Спосіб плазмового розпалу та стабілізації горіння пилевугільного факелу

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела преимущественно с помощью плазмотронов косвенного действия и фиксацией средней длины уступа межэлектродной вставкой в пылеугольных горелках котлов ТЭС. Недостатком этого способа является нестабильность горения факела, низкий к.п.д. процесса при высоком расходе мазута. Наиболее близким по технической сущности является способ плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, при котором в розжиговую горелку вводят плазмотрон и вдувают воздушную плазменную струю в закрученный спутный поток пылеугольной аэросмеси. В основу настоящего изобретения положена задача усовершенствования способа плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, в котором воздушную плазменную струю вдувают непосредственно в топку котла с температурой струи в диапазоне 2500-4000К, а расход плазмообразующего газа поддерживают равным отношению G = (0,02-0,09)G1, где G 1 -расход воздуха на одну горелку, и за счет этого снижается расход мазута, повышается к.п.д. всего процесса в топочных устройствах, а также обеспечивается стабильность горения факела. Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе, включающем введение плазмотрона в розжиговую ' горелку, вдувание воздушной плазменной струи в закрученный спутный поток пылеугольной аэросмеси, согласно изобретению воздушн ую плазменную струю вдувают непосредственно в топку котла с температурой струи в диапазоне 2500-4000К, а расход плазмообразующего газа поддерживают равным отношению G = (0,02-0,09}Gi, где Gi - расход воздуха на одну горелку, при этом закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда направляют встречно закрутке пылеугольной аэросмеси. При использовании прямоточной горелки, закрутку газовихревой стабилизации дугового разряда выбирают произвольно. Достигаемый с помощью изобретения технический результат следует усматривать в тесной причинноследственной связи между совокупностью признаков: - при вдувании воздушной плазменной струи непосредственно в топку котла в спутном потоке с пылеугольной аэросмесью идет интенсивное смешение плазмы с угольной аэросмесью и поддерживается стабильное горение пылеугольного факела в топке котла без дополнительной подачи мазута, что позволяет увеличить к.п.д. процесса; так как вся энергия плазмы передается факелу в топке; - установление среднемассовой температуры ts струи плазмы в диапазоне 2500-4000К обеспечивает стабильность горения дугового разряда; - поддержание расхода плазмообразующего газа G и расхода воздуха G 1 на одну горелку в соотношении равным: G =(0,02-0,09)G1 обеспечивает стабильный режим горения пылеугольного топлива в потоке котла при наименьших энергозатратах, стабильном режиме работы и оптимальном к.п.д. - за счет встречного направления закрутки газовихревой стабилизации дугового разряда к направлению закрутки пылеугольной аэросмеси пограничный слой вокруг плазмы разрушается и идет интенсивное проникновение глобул плазмы в поток пылеугольной аэросмеси и частиц угля в плазму, при этом частицы угля интенсивно разогреваются, газифицируются и, воздействуя с кислородом воздуха, возгораются, что обеспечивает стабильное горение пылеугольного факела, увеличение к.п.д. процесса; - при использовании заявляемого способа для прямоточных горелок закрутка газовихревой стабилизации дугового разряда выбирается произвольно, при этом обеспечивается технический результат, эквивалентный вышеприведенному. Таким образом, в совокупности эти признаки обеспечивают снижение расхода мазута, повышение к.п.д. и стабильность горения факела. На чертеже представлено устройство для осуществления способа. Устройство состоит из основной горелки Г с патрубками подвода пылеугольной аэросмеси 2 и воздуха 3 через завихритель-4 в топку котла. Внутри основной горелки размещена роз^киговая горелка 5, в которой установлен с возможностью перемещения плазмотрон 6 косвенного действия с газовихревой стабилизацией дугового разряда. Плазмотрон снабжен системой питания 7 с температурным регулятором 8, системой охлаждения водой 9. Регуляторы расхода плазмообразующего газа 10 и воздуха 11 подключены к соответствующим источникам питания. Способ реализуется следующим