способ розжига и/или стабилизации горения пылеугольного факела в котлоагрегатах

Формула изобретения

1. Способ розжига и/или стабилизации горения пылеугольного факела в котлоагрегате путем генерирования струи плазмы в плазмотроне, установленном в охлаждаемом патрубке муфеля, воспламенения струей пылеугольной аэросмеси, подаваемой в канал муфеля, и подачи нагретой топливной смеси из муфеля в топку котлоагрегата, отличающийся тем, что температуру топливной смеси на выходе из муфеля поддерживают в пределах 900-1100С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру топливной смеси на выходе из муфеля поддерживают регулированием мощности плазмотрона, и/или регулированием расхода угля, и/или регулированием расхода первичного воздуха.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в канале аэросмеси муфеля устанавливают датчик для определения попадания воды в этот канал и отключают автоматически по сигналу этого датчика подачу воды на охлаждение плазмотрона и подачу воды на охлаждение патрубка муфеля при попадании воды в канал аэросмеси муфеля.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в плазмотроне используют электроды, имеющие длительность наработки не более величины, определяемой по формуле

k-t,

где t - ресурс электрода, ч;

k - коэффициент, равный 0,8-0,9.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в цепи электропитания плазмотрона устанавливают датчик для определения случайного прерывания тока дуги в плазмотроне и по его сигналу автоматически повторно включают осциллятор плазмотрона для генерирования струи плазмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при растопке пылеугольных котлов и для подсветки факела в них.

Известен способ розжига факела и стабилизации его горения в котлоагрегатах, основным топливом для которых является угольная пыль, посредством мазута или природного газа. В начальной стадии растопки в топке котла сжигают мазут или природный газ, подаваемый через мазутные форсунки или соответственно газовые горелки. С ростом температуры в топке расход мазута увеличивают. По мере прогрева топки и доведения ее теплового состояния до задаваемого инструкцией по эксплуатации котла уровня в топку подают угольную пыль. Угольная пыль подогревается мазутом и воспламеняется. Расход пыли постепенно увеличивают при включенных мазутных форсунках. По достижении устойчивого горения пылеугольного факела и задаваемого инструкцией по эксплуатации уровня тепловой нагрузки котла мазутные форсунки отключают, и дальнейший подъем нагрузки осуществляют увеличением расхода угольной пыли. Стабилизацию горения (подсветку) пылеугольного факела также осуществляют путем сжигания мазута. Для этого в работу включают требуемое для устойчивого горения факела количество форсунок. Поскольку реакционная способность мазута выше, чем угля, мазут горит устойчиво, температура в топке возрастает и горение угольной пыли стабилизируется (Дорощук В.Е., Рубан В.Б. Котельные и турбинные установки энергоблоков мощностью 500 и 800 МВт. - М.: Энергия, 1979).

Однако совместное сжигание мазута и угля, у которых оптимальные с точки зрения величины коэффициента избытка воздуха режимы горения различны, влечет ряд негативных последствий: повышается мехнедожог топлива, выбросы оксидов азота и серы при сжигании высокосернистых топочных мазутов, возрастает коррозия поверхностей нагрева, в уходящих газах появляется такой канцероген, как пятиокись ванадия и т.п. Кроме того, стоимость мазута, как правило, в несколько раз превышает стоимость угля (с учетом их различной теплотворной способности). Все это снижает эффективность топливоиспользования.

Известен способ розжига и стабилизации горения пылеугольного факела на основе плазменного воспламенения угольной пыли, подаваемой в топку котла. Розжиг факела начинают включением плазмотрона, расположенного у устья пылеугольной горелки, и подачей пылеугольной аэросмеси в эту горелку. При взаимодействии аэросмеси (угольная пыль и воздух) со струей плазмы в топке у выхода из горелки аэросмесь воспламеняется, и при соблюдении определенных условий наблюдается устойчивое горение угольной пыли без использования второго вида топлива - мазута или газа. По мере нагрева топки включают в работу последующие пылеугольные горелки, оснащенные плазмотронами, и в дальнейшем увеличивают расход пыли через них. Затем подают угольную пыль в горелки, не оснащенные плазмотронами. При устойчивом горении факела и определенной тепловой нагрузке котла поочередно отключают плазмотроны. Подсветку осуществляют аналогично: включают плазмотроны и подают угольную аэросмесь в эту горелку. При необходимости в работу включается несколько горелок с плазмотронами, которые в комплексе обеспечивают устойчивое горение пылеугольного факела (пат. Великобритании №1585943, MПK F 23 D 1/00, публ. 11.03.81).

