Способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2460941:
Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области теплоэнергетики - способу и устройству для сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке. Способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке включает ввод угольного топлива и воздуха и интенсификацию процесса сжигания, процесс сжигания угольного топлива осуществляют внутри теплоизолированной камеры, внутреннее пространство которой формируют с помощью четырех коаксиальных каналов, из которых первый внутренний коаксиальный канал используют для сжигания угля микропомола, а для угля обычного помола используют третий коаксиальный канал, в то время как второй и четвертый коаксиальные каналы используют для подачи дополнительного воздуха в зону горения угольного топлива, при этом интенсификацию процесса сжигания угольного топлива осуществляют за счет повышения турбулентности и постоянного расширения горячего потока пылеугольной смеси по ходу его движения, а также за счет размещения внутри коаксиальных каналов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита. Повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают за счет придания вращательного движения потокам угольного топлива и дополнительного воздуха на начальных участках коаксиальных каналов, а также за счет дополнительного вихреобразования в зоне обтекания торцов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала. Повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают за счет изменения направления вектора тангенциальной скорости горячего потока внутри последующего коаксиального канала на противоположное относительно направления вектора тангенциальной скорости горячего потока предыдущего коаксиального канала. Изобретение позволяет повысить качество сжигания топлива и снизить выброс вредных веществ в атмосферу. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемая группа изобретений относится к области теплоэнергетики, а именно - к способу сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке и устройству для его реализации. Изобретение может найти применение в любой отрасли промышленности, связанной с сжиганием угольного топлива, в частности, в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива.
Известен способ снижения выбросов оксида азота при факельном сжигании угольной пыли в котле [патент РФ №2377467 от 26.12.2007 г., F23Q 5/00], включающий подачу пылеугольной аэросмеси в основные горелки с коэффициентом избытка воздуха α<1, воспламенение и горение угля в топке и подачу остального воздуха с α>1 в топку выше основных горелок.
Известна плазменная пылеугольная горелка [патент РФ патент РФ №2377467 от 26.12.2007 г., F23Q 5/00], содержащая камеру термомеханической подготовки топлива, внутренняя поверхность которой имеет цилиндрическую форму, пылепровод подачи угольной аэросмеси в эту камеру и плазмотрон, установленный на ее боковой поверхности, а также канал для вторичного воздуха.
К недостаткам известного способа относится то, что в известном способе отсутствуют технологические приемы и режимные условия, обеспечивающие более эффективное сжигание угольного топлива при минимальном выбросе в атмосферу несгоревших частиц угля с горячими газами.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству в заявляемой группе изобретений является пылеугольная горелка (патент РФ №2294486, 2007 г., F23D 1/00), включающая камеру поджига с тангенциальным вводом пылевоздушной смеси и устройством поджига, смесительную камеру с коаксиальными каналами и тангенциальным вводом вторичного воздуха и угольного топлива и завихритель с турбулизатором потока, выполненным в виде цилиндрической шайбы с диаметром отверстия, меньшим диаметров каналов камеры поджига и смесительной камеры.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве используют многокамерную схему сжигания угольного топлива. При всех прочих равных условиях такая схема сжигания угольного топлива менее эффективна из-за повышенного сопротивления горячему потоку, а следовательно, и из-за большего зашлаковывания. К тому же при больших расходах топлива совместный ввод вторичного воздуха и топлива через единый канал весьма существенно влияет на процесс сжигания и предварительной подготовки угольного топлива, а следовательно, увеличивает суммарные энергозатраты в процессе эксплуатации. Эффективность вышеуказанной горелки в большей степени подтвердилась только при розжиге топки или ее подсветке, но все попытки использовать ее в качестве основной горелки пока не принесли желаемого результата.
Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа и нового устройства для сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении более эффективного способа сжигания угольного топлива - угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке с улучшенными энергетическими и эксплуатационными параметрами, включая минимальный выброс вредных веществ в атмосферу.
