Установка для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела
Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для использования для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела с помощью плазмотрона косвенного действия. Установка для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела содержит трубопровод подачи пылеугольного топлива, канал для подачи вторичного воздуха, центральную трубу. Центральная труба размещена с образованием кольцевого канала и смонтирована в колене трубопровода подачи пылеугольного топлива с возможностью ее фиксированного продольного перемещения с источником тепловой энергии в ней. Установка снабжена плазмотроном косвенного действия. Плазмотрон установлен с возможностью его продольного перемещения внутри центральной трубы с помощью штанги. Конец штанги выведен за торец трубы с возможностью взаимодействия с механизмом фиксации. Со стороны топочной камеры размещен конфузор с аэродинамическим профилем в продольном сечении. Конфузор закреплен на центральной трубе с помощью кронштейнов. Проходная площадь кольцевого канала, отсекаемая конфузором, составляет 0,4-0,5 проходной площади трубопровода подачи пылеугольного топлива. Плоскость минимального диаметра конфузора совпадает с плоскостью сопла анода плазмотрона в момент максимального его выдвижения. Изобретение направлено на обеспечение лучшего перемешивания пылеугольного топлива и воздуха и уменьшение энергозатрат, снижение капитальных затрат. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, преимущественно с помощью плазмотрона косвенного действия в пылеугольных горелках котлов теплоэлектростанций.
Известна установка для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, состоящая из основной горелки, внутри которой размещен плазмотрон косвенного действия, снабженный системой электро-, пневмо-, водоснабжения, автоматики и управления и оснащенный крепежным фланцем, выполненным в виде цилиндрического водоохлаждаемого короба, охватывающего катодный узел плазмотрона, при этом плазмотрон расположен на колене трубопровода подачи пылеугольного топлива перед системой подачи вторичного воздуха, а к коробу присоединена металлическая труба, входящая во внутрь трубопровода, внутри которой размещен анодный узел плазмотрона и срез его сопла совпадает со срезом трубы (Патент Украины №21103 А, кл. F 23 Q 5/00, заявл. 21.04.95, опубл. Бюл. №1, 1998).
Однако при работе установки на высококалорийном пылеугольном топливе (больше 3500 ккал) происходит интенсивное налипание продуктов горения на стенках горелки (гарнисаж), нарушается конвективно-радиационный теплообмен установки, что в целом снижает ее эксплуатационные возможности.
Известна также установка для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, включающая основную горелку, внутри которой соосно установлен плазмотрон, закрепленный на колене трубопровода подачи пылеугольного топлива перед системой подачи вторичного воздуха, а также систему электропневмоводоподачи, автоматики и управления, отличающаяся тем, что установка оснащена дополнительным плазмотроном, установленным в окне боковой стенки горелки в зоне между системой подачи вторичного воздуха и торцом горелки под углом к ее продольной оси таким образом, что ось плазмотрона проходит через центр горелки в площади ее сечения (Патент Украины №33029, кл. F 23 Q 5/00, заявл. 15.10.98, опубл. Бюл. №8, 2002).
Наличие двух плазмотронов усложняет управление работой установки с пылеугольным топливом разной калорийности при взаимодействии его с плазменными струями разной длины и энергии факела.
Наиболее близким аналогом устройства по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принята горелка, содержащая цилиндрический центральный топливный канал, один конец которого соединен посредством трубопровода с углеразмольной мельницей, а с другой стороны открытый конец направлен к топочной камере парового котла, окруженный кольцевым каналом для вторичного воздуха, отличающаяся тем, что центральный канал имеет на открытом конце обращенный к топочной камере конический диффузор, установленный вдоль оси канала, большее основание которого направлено от стенки топочной камеры, при этом угол раствора конуса диффузора равен углу раствора конуса апертуры в стенке топочной камеры, при этом в колене трубопровода на оси топливного канала установлена труба с возможностью ее продольного перемещения для подачи мазута или газа (Патент России №2116565, кл. F 23 С 11/00, заявл. 21.02.97, опубл. Бюл. №21, 1998).
В предложенной конструкции горелки соосно продольной оси топливного канала установлена с возможностью продольного перемещения труба для подачи мазута или для вдувания газа, предназначенных для розжига котла. Применение природного газа значительно повышает энергозатраты. При совместном сжигании пылеугольной смеси и мазута в котле повышается мехнедожег, увеличиваются выбросы окислов азота и серы, снижается надежность энергетического оборудования. Кроме того, применение мазута связано со сложностью в эксплуатации мазутного хозяйства, особенно в зимнее время.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования установки для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, в которой за счет упрощения технологической схемы процесса получения теплоносителя путем установки и фиксированного перемещения плазмотрона в трубе подачи пылеугольного топлива, а также интенсификации массообмена между пылеугольной смесью и плазменным факелом за счет размещения конфузора обеспечиваются розжиг и стабильность горения топлива, экологическая безопасность, простота обслуживания и исключение использования мазута.
