Горелка для сжигания пылевидного топлива
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании новых, ремонте и модернизации действующих котлов. Задачей полезной модели является повышение диапазона регулирования производительности (мощности) горелки при получении топливной смеси, образующей при горении в топке минимум вредных веществ. Поставленная задача решается за счет того, что горелка для сжигания пылевидного топлива перед подачей горячей смеси в топку содержит модуль подготовки топливной смеси, сообщающийся одним концом с топкой, а другим концом с плазмотроном, линии подвода в указанный модуль пылевидной топливной смеси и воздуха, линию подвода в топку вторичного воздуха и электрические нагреватели модуля подготовки топливной смеси.. Плазмотрон при этом является высокотемпературным источником тепла для осуществления газификации (пиролиза) топливной смеси при недостатке кислорода и для получения высокотемпературного, частично газифицированного топливного потока. Таким образом в модуле подготовки топливной смеси преобразуют обычную топливную смесь в топливную смесь, имеющую увеличенное количество газа (продуктов пиролиза). Мощность плазмотрона можно регулировать в диапазоне 80-200 кВт. Благодаря более низкой температуре горения топливной смеси не достигается температура образования термических NOX. Значительно снижается образование NOX при сжигании водо-угольного топлива (ВУТ), что препятствует образованию топливных NO X и резко снижает их образование.
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована при проектировании новых, ремонте и модернизации действующих котлов.
Известна растопочная пылеугольная горелка с подачей пылевоздушной смеси по оси горелки, снабженная электрическим нагревателем для зажигания топливной смеси, приведена в патенте N 12743 (СССР). В корпусе этой растопочной пылеугольной горелки вдоль его оси дополнительно установлены с радиальными зазорами три обечайки, в которых происходит ступенчатое сжигание твердого топлива.
В заявке Великобритании N 1585943 приведена система зажигания пылевидного угля с электродуговым подогревом. Часть воздуха подогревается в отдельном устройстве электродуговым разрядом и подается в камеру сгорания в виде высокотемпературной струи для зажигания пылевидного угля, транспортируемого потоком воздуха. Положение дуги регулируют с помощью магнитного поля, создаваемого катушкой. Уголь, поступающий в камеру сгорания, распределяется аксиально подвижным устройством, дополнительный воздух подают через регулирующие лопатки.
В растопочных пылеугольных горелках, разработанных в ГДР (патент 156544 и патент 238176) угольная пыль к растопочным горелкам транспортируется паровоздушной смесью. При транспортировке угольная пыль, смешиваясь с паровоздушной смесью, имеющей более высокую температуру, предварительно подогревается, что способствует устойчивому воспламенению топливной смеси в растопочной горелке. Для обеспечения устойчивого воспламенения и горения угольной пыли в горелке используют мазутную форсунку или газовую запальную горелку. Часть воздуха, необходимая для полного сгорания угольной пыли (вторичный воздух), подается непосредственно в туннель (муфель) горелки. При использовании пара для транспортировки и прогрева угольной пыли, а также при подаче вторичного воздуха в горелку надежное устойчивое воспламенение и горение топливной смеси возможны в условиях использования очень сухой и тонкого помола пыли при достаточно мощной запальной форсунке.
В другой известной растопочной пылеугольной горелке (патент N 4614492, США) подачу угольной пыли осуществляют в цилиндрическую часть корпуса горелки тангенциально к ее внутренней поверхности. Форсунка жидкого топлива располагается по оси горелки в центре ее задней стенки. Вторичный воздух подают в зону горения первичной пылевоздушной смеси. Конструкция горелки выполнена таким образом, что основная часть топлива сгорает в самой горелке, а в топку выходят горячие дымовые газы и небольшая часть несгоревшей угольной пыли.
Известна пылеугольная горелка по патенту США N 4466363 (Способ сжигания пылевидного топлива, МПК: F23D 1/00, опуб. 21.08.1984 г). Она содержит запальник и вспомогательную горелку, являющуюся внутренней трубой горелки, а также - основную - внешнюю - кольцевую горелку. Воспламенение угольной пыли производят запальником с газообразным или жидким топливом во вспомогательной горелке. После того как угольная пыль устойчиво загорится во вспомогательной горелке, угольную пыль начинают подавать в основную, внешнюю по отношению к внутренней, кольцевую факельную горелку. Вторичный воздух подают по периферии горелки у ее выходной горловины.