Однако такой способ, когда воспламенение пылеугольной аэросмеси осуществляется непосредственно в топке котла, приемлем при работе котла только на высокореакционных углях. В случаях применения отечественных низкореакционных, высокозольных и высоковлажных углей такой способ потребует чрезмерно высоких затрат электроэнергии на плазмотрон или воспламенение окажется невозможным. Плазменная струя имеет относительно небольшой объем и взаимодействует с небольшой (3-5%) частью угля. При работе на низкореакционных углях, характеризующихся низким выходом летучих, выделившихся из этой части угля летучих веществ будет недостаточно для нагрева и последующего горения остальной части угля в условиях слабого влияния зоны горения на остальные, далеко расположенные частицы угля. Поэтому в большом объеме топки энергии воспламенившейся части угля вследствие ее диссипации будет недостаточно для нагрева остальной части угля, и устойчивое воспламенение становится невозможным.

Наиболее близким к предлагаемому является способ розжига и/или стабилизации горения пылеугольного факела в котлоагрегате, описанный в патенте Российской Федерации №2054599, МПК F 23 C 5/24, публ. 20.02.96. Он заключается в генерировании струи плазмы в плазмотроне, установленном в охлажденном патрубке муфеля, воспламенении струей плазмы пылеугольной аэросмеси, подаваемой в канал муфеля, и подаче нагретой топливной смеси из муфеля в топку котлоагрегата. Нагретая топливная смесь включает горючие в газовой фазе, коксовый остаток и газообразные продукты сгоревших летучих и имеет ее температуру выше температуры самовоспламенения. Она устойчиво воспламеняется и горит при смешении со вторичным воздухом в топке котлоагрегата.

Растопку котла осуществляют в течение нескольких часов (4-6 и более), а подсветка факела может быть постоянной, т.е. устройство плазменного воспламенения пылеугольной аэросмеси находится в работе длительное время. В процессе розжига и/или стабилизации пылеугольного факела температура топливной смеси на выходе из муфеля может изменяться в широком диапазоне по целому ряду причин: изменение расхода угля, подаваемого в муфель, изменение его качественных показателей (зольности, калорийности...) и т.п. Снижение температуры в муфеле ведет к снижению надежности и эффективности воспламенения топливной смеси при поступлении ее в топку и соответственно к нарушению технологического режима (возрастает недожог топлива, возможно погасание факела), что требует остановка котла и ряда других мероприятий, влекущих непроизводственные затраты времени и ресурсов. Повышение температуры в муфеле может вызвать нарушение целостности и работоспособности муфеля или его шлакование с неизбежностью последующего отключения муфеля. По ряду причин во время работы плазмотрона возможен обрыв дуги и вследствие этого отключение плазмотрона. Если топка недостаточно прогрета, может произойти погасание факела с указанными выше отрицательными последствиями. При нарушении герметичности водяных полостей плазмотрона (например, из-за прогара электрода) и герметичности патрубка муфеля вода попадает в канал аэросмеси муфеля. В муфеле скапливается смоченная водой угольная пыль, что нарушает его работоспособность.

Задача, положенная в основу изобретения, заключается в создании способа розжига и/или стабилизации пылеугольного факела в котлоагрегатах, который наряду с эффективной реализацией воспламенения топливной смеси при выходе ее из муфеля в топку, позволяет повысить надежность и стабильность этих процессов, надежность работы оборудования. Технический результат: повышение устойчивости и надежности воспламенения топливной смеси, снижение износа муфеля и исключение его шлакования, исключение скопления в муфеле смоченной водой угольной пыли, исключение останова оборудования из-за случайного обрыва электрической дуги в плазмотроне, повышение безопасности работы котлоагрегата при плазменном воспламенении угля в нем.