Поставленная задача решается тем, что в установке для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, содержащей трубопровод подачи пылеугольного топлива, канал для подачи вторичного воздуха, центральную трубу, размещенную с образованием кольцевого канала и смонтированную в колене трубопровода подачи пылеугольного топлива с возможностью ее фиксированного продольного перемещения с источником тепловой энергии в ней, согласно изобретению установка снабжена плазмотроном косвенного действия, установленным в центральной трубе с возможностью перемещения вдоль оси с помощью штанги, конец которой выведен за торец трубы с возможностью взаимодействия с механизмом фиксации, а со стороны топочной камеры размещен конфузор с аэродинамическим профилем в продольном сечении, закрепленным на центральной трубе с помощью кронштейнов таким образом, что проходная площадь кольцевого канала, отсекаемая конфузором, составляет 0,4-0,5 проходной площади трубопровода подачи пылеугольного топлива, а плоскость минимального диаметра конфузора совпадает с плоскостью сопла анода плазмотрона в момент максимального его выдвижения, при этом конусность конфузора составляет 1:5...1:3, а кронштейны конфузора установлены под углом 0-18° к продольной оси центральной трубы, а их поперечное сечение выполнено в виде аэродинамического профиля.
Предлагаемая конструкция обеспечивает максимальную эффективность процесса сжигания топлива за счет использования низкотемпературной плазмы и усовершенствования узлов подвода и перемешивания с плазмой пылеугольного топлива.
Потребность в усовершенствовании узла подвода пылеугольной смеси объясняется необходимостью обеспечения того, чтобы зона воспламенения топлива находилась ближе к срезу сопла плазмотрона. В высокотемпературном плазменном факеле происходит быстрое выделение летучих веществ, что улучшает горение пылеугольного топлива.
Экспериментальным путем получены результаты, в соответствии с которыми оптимальная проходная площадь кольцевого канала, отсекаемая конфузором, составляет 0,4-0,5 проходной площади трубопровода подачи пылеугольного топлива, а конусность конфузора составляет 1:5...1:3, при этом внутренним кольцевым элементом является анод плазмотрона, который по существу параллелен центральной оси трубопровода подачи пылеугольного топлива. Кронштейны конфузора установлены под углом 0-18° к продольной оси центральной трубы, а их поперечное сечение выполнено в виде аэродинамического профиля. Пределы углов установки кронштейнов обусловлены обеспечением ламинарности потока вблизи кронштейна. При больших углах их установки происходит срыв потока и его завихрение, что приводит к образованию гарнисажа. Изменение угла установки кронштейнов в указанных пределах позволяет менять в широком диапазоне характеристики факела за счет изменения выходного потока - от прямолинейного до «веерного».
Пылеугольная смесь, перемещаясь в трубопроводе подачи, при наличии конфузора разбивается на два потока. Первый поток выходит через конфузор и, в зависимости от угла установки кронштейнов, может проходить зону горения как по центральной части факела, так и создавать вращательное, то есть вихревое движение вокруг воображаемой окружности сжигания. Второй, периферийный, поток проходит через трубопровод подачи, смешивается с вторичным воздухом и поступает в зону основного факела.
Разработанная конструкция установки гарантирует эффективное смешение топлива и плазмы, стабилизирует температурное поле и повышает эксплуатационную надежность, так как предложенная конструкция имеет такую степень жесткости и прочности, что гарантирует рациональный срок службы, принимая во внимание высокие тепловые и механические нагрузки.
Сущность изобретения поясняется чертежом,
где на фиг.1 показан общий вид установки в продольном разрезе;
на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Установка содержит трубопровод 1 подачи пылеугольного топлива, канал 2 подачи вторичного воздуха. На оси топливного канала установлена центральная труба 3, смонтированная с помощью фланца 4 в колене трубопровода подачи пылеугольного топлива с возможностью продольного перемещения. В центральной трубе 3 со стороны топочной камеры установлен плазмотрон 5 косвенного действия, который с помощью штанги 6 имеет возможность осевого перемещения внутри трубы совместно с системами электро-, пневмо-, водоподачи. На конечном участке трубы 3 с помощью кронштейнов 7 закреплен конфузор 8 с аэродинамическим профилем в продольном сечении. Кронштейны конфузора установлены под углом 0-18° к продольной оси центральной трубы, а их поперечное сечение выполнено в виде аэродинамического профиля. Конфузор установлен таким образом, что плоскость минимального диаметра конфузора совпадает с плоскостью сопла 9 анода плазмотрона в момент максимального его выдвижения, а конусность конфузора составляет 1:5...1:3, при этом проходная площадь кольцевого канала в трубопроводе 1, отсекаемая конфузором, составляет 0,4-0,5 проходной площади трубопровода подачи пылеугольного топлива. Наружный конец центральной трубы 3 снабжен съемным штурвалом 10 и фиксатором 11 для закрепления штанги 6.
