Пальниковий пристрій для спалювання пиловугільного палива

1. Пальниковий пристрій для спалювання пиловугільного палива, який містить камеру попереднього згоряння низькосортного вугілля, паливопідвідний вузол з пилоповітряними каналами, форсунку з концентрично розташованими газовим і повітряним каналами, газові сопла, який відрізняється тим, що внутрішню поверхню камери попереднього згоряння виконано термостійкою теп C2 2 (19) 1 3 каналами, газові сопла. Пристрій також включає сепаратор із млином, пиловідокремлювач та дуттьовий вентилятор, а також пиловугільні і установлені нижче рівня пилових, додаткові канали (пальника) для спалювання високореакційного палива. Недолік пристрою полягає у складності організації трудомісткого процесу термохімічної обробки пиловугільного палива, а також неоптимальному використанні для газифікації процесу дорогого дефіцитного високореакційного палива. Відомий пристрій для спалювання пиловугільного палива (патент РФ № 2174649, F23D 1/00, 2001), який містить камеру згоряння пиловугільного палива, паливопідвідний вузол з пилоповітряними і повітряними каналами, форсунку з концентрично розташованими газовим і повітряним каналами, газові сопла. Пристрій оснащений двома симетрично розміщеними рідинопаливними або газовими пальниками, установленими перед щілиноподібним патрубком подачі пилоподібної суміші, при цьому обмурування камери виконане випромінюючим. Найбільш близьким за технічною суттю є пальниковий пристрій для спалювання пиловугільного палива (патент РФ № 2306482, F23С 1/12, F23C 5/08, 2007 р.), який містить камеру згоряння низькосортного вугілля, паливопідвідний вузол з пилоповітряними і повітряними каналами, форсунку з концентрично розташованими газовим і повітряним каналами, газові сопла. Пристрій включає горизонтальні симетричні верхній і нижній пилоповітровивідні канали рівновеликого круглого перерізу, розділені горизонтальним перерізом (площиною) симетрії, розташовані симетрично площини цього перерізу відповідно над і під верхнім і нижнім пилоповітровивідними каналами, горизонтальні верхній і нижній повітровивідні канали рівновеликого перерізу, а також розміщені навколо повітря вивідних каналів газові сопла, причому пилоповітровивідні канали розміщені з міжосьовою відстанню 1,052,5 діаметра пилоповітровивідних каналів, а повітровивідні із зсувом відносно пилоповітровивідних на 1,1-1,5. Конструктивне виконання пристрою не дозволяє здійснювати стабільне запалення і ефективне спалювання пиловугільного палива, оскільки потребує підвищених температур у зоні стартового факела, що ускладнено через значні втрати тепла на теплообмінних поверхнях конструктивних елементів. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою для спалювання пиловугільного палива, шляхом проведення процесу у модернізованому пристрої з додатково введеними конструктивними елементами та їх розміщенням, що дозволяє реалізувати заданий температурний режим при строгому дотриманні пропорцій взаємодіючих компонентів пиловугільного палива з оптимальною витратою високореакційного палива, за рахунок чого досягнуте стабільне запалення, стійке горіння та ефективне спалювання пиловугільного палива з оптимальним використанням природного газу та низькими рівнями викидів. 97164 4 У пальниковому пристрої для спалювання пиловугільного палива, що містить камеру попереднього згоряння низькосортного вугілля, паливопідвідний вузол з пилоповітряними каналами, форсунку з концентрично розташованими газовим і повітряним каналами, газові сопла, згідно з винаходом, внутрішня поверхня камери попереднього згоряння виконана термостійкою теплоізолюючою, паливопідвідний вузол пальникового пристрою включає різновеликі підвідні канали, на виході оснащені напрямними апаратами та установлені осесиметрично до розміщеної на вході у камеру попереднього згоряння газової форсунки, внутрішній з яких з'єднаний з камерою попереднього згоряння, а периферійний - з топкою котла, на вході газового каналу форсунки установлений сопловий апарат з набором сопел, розміщених по колу, а на вході повітряного - завихрювач із лопатками, установленими під кутом 15-25° до набігаючого потоку і перфорованим конічним насадком, при цьому площа перерізу внутрішнього пилоповітряного каналу паливопідвідного вузла становить 0,30,4 від загальної площі перерізу підвідних пилоповітряних каналів при співвідношенні довжини камери попереднього згоряння до її діаметра 4,87-5,0. Крім того, у пристрої камера попереднього згоряння, що виконана з внутрішньою поверхнею у вигляді термостійкого теплоізолюючого покриття, включає шар каталізатора процесу горіння. Внутрішня поверхня камери попереднього згоряння виконана термостійкою теплоізолюючою для досягнення високих температур у зоні стартового факела і запобігання відведення тепла із зони горіння, тобто ефективного проведення процесу в пристрої заданого конструктивного виконання. Паливопідвідний вузол пальникового пристрою включає різновеликі підвідні канали на виході оснащені напрямними апаратами і установлені осесиметрично до розміщеної на вході у камеру попереднього згоряння газової форсунки, внутрішній