Указанный технический результат по объекту - способу достигается известным способом сжигания угля микропомола и угля обычного помола в вихревой горелке, включающим тангенциальный ввод угольного топлива и воздуха и интенсификацию процесса сжигания. Отличием предложенного способа является то, что процесс сжигания угольного топлива осуществляют внутри теплоизолированной камеры, внутреннее пространство которой формируют с помощью четырех коаксиальных каналов, из которых первый внутренний коаксиальный канал используют для сжигания угля микропомола, а для угля обычного помола используют третий коаксиальный канал, в то время как второй и четвертый коаксиальные каналы используют для подачи дополнительного воздуха в зону горения угольного топлива. При этом интенсификацию процесса сжигания угольного топлива осуществляют за счет повышения турбулентности и постоянного расширения горячего потока пылеугольной смеси по ходу ее движения, а также за счет расположения внутри коаксиальных каналов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита.
Повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают за счет придания вращательного движения потокам угольного топлива и дополнительного воздуха на начальных участках коаксиальных каналов, а также за счет дополнительного вихреобразования в зоне обтекания торцов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала. Повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают также за счет изменения направления вектора тангенциальной скорости горячего потока пылеугольной смеси внутри последующего коаксиального канала на противоположное относительно направления вектора тангенциальной скорости горячего потока пылеугольной смеси предыдущего коаксиального канала.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству - достигается тем, что устройство для сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке включает камеру поджига с тангенциальным вводом пылеугольной смеси в смесительную камеру с тангенциальным вводом вторичного воздуха и угольного топлива. Отличием его является то, что камера поджига и смесительная камера в данной пылеугольной горелке выполнены в виде единого сквозного расширяющегося отверстия, сформированного при помощи четырех коаксиальных каналов с торцевыми тангенциальными вводами, из которых первый и третий торцевые тангенциальные вводы предназначены для подачи угля микропомола и угля обычного помола, а второй и четвертый торцевые тангенциальные вводы предназначены для подачи вторичного и третичного воздуха, при этом внутри коаксиальных каналов установлены полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита.
Полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала в пылеугольной горелке, установленные внутри коаксиальных каналов, расположены внутри сквозного расширяющегося отверстия последовательно по мере увеличения внутреннего диаметра и с аксиальным зазором друг относительно друга. Полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала, установленные внутри коаксиальных каналов, расположены внутри сквозного расширяющегося отверстия в виде телескопической конструкции с радиальным зазором и перекрытием друг относительно друга.
Указанный технический результат по объекту - устройству достигается также тем, что торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы угля микропомола и угля обычного помола и торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы вторичного и третичного воздуха, установлены идентично друг относительно друга по отношению направления вектора тангенциальной скорости вводимого вращающегося потока. Торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы угля микропомола и угля обычного помола, и торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы вторичного и третичного воздуха, установлены прямо противоположно друг относительно друга по отношению направления вектора тангенциальной скорости вводимого вращающегося потока.
На фиг.1 представлена схема сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке.
На фиг.2 представлен общий вид устройства для сжигания угля микропомола и угля обычного помола.
На фиг.3 и фиг.4 представлены варианты исполнения узлов устройства (вид по стрелке А на фиг.2).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявляемой группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.
Заявленный способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке открывает новые перспективы в теплоэнергетике. И эти надежды специалисты связывают прежде всего с тем, что в ближайшем будущем (до 2030 г.) главным и основным лидером при производстве тепла и электроэнергии останется уголь. При этом новой многообещающей технологией следует считать применение микроугля с механоактивацией. В отличие от стандартного помола (100 мкм) размер частиц угля микропомола составляет 5-40 мкм. Малый размер и большая поверхность микроугольной пыли приводит к высокой интенсивности горения, а дополнительно обнаруженный эффект механоактивации означает еще и снижение температуры воспламенения (Алексеенко С.