образом. Косвенного действия плазмотрон 6 с газовихревой стабилизацией и фиксацией средней дуги' уступом вводят в розжиговую горелку 5 по направлению к топке котла и подводят его к срезу и фиксируют. После фиксации плазмотрона 6 через регулятор расхода плазмообразующего газа 10 и, систему охлаждения водой 9 подают плазмооб-разующий газ и охлажденную воду, включают электропитание 7 и возбуждают дуговой разряд в канале плазмотрона. Одновременно на осевую горелку 1 подают пылеугольную аэросмесь и через завихритель 4 вдувают в топку котла. Изменяют ток дуги плазмотрона и устанавливают через температурный регулятор 8 рабочую среднемассовую температуру плазмы равную 2500-4000К и вдувают плазму спутно с потоком пылеугольной аэросмеси непосредственно в топку котла в основание факела. Указанный температурный диапазон определен экспериментально. Нижний предел ts ' 2500К обусловлен стабильностью горения дугового разряда. При интенсивном охлаждении дуги в канале плазмотрона, дуговой разряд нестабилен, происходит периодическое погасание плазмотрона, а вместе с ним и пылеугольного факела. Так, например, при ts - 2800К амплитуда пульсаций тока дугового разряда Дід достигает величины 5060 А и при ts m 2200K плазмотрон периодически гаснет. Следует отметить, что при уменьшении ts, к.п.д. плазмотрона увеличивается до 0,92-0,94. При увеличении ts стабильность горения дуги в плазмотроне (горение пылеуголь-ного факела) возрастает и при ts = 2500 К, DIд - 7-15 А. Дальнейшее повышение ts > >2500К ощутимого влияния на снижение DIд не оказывает, однако более интенсивно идут процессы горения в пылеугольном факеле, уменьшается недбжог, при этом снижается к.п.д. плазмотрона. Экспериментально установлено, что при ts = 3000K, к.п.Д. плазмотрона равен 0,85-0,88, при ts = 4000К, к.п.д, 0,77-0,8. Для дальнейшего увеличения ts требуется увеличивать ток дугового разряда до величины более 600 А, что приводит к резкому снижению ресурса электродов плазмотрона и выходу его из.строя, что в конечном итоге снижает стабильность и понижает экономические показатели процесса. Так, например, при ts - 4300К, к.п.д. плазмотрона снижается до 0,67-0,7, а ресурс катода уменьшается до 20 часов. После установления температуры плазмообразующего газа устанавливают посредством регуляторов расхода плазмообразующего газа 10 и воздуха 11 расход плазмообразующего газа G в зависимости от расхода воздуха Gi в пределах (0,02-0,09)G1 на одну горелку. Известно, что мощность плазмотрона зависит от тока дуги, длины дуги, расхода плазмообразующего газа и DIд. Кроме того, большая электрическая мощность, вложенная в малый расход плазмообразующего газа, не будет эффективно использоваться, т.к. в топках и горелках основные процессы смешения зависят от скорости движения масс, которые в свою очередь зависят от расхода. Поэтому в заявляемом способе и рассматривается расход газа и его температура, т.к. только масса газа, нагретого до определенной температуры, позволяет поддерживать процесс горения пылеугольного типа в топке котла. Исходя из общих рассуждений, приведенных выше, экспериментально установлено, что стабильный режим горения пылеугольной аэрозоли (факела) в топке котла при наименьших энергозатратах и стабильном режиме работы плазмотрона осуществляется при соотношении расхода плазмообразующего газа G и расхода воздуха на горение G1, равном G - (G,02-0,09)G1. В указанном диапазоне наблюдаются стабильные режимы дугового разряда в плазмотроне и пылеугольного факела в топке без использования мазута и других добавок (в т.ч. природного газа и пр.) при оптимальном к.п.д. Экспериментально установлено, что при уменьшении G снижаются удельные энергозатраты на 1 т условного топлива (У,Э.Т.У.Т.), но снижается стабильность горения факела, а также уменьшается к.п.д. плазмотрона. Так, например, при G - 0.01G УЭТУТ составляют 8-9 кВт/ч, но горение факела не стабильно, происходит'перирдическое погасание факела, при G = 0,02G1, энергозатраты возрастают до 1.6-20 кВт-ч, повышается стабильность горения факела. К.п.д. плазмотрона увеличивается и достигает величины 0,830,86. При увеличении G до G = 0,05G 1 к.п.