Для достижения этого в способе розжига и/или стабилизации горения пылеугольного факела в котлоагрегатах путем генерирования струи плазмы в плазмотроне, установленном в охлаждаемом патрубке муфеля, воспламенения струей плазмы пылеугольной аэросмеси, подаваемой в канал муфеля, и подачи нагретой топливной смеси из муфеля в топку котлоагрегата, согласно изобретению температуру топливной смеси на выходе из муфеля поддерживают в пределах 900-1100С.

Предпочтительно температуру топливной смеси на выходе из муфеля поддерживают регулированием мощности плазмотрона и/или регулированием расхода угля, подаваемого в муфель, и/или регулированием расхода первичного воздуха.

Кроме того, в канале аэросмеси муфеля устанавливают датчик для определения попадания воды в этот канал и отключают автоматически по сигналу этого датчика подачу воды на охлаждение плазмотрона и охлаждение патрубка муфеля при попадании воды в канал аэросмеси муфеля.

Предпочтительно в плазмотроне использовать электроды, имеющие длительность наработки не более величины, определяемой по формуле

Кt,

где t - ресурс электрода, ч;

k - коэффициент, равный 0,8-0,9.

Можно в цепи электропитания плазмотрона устанавливать датчик для определения случайного прерывания тока дуги в плазмотроне и по его сигналу автоматически повторно включать осциллятор плазмотрона для генерирования струи плазмы.

Указанный оптимальный диапазон температур на выходе из муфеля получен экспериментально. Поддержание температуры потока топливной смеси на выходе из муфеля в топку в пределах 900-1100C позволяет обеспечить надежное ее воспламенение при смешении с вторичным воздухом даже в холодной топке, так как температура самовоспламенения углей в основном ниже 900С. Снижение температуры ниже 900C ведет к уменьшению надежности и полноты воспламенения угольной пыли на выходе из муфеля в топку. Ограничение температуры топливной смеси 1100C позволяет исключить шлакование муфеля и снизить износ его стенок, т.к. эта температура ниже температуры размягчения золы. Кроме того, это позволяет исключить разрушение сварных швов муфеля, коробление его внутренней обечайки, местное разрушение стенок и соответственно позволяет повысить надежность оборудования и снизить количество остановов по этим причинам. При поддержании температуры в указанных пределах изменением мощности, подводимой к плазмотрону, с понижением этой мощности, струя плазмы взаимодействует с меньшей долей пылеугольной аэросмеси, и в результате замедления нагрева остальной аэросмеси температура на выходе муфеля будет снижаться. При регулировании температуры на выходе муфеля изменением расхода угля и/или изменением количества первичного воздуха необходимо учитывать концентрацию угольной пыли в аэросмеси. При <0,3 кг угля/кг воздуха количество угля, взаимодействующего с плазмой, будет снижаться; с ростом концентрации угольной пыли при >0,3 кг/кг температура на выходе муфеля будет расти, но при достижении некоторого (зависящего от качества угля) значения, например, 1 кг/кг для экибастузского угля начнет сказываться дефицит окислителя и температура на выходе муфеля будет снижаться. При попадании воды в канал аэросмеси она образует “водяную завесу”, и в канале муфеля происходит накопление смоченной водой угольной пыли, что ведет к нарушению работоспособности муфеля, его забиванию и нарушению аэродинамики. Поэтому при попадании воды в муфель как можно быстрее отключают подачу охлаждающей воды в плазмотрон и на охлаждение патрубка муфеля, в основном автоматически, посредством датчика, дающего сигнал на прекращение подачи воды. Наиболее частой причиной попадания воды в канал аэросмеси муфеля является прогар электрода плазмотрона, т.к. электроды охлаждаются омывающей их водой. Поскольку ресурс непрерывной работы электродов t известен, то для того, чтоб исключить прогар стенки электрода, задают длительность работы плазмотрона (0,8-0,9)t, после чего его отключают для выполнения профилактических работ и замены электродов, что повышает надежность работы оборудования.

