Спосіб плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела

1. Спосіб плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела шляхом введення в розпалювальний пальник горючого газу і спалювання його безпосередньо в топці котла в закрученому супутньому потоці пиловугільної аеросуміші, який відрізняється тим, що горючий газ, що містить суміш монооксиду вуглецю і водню, одержують шляхом повітряної, парової чи кисневої плаз U 1 3 34505 4 в закручений супутній потік пиловугільної аеросуокремому реакторі в плазмі середньої точки багаміші, а повітряно - плазмовий струмінь вдувають тофазної системи дуг змінного струму. безпосередньо в топку котла з температурою При цьому: струменя в діапазоні 2500...4000К, витрати плаз- відношення масової витрати повітря до мамоутворюючого газу підтримують рівними співвідсової витрати пиловугільного палива в плазмовоношенню му реакторі підтримують і регулюють відповідно у G=(0,02-0,09)G1, межах 3,7...4,8; де G1 - витрати повітря на один пальник, - відношення масової витрати водяної пари до при цьому закрутку газовихорової стабілізації масової витрати пиловугільного палива в плазмодугового розряду направляють зустрічно напряму вому реакторі підтримують і регулюють відповідно закрутки пиловугільної аеросуміші. Окрім того, у межах 1,35... 1,55; напрям закрутки газовихорової стабілізації дугово- відношення масової витрати кисню до масого розряду вибирають довільно. вої витрати пиловугільного палива в плазмовому Однак, відомому способу притаманні такі нереакторі підтримують і регулюють відповідно у доліки. В якості джерела теплоти використовуєтьмежах 0,55...0,78; ся плазмотрон непрямої дії, вбудований в розпа- витрату пиловугільного палива в плазмовому лювальний пальник. Такий плазмотрон має реакторі при повітряній, паровій або кисневій коннизький коефіцієнт корисної дії, малий ресурс елеверсії підтримують і регулюють у межах відповідно ктрода та сопла, обмежену потужність плазмового 0,18...0,3; 0,12...0,21; 0,15...0,27 витрат пиловугільструменя, поганий масообмін плазмового струменого палива в основному пальнику. ня і основного потоку повітряно - пиловугільної На відміну від прототипу, нагрівання пиловугісуміші. При експлуатації плазмотрона виникає льного палива і повітря, водяної пари чи кисню та необхідність частих зупинок процесу для заміни конверсія пиловугільного палива здійснюються в електродів чи плазмотрона в цілому, що неприпусокремому реакторі в плазмі середньої точки багатимо при безперервній роботі енергетичного коттофазної системи дуг змінного струму. ла. Слід також ураховувати складність монтажу При цьому дугові розряди багатофазної сисплазмотрона в існуючих пальниках, конструкція теми дуг горять на середню точку в плазмі, що яких удосконалювалась десятиріччями. виключає великі теплові втрати на сопло, як це В основу корисної моделі покладено задачу має місце у прототипі. В якості електродів викоривдосконалити відомий спосіб плазмового розпалу і стовуються стандартні графітовані електроди, які стабілізації горіння пиловугільного факела за рав міру їх зносу нарощуються в процесі горіння дуг хунок: без їх вимикання. Тепло, яке генерується в плазмі - одержання горючого газу шляхом плазмової стовпів дуг і в середній точці продуктивно викорисконверсії пиловугільного палива в окремому реактовується на нагрівання пиловугільного палива і торі в плазмі середньої точки багатофазної систеповітря, водяної пари чи кисню, а не витрачається ми дуг змінного струму; на нагрівання сопла, як це має місце у прототипі. - вибору оптимальних видів плазмової конверОдержана в результаті конверсії суміш монооксисії; ду вуглецю і водню, вільна від шлаків, які збира- вибору оптимальних співвідношень масових ються у шлаковловлювачі реактора, по трубопровитрат повітря, водяної пари і кисню до витрат водах подається в розпалювальний пальник і пиловугільного палива; спалюється на виході основного пальника безпо- вибору оптимальних співвідношень масових середньо у просторі котла. витрат пиловугільного палива в