способ сжигания низкосортных углей и плазменная пылеугольная горелка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сжигания низкосортных углей с помощью плазменной пылеугольной горелки, заключающийся в генерировании электрической плазменной дуги в плазмотроне-запальнике со стержневыми электродами, нагреве аэросмеси в дуговой плазме, розжиге и стабилизации горения аэросмеси, отличающийся тем, что генерирование электрической плазменной дуги осуществляют в канале подачи аэросмеси, выполненном в горелке, для чего в указанном канале первоначально генерируют вспомогательную электрическую плазменную дугу и ее плазменными потоками возбуждают основную дугу, при этом плазмотрон-запальник перемещают вдоль стержневых электродов по мере их эрозионного разрушения.

2. Плазменная пылеугольная горелка, содержащая канал подачи аэросмеси, канал подачи вторичного воздуха с установленным в нем завихрителем, плазмотрон-запальник со стержневыми электродами, отличающаяся тем, что плазмотрон-запальник с электродами установлен в канале подачи аэросмеси, электроды выполнены графитовыми и размещены по всей длине канала подачи аэросмеси, а плазмотрон-запальник снабжен соплами двустороннего истечения и установлен с возможностью продольного перемещения между стержневыми электродами, при этом сопла плазмотрона сориентированы на концы электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для обеспечения безмазутного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела.

Известен способ розжига и стабилизации горения пылеугольного факела путем сжигания мазута или природного газа [1] Пусковые или газовые форсунки монтируются совместно с основными угольными горелками, либо устанавливаются дополнительно к ним. Например, котлоагрегат ПК-39 имеет 12 основных пылеугольных горелок производительностью 8 т/ч и 8 мазутных форсунок производительностью 1,3 т/ч. При поступлении в топку мазута и угля производят воспламенение высокореакционного жидкого топлива. При горении мазута выделяется значительное количество тепла, которое нагревает угольную пыль. В результате нагрева угольных частиц выделяются летучие и повышается температура твердого топлива. При этом происходит загорание угольных частиц и осуществляется интенсивный розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела.

Известная растопочная горелка [1] содержит мазутную форсунку, улитку ввода первичного воздуха с угольной пылью и завихритель ввода вторичного воздуха. Обычно мазутная форсунка размещается по оси улитки ввода первичного воздуха с угольной пылью. Мазутные форсунки используются не только для розжига пылеугольного факела, но и для стабилизации горения его, а также при работе энергоблока в режиме неполной нагрузки.

Однако известный способ розжига и растопочная горелка для его осуществления связаны с использование дефицитного мазута, а также сложностью в эксплуатации мазутного хозяйства, особенно в зимнее время, когда мазут необходимо постоянно подогревать. Кроме того, при совместном сжигании угля и мазута в топке повышается мехнедожог, увеличиваются выбросом окислов азота и серы, усиливается коррозия поверхностей нагрева и снижается надежность энергетического оборудования [2]

Известен способ электродугового подогрева и поджигания пылеугольной смеси [3] позволяющий перенести работу тепловых электростанций на единое топливо рядовой уголь. В этом способе розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела обеспечивается за счет высокотемпературной плазменной струи, нагретой с помощью дуги в плазмотроне. Для этого генератор низкотемпературной плазмы устанавливают в горизонтальном канале по оси пылеугольной горелки. Генератор содержит водоохлаждаемую камеру, токоподводы, электроды и патрубок для подачи газа. Поджигающий газ, например воздух или кислород, поступает под давлением 8-12 атм. в камеру генератора, где находятся два металлических электрода, между которыми горит электрическая дуга. Газ подогревается дугой и истекает через один электрод с образованием плазменной струи. Струя плазмы производит розжиг и подсветку пылеугольного факела, который поступает в топку котлоагрегата от основной пылеугольной горелки в виде расширяющегося конуса.