В процессе работы плазмотрона по случайным причинам возможен обрыв дуги в нем. При этом в топку будет поступать невоспламененная угольная пыль. Правилами безопасности эксплуатации котлов установлен регламент, согласно которому в случае погасания факела в топке он должен быть восстановлен в течение строго определенного промежутка времени (как правило, в течение 9 с). В противном случае подача пыли в топку прекращается, и выполняется ряд мероприятий в целях исключения взрыва скопившейся в топке угольной пыли. Поэтому при случайном обрыве дуги для обеспечения автоматического включения осциллятора для повторного иницирования дуги в плазматроне в цепь электропитания плазмотрона устанавливают датчик. Если режим работы плазмотрона не восстановлен в течение регламентируемого времени, то автоматически обеспечивают прекращение подачи угольной пыли в муфель и подают сигнал оператору на пульт управления котлом об отключении плазматрона.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен муфель с плазмотроном.

Муфель 1 содержит соосно расположенные обечайки, кольцевая полость между которыми заполнена огнеупорным материалом, например, шамотобетоном. Внутренняя обечайка выполнена из нержавеющей стали и образует канал аэросмеси 2. Конец муфеля встроен в амбразуру котлоагрегата и выходит в его топку 3. В патрубке 4, расположенном на начальном участке муфеля, установлен плазмотрон 5. Плазмотрон 5 содержит катод 6, анод 7, закруточные камеры 8 для подачи плазмообразующего газа - воздуха из системы воздухоснабжения 9, полости для охлаждающей воды 10, в которые воду подают из системы водоснабжения 11. Системы воздухо- и водоснабжения плазмотрона снабжены манометрами 12 с электрическими контактами, включенными в цепь управления плазматрона (не показано). В качестве катода 6 и анода 7 используют медные водоохлаждаемые электроды с ресурсом работы 20040 час. Для пробоя межэлектродного промежутка и зажигания дуги плазматрон снабжен осциллятором 13. Патрубок 4 муфеля имеет водяную рубашку 14, в которую подают охлаждающую воду из системы водоснабжения 11 плазмотрона. Перед выходным отверстием в муфеле установлен датчик 15 для определения температуры топливной смеси на выходе из муфеля. Это может быть, например, термопара. Датчик 15 связан с устройством для анализа показаний датчика и подачи сигналов на исполнительные механизмы. Этим устройством может быть микропроцессор 16. Канал аэросмеси 2 муфеля снабжен также датчиком 17 для определения наличия воды в нем. Он связан с микропроцессором 16, подающим сигналы на исполнительные механизмы 18. В цепи электропитания плазмотрона 19 установлен датчик 20 для определения обесточивания цепи плазмотрона. Этот датчик также связан с микропроцессором 16.

Способ осуществляют следующим образом.

При растопке котла розжиг пылеугольного факела начинают включением осциллятора 13, который осуществляет пробой межэлектродного промежутка в плазмотроне и зажигает дугу. При этом появляется струя 21 плазмы. Включением электродвигателя пылепитателя (не показан) подают угольную пыль в смеси с первичным воздухом - аэросмесь 22 в канал 2 муфеля. В результате взаимодействия со струей плазмы 21 часть аэросмеси воспламеняется и нагревает остальную аэросмесь так, что при поступлении этой топливной смеси в топку 3 она активно горит. При этом выделяется значительное количество тепла, необходимого для разогрева топки. Микропроцессор 16 настроен на поддержание температуры на выходе муфеля в пределах 900-1100С. При уменьшении этой температуры ниже 900С или повышении выше 1100С сигнал от датчика 15 поступает в микропроцессор 16, который дает сигнал на соответствующий исполнительный механизм. Температуру регулируют изменением мощности, подводимой к плазмотрону, для чего подается сигнал на блок управления источника питания 23 плазмотрона. На выходе из муфеля температуру в пределах 900-1100С поддерживают также изменением расхода угольной пыли. Для чего сигнал от микропроцессора 16 поступает на исполнительные механизмы, например на изменение оборотов двигателей пылепитателя. При регулировании температуры на выходе из муфеля 6 изменением расхода первичного воздуха сигнал от микропроцессора 16 подается на исполнительные механизмы, регулирующие изменение расхода первичного воздуха, например на шибер в канале первичного воздуха.