плазмовому реакВ результаті досягається безперервність проторі до витрат пиловугільного палива в основному цесу розпалу і стабілізації пиловугільного факела, пальнику. великий ресурс електродів, відсутність перегріву Вказані удосконалення відомого способу додеталей і вузлів розпалювального і основного пазволять забезпечити безперервний процес розпальників, високий коефіцієнт корисної дії, незмінлу і стабілізації пиловугільного факела, уникнути ність конструкції окремих вузлів і пальника в цілоперегріву деталей і вузлів розпалювального і осму, висока ефективність масообміну між полум'ям новного пальників, підвищити коефіцієнт корисної спалюваного у розпалювальному пальнику горюдії, значно підвищити ресурс електродів, залишити чого газу і пиловугільної аеросуміші, не зашлакобез зміни конструкцію окремих вузлів і пальника в вуються пальники. цілому, досягти високої ефективності масообміну Відношення масової витрати повітря до масоміж полум'ям спалюваного у розпалювальному вої витрати пиловугільного палива в плазмовому пальнику горючого газу і пиловугільною аеросуміреакторі підтримують і регулюють відповідно у шшю, уникнути зашлаковування пальників. межах 3,7...4,8. Поставлена задача вирішується тим, що у віВідношення масової витрати водяної пари до домому способі плазмового розпалу і стабілізації масової витрати пиловугільного палива в плазмогоріння пиловугільного факела, при якому вводять вому реакторі підтримують і регулюють відповідно в розпалювальний пальник горючий газ і спалюу межах 1,35...1,55. ють його безпосередньо в топці котла в закручеВідношення масової витрати кисню до масової ному супутньому потоці пиловугільної аеросуміші, витрати пиловугільного палива в плазмовому реазгідно з корисною моделлю горючий газ, що міскторі підтримують і регулюють відповідно у межах тить суміш монооксиду вуглецю і водню, одержу0,55...0,78. ють шляхом повітряної, парової або кисневої плаВитрату пиловугільного палива в плазмовому змової конверсії пиловугільного палива в реакторі при повітряній, паровій або кисневій кон 5 34505 6 версії підтримують і регулюють у межах відповідно витрат пиловугільного палива в основному паль0,18...0,3; 0,12...0,21; 0,15...0,27 витрат пиловугільнику відзначається надлишок витрат потужності ного палива в основному пальнику. плазмового реактора на процес конверсії. При цьому досягається оптимальний склад гоОптимальні межі співвідношень масової вирючого газу і, відповідно, потрібна для розпалу і трати повітря, водяної пари або кисню до масової стабілізації горіння пиловугільного факелу потужвитрати пиловугільного палива в плазмовому реаність полум'я. кторі, а також витрат пиловугільного палива в плаПри співвідношенні масової витрати повітря до змовому реакторі до витрат пиловугільного палива масової виграти пиловугільного палива в плазмов основному пальнику визначено експериментальвому реакторі менш ніж 3,7 у конвертованому гоно, тому що знайти точні їх значення шляхом анарючому газі зменшується вміст монооксиду вуглелітичних розрахунків неможливо через великі коцю через нестачу кисню /для повного окислення ливання хімічного складу палива різноманітних вуглецю пиловугільного палива (недопал палива) сортів. і, відповідно, знижується калорійність горючого Суть цієї корисної моделі буде більш зрозумігазу. ла при розгляді прикладів її здійснення та кресПри співвідношенні масової витрати водяної лень, що додаються. На фігурі зображено принципари до масової витрати пиловугільного палива в пову схему пристрою для плазмового розпалу і плазмовому реакторі менш ніж 1,35 у конвертовастабілізації горіння пиловугільного факела. ному горючому газі зменшується вміст монооксиду Спосіб, який пропонується, полягає в наступвуглецю через нестачу кисню для повного окисному. Генерують багатофазну систему дуг зміннолення вуглецю пиловугільного палива (недопал го стр уму з середньою точкою в плазмі 5 за допопалива) і, відповідно, знижується калорійність гомогою плазмово-дугових нагрівачів 1, які рючого газу. встановлені у герметичній