Устройство работает следующим образом.
В топочных устройствах горение происходит при постоянной подаче топлива и воздуха в зону горения и при практически постоянной концентрации реагирующих веществ во времени. Прогрев поступающего топлива до температуры воспламенения происходит за счет двух источников теплоты: теплового потока излучения от ядра факела и конвективного нагрева за счет перемешивания массы струи с горячими топочными газами. Пылевидный уголь и транспортирующий воздух вводятся в топку со скоростью, достаточно высокой для того, чтобы удержать частицы угля во взвешенном состоянии. Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой концентрации пылеугольного топлива и воздуха и при повышенной турбулентности потока, создаваемой горелкой. Плазмотрон 5 с помощью штанги 6 вводят во внутрь центральной трубы 3, на которой закреплен конфузор 8. Путем перемещения плазмотрона внутри трубы 3 устанавливают заданный зазор между конфузором и соплом анода плазмотрона. С помощью фиксатора 11 закрепляют плазмотрон в исходное положение. Через фланец 4 собранный узел размещают в трубопроводе 1 соосно его продольной оси.
В зависимости от площади поперечного сечения трубопровода 1 подачи пылеугольного топлива подбирают конфузор таким образом, чтобы проходная площадь кольцевого канала пылепровода, отсекаемая конфузором, составляла 0,4-0,5 проходной площади трубопровода 1 подачи пылеугольного топлива.
После фиксации плазмотрона 5 подают на него плазмообразующий газ и охлаждающую воду, включают электропитание и возбуждают дуговой разряд в канале плазмотрона. Одновременно через трубопровод 1 подают пылеугольную смесь и вдувают в топку котла. Изменяют ток дуги плазмотрона и устанавливают рабочую среднемассовую температуру плазмы, равную 2500-4000К, и вдувают плазму спутно с потоком пылеугольного топлива. В зависимости от расположения сопла анода устанавливается ширина зазора между конфузором и внешней поверхностью анода. При перемещении плазмотрона во внутрь центральной трубы ширина зазора будет увеличиваться. Пылеугольная смесь, перемещаясь в трубопроводе 1 подачи, при наличии конфузора разбивается на два потока. Первый поток проходит через конфузор и в зависимости от угла установки кронштейнов конфузора может проходить зону горения как по центральной части факела, так и создавать вращательное, то есть вихревое, движение вокруг воображаемой окружности сжигания. Второй, периферийный, поток проходит по трубопроводу 1 и, смешиваясь с вторичным воздухом, поступает в зону основного факела.
Конструкция обеспечивает лучшее перемешивание пылеугольного потока с воздухом, интенсифицирует процесс горения и увеличивает длину факела, уменьшает энергозатраты, снижает капитальные затраты.
1. Установка для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, содержащая трубопровод подачи пылеугольного топлива, канал для подачи вторичного воздуха, центральную трубу, размещенную с образованием кольцевого канала и смонтированную в колене трубопровода подачи пылеугольного топлива с возможностью ее фиксированного продольного перемещения с источником тепловой энергии в ней, отличающаяся тем, что установка снабжена плазмотроном косвенного действия, установленным с возможностью его продольного перемещения внутри центральной трубы с помощью штанги, конец которой выведен за торец трубы с возможностью взаимодействия с механизмом фиксации, а со стороны топочной камеры размещен конфузор с аэродинамическим профилем в продольном сечении, закрепленный на центральной трубе с помощью кронштейнов таким образом, что проходная площадь кольцевого канала, отсекаемая конфузором, составляет 0,4-0,5 проходной площади трубопровода подачи пылеугольного топлива, а плоскость минимального диаметра конфузора совпадает с плоскостью сопла анода плазмотрона в момент максимального его выдвижения.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конусность конфузора составляет 1:5...1:3.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кронштейны конфузора установлены под углом 0-18° к продольной оси центральной трубы, а их поперечное сечение выполнено в виде аэродинамического профиля.
