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 міс C2 2 (19) 1 3 розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела (див. Способ плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела. Патент РФ №2132515, МКИ F23Q9/00 / Неклеса А.Т., Гаврилюк А.И., Блинов В.В. Заявл. 31.03.95; Опубл. 27.06.99 Бюл. №18.), обраний за прототип, при якому плазмотрон вводять в розпалювальний пальник і вдувають повітряний плазмовий струмінь в закручений супутній потік пиловугільної аеросуміші, а повітряно-плазмовий струмінь вдувають безпосередньо в топку котла з температурою струменя в діапазоні 2500...4000К, витрати плазмоутворюючого газу підтримують рівними співвідношенню G=(0,02-0,09)G1, де G1 - витрати повітря на один пальник, при цьому закрутку газовихорової стабілізації дугового розряду направляють зустрічно напряму закрутки пиловугільної аеросуміші. Окрім того, напрям закрутки газовихорової стабілізації дугового розряду вибирають довільно. Однак, відомому способу притаманні такі недоліки. В якості джерела теплоти використовується плазмотрон непрямої дії, вбудований в розпалювальний пальник. Такий плазмотрон має низький коефіцієнт корисної дії, малий ресурс електрода та сопла, обмежену потужність плазмового струменя, поганий масообмін плазмового струменя і основного потоку повітряно-пиловугільної суміші. При експлуатації плазмотрона виникає необхідність частих зупинок процесу для заміни електродів чи плазмотрона в цілому, що неприпустимо при безперервній роботі енергетичного котла. Слід також ураховувати складність монтажу плазмотрона в існуючих пальниках, конструкція яких удосконалювалась десятиріччями. В основу винаходу покладено задачу вдосконалити відомий спосіб плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела за рахунок: - одержання горючого газу шляхом плазмової конверсії пиловугільного палива в окремому реакторі в плазмі середньої точки багатофазної системи дуг змінного струму; - вибору оптимальних видів плазмової конверсії; - вибору оптимальних співвідношень масових витрат повітря, водяної пари і кисню до витрат пиловугільного палива; - вибору оптимальних співвідношень масових витрат пиловугільного палива в плазмовому реакторі до витрат пиловугільного палива в основному пальнику. Вказані удосконалення відомого способу дозволять забезпечити безперервний процес розпалу і стабілізації пиловугільного факела, уникнути перегріву деталей і вузлів розпалювального і основного пальників, підвищити коефіцієнт корисної дії, значно підвищити ресурс електродів, залишити без зміни конструкцію окремих вузлів і пальника в цілому, досягти високої ефективності масообміну між полум'ям спалюваного у розпалювальному пальнику горючого газу і пиловугільною аеросумішшю, уникнути зашлаковування пальників. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі плазмового розпалу і стабілізації 88979 4 горіння пиловугільного факела, при якому вводять в розпалювальний пальник горючий газ і спалюють його безпосередньо в топці котла в закрученому супутньому потоці пиловугільної аеросуміші, згідно з винаходом горючий газ, що містить суміш окису вуглецю і водню, одержують шляхом повітряної, парової або кисневої плазмової конверсії пиловугільного палива в окремому реакторі в плазмі середньої точки багатофазної системи дуг змінного струму. При цьому: - відношення масової витрати повітря до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 3,7...4,8; - відношення масової витрати водяної пари до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 1,35...1,55; - відношення масової витрати кисню до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 0,55...0,78; - витрату пиловугільного палива в плазмовому реакторі при повітряній, паровій або кисневій конверсії підтримують і регулюють у межах відповідно 0,18...0,3; 0,12...0,21; 0,15...0,27 витрат пиловугільного палива в основному пальнику. На відміну від прототипу, нагрівання пиловугільного палива і повітря, водяної пари чи кисню та конверсія пиловугільного палива здійснюються в окремому реакторі в плазмі середньої точки багатофазної системи дуг змінного струму. При цьому дугові розряди багатофазної системи дуг горять на середню точку в плазмі, що виключає великі теплові втрати на сопло, як це має місце у прототипі. В якості електродів використовуються стандартні графітовані електроди, які в міру їх зносу нарощуються в процесі горіння дуг без їх вимикання. Тепло, яке генерується в плазмі стовпів дуг і в середній точці, продуктивно використовується на нагрівання пиловугільного палива і повітря, водяної пари чи кисню, а не витрачається на нагрівання сопла, як це має місце у прототипі. Одержана в результаті конверсії суміш окису вуглецю і водню, вільна від шлаків, які збираються у шлаковловлювачі реактора, по трубопроводах подається в розпалювальний пальник і спалюється на виході основного пальника безпосередньо у просторі котла. В результаті досягається безперервність процесу розпалу і стабілізації пиловугільного факела, великий ресурс електродів, відсутність перегріву деталей і вузлів розпалювального і основного пальників, високий коефіцієнт корисної дії, незмінність конструкції окремих вузлів і пальника в цілому, висока ефективність масообміну між полум'ям спалюваного у розпалювальному пальнику горючого газу і пиловугільної аеросуміші, не зашлаковуються пальники. Відношення масової витрати повітря до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 3,7...4,8. 