Однако известный способ является малоэффективным при нагреве низкосортного угля. Причиной этого является то, что при нагреве угля плазменной струей, вытекающей из плазмотрона, частицы топлива отскакивают от струи, имеющей высокую вязкость и не внедряются в высокотемпературную зону [4] К тому же нагрев дисперсной фазы в таких условиях происходит в плазме, выделенной из разряда, т. е. вне электрического поля [5] При этом из теплообмена выпадает существенная составляющая (30-40% ), связанная с нагревом угля заряженными частицами, движущимися в электрическом поле, если бы процесс проводили в электрическом разряде [6]

Известен также способ розжига и стабилизации горения низкосортного донецкого угля АШ [7] включающий подготовку аэросмеси, разделение потока аэросмеси на основной и стабилизирующий потоки, подведение обоих потоков по трубам к пылеугольной горелке, нагрев стабилизирующего потока и розжиг основного потока.

Плазменная пылеугольная горелка [7] реализующая известный способ, содержит плазмотрон, камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси циклонного типа, улитку для ввода основного потока аэросмеси, цилиндрический стабилизирующий канал и завихритель для подачи вторичного воздуха. В горелке в циклонную камеру нагрева стабилизирующего потока аэросмеси подается высококонцентрированный аэросмесь около 20% от полного расхода угля. Остальное количество топлива вводится в улитку для ввода основного потока плазменной горелки. В камере нагрева стабилизирующего потока за счет плазмотрона производится разогрев частиц угля, выход летучих и частично газификации топлива. При этом образуется двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего газа и нагретого коксового остатка. Полученное двухкомпонентное топливо, поступая в топочное пространство, обеспечивает розжиг и стабилизацию горения основного потока аэросмеси, вводимого через улитку. Для нагрева стабилизирующего потока аэросмеси применяется электродуговой плазмотрон [8] в котором часть дугового столба выдувается воздухом в пылеугольный поток.

Однако известный способ розжига и горелка для его осуществления не обеспечивают высокой эффективности процесса вследствие того, что только часть столба дуги выдувается в пылеугольный поток, а остальная часть дуги находится в камере плазмотрона.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ воспламенения углей [12] предусматривающий измельчение угля, его смешивание с воздухом, генерирование электрической дуги, нагрев пылеугольной смеси в дуговой плазме и розжиг и стабилизацию горения пылеугольного потока. Генерирование электрической дуги осуществляется высоковольтным плазменным запальником, установленным в угловой прямоточной горелке котла БКЗ-160-100 Ф. Запальник находится в пылеугольном потоке в котле в зоне распыления аэросмеси. Между электродами запальника горит трехфазная дуга, которая под действием пылеугольного потока движется вдоль электродов, выходит на их торцы, растягивается воздушно-пылеугольным потоком и поджигает его.

Известная плазменная пылеугольная горелка [12] принятая в качестве прототипа, содержит канал первичного воздуха с угольной пылью, завихритель вторичного воздуха и высоковольтный плазменный запальник, установленный в котле в зоне распыления аэросмеси. Запальник представляет собой систему медных электродов, образующих расходящийся промежуток, расстояние в узкой части которого несколько меньше, чем пробойное расстояние для амплитудного напряжения источника питания. При подаче высокого напряжения (10 кВ) на электроды происходит пробой промежутка между электродами в узкой его части. Под действием пылеугольного потока дуга движется вдоль электродов, выходит на их торцы, растягивается воздушно-пылеугольным потоком и поджигает его. Пpи скорости обдува 5-20 м/с дуга представляет собой вытянутые по потоку жгуты длиной 500-700 мм. Она горит с концов электродов в течении 3-5 с. затем происходит погасание дуги и следует новый пробой узкой части промежутка, дуга загорается вновь и процесс повторяется.

Однако известные способы воспламенения углей и устройство для его осуществления не обеспечивают высокой эффективности процесса. Это объясняется тем, что электрическая дуга генерируется в топке котлоагрегата в зоне распыления углевоздушной смеси, где концентрация частиц угля в единице объема довольно мала. В то же время, дуги горят в виде жгутов и, следовательно, занимают небольшой объем, микроскопический по сравнению с объемом всей топки. Низкой эффективности воспламенения и горения топлива способствует также слаботочность электрического разряда.

