Способ факельного сжигания топливовоздушной смеси и устройство для реализации способа

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения пылеугольных и водоугольных топливных смесей без использования дополнительных топлив розжига, электрического разряда. Устройство плазменно-ионизационного воспламенения и поддержания горения топливовоздушной смеси содержит корпус, разделенный на область перемешивания топливовоздушной смеси и область камеры воспламенения, стержневые электроды для генерирования электрического разряда, топливопровод и трубопровод воздуха, зону воспламенения топливовоздушной смеси, зону факела сгорания топливовоздушной смеси. Область камеры воспламенения разделена на два реакционных участка - участок электрического разряда и участок теплового излучения муфеля, причем зона воспламенения топливовоздушной смеси имеет возможность перемещаться в области камеры воспламенения между участками электрического разряда и теплового излучения муфеля, обеспечивая возможность вывода факела сгорания топливовоздушной смеси из области камеры воспламенения в область топочного пространства. Факел сгорания топливовоздушной смеси перемещается из области камеры воспламенения в направлении области топочного пространства и обратно за счет изменения мощности электрического разряда, в том числе и путем погашения разряда. Изобретение позволяет воспламенять пылеугольное топливо с повышенным содержанием влажности и пониженным уровнем летучих компонентов с минимальными удельными затратами энергии и снижением риска шлакования топлива внутри горелочного устройства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения пылеугольных и водоугольных топливных смесей без использования дополнительных топлив розжига.

Известен способ сжигания низкосортных углей и плазменная горелка для его осуществления (патент RU №2059926, С1, МКИ F23D 1/00, F23Q 13/00, 1992), заключающийся в генерировании электрической плазменной дуги в плазмотроне-запальнике со стержневыми электродами, нагреве аэросмеси в дуговой плазме, розжиге и стабилизации горения аэросмеси. Генерирование электрической плазменной дуги осуществляют в канале подачи аэросмеси, выполненном в горелке. Для чего в указанном канале первоначально генерируют электрическую плазменную дугу и её плазменными потоками возбуждают основную дугу, при этом плазмотрон-запальник перемещают вдоль стержневых элементов по мере их эрозионного разрушения.

Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость плазматрона запальника, а также малый объемный контакт дугового разряда плазматрона и пылеугольной смеси. При этом химическая активация пылеугольных частиц происходит только за счет термического воздействия дуговой плазмы с температурой до 6000 градусов на примыкающие к плазменной струе потоки топливной смеси. Локальное высокотемпературное воздействие на топливную смесь приводит к взрывообразному испарения минеральных компонентов топлива в этой локальной области с дальнейшей их конденсацией на поверхностях горелочного устройства, что ведет к ошлаковыванию этих поверхностей и снижению эффективности работы горелки. При этом существенная доля угольных частиц, не контактирующая с горячей плазмой, попадает в топку в холодном состоянии, не участвует в реакциях горения и способствует формированию механического уноса из топки.

Известно устройство для безмазутной растопки котла с индуктором (Энергосберегающие системы растопки и подсветки факела топочных камер котлов: монография В.А. Дубровский, М.В. Зубова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012 г., стр. 94). Представленное устройство содержит источник пыли, канал подачи воздуха, растопочную горелку, запально-сигнальное устройство, электронагреватель, выполненный в виде магнитной катушки индуктора с муфелем. Растопочная горелка присоединена к камере сгорания и выполнена в виде кольцевого канала, охваченного магнитной катушкой индуктора. Растопка котла работает следующим образом. Включается индуктор и запально-сигнальное устройство. Прогревается кольцевой канал и муфель за счет сгорания в нем легко воспламеняемого топлива. Затем подается пыль, которая за счет центробежных силы отбрасывается к наружной раскаленной стенке кольца у индуктора, перемешивается с воздухом, измельчается при ударе и воспламеняется запально-сигнальным устройством. После стабилизации горения факела в растопочной горелке и выхода её на рабочий режим, запально-сигнальное устройство отключается, а затем отключается и индуктор. Благодаря тому, что перед подачей в растопочную горелку топки котла прогревается вся пыль, воспламенение происходит более эффективно и обеспечивается безотказная растопка котла.

Однако, в описанном техническом решении прогрев пыли магнитной катушкой индуктора не обеспечивает необходимого уровня активации для воспламенения пыли при более низких температурах, а также сопровождается высокими энергетическими затратами на прогрев.