камері плазмового реаПри співвідношенні масової витрати кисню до ктора 4. Регулюють і підтримують довжину дуг і масової витрати пиловугільного палива в плазмосилу стр уму дуг, а також положення середньої вому реакторі менш ніж 0,55 у конвертованому точки відносно шлаковловлювача 3. Через фурму горючому газі зменшується вміст монооксиду вуг2 подають у плазму середньої точки дуг суміш полецю через нестачу кисню для повного окислення вітря, водяної пари чи кисню з пиловугільним павуглецю пиловугільного палива (недопал палива) ливом, регулюють і підтримують певне масове і, відповідно, знижується калорійність горючого співвідношення цих компонентів, а також співвідгазу. ношення масових втрат палива в плазмовому реаПри співвідношенні масової витрати повітря до кторі і в основному пальнику. В плазмі середньої масової витрати пиловугільного палива в плазмоточки багатофазної системи дуг змінного струму 5 вому реакторі більш ніж 4,4 у конвертованому гоздійснюють нагрівання суміші повітря, водяної рючому газі зменшується вміст монооксиду вуглепари чи кисню з пиловугільним паливом і повітряцю та збільшується вміст двооксиду вуглецю через ну, парову чи кисневу конверсію пиловугільного надлишкове окислення монооксиду вуглецю вільпалива. В результаті конверсії одержують горючий ним киснем і, відповідно, знижується калорійність газ 6 у вигляді суміші монооксиду вуглецю і водню горючого газу. з домішками метану, азоту та водяної пари. Під При співвідношенні масової витрати водяної тиском надлишку газів, які утворюються в камері 4, пари до масової витрати пиловугільного палива в по трубопроводу 7 горючий газ подається в розпаплазмовому реакторі більш ніж 1,55 у конвертовалювальний пальник 8 основного пальника 11. Гоному горючому газі зменшується вміст монооксиду рючий газ підпалюють на виході розпалювального вуглецю та збільшується вміст двооксиду вуглецю пальника, в результаті чого утворюється факел через надлишкове окислення монооксиду вуглецю розпалювального і стабілізуючого полум'я 12. В вільним киснем і, відповідно, знижується калорійосновний пальник 11 через завихрювач 9 подаєтьність горючого газу. ся пиловугільна аеросуміш 10, яка запалюється і При співвідношенні масової витрати кисню до горить під дією розпалювального і стабілізуючого масової витрати пиловугільного палива в плазмополум'я 12 безпосередньо в топці котла. В подавому реакторі більш ніж 0,78 у конвертованому льшому горючий газ продовжують спалювати безгорючому газі зменшується вміст монооксиду вугпосередньо в топці котла в закрученому супутньолецю та збільшується вміст двооксиду вуглецю му потоці пиловугільної аеросуміші 13. через надлишкове окислення монооксиду вуглецю Шлаки, які утворюються в процесі генерації вільним киснем і, відповідно, знижується калорійгорючого газу, уловлюються шлаковловлювачем 3 ність горючого газу. і періодично видаляються із робочого простору При витратах пиловугільного палива в плазкамери. мовому реакторі при повітряній, паровій чи киснеПроводилась повітряна, пароводяна та кисневій конверсії менш ніж відповідно 0,18; 0,12 і 1,15 ва конверсія пиловугільного палива (Донецького потужності розпалювального і стабілізуючого фаАШ). Перед початком процесу три електроди плакела недостатньо для стабільного горіння пиловузмово-дугови х нагрівачів 1 замикалися поміж согільного факела. Тому механічний недопал в цьобою, після чого вмикалось трифазне джерело жиму випадку більший, ніж при оптимальних влення змінного струму з падаючою зовнішньою співвідношеннях. вольт - амперною характеристикою. Між закорочеПри витратах пиловугільного палива в плазними електродами починав протікати струм, який мовому реакторі при повітряній, паровій чи киснерозігрівав електроди в місцях їх контактів, після вій конверсії більш ніж відповідно 0,3; 0,21 і 0,27 чого збуджували дуги шляхом розмикання елект 7 34505 8 родів і регулювання довжини дуг і сили їх стр уму змі відносно шлаковловлювача. Реактор був обдля досягнення потрібної для нагрівання і конверладнаний фурмою для подачі