону между участками с низкой и высокой теплоемкостью, два воздухопровода вторичного воздуха (7), тангенциально присоединенные по отдельности на участки с низкой и высокой теплоемкостью, источник питания (9) для генерирования электрического разряда (8), формирующего зону воспламенения (10) для факела (11) в период разогрева горелочного устройства, зона воспламенения (12) для факела (11) в период стационарной работы горелочного устройства.
На Фиг. 2 представлено продольное сечение горелочного устройства электроионизационного воспламенения угольной топливной смеси с двумя топливными вводами.
Предлагаемое горелочное устройство с использованием электроионизационного воспламенения топливовоздушной смеси содержит корпус (1), разделенный на две части, разгонный участок (2) с низкой теплоемкостью и теплопередачей конструктивных элементов, выполненную без муфелизирующих элементов, и аккумулирующий участок (3) с высокой теплоемкостью конструктивных элементов, выполненную с муфелем (4), два топливопровода (5, 15) в комплекте с блоками электродов (6, 14), тангенциально присоединенные соответственно на участки с низкой и высокой теплоемкостью, два воздухопровода вторичного воздуха (7) тангенциально присоединенные по отдельности на участки с низкой и высокой теплоемкостью, электрический разряда (8, 16), инициированный на блоке электродов подключенных к источнику питания (9, 13), зона воспламенения (10) для факела (11) в период разогрева горелочного устройства, зона воспламенения (12) для факела (11) в период стационарной работы горелочного устройства.
Предлагаемый способ и устройство факельного сжигания топливной смеси реализуется следующим образом.
Во внутренний участок корпуса (1) с низкой теплоемкостью подают топливо и первичный воздух через топливопровод (5). От источника питания (9) на блок стержневых электродов (6) подается переменный ток высокой частоты, в результате чего инициируется электрический разряд (8). Соотношение расходов вторичного воздуха, подаваемого через воздухопроводы (7) по участкам камеры выбирают таким образом, чтобы топливная смесь выдавливалась на участок с низкой теплоемкостью (2). Топливная смесь активизируется и воспламеняется, проходя через электроионизированную плазму, образуя зону воспламенения (10) во внутренней области участка с низкой теплоемкостью (2). После полного прогрева этого участка горелочного устройства и выхода на стабильное горение факела, обеспечивается минимальный механический унос топлива в топку котла. Далее происходит постепенный прогрев участка (3) с муфелем (4). После разогрева муфеля (4) до температур стабильного горения факела, соотношение расходов вторичного воздуха через воздухопроводы (7) выбирается таким образом, чтобы выносить топливную смесь сразу на участок с муфелем (4), минуя участок (2) и смещая воспламенение в зону (12). После этого тепловая нагрузка на участок с низкой теплоемкостью (2) снижается и этот участок переходит в режим охлаждения вторичным воздухом, через свою внутреннюю воздушную полость.
Основной факел (11) вытесняется в зону топки котла, снимается часть тепловой нагрузки на горелку, после чего появляется возможность увеличить расход топлива без риска увеличения механического уноса.
После повышения расхода топлива до требуемых значений обеспечивается установившейся режим горения с минимальным энергопотреблением для обеспечения процесса.
В случае использования устройства с двумя топливными вводами (5) и (15), переход зоны воспламенения (10) в зону воспламенения (12) происходит при отключении источника питания (9), прекращения инициации электрического разряда (8), включения источника питания (13), инициации электрического разряда (16), подачи топлива через топливопровод (15) и формирования зоны воспламенения (12).
В варианте горелочного устройства с двумя топливными вводами имеется возможность подачи разных видов угля по реакционной способности. При этом обеспечивается усиление эффекта повышения скорости нагрева на участке с низкой теплоемкостью (2), за счет подачи через топливопровод (6) топлива с высокореакционной способностью, в результате чего увеличивается тепловыделение в зоне воспламенения (10). Для перехода воспламенения из зоны (10) в зону (12) подают топливо с низкой реакционной способностью через топливопровод (15), обеспечивая таким образом оптимальный экономичный режим использования топлива.
Предлагаемое изобретение позволяет воспламенять топливную смесь с повышенным содержанием влажности и пониженным уровнем летучих компонентов, а также и водоугольную топливную смесь с минимальными удельными затратами энергии и минимизировать механический унос в момент растопки до безопасного уровня.