з яких з'єднаний з камерою попереднього згоряння, а периферійний - з топкою котла, дозволяє згідно з площею прохідних перерізів каналів дозувати об'єми подачі пиловугільного палива з оптимальним співвідношенням пропорцій для досягнення високих температур у зоні стартового факела, що сприяє стабільному запаленню, стійкому горінню і ефективному спалюванню пиловугільного палива з оптимальним використанням природного газу. На виході газового каналу форсунки встановлений сопловий апарат з набором сопел, розміщених по колу, а на виході повітряного - завихрювач із лопатками, встановленими під кутом 15-25° до набігаючого потоку і перфорованим конічним насадком, що дозволяє досягати ефективного розпилу для стабільного запалення, стійкого горіння та ефективного спалювання пиловугільного палива з оптимальним використанням природного газу. Площа перерізу внутрішнього пилоповітряного каналу паливопідвідного вузла становить 0,30,4 від загальної площі перерізу підвідних пилоповітряних каналів при співвідношенні довжини камери попереднього згоряння до її діаметра 4,85,0, тобто при заданих співвідношеннях розмірів каналів 5 паливопідвідного вузла, пиловугільних і повітряних, а також розмірів співвідношень камери попереднього згоряння, запропонованого кута атаки установлених лопаток завихрювача з перфорованим конічним насадком, можливе регулювання пропорцій компонентної суміші для оптимального ведення процесу, що сприяє стабільному запаленню, стійкому горінню та ефективному спалюванню пиловугільного палива з мінімальним використанням природного газу. Камера попереднього згоряння із внутрішньої сторони покрита термостійким теплоізолюючим матеріалом, на поверхні якого розміщений шар каталізатора процесу горіння, що сприяє зниженню токсичних та канцерогенних викидів. На кресленні зображений загальний вигляд пальникового пристрою для спалювання низькосортного вугілля. Пальниковий пристрій для спалювання пиловугільного палива містить камеру 1 попереднього згоряння, газову форсунку 2 з концентрично розташованими газовим 3 і повітряним 4 каналами, розміщену на вході у камеру 1 попереднього згоряння, внутрішня поверхня якої виконана з термостійким і теплоізолюючим покриттям 5 для досягнення високих температур у зоні стартового факела та запобігання відводу тепла із зони горіння. Паливопідвідний вузол пальникового пристрою включає різновеликі підвідні канали, внутрішній 6 і периферійний 7. На виході канали 6, 7 оснащені напрямними апаратами 8, 9 відповідно і установлені осесиметрично газовій форсунці 2. При цьому, внутрішній канал 6 з’єднаний з камерою попереднього згоряння 1, а периферійний канал 7 установлений з охопленням камери 1 і через напрямний апарат 9 на виході з’єднаний з топкою котлоагрегату (на кресл. не показаний). На виході газового каналу 3 форсунки 2 установлений сопловий апарат 10 з набором сопел, що розміщені кільцем по колу. На виході повітряного каналу установлені завихрювач 11, лопатки якого розміщені під кутом 15-25° до набігаючого потоку, і перфорований конічний насадок 12. Для пропорційної подачі компонентів площа прохідного перерізу внутрішнього пилоповітряного каналу 6 паливопідвідного вузла становить 0,30,4 від загальної площі прохідного перерізу обох підвідних пилоповітряних каналів 6 і 7. Камера 1 виконана циліндричною довжиною Lk. Співвідношення довжини камери 1 Lk до її внутрішнього діаметра Dk для оптимальної витрати високореакційного палива (газу) вибирають 4,85,0. За результатами досліджень розміри конструктивних елементів при такому виконанні обумовлені часом існування вільних радикалів в зоні запалення стартового факела. Форсунка 2 також оснащена центральним каналом 13 для візуального контролю за процесами, що відбуваються усередині форсунки при визначенні характеру горіння пиловугільного потоку. Пальниковий пристрій включає розміщений у камері1 канал 14 для подачі вторинного повітря. Для досягнення низьких рівнів викидів токсичних і канцерогенних речовин камера 1 попереднього згоряння на внутрішній термостійкій теплоізолюю 97164 6 чій поверхні 5 містить шар каталізатора процесу горіння. Робота запропонованого пристрою здійснюється у такий спосіб. У сталому режимі роботи котлоагрегату підготовлене пиловугільне паливо у кількості меншої частини пилоповітряним потоком подається внутрішнім каналом 6 в камеру попереднього згоряння 1, на вході якої за допомогою напрямного апарата 8 утворюється турбулізована вихороподібна течія уздовж камери 1. Одночасно більша частина пиловугільної аеросуміші периферійним каналом 7, через напрямний апарат 9 турбулізованим потоком направляється у топку котла, куди каналом 14 подається вторинне повітря. Ініціювання процесу горіння палива в камері 1 здійснюється за допомогою факела високореакційного газового палива, що разом з повітряним потоком у стехіометричному співвідношенні з ним подається форсункою 2. Газ та повітря надходять каналами 3 і 4 відповідно. При цьому повітря турбулізується за допомогою напрямного апарата 11, а газ надходить через сопловий апарат 10, на виході з якого формується факел з температурою 1500-1750 К. Через