сумішей пиловугільсії заданих масових витрат суміші повітря, водяної ного палива і повітря, водяної пари чи кисню з пари чи кисню з пиловугільним паливом. Регулюдіаметром сопла 20мм. Суміші приготовлялись в вали і підтримували відстань від середньої точки в спеціальному пристрої, який забезпечував витрати плазмі до поверхні шлаковловлювача 3. Через пиловугільного палива до 0,25т/год. і виграти повіфурму 2 в плазму середньої точками трифазної тря, водяної пари чи кисню до 1,25т/год. В нижній системи дуг подавали суміш пиловугільного паличастині реактора був встановлений водоохолова з повітрям, водяною парою чи киснем. Під дією джуваний шлаковловлювач з діаметром внутрітепла плазми суміш нагрівалась до температури шньої поверхні 350мм і глибиною 150мм, який мав 2500...4500 К і компоненти суміші вступали в хімічсистему шлюзів для періодичного видалення шлану реакцію, в результаті якої утворювалась суміш ків. Видалення горючого газу, утвореного в ремонооксиду вуглецю і водню (горючий газ) з добазультаті конверсії, здійснювалось через трубу діавками азоту та водяної пари. Через те, що суміш метром 100мм. Горючий газ надходив до подавалась через фурму безперервно, тиск газів в розпалювального пальника моделі пиловугільного камері реактора 4 підвищувався і горючий газ 6 під пальника. Склад горючого газу, утвореного в редією тиску подавався в тр убу 7 і направлявся до зультаті конверсії, визначався за допомогою хророзпалювального пальника 8. На виході основного матографа „Газохром 3101", а калорійність визнапальника 10 підпалювали розпалювальне і стабілічалась за допомогою калориметра. Вимірювались зуюче полум'я 12, яке горіло в закрученому суп уттакож електричні параметри роботи плазмового ньому потоці пиловугільної аеросуміші 13, стабіліреактора. Дані дослідів за п'ятьма варіантами резуючи процес горіння аеросуміші. При цьому гулювання співвідношення масових витрат повітпідтримували і регулювали відношення масових ря, водяної пари та кисню до масових витрат пивитрат повітря, водяної пари чи кисню до масової ловугільного палива, а також витрат витрати пиловугільного палива, а масову витрату пиловугільного палива в плазмовому реакторі до пиловугільного палива в плазмовому реакторі підвитрат пиловугільного палива в основному пальтримували і регулювали відносно до витрат пилонику подані в таблицях 1-6. вугільного палива в основному пальнику. Шлак, Як бачимо з поданих в табл. 1-3 даних, максиякий утворювався в процесі нагрівання і конверсії мальна калорійність горючого газу, одержуваного пиловугільного палива, уловлювався шлаковловшляхом повітряної, парової чи кисневої конверсії, лювачем 3 і періодично видалявся через шлюзову відповідає межам регулювання відношення масокамеру. вої витрати повітря, водяної пари чи кисню до маВ процесі генерації горючого газу в плазмовосової витрати пиловугільного палива, що заявляму реакторі і згоряння його в закрученому супутються. ньому потоці пиловугільної аеросуміші, а також Як бачимо з поданих в табл. 4-6 даних, оптигоріння аеросуміші вимірювали склад газів, які мальне поєднання мінімального механічного неутворювались в результаті конверсії пиловугільнодопалу пиловидного палива основного пальника і го палива, а також теплота згоряння горючого газу. питомих витрат електроенергії в плазмовому реакВ подальшому корисна модель пояснюється торі на розпал і стабілізацію горіння пиловугільноописанням конкретних варіантів здійснення. го факела відповідає межам регулювання витрат Приклад. пиловугільного палива в плазмовому реакторі при Запропонований спосіб плазмового розпалу і повітряній, паровій чи кисневій конверсії відносно стабілізації горіння пиловугільного факела пройдо витрат пиловугільного палива в основному пашов перевірку в Інституті електрозварювання ім. льнику, що заявляються. Є.О.