Недостатком известных способов и устройств является малый диапазон регулирования производительности (мощности) горелки, что приводит к высокой концентрации вредных веществ в уходящих в атмосферу газов.
Задачей заявленной полезной модели является увеличение диапазона регулирования производительности (мощности) горелки при получении топливной смеси, образующей при горении в топке минимум вредных веществ.
Поставленная задача решается за счет того, что горелка для сжигания пылевидного топлива перед подачей горячей смеси в топку содержит модуль подготовки топливной смеси, сообщающийся одним концом с топкой, а другим концом с плазмотроном, линии подвода в указанный модуль пылевидной топливной смеси и воздуха, линию подвода в топку вторичного воздуха и электрические нагреватели модуля подготовки топливной смеси..
Плазмотрон при этом является высокотемпературным источником тепла для осуществления газификации (пиролиза) топливной смеси при недостатке кислорода и для получения высокотемпературного, частично газифицированного топливного потока. Таким образом в модуле подготовки топливной смеси преобразуют обычную топливную смесь в топливную смесь, имеющую увеличенное количество газа (продуктов пиролиза), которую и подают в топку.
Краткое описание процесса пиролиза.
Термические превращения угля начинаются при температурах около 2000°С. Однако уже при нагревании до 1200°С выделяются (физически связанная влага, адсорбируемые углем газы (диоксид углерода, метан, компоненты воздуха). При температурах более 2000°С начинается выделение воды, образующейся при термическом разложении органической массы угля и диоксида углерода. Это является результатом химических превращений, затрагивающих в основном внешние полярные группы.
В диапазоне 2500-3250°С процессы разложения угольного вещества усиливаются. Идет интенсивное выделение паров воды, диоксида углерода, выделяется некоторое количество сероводорода и органических соединений серы. На этой стадии заметно уменьшается содержание кислорода в угле, особенно в угле ранней стадии метаморфизма. В этом температурном интервале идет расщепление химических связей на концевых участках макромолекул угля. Глубоких изменений внутренней структуры органической массы угля еще не происходит.
При температурах выше 3500°С начинается разложение основной органической массы угля. Макромолекулы угля расщепляются с образованием коротко живущих свободных радикалов, претерпевающих рекомбинацию и переходящие при этом в стабильные системы. При этом процессы рекомбинации развиваются в двух конкурирующих направлениях: образование высоко конденсированных твердых продуктов, различающихся повышенным содержанием углерода и низким - водорода, и образование жидких и газообразных (летучих) продуктов, обогащенных водородом. Между этими группами продуктов и происходит перераспределение водорода в ходе термического разложения. Наибольшее количество ненасыщенных и нестабильных продуктов разложения угля образуется в диапазоне 3500-5000°С.
Газификация (пиролиз) топливной смеси позволяет увеличить теплотворную способность части исходной топливной смеси и стабилизировать горение факела, что в свою очередь позволяет расширить диапазон нагрузки горелки и разгружать котел до 30-40% от номинальной нагрузки при неизменном стабильном воспламенении и выгорании топлива в топке котла.
После растопки при достижении 50% нагрузки котла плазматрон отключается, и разогрев модуля подготовки топливной смеси горелки до 800-900°С обеспечивают установленные по его окружности электрические нагреватели - ТЭНы.
Устройство поясняется схематическим изображением.
Устройство содержит модуль подготовки топливной смеси 1, сообщающийся одним концом с топкой 2, а другим концом посредством фланцевого соединения 3 - с плазмотроном 4. В непосредственной близости от фланцевого соединения 3 к модулю 1 подсоединены линия 5 подачи воздуха и линия 6 подачи пылевидного угля. На корпусе модуля 1 также расположены электрические нагреватели (ТЭНы) 7. К топке 2 подсоединена линия 8 подачи вторичного воздуха для обеспечения основного горения топливной смеси.
Для плазменной растопки и поддержания горения на низких нагрузках котла можно использовать плазматроны постоянного тока (например типа DLZ-200). Для создания плазмы используют сжатый воздух. Воздух подают от высоконапорного вентилятора (не показан). Давление воздуха составляет 5-20 кПа, расход на один плазмотрон - 60 м3/ч.