5 Відношення масової витрати водяної пари до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 1,35...1,55. Відношення масової витрати кисню до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримують і регулюють відповідно у межах 0,55...0,78. Витрату пиловугільного палива в плазмовому реакторі при повітряній, паровій або кисневій конверсії підтримують і регулюють у межах відповідно 0,18...0,3; 0,12...0,21; 0,15...0,27 витрат пиловугільного палива в основному пальнику. При цьому досягається оптимальний склад горючого газу і, відповідно, потрібна для розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факелу потужність полум'я. При співвідношенні масової витрати повітря до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі менш ніж 3,7 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю через нестачу кисню для повного окислення вуглецю пиловугільного палива (недопал палива) і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При співвідношенні масової витрати водяної пари до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі менш ніж 1,35 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю через нестачу кисню для повного окислення вуглецю пиловугільного палива (недопал палива) і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При співвідношенні масової витрати кисню до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі менш ніж 0,55 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю через нестачу кисню для повного окислення вуглецю пиловугільного палива (недопал палива) і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При співвідношенні масової витрати повітря до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі більш ніж 4,4 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю та збільшується вміст двооксиду вуглецю через надлишкове окислення окису вуглецю вільним киснем і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При співвідношенні масової витрати водяної пари до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі більш ніж 1,55 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю та збільшується вміст двооксиду вуглецю через надлишкове окислення окису вуглецю вільним киснем і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При співвідношенні масової витрати кисню до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі більш ніж 0,78 у конвертованому горючому газі зменшується вміст окису вуглецю та збільшується вміст двооксиду вуглецю через надлишкове окислення окису вуглецю вільним киснем і, відповідно, знижується калорійність горючого газу. При витратах пиловугільного палива в плазмовому реакторі при повітряній, паровій чи кисне 88979 6 вій конверсії менш ніж відповідно 0,18; 0,12 і 1,15 потужності розпалювального і стабілізуючого факела недостатньо для стабільного горіння пиловугільного факела. Тому механічний недопал в цьому випадку більший, ніж при оптимальних співвідношеннях. При витратах пиловугільного палива в плазмовому реакторі при повітряній, паровій чи кисневій конверсії більш ніж відповідно 0,3; 0,21 і 0,27 витрат пиловугільного палива в основному пальнику відзначається надлишок витрат потужності плазмового реактора на процес конверсії. Оптимальні межі співвідношень масової витрати повітря, водяної пари або кисню до масової витрати пиловугільного палива в плазмовому реакторі, а також витрат пиловугільного палива в плазмовому реакторі до витрат пиловугільного палива в основному пальнику визначено експериментально, тому що знайти точні їх значення шляхом аналітичних розрахунків неможливо через великі коливання хімічного складу палива різноманітних сортів. Суть цього винаходу буде більш зрозуміла при розгляді прикладів його здійснення та креслень, що додаються. На фігурі зображено принципову схему пристрою для плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела. Спосіб, який пропонується, полягає в наступному. Генерують багатофазну систему дуг змінного струму з середньою точкою в плазмі 5 за допомогою плазмово-дугових нагрівачів 1, які встановлені у герметичній камері плазмового реактора 4. Регулюють і підтримують довжину дуг і силу струму дуг, а також положення середньої точки відносно шлаковловлювача 3. Через фурму 2 подають у плазму середньої точки дуг суміш повітря, водяної пари чи кисню з пиловугільним паливом, регулюють і підтримують певне масове співвідношення цих компонентів, а також співвідношення масових втрат палива в плазмовому реакторі і в основному пальнику. В плазмі середньої точки багатофазної системи дуг змінного струму 5 здійснюють нагрівання суміші повітря, водяної пари чи кисню з пиловугільним паливом і повітряну, парову чи кисневу конверсію пиловугільного палива. В результаті конверсії одержують горючий газ 6 у вигляді суміші окису вуглецю і водню з домішками метану, азоту та водяної пари. Під тиском надлишку газів, які утворюються в камері 4, по трубопроводу 7 горючий газ подається в розпалювальний пальник 8 основного пальника 11. Горючий газ підпалюють на виході розпалювального пальника, в результаті чого утворюється факел розпалювального і стабілізуючого полум'я 12. В основний пальник 11 через завихрювач 9 подається пиловугільна аеросуміш 10, яка запалюється і горить під дією розпалювального і стабілізуючого полум'я 12 безпосередньо в топці котла. В подальшому горючий газ продовжують спалювати безпосередньо в топці котла в закрученому супутньому потоці пиловугільної аеросуміші 13. Шлаки, які утворюються в процесі генерації горючого газу, уловлюються шлаковловлювачем 3 і періодично видаляються із робочого простору камери. 