Патона ПАН України на експериментальному Запропонований спосіб плазмового розпалу і плазмовому реакторі потужністю до 1500кВт. Реастабілізації горіння пиловугільного факела може ктор становив собою циліндричну камеру діаметбути використаний в пальниках ТЕС, для виробниром 0,8м і довжиною 1,7м, внутрішні поверхні якої цтва горючих та відновлювальних газів з електробули футеровапі шамотом. На камері за допомопровідних і не електропровідних промислових і гою спеціальних механізмів були встановлені три побутових відходів і спалювання їх в енергетичних плазмово - дугові нагрівачі з графітованими електкотлах різноманітного призначення, для виробницродами діаметром 50мм кожний, які живились від тва горючих та відновлювальних газів і використрифазного джерела з крутопадаючою зовнішньою тання їх в металургійних процесах, зокрема в провольт-амперною характеристикою. Механізми зацесі прямого відновлення заліза із рудної безпечували герметизацію робочого простору реасировини. ктора під час конверсії палива і переміщення наСпосіб плазмового розпалу і стабілізації горінгрівачів в процесі роботи для регулювання ня пиловугільного факела довжини дуг та положення середньої точки в пла 9 34505 10 Таблиця 1 Результати перевірки калорійності горючого газу в процесі повітряної конверсії пиловугільного палива в плазмовому реакторі Найменування параметрів Межі регулювання відношення масової витрати повітря до масової витрати пиловугільного палива Калорійність одержаного горючого газу, кДж на тонну конвертованого пиловугільного палива • 10-6 Варіанти випробувань 2 3 4 1 5 2,5 3,7 3,7...4,8 4,8 6,7 2,9 5,0 7,5...8,4 4,8 2,5 Таблиця 2 Результати перевірки калорійності горючого газу в процесі парової конверсії пиловугільного палива в плазмовому реакторі Найменування параметрів 1 Межі регулювання відношення масової витрати пари до масової 1,0 витрати пиловугільного палива Калорійність одержаного горючого газу, кДж на тонну конверто- 12,5 ваного пиловугільного палива • 10-6 Варіанти випробувань 2 3 4 5 1,35 1,35...1,55 1,55 1,1 20,5 21,7...22,2 21,3 13,4 Таблиця 3 Результати перевірки калорійності горючого газу в процесі кисневої конверсії пиловугільного палива в плазмовому реакторі Найменування параметрів Межі регулювання відношення масової витрати кисню до масової витрати пиловугільного палива Калорійність одержаного горючого газу, кДж на тонну конвертованого пиловугільного палива• 10° 1 Варіанти випробувань 2 3 4 5 0,3 0,55 0,55...0,78 0,78 1,0 5,6 9,2 10,0...10,9 9,6 6,3 Таблиця 4 Результати перевірки питомих втрат електроенергії і механічного недопалу при повітряній конверсії пиловугільного палива Найменування параметрів Межі регулювання витрат пиловугільного палива залежно від витрат пиловугільного палива в основному пальнику Питомі витрати електроенергії на розпал і стабілізацію однієї тонни пиловугільного палива в основному пальнику, кВт-год. / тонну Ме ханічний недопал палива основного пальника, % 1 Варіанти випробувань 2 3 4 5 0,1 0,18 0,18...0,3 0,3 0,5 47 81 82...125 126 208 19 7 5...6 5 4 Таблиця 5 Результати перевірки питомих втрат електроенергії і механічного недопалу при паровій конверсії пиловугільного палива Найменування параметрів 1 Межі регулювання витрат пиловугільного палива залежно від 0,05 витрат пиловугільного палива в основному пальнику Питомі витрати електроенергії на розпал і стабілізацію однієї тонни пиловугільного палива в основному пальнику, кВт-год. / 26 тонну Ме ханічний недопал палива основного пальника, % 14 2 Варіанти випробувань 3 4 5 0,12 0,12...0,21 0,21 0,4 47 47...82 82 136 4 2...3 2 2 11 34505 12 Таблиця 6 Результати перевірки питомих втрат електроенергії і механічного недопалу при кисневій конверсії пиловугільного палива Найменування параметрів Межі регулювання витрат пиловугільного палива залежно від витрат пиловугільного палива в основному пальнику Питомі витрати електроенергії на розпал і стабілізацію однієї тонни пиловугільного палива в основному пальнику, кВт.год. / тонну Ме ханічний недопал палива основного пальника, % Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 1 9 0,07 0,15 20 17 Варіанти випробувань 3 4 5 0,15...0,27 0,27 0,5 38 65...102 90 167 4 2...3 3 2 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601