Мощность плазмотрона 4 можно регулировать в диапазоне 80-200 кВт, что очень важно для влияния на количество вредных веществ в уходящих из топки 2 газов.
Описание работы горелки:
При эксплуатации пылеугольных котлов их растопку и стабилизацию горения факела в нем осуществляют с использованием мазута или газа.
Горелочное устройство с расходом топлива 5-15 т/час (в зависимости от нагрузки котла) работает следующим образом.
Включают плазмотрон 4 постоянного тока, состоящий из анода и катода, которые образуют электрическую дугу. Для создания плазмы (ионизированного газа) используют сжатый воздух. При подаче напряжения, возникает электрическая дуга между катодом и анодом и, воздействуя на сжатый воздух, образует ионизированный газ - низкотемпературную плазму.
Низкотемпературная плазма прогревает модуль подготовки топливной смеси (МПТ) 1 горелки. После прогрева МПТ 1 до температуры самовоспламенения топливной смеси, по линии 6 в него при недостатке воздуха подают угольную пыль, где она, взаимодействуя с низкотемпературной плазмой, создаваемой плазмотроном 4, окисляется, нагревая остальную смесь до 1200°С. При этом, из угля выделяются горючие компоненты. Полученная топливная смесь устойчиво горит в топке 2 при смешении со вторичным воздухом, подаваемым по линии 8 (объемы воздуха определяют по результатам регулирования топочного процесса).
При недостатке кислорода и температуре 3500-5000°С происходит предварительная газификация топлива. Далее воспламененное топливо попадает в топку 2, где при смешении со вторичным воздухом происходит основное горение. Аэросмесь воспламеняется и горит в присутствии вторичного воздуха. Вторичный воздух обеспечивает эффективное воспламенение выделяющихся из топлива в МПТ 1 летучих горючих веществ, которые своим факелом поджигают топливную смесь, догорающую в топке котла. После растопки при достижении 50% нагрузки котла плазматрон 4 отключается, и разогрев МПТ 1 горелки до 800-900°С обеспечивают установленные по окружности ТЭНы 7 (количество ТЭНов определяется проектом).
За счет того, что коэффициент избытка воздуха в исходной смеси меньше единицы, топливная смесь газифицируется с образованием газообразных горючих компонентов (Н2, CO, углеводороды). При этом в топку 2 поступает двухкомпонентная топливная смесь (горючий газ+остаток угля) с температурой, превышающей температуру ее самовоспламенения. Горение этой смеси при смешении ее с воздухом может происходить в топке котла без использования подсветки мазутом или газом.
Результаты измерений фактической концентрации вредных веществ в уходящих из топки газов приведены в отдельной таблице (см. ниже), из которой видно значительное снижение данной концентрации. Благодаря более низкой температуре горения топливной смеси не достигается температура образования термических NОХ . Значительно снижается образования NOX при сжигании водо-угольного топлива (ВУТ), что препятствует образованию топливных NOX и резко снижает их образование.
| Таблица | |||||||||
| Предельно допустимые выбросы вредных веществ энергетических котлоагрсгатов при сжигании угля | |||||||||
| ПДВ, мг/н.м3 | Фактическая концентрация вредных веществ в уходящих газах при сжигании, мг/н.м3 | ||||||||
| Виды выброса | Нормы ЕЭС, принятые в 1995 г. | США | Нормы России | Пылевидное сжигание с использованием известных горелок | Пылевидное сжигание с использованием предлагаемой горелки | ЦКС без азотной и сероочистки DeNOx и DeSOx | Мазут | Газ | ВУТ при использов предлагаемой горелки |
| SO2 | 50 | 600 | 750 | 400-800 | 200-300 | 200 | 400-760 | - | до 50 |
| NO, | 200 | 600 | 650 | 250-600 | 150-250 | 200 | 150-750 | 50-200 | 30-100 |
| СО | 50 | нет данных | не более 375 | до 300 | до 100 | 200 | до 400 | до 10 | до 50 |
Горелка для сжигания пылевидного топлива, содержащая модуль подготовки топливной смеси перед подачей горячей смеси в топку, сообщающийся одним концом с указанной топкой, а другим концом - с плазмотроном, линии подвода в указанный модуль пылевидной топливной смеси и воздуха, линию подвода в топку вторичного воздуха и электрические нагреватели модуля подготовки топливной смеси.