При наличии воды в канале 2 аэросмеси муфеля сигнал от датчика 17 поступает в микропроцессор 16, который подает сигнал на прекращение подачи воды в водяные полости 10 плазматрона и водяную рубашку 14 патрубка муфеля. Одновременно подается сигнал о выключении плазмотрона и прекращении подачи угольной пыли в муфель на пульт оператора. Если датчик 20 фиксирует прекращение тока в цепи плазматрона, то сигнал от него поступает на микропроцессор 16, который дает сигнал на повторное включение осциллятора 13. В случае невозможности запуска плазмотрона в течение регламентируемого инструкцией по эксплуатации данного котла периода времени микропроцессор 16 дает сигнал на отключение подачи угля в данный муфель (например, на отключение электродвигателя пылепитателя) и соответствующий этому сигнал на пульт оператора (машиниста) котла. Стабилизацию горения пылеугольного факела осуществляют аналогичным образом.

Пример 1. Способ реализован на котлоагрегате ТП-170 паропроизводительностью 170 т/ч, который имеет 6 пылеугольных горелок и оснащен двумя муфелями с плазмотронами. В котлоагрегате сжигают уголь со следующими характеристиками: теплотворной способностью Q^р_н=5100 ккал/кг; зольностью А^р=19,3%; выходом летучих V^г=17,2%. Тонина помола угольной пыли характеризуется остатком на сите R₉₀=12,5%. Подачу угольной пыли в муфель осуществляют первичным воздухом, температура которого 80С и максимальный расход 7000 м/ч. Регулирование расхода первичного воздуха осуществляют шибером с электроприводом. Расход пыли дозируют в пределах 1,5-4 т/ч пылепитателем, изменяя число оборотов его двигателя. Муфель снабжен плазмотроном постоянного тока двухкамерной схемы мощностью до 100 кВт. Плазмообразующий газ - воздух. Теплонапряженные элементы плазмотрона и патрубок муфеля охлаждают проточной водой. При растопке котла включают подачу первичного воздуха в муфели 1. Выполняют подготовку плазмотронов к работе и включением осциллятора 13 осуществляют запуск каждого плазмотрона.

Регулированием тока дуги устанавливают мощность, подводимую к плазмотрону, 85-90 кВт. Задают расход первичного воздуха в муфель 6000 м/ч. Последовательно включают пылепитатели и задают расход пыли в каждый муфель 2-2,2 т/ч. На выходе муфелей появляются горящие факелы. По мере прогрева топки 3 увеличивают расход пыли в муфели. Последующую часть растопки осуществляли аналогично растопке посредством мазутных форсунок. По завершении растопки подачу пыли в муфель прекратили и плазмотроны отключали. При дальнейшей эксплуатации котла в силу производственных условий нагрузка котла была снижена до 80% от номинальной. В результате устойчивость горения факела снизилась и возникла потребность в подсветке факела. При этом действиями, аналогичными описанным выше, включили в работу один плазмотрон и подали пылеугольную аэросмесь в соответствующий муфель с расходом пыли 2 т/ч. На выходе муфеля появился горящий факел. При этом горение общего факела в котле стало устойчивым. В данном случае включение в работу одного муфеля с плазмотроном оказалось достаточным для стабилизации горения факела и поэтому второй муфель не включали. Микропроцессор был настроен на поддержание температуры топливной смеси на выходе муфеля 900С. При получении сигнала от термопары 15 о снижении температуры микропроцессор дает сигнал в блок управления источника электропитания плазмотрона: мощность, подводимая к плазмотрону, увеличивали, что позволяло повысить температуру топливной смеси на выходе муфеля. Минимальная мощность плазмотрона ограничена условиями устойчивой работы цепи плазматрона с источником электропитания и составляет 36 кВт. Допустимая максимальная мощность - 120 кВт. Мощность, подводимая к плазмотрону изменялась в пределах 60-72 кВт. В программе микропроцессора предусмотрено, что в случае, если возможности плазмотрона по коррекции температуры в муфеле исчерпаны, микропроцессор дает сигнал на изменение расхода угольной пыли - изменение числа оборотов электродвигателя пылепитателя. Опыты показали, что при исходном расходе пыли через муфель 1,5 т/ч и номинальном расходе первичного воздуха 6000 м/ч, увеличение расхода пыли приводило к увеличению температуры в муфеле. Уменьшение расхода угольной пыли в допустимых пределах не снижало температуру в муфеле. Когда возможность корректирования температуры изменением расхода угольной пыли была исчерпана, то микропроцессор дал сигнал на изменение расхода первичного воздуха. С уменьшением расхода воздуха температура в муфеле росла. Величина этих изменений зависит от значений расхода угля и мощности плазмотрона. При этом уменьшение расхода ограничивалось условием обеспечения скорости аэросмеси в пылепроводе не ниже 18 м/с путем задания ограничения на дальнейшее закрытие шибера. При наработке плазмотрона 160 час (0,820040) плазмотрон был отключен и электроды были заменены, это позволило предотвратить попадание воды в канал аэросмеси муфеля. К=0,8-0,9 выбирают из сопоставления затрат: стоимость электрода + стоимость его замены, с одной стороны, и стоимость восстановления работоспособности муфеля после заполнения его смоченной водой угольной пылью, с другой стороны. Эти виды затрат определяют исходя из конкретных условий эксплуатации котла.