Малая мощность известного плазменного запальника (43 кВт), в свою очередь, обусловлена небольшими токами дуги (10-15 А). При увеличении же тока дуги резко повышается эрозия электродов. Аппараты с такой мощностью могут обеспечить воспламенение и горение только качественных углей с достаточным содержанием летучих (30%) при небольшом расходе угля 0,3-1 т/ч. Для низкосортных углей с низким выходом летучих и повышенной зольностью, в пылеугольных горелках с расходом угля 5-10 т/ч, требуются более мощные плазменные установки.

Для увеличения мощности горелки необходимо увеличить количество плазменных запальников и число источников питания с индуктивными балластными сопротивлениями реакторами. Все это, помноженное на число пылеугольных горелок котлоагрегата, а их количество в мощных энергоблоках достигает несколько десятков, делает проблематичным успешное внедрение прототипа в большой энергетике, базирующейся на сжигании низкосортных углей.

Кроме того, известный плазменный запальник имеет небольшой ресурс и низкий уровень техники безопасности при его эксплуатации. Малый ресурс плазменного запальника объясняется тем, что, хотя в нем используются небольшие токи дуги (10-15 А), и можно ожидать, соответственно, незначительную эрозию электродов, в реальности режим их работы (частое повторное зажигание дуги) отражает самый неблагоприятный по эрозии вариант работы плазменного аппарата. Как указано в [10] "пусковая" эрозия приблизительно на 3 порядка выше, чем эрозия в стационарном режиме. Если, например, в прототипе пробой межэлектродного промежутка происходит через каждые 3-5 с. из-за погасания дуги, то это составит 720-1200 включений дуги в течение часа. При этом "пусковая" эрозия электродов может свести на нет все преимущества малых токов для улучшения эрозийных характеристик известного плазменного запальника. Тем более, что пробой дуги происходит в определенной локальной зоне суженного межэлектродного участка.

Низкий уровень техники безопасности в прототипе связан с применением в нем очень высокого напряжения дуги (10 кВ). Применение таких напряжений в технологических установках требуют создания надежной электроизоляции и применения специальных мероприятий по технике безопасности при работе с высокими напряжениями. Однако в условиях котельного цеха при наличии большой влажности, значительного количества электропроводной угольной пыли, повышенной загазованности, малой освещенности и высоких температур, а также полностью заставленного электропроводным энергетическим оборудованием изготовленного из металла, включая многочисленные перекрытия, стальные трубы тепловоспринимающих поверхностей нагрева котлов и др. очень опасно использовать напряжение 10 кВ и подвергать смертельной опасности многочисленный обслуживающий персонал тепловой электростанции.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением заключается в осуществлении процесса генерирования электрической дуги в стесненном высококонцентрированном пылеугольном потоке и тем самым увеличении тока дуги. Это обеспечивает повышение эффективности процесса и увеличение мощности установки.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе розжига и стабилизации горения низкосортных углей, включающем измельчение угля, смешивание его с воздухом, генерирование электрической дуги, нагрев пылеугольной смеси в дуговой плазме, розжиг и стабилизацию горения пылеугольного потока, согласно изобретению, генерирование электрической дуги осуществляют в стесненном высококонцентрированном пылеугольнм потоке, для чего генерируют вспомогательную дугу и ее плазменными потоками возбуждают основную дугу, причем зону вспомогательной дуги смещают по мере эрозии электродов основной дуги.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата стало также возможным благодаря плазменной пылеугольной горелке для розжига и стабилизации горения низкосортных углей, содержащей канал первичного воздуха с угольной пылью, завихритель вторичного воздуха и электродуговой плазмотрон, который имеет камеру, установленную в канале первичного воздуха с угольной пылью. В камере электродугового плазмотрона в ее нижней и верхней части по длине размещены стержневые электроды, а между электродами расположен плазмотрон-запальник двухстороннего истечения с механизмом перемещения, причем сопла плазмотрона-запальника сориентированы на концы стержневых электродов.