д. плазмотрона возрастает до 0,88-0,9, стабильность режима горения дуги и факела возрастают, однако УЭТУТ увеличиваются до 20-30 кВт/ч. Дальнейшее увеличение G 0,09G1 стабилизирует горение факела еще в большей степени (при поддержании среднемассовой температуры плазмы в заявляемом диапазоне) к.п.д, плазмотрона повышается до 0,92-0,94, однако УЭТУТ возрастает до 30-40 кВт/ч и при G - 0,12G1, УЭТУТ достигает величины 50-70 кВт/ч. После стабилизации горения закрученного факела направление закрутки газовихревой стабилизации дугового разряда плазмотрона и закрученного факела устанавливают встречными. При стабилизации горения факела прямоточной горелки направление закрутки газовихревой стабилизации дуги выбирают произвольно. Плазменная закрученная струя распространяется внутри пылеугольного потока аэросмеси, интенсивно перемешивается с ним, частицы угля проникают из периферийной области в плазму, интенсивно разогреваются, газифицируются и, взаимодействуя с кислородом воздуха, возгораются. При этом, за счет встречного направления закрутки плазмы и потока пограничный слой вокруг плазмы разрушается и идет интенсивное проникновение глобул плазмы в поток и потока частиц угля в плазму. Из литературы известно, что при течении плазмы внутри вихревого потока уже при отношении х/Д0,1 (где х - осевая координата потока, Д - внутренний диаметр вихревого потока), осевая температура плазмы уменьшается почти в 5 раз, что свидетельствует об интенсивном смешении плазмы с потоком. Экспериментально установлено, что осевая температура плазмы на срезе сопла достигает значения 4500-5500°К и при истечении ее в атмосферу осевые динамический напор Ро и температура То изменяются по закону: T, P - текущие температура и динамический напор по длине струи; Iс - осевая координата струи; dc - выходной диаметр сопла плазмотрона. Анализ приведенных формул показывает, что плазменные струи в отличие от обычных подогретых газовых более интенсивно смешиваются с окружающей средой и уже на расстоянии 1с = 4-5 идет выравнивание профилей температур и выравнивание температуры по длине струи. При этом осевая температура уменьшается в 2-3 раза. Далее интенсивность спада температуры по оси замедляется. Т.е. при вдувании плазмы непосредственно в топку котла в спутном потоке с пылеугольным топливом идет интенсивное смешение плазмы с угольной аэросмесью и поддерживается стабильное горение пылеугольного факела в топке котла без дополнительной подачи мазута, что позволяет увеличить К.П.Д. процесса, т.к. вся энергия плазмы передается пылеугольному факелу в топке. При встречном направлении закрутки плазменной струи и факела УЭТУТ в связи с интенсификацией процессов смешение плазмы с пылеугольной аэросмесью снижается на 8-12%. Изменение направления закрутки плазмы при стабилизации прямоточной горелки снижения УЭТУТ не обнаружено. Заявляемый способ реализован в условиях Молдавской ГРЭС. Устанавливали расход пылеугольного топлива через горелку 4000 кг/час, а коэффициент избытка воздуха a - 0,20 (G1 = 4800 кг/час), устанавливали расход плазмообразующего воздуха G-0,25G1, что составило G - 120 кг/час и устанавливали среднемассовую температуру плазмы 2500К путем поддержания тока дуги 220 А. Устанавливали расход пылеугольного топлива через горелку 4000 кг/час, коэффициент избытка воздуха a = 0,20 (G1 - 4800 кг/час), устанавливали расход пылеобразу-ющего воздуха G.= 0,25G1 , что составило G - 120 кг/час и устанавливали среднемассовую температуру плазмы 2500К путем поддержания тока дуги 220 А при рабочем напряжении 500 В. Коэффициент полезного действия плазмотрона составил 0,9. Указанные рабочие,режимы устанавливали после перемещения плазмотрона внутри горелки по направлению к топке и ввода анода плазмотрона в топку. Вдували плазму непосредственно в топку внутри пылеугольного факела, при этом направление закрутки плазмообразующего газа в закрутки пылеугольной смеси было встречным. При заявленных параметрах наблюдалось стабильное горение факела в течение 60 часов. Таким образом, проведенные результаты показывают, что при использовании заявляемого способа достигается технический результат, выражающийся в том, что возможно разжигать и стабилизировать горение пылеуголъного факела без использования мазута и других топлив, при этом осуществляется стабильное горение факелов, коэффициент полезного действия плазмотрона увеличивается на 20%.