Известен способ сжигания топлива, принятый в качестве прототипа (патент RU №2410603,Устройство факельного сжигания топлива, С1, МПК F23C 99/00, F23Q 5/00, 2019) заключающийся в том, что воспламенение топлива производят электрическим разрядом, стабилизируют и интенсифицируют горение факела, воздействуя на зону образования пламени переменным электрическим током высокой частоты, образуя в зоне образования пламени диффузный электрический разряд, и обеспечивают поддержание электростатического потенциала предпламенной зоны на уровне обеспечивающем требуемые параметры горения факела.

Известно устройство плазменного воспламенения пылеугольная горелка, принятое в качестве прототипа, содержит корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2410603, С1, МКИ F23Q 5/00, F23Q 13/00, 2009). Корпус разделен поперечной перегородкой на резонансную и охлаждающую камеры. В центре перегородки выполнен проход вторичного воздуха и в нем установлены с возможностью продольного перемещения стержневые электроды, причем их рабочая часть направлена внутрь резонансной камеры, а электрическую дугу создают переменным током высокой частоты в резонансной камере с образованием акустического поля.

Недостатками указанного способа и устройства, принятых в качестве прототипов является локализация области активации топливовоздушной смеси в межэлектродной зоне разряда. Такая малая локализация не позволяет обеспечить достаточную активацию топливовоздушной смеси с повышенной влажностью, низким уровнем летучих компонентов, увеличенным размером фракции частиц в составе угольной смеси. В результате при перемешивании такого потока частично воспламененной топливовоздушной смеси со вторичным воздухом в горелке происходит затухание пламени и погасание факела в топке.

Задачей решаемая предлагаемым изобретением является создание способа и устройства для его реализации, которые позволяют с минимальными удельными затратами энергии зажигать топливовоздушную смесь с повышенной влажностью и низким уровнем летучих компонентов, повысить устойчивость его последующего горения, а также минимизировать риски шлакования топлива в области горелочного устройства.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря тому, что что топливо проходит два участка активации - участок активации диффузным электрическим разрядом и участок активации тепловым излучением муфеля. При этом диффузный электрический разряд генерируют переменным током высокой частоты. При инициировании электрического разряда топливовоздушная смесь воспламеняется за счет резкого ускорения процессов хемоионизации в плазме электрического разряда с формированием факела. При этом происходит интенсивное нагревания муфеля, расположенного дальше по ходу формирования факела в сторону топочного пространства. По мере нагревания муфеля факел сгорания смеси все больше вытягивается в сторону топочного пространства. После достижения муфелем температуры достаточной для самостоятельной активации топливовоздушной смеси тепловым излучением муфеля, электрический разряд гасится, при этом зона воспламенения перемещается от участка электрического разряда на участок муфеля, а факел выходит в область топочного пространства, что снижает риски шлакования топлива в области горелочного устройства. Управление положением зоны воспламенения и положением факела сгорания топливовоздушной смеси обеспечивается включением - отключением электрического разряда и его мощностью.

Для реализации описанного способа по изобретению предложено устройство плазменно - ионизационного воспламенения пылеугольного топлива, содержащее корпус, стержневые электроды для генерирования электрического разряда, топливопровод и трубопровод горячего воздуха. Согласно изобретению, корпус включает два участка активации - участок горения электрического разряда и участок теплового излучения муфеля. При этом электрический разряд генерируют переменным током высокой частоты. При инициировании электрического разряда топливовоздушная смесь воспламеняется за счет активации электрическим разрядом с формированием факела внутри камеры воспламенения и интенсивного нагревания муфеля по ходу движения факела. По мере нагревания муфеля факел сгорания смеси вытягивается в сторону топочного пространства. После достижения муфелем температуры достаточной для самостоятельной активации топливовоздушной смеси тепловым излучением муфеля, источник питания электрического разряда отключается, и зона воспламенения перемещается от участка электрического разряда на участок муфеля, а факел выходит в область топочного пространства, за счет чего снижаются риски шлакования топлива в области горелочного устройства. Управление положение зоны воспламенения и положением факела сгорания топливовоздушной смеси обеспечивается включением - отключением электрического разряда.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенные технические решения соответствует условию изобретательского уровня.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами

На Фиг.1 представлено продольное сечение плазменного устройства воспламенения пылеугольного топлива.