Именно предлагаемая совокупность конструктивных признаков обеспечивает согласно способу зажигание электрической дуги в стесненном высококонцентрированном пылеугольном потоке, пространственную стабилизацию горения основной дуги и наращивание ее тока, а также перемещение зоны вспомогательной дуги по мере износа стрежневых электродов. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел, и могут быть использованы лишь совместно.

При зажигании дуги в высококонцентрированном пылеугольном потоке обеспечивается более интенсивный тепломассообмен и повышается эффективность процесса розжига и стабилизации горения пылеугольного факела. Этому способствует также использование вспомогательной дуги, которая зажигает сильноточную дугу большого объема между стержневыми электродами. Очень важно подчеркнуть, что применение вспомогательной дуги обеспечивает пространственную стабилизацию горения основной дуги и позволяет существенно наращивать ее ток, а также значительно увеличить межэлектродное расстояние, например, в щелевых пылеугольных горелках. Перемещение зоны вспомогательной дуги по мере износа стержневых электродов значительно повышает ресурс плазменной горелки, так как при этом возможно использование всей длины подводящего канала аэросмеси (2-5 м). После полной выработки стержневых электродов производится их быстрая замена на новые и ресурс работы плазменной горелки может составить тысячу и более часов. Значительному ресурсу предложенной плазменной горелки способствует также ее работы в стационарном режиме, без частых повторных включений дуги (прототип). При этом отсутствует "пусковая" эрозия электродов, которая, как уже отмечалось, составляет 3 порядка от всей эрозии [10]

Увеличение тока дуги позволяет наращивать единичную мощность плазменной пылеугольной горелки до сотен киловатт, а следовательно, обеспечить розжиг и стабилизацию горения низкосортных углей в мощных энергоблоках без увеличения количества плазмотронов и источников питания. При использовании сильноточных дуг появляется возможность отказаться от высоких напряжений (10 кВ) и использовать стандартные трансформаторы на 0,4 кВ. При этом облегчаются условия электроизоляции элементов плазмотрона и повышается уровень техники безопасности на ТЭС.

Таким образом, из уровня техники не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена плазменная пылеугольная горелка, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 плазмотрон-запальник.

Плазменная пылеугольная горелка содержит канал 1, по длине которой в нижней и верхней части установлены стержневые электроды 2. Между электродами 2 расположен плазмотрон-запальник 3 двухстороннего истечения с механизмом перемещения 4, причем сопла 5 плазмотрона-запальника 3 сориентированы на концы стержневых электродов 2. Канал 1 может иметь щелевую форму, либо цилиндрическую. Он размещается внутри канала 7 вторичного воздуха с завихрителем 8 по оси стандартной пылеугольной горелки вместо мазутной форсунки. В канале 1 движется стесненный пылеугольный поток в топку котлоагрегата. Механизм перемещения 4 выполнен в виде тяги с приводом.

Предлагаемый способ розжига и стабилизации горения низкосортных углей осуществляется следующим образом.

Подготовленную аэросмесь подают в канал 1 плазменной пылеугольной горелки. В канале генерирует вспомогательную дугу в плазмотроне-запальнике 3 двухстороннего истечения. За счет сопел 5, сориентированных на концы стержневых электродов 2, плазменные потоки вспомогательной дуги замыкают электрическую цепь. При этом между концами стержневых электродов 2 возбуждается мощная электрическая дуга 6. Это дуга 6 стабилизируется в пространстве за счет вспомогательной дуги плазмотрона-запальника 3. Под действием плазмы сильноточного разряда 6 происходит интенсивный нагрев пылеугольного потока в условиях стесненного пространства камеры 1. При этом происходит выделение летучих и частичная газификация твердого топлива. Образующееся двухкомпонентное топливо, состоящее из горячего газа и нагретого коксового остатка, поступает в топку котлоагрегата. Здесь двухкомпонентное топливо, смешиваясь с вторичным воздухом, воспламеняется и осуществляется безмазутный розжиг и стабилизация горения низкосортных углей. По мере износа стержневых электродов 2 плазмотрон-запальник 3 перемещают в обратную сторону от топки. После выработки стержневых электродов 2 производится их замена на новые и процесс повторяется.

