Горелка для концентрированной пыли
Предложена горелка для сжигания концентрированной угольной пыли, предусматривающая повышение надежности ее работы и снижение окислов азота NOx в газах. Снижение NO x достигается увеличением времени соприкосновения концентрированной аэросмеси с горячими инертными газами при нахождении ее в полости пылевыдающего патрубка, образованной обтекателем с удлиненными цилиндрическими стенками, препятствующими преждевременному смешению ее с основным потоком воздуха для горения. Повышение надежности достигается направленной подачей воздуха вдоль цилиндрических стенок, в особенности вдоль нижней образующей цилиндра. Подача воздуха осуществлена за счет перепада давления «горелка - топка».
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 (ПВКд). Полезная модель направлена на снижение образования вредных веществ окислов азота NOx в топочных газах.
Известны горелки для сжигания угольной пыли, поступившей в горелку по пылепроводам ПВКд в высококонцентрированном виде (см., например, изобретение по а.с.№842337, F 23 c 11/00, авторы СЛ.Титов, ЭХВербоиицкий, Т.Б. Эфендиев, В.А.Крутнев, А.К.Бокша, В.И.Бабий, А.Д.Зборщенко и М.М.Левин «Способ сжигания топлива» опубликовано 30.06.81 г., Бюлл.24). Способ предусматривает предварительный подогрев пыли в восстановительной среде. При осуществлении указанного способа сжигания пылевзвесь поступает в горелку через центральную трубу, проходит через рассекатель, образуя на выходе коническую поверхность, пересекающуюся за рассекателем с потоком вторичного воздуха. С внутренней стерты конуса, по мнению авторов, поток перемешивается с топочными газами и частицы пыли интенсивно
прогреваются и происходит их газификация в диапазоне температур 1000÷1300°С, что снижает окислы азота NOx.
Конструктивно способ выполнен неудачно и желательного процесса не происходит. Контакт концентрированной аэросмеси с топочными газами происходит на очень коротком пути, после чего вся ее масса попадает в пересекающийся поток вторичного воздуха с t=300°С, перемешивается с ним и воспламеняется как обычный факел при низких концентрациях с образованием больших количеств NOx, так как прогрев, выделение летучих и их горение происходит при большом избытке воздуха в образовавшейся низкоконцентрированной смеси. Поэтому указанная горелка конструктивно несовершенна и не использует потенциальных преимуществ сжигания концентрированной аэросмеси.
Известна горелка для сжигания пыли в концентрированном потоке (см. изобретение по а.с.№1574991 «Пылеугольная горелка» Класс F 230 1/06, опубл. 30.06.90 г. Бюлл. №24 - прототип).
Конструкция горелки по указанному изобретению предусматривает исключение перемешивания концентрированной первичной аэросмеси с основным потоком воздуха на стадии прогрева пыли. В указанной горелке пылепровод ПВКд, вводящий концентрированную пыль в горелку, заканчивается пылевыдающим патрубком, основным элементом которого является рассекатель и обтекатель. В свою очередь, обтекатель выполнен в виде полусферы или усеченного конуса с цилиндрическими насадками малого и большого диаметров в вершине и основании. Он создает защиту от перемешивания конусообразного потока пыли, обтекающего рассекатель, с основным потоком воздуха и создает своеобразную аэродинамическую тень, за которой возникает интенсивный поток рециркуляции горячих топочных газов в полость обтекателя к рассекателю. При этом на всем протяжении от выхода из конусного зазора и движения аэросмеси вдоль внутренних стенок конуса, а затем движение вдоль внутри цилиндрических стенок обтекателя и выхода из него, происходит интенсивный ее теплообмен с рециркулирующими топочными газами, которые прогревают концентрированный поток аэросмеси со стороны оси к краям обтекателя. При прогреве в полости происходит выделение летучих и их горение при глубоком
недостатке кислорода, что снижает выбросы NOx. Дж исключения отложений пыли на нижней горизонтальной образующей цилиндра за рассекателем, вследствие падения скоростей в конусном зазоре при обтекании рассекателя пылевыдающий патрубок своим малым цилиндром подсоединен к пылепроводу ПВКд с зазором для возможности прохода через него части вторичного воздуха, который создает вокруг концентрированной струи, выходящей из пылепровода ПВКд, спутный поток и подпор среды перед рассекателем, увеличивая скорость в конусном зазоре, что исключает отложения пыли и сгорание горелки.