перфорований конічний насадок 12 продукти згоряння газу подаються на взаємодію із внутрішнім потоком пиловугільної суміші в камері 1 попереднього згоряння. При цьому вугільний пил, прогріваючись із високою швидкістю, частково газифікується (до 50 % його кількості), і загальна температура в камері 1 зростає до 1250 К. Утворена суміш продуктів згоряння газу, газифікації та непрореагованого вугільного пилу з високою реакційною здатністю за рахунок наявності вільних радикалів, вийшовши з камери 1 попереднього згоряння, у топці котла згоряє разом з пиловугільними потоками, що надходять з периферійного каналу 7 і повітрям та подаваним через канал 14 подачі вторинного повітря. Час перебування продуктів згоряння в камері 1 при взаємодії з каталізатором горіння нанесеним на шар 5 теплоізольованої внутрішньої стінки камери 1, за їхнього надходження до факела котла, становить орієнтовно 100 мс. Це відповідає часу перебування високореакційних проміжних продуктів і радикалів при температурі порядку 1500 К, які, потрапляючи в корінь основного факела, а потім у топку котла, підвищують стійкість горіння палива при коефіцієнті надлишку повітря близького до =1. За результатами розрахунково-теоретичних досліджень термохімічних і газодинамічних процесів, які реалізуються при спалюванні низько реакційного вугілля в пристрої запропонованого вигляду, розроблено математичну модель течії та тепломасообміну двофазного дисперсного багатокомпонентного хімічно реагуючого середовища у плазмохімічному реакторі. В процесі моделювання хімічних реакцій з кількісним вмістом природного газу були cпрогнозовані поля швидкостей і температур потоків пилоповітровугільної суміші. За розробленою методикою досліджено аеродинаміку факелів та процесів фізико-хімічних перетворень в паливних сумішах, які включали вугільний пил марки АШ у широкому діапазоні дисперсного складу та метану. 7 97164 На основі результатів розрахунковотеоретичних досліджень процесів кінетики горіння та аеродинаміки потоку аеросуміші, виконаних з використанням функції густини розподілу імовірності, описана статистична взаємодія хімічних процесів і турбулентності потоку. Усереднені значення узагальненої змінної (температури, концентрації, тиску) розраховувалися за формулою   1    ()d , ( )   p( )d ,   0 де () - функція густини розподілу імовірності, яка описує імовірність перебування значення змінної в інтервалі  та    та апроксимується -функцією. За результатами розрахунків, виконаних для варіанта вхідної температури компонентів Твх=500 К, були побудовані діаграми з визначення полів температур, ліній струму і концентрацій компонентів. Саме на підставі аналізу даних розрахунків визначені геометричні співвідношення елементів конструкції та аеродинамічних завихрювачів плазмохімічного реактора, що закладені у конструкцію запропонованого пристрою. Так, час існування радикалів у камері 1 визначає її геометрію, тобто співвідношення її довжини Lk і внутрішнього діаметра Dk. Дослідження показали, що найменша витрата допоміжного газового Параметри процесу спалювання пиловугільного палива Температура у зоні стартового факела Масова частка підсвіточного палива (СН4) Дисперсія масової частки палива (СН4) Масова частка продуктів газифікації вугілля Дисперсія масової частки продуктів газифікації вугілля Масова частка О2 При використанні пристрою у запропонованому конструктивному виконанні можлива реалізація спалювання низькосортного пиловугільного палива на рівні оптимальних параметрів проведення 8 палива при коефіцієнті надлишку повітря =1 відповідає співвідношенню довжини камери Lk до її діаметра Dk у діапазоні Lk/Dk=4,85,0. Стабільний режим запалювання у камері 1 попереднього згоряння потребує певного і стабільного проходження потоків аеросуміші через внутрішній 6 і периферійний 7 канали з подачею у зону стартового факела високореакційного палива газоповітряного складу через форсунку, виконану з перфорованим конічним насадком, сопла газового каналу якої розміщені по колу, а повітряного, оснащеного завихрювачем з лопатками, встановленими під кутом 15-25°С до набігаючого потоку. Установлено, що оптимальний режим роботи камери 1 при мінімальній витраті газового палива - 25 % розрахунком від загального тепловиділення, вимагає певного співвідношення перерізів підвідних внутрішнього 6 і периферійного 7 потоків пиловугільної суміші. При цьому оптимальне співвідношення площин перерізів внутрішнього потоку до загального становить 0,30,4. Експериментальні та чисельні дослідження показують, що умови проведення процесу в пристрої запропонованого конструктивного виконання забезпечується стійке запалення і ефективне спалювання низькосортного вугілля зі зниженими рівнями екологічно небезпечних викидів. Значення параметра при оптимальному режимі спалювання 1750 К 1 0,0513 0,08396 0,000544 0,232 процесу, що істотно підвищує ефективність використання допоміжного висококалорійного палива, параметричну надійність і ресурс роботи, паливну економічність і екологічну безпеку. 9 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 97164 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601