При проектировании плазменной горелки для розжига и стабилизации горения низкосортных углей, зная производительность котлоагрегата и теплотехнические характеристики сжигаемого угля, можно обычными инженерными методами [11] рассчитать основные параметры процесса и аппарата: мощность плазменной горелки, ток и напряжение дуги, диаметр и длину стержневых электродов, параметры плазмотрона-запальника, скорость его перемещения и т.д.

П р и м е р. Котел ТПЕ-215 паропроизводительностью 670 т/ч, работающий на углях Холбольджинского месторождения (Республика Бурятия), оснащен плоскофакельными пылеугольными горелками, расположенными по углам топки. Расход угля через каждую горелку 5,8 т/ч. Характеристики угля: низшая теплотворная способность на рабочую массу 4020 ккал/кг, зольность 22% влажность 23% выход летучих 43% фракционный состав 6-8%

Электродуговой плазмотрон включал камеру диаметром 219 мм, в которой по длине в нижней и верхней части установлены стержневые электроды. Они изготовлены из графита и имеют длину 1000 мм и диаметр 35 мм. Между электродами расположен плазмотрон-запальник двухстороннего истечения с механизмом перемещения. Плазмотрон без водяного охлаждения с использованием в качестве плазмообразующего газа водяного пара. Сопла плазмотрона-запальника сориентированы на концы стержневых электродов. К указанным электродам подведено напряжение от тиристорного преобразователя через балластное сопротивление. Электродуговой плазмотрон располагается в канале первичного воздуха с угольной пылью на оси пылеугольной горелки вместо мазутной форсунки.

При работе котла производительностью 670 т/ч была включена плазменная горелка и подана аэросмесь. В канале аэросмеси начинает генерировать вспомогательная дуга в плазмотроне-запальнике двухстороннего истечения. Мощность запальника 10 кВт. Ее плазменные потоки, достигая концов стержневых электродов, замыкают электрическую цепь. При этом между стержневыми электродами возбуждается основная электрическая дуга.

Основная электрическая дуга, горящая между стержневыми электродами, стабилизируется в пространстве за счет вспомогательной дуги. Мощность основного плазмотрона 100 кВт, ток 330 А, напряжение 300 В. КПД плазмотрона 88%

В процессе работы плазменной горелки, по мере износа стержневых электродов, плазмотрон-запальник в обратную сторону от топки. Скорость перемещения плазмотрона-запальника 40 мм/ч.

Основная дуга создает значительный плазменный факел, интенсивно нагревающий пылеугольный поток, движущийся в стесненном пространстве пылеугольной горелки. Пылеугольный факел имел светло-желтый цвет, его температура составляла 1670^оС при расходе первичного воздуха 6000 м³/ч. При этом происходит выделение летучих и частичная газификация угля и образуется двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего газа и нагретого коксового остатка. Полученное двухкомпонентное топливо поступает в топку котла, где смешиваясь со вторичным воздухом воспламеняется и производит безмазутный розжиг пылеугольного факела. Пылеугольный поток имел температуру 1050^оС при расходе вторичного воздуха 33700 м³/ч. Относительные затраты электроэнергии на плазменную горелку при растопке пылеугольного факела равны 0,6%

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения состоит в повышении эффективности процесса розжига и стабилизации горения низкосортных углей, увеличении мощности установки, повышения ресурса аппарата и улучшении условий техники безопасности при обслуживании энергетического оборудования.