Недостатком прототипа является необходимость подачи определенного количества спутного потока вторичного воздуха в обтекатель, который понижает исходную концентрацию пыли в 2-5 раз. При низких концентрациях это приводит к раннему загоранию и сгоранию обтекателя, особенно при наличии неравномерности потока пыли по окружности. С другой стороны преобразование потока концентрированной аэросмеси из компактного стержневого в цилиндрический затруднено без подпора спутным потоком из-за падения скорости в расширяющемся сечении зазора между обтекателем и рассекателем и отложений пыли на цилиндрическом участке нижней кромки обтекателя. Кроме того, падение скорости в указанном зазоре уменьшает подсос горячих газов из топки в полость обтекателя и подогрев концентрированной аэросмеси.
Задача полезной модели:
1. Не допустить большого снижения концентрации исходной концентрированной аэросмеси при преобразовании потока из стержневого в цилиндрический в пылевыдающем патрубке.
2. Повысить эжекционную способность струй концентрированной аэросмеси и воздуха, поступаемого в полость пылевыдающего патруб,;а, при этом оставляя концентрацию аэросмеси на достаточно высоком уровне, не способную гореть с образованием высоких температур, что обеспечивает снижение NOX.
3. Увеличить температуру подогрева концентрированной аэросмеси в пылевыдающем патрубке, не допуская, однако, локального или полного перегрева выходных цилиндрических кромок обтекателя, ведущих к полному его сгоранию и дезорганизации процесса, направленного на снижение образование окислов азота.
Решение указанной задачи позволяет повысить надежность работы горелки с низкой эмиссией NOx.
Эта задача решается следующими путями:
1. Уменьшением или полной ликвидацией спутного потока горячего воздуха, поступаемого в зазор перед рассекателем.
2. Организацией подачи этого потока за рассекателем для подхвата и ускорения концентрированной аэросмеси, прошедшей конусный зазор, потерявшей энергию и скорость за рассекателем особенно в нижней части и неспособную создать достаточную эжекцию горячих газов к рассекателю из-за маломощности самого потока и низкого потенциала его скорости и для исключения отложений на нижней образующей цилиндра обтекателя.
Предложенная горелка изображена на чертеже.
Пылевыдающий патрубок горелки для сжигания концентрированной аэросмеси ПВКд, состоящий из рассекателя 1 и обтекателя, составленного из цилиндра 2, конуса 3 и трубы 4, к которой с зазором или без него примыкает пылепровод 5 концентрированной аэросмеси ПВКд. Конусный зазор 6 образован совмещением рассекателя 1 и конуса 3 обтекателя. Каналы 7 выполнены в виде прерывистого сегментного зазора по кольцу между конусом 3 и удлиненным на входе цилиндром 2 обтекателя или иным способом. Полость 8 образована цилиндром 2, конусом 3 и рассекателем 1 открыта в сторону топки и представляет собой туннель длиной от рассекателя до конца цилиндра 2. Кольцевой канал 9 образован размером (эквивалентным диаметром) амбразуры горелки и удлиненным цилиндром обтекателя 2. Входной зазор 10 уменьшен против прототипа или отсутствует полностью.
Горелка для концентрированной пыли работает следующим образом:
Высококонцентрированная аэросмесь от пылепитателя по пылепроводу подачи пыли высокой концентрации (под давлением) - ПВКд поступает в пылевыдающий
патрубок горелки, образованный трубой 4, конусом 3 и цилиндром 2. В конце трубы 4 стержневой поток аэросмеси рассекателем 1 через конусный зазор 6 преобразуется в конусный, двигающийся параллельно расширяющимся стенкам конуса 3, а затем параллельно стенкам цилиндра 2 обтекателя. На перехоле конуса 3 к цилиндру 2 поток аэросмеси подхватывается струями горячего воздуха, поступаемого через каналы 7 в полость 8 вдоль стенок цилиндра 2. Поступающий через входной зазор 10 на входе в трубу 4 пылевыдающего патрубка перед рассекателем воздух движется параллельно концентрированной аэросмеси и восполняет недостаток скорости аэросмеси в расширяющемся сечении конусного зазора 6, сохраняя или несколько даже увеличивая скорость концентрированной аэросмеси. При этом исходная концентрация аэросмеси уменьшается. Однако, количество спугаого потока, через входной зазор 10 уменьшено размером трубы 4, поэтому концентрация аэросмеси за рассекателем 1 увеличена против прототипа. Кроме того, наибольшая часть потока через каналы 7 сосредоточена в нижней части для исключения отложений. При наличии достаточного запаса давления в конце пылепровода ПВКд входной зазор 10 отсутствует полностью, конус-рассекатель 1 имеет увеличенный угол раскрытия, а конусный зазор 6 уменьшен и скорость в зазоре 6 остается достаточно высокой. Реально угол раскрытия рассекателя 1 находится в пределах 60-150 градусов и связан с реакционности) угля: большей реакционности нужен меньший угол.