В. Теплофизические основы новых энергетических технологий // Наука в Сибири, 2008, №15). Однако повышенная взрываемость угольной пыли и большие энергозатраты на микропомол угля (25 КВтч/т) не способствуют очень широкому внедрению этой технологии в промышленность. Предлагаемый способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке позволяет преодолеть эти негативные обстоятельства ввиду того, что не весь уголь, предназначенный для сжигания, подвергают микропомолу, а только его небольшую часть (не более 10%) и непосредственно перед его сжиганием в камере сгорания. Это существенно понижает суммарные энергетические затраты в процессе сжигания угольного топлива и исключает взрыв пылеугольной смеси на стадии подготовки ее к сжиганию. Другим положительным обстоятельством является то, что процесс сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке ведут внутри теплоизолированной камеры, которую формируют с помощью четырех коаксиальных каналов с торцевыми тангенциальными вводами для угольного топлива и дополнительного воздуха. При этом внутри каждого коаксиального канала устанавливают полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита, с помощью которых осуществляют интенсификацию процесса сжигания угольного топлива. При этом полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала не только способствуют снижению потерь тепла, но и способствуют повышению турбулентности и постоянному расширению горячего потока пылеугольной смеси по ходу ее движения. Полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала, как и тангенциальные торцевые вводы, расположенные на входных торцах коаксиальных каналов, обеспечивают круговое вращение угольного топлива и дополнительного воздуха вокруг горизонтальной оси теплоизолированной камеры и тем самым способствуют турбулизации горячего потока пылеугольной смеси в местах ввода дополнительного воздуха в коаксиальные каналы. Следует также заметить, что коэффициент турбулизации горячего потока пылеугольной смеси можно повысить еще за счет изменения вектора тангенциальной скорости потоков дополнительного воздуха на противоположное относительно вектора тангенциальной скорости потоков угольного топлива. При смене направления на противоположное происходит интенсивное перемешивание частиц угольного топлива с воздухом. Результатом такого перемешивания является то, что несгоревшие твердые частицы вовлекаются в сложное вихревое движение и тем самым увеличивают свое пребывание в зоне высокой температуры, а следовательно, и скорость их сгорания также увеличивается.
Данный способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке осуществляют следующим образом. Часть угля после обычного помола направляют в специальное устройство для помола, например, в дезинтегратор [заявка на изобретение №2009125867/06(036033) от 6.07.2009 г., F23B 7/00, G21B 05/00, C01B 13/08], а затем смешивают с воздухом и с помощью тангенциального торцевого ввода подают в первый коаксиальный канал вихревой горелки, где осуществляют поджиг угля микропомола и его предварительное сжигание (фиг.1). Поджиг угля осуществляют известным способом [А.С. №1732119, 1992 г., F23Q 5/00], а коэффициент избытка воздуха в угле микропомола выбирают в пределах α=0,3÷0,5. При этом температуру внутри первого коаксиального канала поддерживают за счет изменения расхода угля микропомола при Т≤750÷800°С. Далее горячий поток пылеугольной смеси направляют во второй коаксиальный канал, в который одновременно вводят вторичный поток воздуха. При встрече двух вихревых потоков происходит их интенсивное перемешивание и частиц угольного топлива с воздухом, в результате которого температура горячего потока возрастает до температуры Т≤1250°С. Затем этот горячий поток подают на вход третьего коаксиального канала. Туда же с помощью тангенциального ввода поступает уголь обычного помола. При этом горячий поток пылеугольной смеси на начальном участке третьего коаксиального канала экранируется вихревым потоком угля обычного помола, что препятствует возгону летучих составляющих огнеупорного материала и одновременно исключает резкое переохлаждение горячего потока при встрече его с потоком угля обычного помола. Далее горячий поток пылеугольной смеси перемешивают с потоком угля обычного помола и направляют в четвертый коаксиальный канал, куда одновременно также с помощью тангенциального ввода направляют поток третичного воздуха с коэффициентом избытка воздуха α=1,2÷1,4, необходимый для полного сгорания угольного топлива. При этом температура горячего потока приближается к своему оптимальному значению Т≤1200°С, а сам процесс сжигания переходит в автотермический режим горения, то есть становится устойчивым и стабильным без дополнительного ввода топлива и воздуха. Такое сжигание угольного топлива исключает образование жидкого шлака и не способствует появлению агрессивных газов (NOx, SOx, COx и др.). При этом изменяется коэффициент избытка воздуха в четвертом коаксиальном канале. Можно подавлять любую нестабильность процесса горения, которая, как правило, возникает при сжигании угольного топлива с малой теплотворной способностью и повышенной зольностью (бурых углей).