Предлагаемое устройство плазменно-ионизационного воспламенения и поддержания горения топливовоздушной смеси содержит корпус (1), включающий область перемешивания топливовоздушной смеси (2) и область камеры воспламенения (3), топливопровод (4), трубопровод воздуха (5), стержневые электроды (6) для формирования электрического разряда (7), подключенные к источнику питания (8). Область камеры воспламенения (3) разделена на участок электроразрядной активации (9) и участок активации тепловым излучением (10) за счет аккумуляции тепла муфелем (11). Зона воспламенения (12) имеет возможность перемещения внутри камеры воспламенения (3) между участками (9) и (10). Факел сгорания топливовоздушной смеси (13) примыкает к зоне воспламенения (12) и имеет возможность перемещения между областью камеры воспламенения (3) и областью топочного пространства (14).

Предлагаемый способ и устройство факельного сжигания топливной смеси реализуется следующим образом.

В корпус (1) устройства подают подсушенную пылевоздушную смесь и горячий воздух, которые перемешиваются в области перемешивания (2). От источника питания (8) на стержневые электроды (6) подают переменный ток высокой частоты и инициируют электрический разряд (7). При прохождении топливовоздушной смеси через зону электрического разряда происходит поверхностная активация угольных частиц. При ограничении скорости топливовоздушной смеси и увеличения времени нахождения частиц в области разряда, обеспечиваются условия для воспламенение топливной смеси, с выделение летучих компонентов угля и частичной газификация коксового осадка. В результате формируется факел сгорания топливовоздушной смеси (13), размещаемый преимущественно внутри камеры воспламенения (3). Под воздействием тепловыделения этого факела происходит интенсивный разогрев муфельной части корпуса устройства. По мере разогрева муфеля (11) до температур самостоятельной термической активации топливовоздушной смеси факел вытягивается в сторону топочного пространства (14). После этого появляется возможность увеличения скорости топливовоздушной смеси до рабочих значений. В результате после отключения источника питания (8) и гашения разряда воспламенение факела обеспечивается только термической активацией муфеля (11) и факел полностью выходит в топочное пространство (14). При этом обеспечивается установившейся режим горения с минимальным энергопотреблением для обеспечения процесса. При этом минимизируются риски шлакования топлива внутри горелочного устройства. Далее, в случае подачи угольной пыли повышенной влажности и пониженным содержанием летучих компонентов происходит снижение температуры факела и стенок муфеля (11), что может привести к прекращению термической активации угольных частиц а следовательно и к прекращению воспламенения. Для предотвращения такого развития событий вновь включается источник питания (8) с инициацией электрического разряда (7). В результате интенсифицируется процесс активации смеси электрическим разрядом (7), а зона воспламенения и факел смещаются в камеру воспламенения (3) с интенсификацией нагрева поверхности муфеля (11) до необходимой температуры. После достижения температур самостоятельной активации муфелем (11) смеси нового качества источник питания (8) вновь может быть отключен. Управление размещением зоны воспламенения в камере воспламенения (3) можно регулировать мощностью электрического разряда (7).

Предлагаемое изобретение позволяет воспламенять пылеугольное топливо с повышенным содержанием влажности и пониженным уровнем летучих компонентов с минимальными удельными затратами энергии и снижением риска шлакования топлива внутри горелочного устройства.

1. Способ факельного сжигания топливовоздушной угольной смеси, заключающийся в том, что создают электрический разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, воздействуют диффузным электрическим разрядом на зону образования пламени и осуществляют сжигание топлива, отличающийся тем, что последовательно с процессом плазменно-ионизационного воспламенения смеси инициируют процесс воспламенения смеси за счет теплового излучения дополнительной муфелизированной части и обеспечивают управляемое перемещение зоны воспламенения факела путем изменения мощности электрического разряда.

2. Устройство плазменно-ионизационного воспламенения и поддержания горения топливовоздушной смеси, содержащее корпус, разделенный на область перемешивания топливовоздушной смеси и область камеры воспламенения, стержневые электроды для генерирования электрического разряда, топливопровод и трубопровод воздуха, зону воспламенения топливовоздушной смеси, зону факела сгорания топливовоздушной смеси, отличающееся тем, что область камеры воспламенения разделена на два реакционных участка - участок электрического разряда и участок теплового излучения муфеля, причем зона воспламенения топливовоздушной смеси имеет возможность перемещаться в области камеры воспламенения между участками электрического разряда и теплового излучения муфеля, обеспечивая возможность вывода факела сгорания топливовоздушной смеси из области камеры воспламенения в область топочного пространства.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что факел сгорания топливовоздушной смеси перемещается из области камеры воспламенения в направлении области топочного пространства и обратно за счет изменения мощности электрического разряда, в том числе и путем погашения разряда.