Пример 2. Способ осуществляли аналогично примеру 1, но температуру топливной смеси на выходе муфеля поддерживали 1100С. Мощность, подводимая к плазмотрону, регулировалась в пределах 72-85 кВт.

При температуре на выходе из муфеля выше 1100С сигнал от датчика 15 поступал в микропроцессор 16 и от него в блок управления источника электропитания плазмотрона. Мощность плазмотрона уменьшалась, температура топливной смеси на выходе из муфеля снижалась до 1100С. При исчерпании возможности регулирования температуры уменьшением мощности плазмотрона, сигнал от микропроцессора 16 подавался на электродвигатель пылепитателя на увеличение расхода угольной пыли выше 3 т/ч, что вело к понижению температуры на выходе муфеля за счет дефицита окислителя в пылеугольной аэросмеси. Когда возможности корректирования температуры изменением расхода угольной пыли были исчерпаны, то микропроцессор 16 подал сигнал на увеличение расхода первичного воздуха. С увеличением расхода первичного воздуха температура на выходе из муфеля понижалась до 1100С.

Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 1, но температуру на выходе муфеле поддерживали в пределах 1100-1300С. Осмотр внутренней поверхности муфеля после 30 ч работы выявил наличие деформации и разрушений (прогаров) стенки патрубка муфеля, наличие в муфеле шлаковых отложений, препятствующих эксплуатации муфеля.

Пример 4. Способ осуществляли аналогично примеру 2. От датчика 17 в микропроцессор 16 поступил сигнал о наличии в канале аэросмеси 2 муфеля воды. От микропроцессора 16 сигнал поступил на исполнительный механизм 18 и подача воды на охлаждение плазматрона и патрубка муфеля была прекращена. Благодаря манометру 12 водяной системы с электрическими контактами, включенному в цепь управления этого плазматрона, последний отключился. Отключение плазматрона сопровождается отключением двигателя пылепитателя данного муфеля и подачей соответствующего сигнала на пульт машиниста котла. Последующие профилактические работы показали, что в муфеле образовалось около 0,001 м³ смоченной водой пыли, которая существенно не повлияла на его работоспособность. В стенке электрода был обнаружен прогар. В результате были выполнены работы по замене электрода.

Пример 5. Способ осуществляли аналогично примеру 1. Сигнал от датчика 20 поступил в микропроцессор 16, программой которого предусмотрена подача сигнала на трехкратное включение осциллятора (длительность работы осциллятора - 1 с, пауза - 2 с) вплоть до включения плазмотрона (появление электрического тока в его цепи). Плазматрон был включен со второго раза. В случае, когда плазмотрон все-таки не включается, посредством микропроцессора 16 подают сигнал на отключение двигателя пылепитателя и предупредительный сигнал на пульт машиниста котла.