Для осуществления заявляемого способа сжигания угля микропомола и угля обычного помола предлагается устройство - новая конструкция пылеугольной горелки для одновременного сжигания угля микропомола и угля обычного помола. Предлагаемая пылеугольная горелка включает первый коаксиальный канал 1 (фиг.2) с тангенциальным вводом 2, второй коаксиальный канал 3 с тангенциальным вводом 4, третий коаксиальный канал 5 с тангенциальным вводом 6, четвертый коаксиальный канал 7 с тангенциальным вводом 8 и подсоединительным фланцем 9, устройство поджига 10 и полые цилиндрические обечайки 11, 12, 13, 14, выполненные из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например, пирографита и установленные внутри коаксиальных каналов по мере увеличения их внутреннего диаметра. При этом полые цилиндрические обечайки 11, 12, 13, 14 могут быть установлены как последовательно с аксиальными зазорами друг относительно друга (фиг.1), так и с радиальными зазорами и перекрытием друг относительно друга (фиг.2).
Тангенциальные торцевые вводы 2, 6 для ввода угля микропомола и угля обычного помола могут быть установлены идентично по направлению движения угольного топлива с тангенциальными торцевыми вводами 4, 8 для ввода в коаксиальные каналы вторичного и третичного воздуха (фиг.3). Также тангенциальные торцевые вводы 2, 6 для ввода угля микропомола и угля обычного помола могут быть установлены прямо противоположно по направлению движения угольного топлива относительно тангенциальных вводов 4, 8 для ввода вторичного и третичного воздуха (фиг.4). То есть направление вектора тангенциальной составляющей вихревых потоков угля микропомола и угля обычного помола совпадает с направлением вектора тангенциальной составляющей вихревых потоков вторичного и третичного воздуха и направлено, например, против часовой стрелки (как это показано на фиг.3). А в другом варианте направление вектора тангенциальной составляющей вихревых потоков угля микропомола и угля обычного помола прямо противоположно направлению вектора тангенциальной составляющей вихревых потоков вторичного и третичного воздуха и направлены, например, против часовой стрелки и по часовой стрелке соответственно для потоков угольного топлива и потоков дополнительного воздуха (как это показано на фиг.4).
Следует отметить, что сами подсоединительные фланцы тангенциальных торцевых вводов могут быть расположены относительно горизонтального уровня произвольно, но, по мнению авторов, более целесообразно подсоединительные фланцы тангенциальных торцевых вводов для ввода угольного топлива располагать горизонтально и над корпусом пылеугольной горелки, а подсоединительные фланцы тангенциальных торцевых вводов для ввода воздуха также располагать горизонтально, но под корпусом угольной горелки.
Пылеугольная горелка для сжигания угля микропомола и угля обычного помола работает следующим образом. Включаются мельничный и дутьевой вентиляторы. Открывается шибер тангенциального ввода 4 для вторичного воздуха, включается устройство поджига 10 и открывается шибер тангенциального ввода 2 для ввода угля микропомола в коаксиальный канал 1. После воспламенения угля микропомола и прогрева полых цилиндрических обечаек 11, 12 открывается шибер тангенциального ввода 8 для ввода третичного воздуха и шибер тангенциального ввода 6 для ввода угля обычного помола в коаксиальный канал. При этом шибер тангенциального ввода 6 сначала открывается только частично, в то время как шибер тангенциального ввода 8 для ввода третичного воздуха в коаксиальный канал открывается полностью. После разогрева полых цилиндрических обечаек 13, 14 шибер тангенциального ввода 6 для ввода угля обычного помола открывается полностью, а шибер тангенциального ввода 8 для ввода третичного воздуха остается в прежнем состоянии. После выхода пылеугольной горелки на заданный уровень температуры горячего потока газовой смеси шибер тангенциального ввода 8 для третичного воздуха постепенно начинают прикрывать, тем самым переводят процесс сжигания угольного топлива внутри пылеугольной горелки в автотермический режим, то есть в устойчивое горение при Т≥1200°С без добавления угольного топлива. При этом устройство поджига 10 после перехода пылеугольной горелки в автотермический режим горения выключают или переводят в дежурный режим работы. После окончания работы или при аварийном отключении пылеугольной горелки сначала закрывают шибер тангенциального ввода для ввода угля обычного помола, затем шибер тангенциального ввода 2 для ввода угля микропомола и только после этого последовательно закрывают шибера на тангенциальных вводах 4, 8 для ввода вторичного и третичного воздуха. Такая вынужденная последовательность при ее выключении и запуске гарантирует безаварийную работу в процессе эксплуатации, в том числе и в нештатном режиме.
Технический эффект от использования предложенной группы изобретений состоит в следующем.