Благодаря эжектирующей способности выходящего из конусного зазора 6, а затем ускоряющегося после каналов 7 потока аэросмеси к нему подмешиваются горячие инертные газы из топки, в результате чего по мере перемешивания происходит подогрев концентрированной аэросмеси, выделение летучих в слоях, прогревшихся от центра к периферии, и их сгорание при глубоком недостатке кислорода. При этом наружные слои аэросмеси, непосредственно контактирующие со стенками обтекателя, «холоднее» внутренних слоев и от стенок обтекателя 2,3 к центру полости 8 температура увеличивается от 80÷200° до 1200°С.
На всем протяжении горения летучих в полости 8 это горение протекает при глубоком недостатке («на дотациях») воздуха, в результате чего образование окислов азота резко снижается.
К моменту выхода концентрированного потока из полости пылевыдающего патрубка за цилиндром 2 большая часть летучих сгорела при недостатке кислорода, температура потока аэросмеси увеличена и полное воспламенение частиц аэросмеси начинается на расстоянии 0,2-0,5 эквивалентного диаметра от амбразуры горелки при сжигании углей марки «Г» и «Д». Горение таким образом предварительно подогретой пыли происходит без скачка температуры и так же снижает образование NOx.
Необходимо отметить, что переток воздуха через каналы 7 (и 10) внутрь полости 8 зависит от перепада давления воздуха «горелка - топка», который, в свою очередь, зависит в основном от нагрузки котла и состава работающих пылесистем.
От этого же зависит и весовое количество пыли, поступаемой в горелку. Однако последнее еще зависит от зольности топлива, его калорийности. Нагрев всего этого количества топлива зависит, кроме того, еще и от его реакционности. Поэтому при изменении качества топлива и нагрузки нагрев концентрированной аэросмеси в полости 8 пылевыдающего патрубка горелки может колебаться в довольно сильных пределах, что снижает надежность работы горелки. Поэтому представленная горелка при использовании на различных углях отличается величиной зазоров 10, б и каналов 7, а так же величиной полости 8, оставаясь в целом принципиально неизменной. Величина полости 8 при этом, определяемая отношением длины цилиндра 2 обтекателя к его диаметру, должна находиться в пределах 0,1-1,0. Выход за указанные пределы нежелателен, так как менее 0,1 уменьшает надежность работы, а более 1,0 воспламенение. Угол раскрытия рассекателя 1, определяющий раскрытие конуса обтекателя 3, находится в диапазоне величин 60-150 градусов. Угол менее 60 -ухудшает воспламенение внутри полости 8, а больше 150 - значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление пылевыдающего патрубка. Величина зазоров 10 и 6 и каналов 7 определяется опытом и квалификацией проектировщика.
Выполненная в таких конструктивных пропорциях горелка позволяет повысить ее надежность работы и снизить величину NОx.
1. Горелка для концентрированной пыли, включающая корпус с подводящим пылепроводом ПВКд, соединенным с зазором с цилиндрической частью пылевыдающего патрубка, состоящего из рассекателя и обтекателя, образующими полость, открытую в сторону топки, отличающаяся тем, что, с целью снижения окислов азота и повышения надежности работы при сжигании переменного топлива, коническая часть обтекателя снабжена каналами для ввода воздуха в полость пылевыдающего патрубка.
2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что каналы выполнены в виде круговой прерывистой щели разного размера на стыке конической и цилиндрической части обтекателя.
3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что зазор между пылепроводом ПВКд и цилиндрической частью пылевыдающего патрубка на входе в него отсутствует полностью.
4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что величина угла раскрытия конуса-рассекателя находится в пределах 60-150 градусов угловых.
5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что величина отношения длины цилиндра обтекателя к его диаметру находится в пределах 0,1-1,0.