Предложенный способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке позволяет добиться более полного сгорания угольного топлива с максимальным выделением горючих газов из него и минимальным образованием вредных газов (NOx, SOx, COx и др.). Устройство для его реализации - пылеугольная горелка для одновременного сжигания угля микропомола и угля обычного помола конструктивно существенно упрощена, а ее технические и эксплуатационные параметры улучшены. Порядок ее запуска и выключения в процессе эксплуатации очень просты и исключают любые нежелательные последствия даже при ее аварийном отключении. Возгон летучих металлов и образование жидких шлаков в ней также исключены при любом режиме ее работы.
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при сжигании угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке по новой технологии;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретений, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений, при их осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущества заявляемой группы изобретений состоят в том, что использование способа и устройства для сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке существенно улучшают процесс сжигания угольного топлива и уменьшают все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокое качество горения угольного топлива (без использования мазута и газа для подсветки) и высокую эффективность в сочетании с высокой надежностью в процессе эксплуатации.
1. Способ сжигания угля микропомола и угля обычного помола в пылеугольной горелке, включающий ввод угольного топлива и воздуха и интенсификацию процесса сжигания, отличающийся тем, что процесс сжигания угольного топлива осуществляют внутри теплоизолированной камеры, внутреннее пространство которой формируют с помощью четырех коаксиальных каналов, из которых первый внутренний коаксиальный канал используют для сжигания угля микропомола, а для угля обычного помола используют третий коаксиальный канал, в то время как второй и четвертый коаксиальные каналы используют для подачи дополнительного воздуха в зону горения угольного топлива, при этом интенсификацию процесса сжигания угольного топлива осуществляют за счет повышения турбулентности и постоянного расширения горячего потока пылеугольной смеси по ходу его движения, а также за счет размещения внутри коаксиальных каналов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита.
2. Способ сжигания по п.1, отличающийся тем, что повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают за счет придания вращательного движения потокам угольного топлива и дополнительного воздуха на начальных участках коаксиальных каналов, а также за счет дополнительного вихреобразования в зоне обтекания торцов полых цилиндрических обечаек из огнеупорного и малотеплопроводного материала.
3. Способ сжигания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что повышение турбулентности горячего потока пылеугольной смеси обеспечивают за счет изменения направления вектора тангенциальной скорости горячего потока внутри последующего коаксиального канала на противоположное относительно направления вектора тангенциальной скорости горячего потока предыдущего коаксиального канала.
4. Пылеугольная горелка для сжигания угля микропомола и угля обычного помола, включающая камеру поджига с тангенциальным вводом пылеугольной смеси и смесительную камеру с тангенциальным вводом вторичного воздуха и угольного топлива, отличающаяся тем, что камера поджига и смесительная камера выполнены в виде единого сквозного расширяющегося отверстия, сформированного при помощи четырех коаксиальных каналов с торцевыми тангенциальными вводами, из которых первый и третий торцевые тангенциальные вводы предназначены для подачи угля микропомола и угля обычного помола, а второй и четвертый торцевые тангенциальные вводы предназначены для подачи вторичного и третичного воздуха, при этом внутри коаксиальных каналов установлены полые цилиндрические обечайки из огнеупорного и малотеплопроводного материала, например пирографита.
5. Пылеугольная горелка по п.4, отличающаяся тем, что полые цилиндрические обечайки, установленные внутри коаксиальных каналов, расположены внутри сквозного расширяющегося отверстия последовательно по мере увеличения внутреннего диаметра и с аксиальным зазором относительно друг друга.
6. Пылеугольная горелка по п.4, отличающаяся тем, что полые цилиндрические обечайки, установленные внутри коаксиальных каналов, расположены внутри сквозного расширяющегося отверстия в виде телескопической конструкции с радиальным зазором и перекрытием относительно друг друга.
7. Пылеугольная горелка по п.4, отличающаяся тем, что торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы угля микропомола и угля обычного помола, и торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы вторичного и третичного воздуха, установлены идентично относительно друг друга по отношению направления вектора тангенциальной скорости вводимого вращающегося потока.
8. Пылеугольная горелка по п.4, отличающаяся тем, что торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы угля микропомола и угля обычного помола, и торцевые тангенциальные вводы, предназначенные для ввода в коаксиальные каналы вторичного и третичного воздуха, установлены прямо противоположно относительно друг друга по отношению направления вектора тангенциальной скорости вводимого вращающегося потока.