7 Проводилась повітряна, пароводяна та киснева конверсія пиловугільного палива (Донецького АШ). Перед початком процесу три електроди плазмово-дугових нагрівачів 1 замикалися поміж собою, після чого вмикалось трифазне джерело живлення змінного струму з падаючою зовнішньою вольт-амперною характеристикою. Між закороченими електродами починав протікати струм, який розігрівав електроди в місцях їх контактів, після чого збуджували дуги шляхом розмикання електродів і регулювання довжини дуг і сили їх струму для досягнення потрібної для нагрівання і конверсії заданих масових витрат суміші повітря, водяної пари чи кисню з пиловугільним паливом. Регулювали і підтримували відстань від середньої точки в плазмі до поверхні шлаковловлювача 3. Через фурму 2 в плазму середньої точки трифазної системи дуг подавали суміш пиловугільного палива з повітрям, водяною парою чи киснем. Під дією тепла плазми суміш нагрівалась до температури 2500...4500К і компоненти суміші вступали в хімічну реакцію, в результаті якої утворювалась суміш окису вуглецю і водню (горючий газ) з добавками азоту та водяної пари. Через те, що суміш подавалась через фурму безперервно, тиск газів в камері реактора 4 підвищувався і горючий газ 6 під дією тиску подавався в трубу 7 і направлявся до розпалювального пальника 8. На виході основного пальника 10 підпалювали розпалювальне і стабілізуюче полум'я 12, яке горіло в закрученому супутньому потоці пиловугільної аеросуміші 13, стабілізуючи процес горіння аеросуміші. При цьому підтримували і регулювали відношення масових витрат повітря, водяної пари чи кисню до масової витрати пиловугільного палива, а масову витрату пиловугільного палива в плазмовому реакторі підтримували і регулювали відносно до витрат пиловугільного палива в основному пальнику. Шлак, який утворювався в процесі нагрівання і конверсії пиловугільного палива, уловлювався шлаковловлювачем 3 і періодичновидалявся через шлюзову камеру. В процесі генерації горючого газу в плазмовому реакторі і згоряння його в закрученому супутньому потоці пиловугільної аеросуміші, а також горіння аеросуміші вимірювали склад газів, які утворювались в результаті конверсії пиловугільного палива, а також теплота згоряння горючого газу. В подальшому винахід пояснюється описанням конкретних варіантів здійснення. Приклад Запропонований спосіб плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела пройшов перевірку в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України на експериментальному плазмовому реакторі потужністю до 1500кВт. Реактор становив собою циліндричну камеру діаметром 0,8м і довжиною 1,7м, внутрішні поверхні якої були футеровані шамотом. На камері за допомогою спеціальних механізмів були встановлені три плазмово-дугові нагрівачі з графітованими електродами діаметром 50мм кожний, які живились від 88979 8 трифазного джерела з крутопадаючою зовнішньою вольт-амперною характеристикою. Механізми забезпечували герметизацію робочого простору реактора під час конверсії палива і переміщення нагрівачів в процесі роботи для регулювання довжини дуг та положення середньої точки в плазмі відносно шлаковловлювача. Реактор був обладнаний фурмою для подачі сумішей пиловугільного палива і повітря, водяної пари чи кисню з діаметром сопла 20мм. Суміші приготовлялись в спеціальному пристрої, який забезпечував витрати пиловугільного палива до 0,25т/год. і витрати повітря, водяної пари чи кисню до 1,25т/год. В нижній частині реактора був встановлений водоохолоджуваний шлаковловлювач з діаметром внутрішньої поверхні 350мм і глибиною 150мм, який мав систему шлюзів для періодичного видалення шлаків. Видалення горючого газу, утвореного в результаті конверсії, здійснювалось через трубу діаметром 100мм. Горючий газ надходив до розпалювального пальника моделі пиловугільного пальника. Склад горючого газу, утвореного в результаті конверсії, визначався за допомогою хроматографа "Газохром 3101", а калорійність визначалась за допомогою калориметра. Вимірювались також електричні параметри роботи плазмового реактора. Дані дослідів за п'ятьма варіантами регулювання співвідношення масових витрат повітря, водяної пари та кисню до масових витрат пиловугільного палива, а також витрат пиловугільного палива в плазмовому реакторі до витрат пиловугільного палива в основному пальнику подані в таблицях 1-6. Як бачимо з поданих в табл. 1-3 даних, максимальна калорійність горючого газу, одержуваного шляхом повітряної, парової чи кисневої конверсії, відповідає межам регулювання відношення масової витрати повітря, водяної пари чи кисню до масової витрати пиловугільного палива, що заявляються. Як бачимо з поданих в табл. 4-6 даних, оптимальне поєднання мінімального механічного недопалу пиловидного палива основного пальника і питомих витрат електроенергії в плазмовому реакторі на розпал і стабілізацію горіння пиловугільного факела відповідає межам регулювання витрат пиловугільного палива в плазмовому реакторі при повітряній, паровій чи кисневій конверсії відносно до витрат пиловугільного палива в основному пальнику, що заявляються. Запропонований спосіб плазмового розпалу і стабілізації горіння пиловугільного факела може бути використаний в пальниках ТЕС, для виробництва горючих та відновлювальних газів з електропровідних і неелектропровідних промислових і побутових відходів і спалювання їх в енергетичних котлах різноманітного призначення, для виробництва горючих та відновлювальних газів і використання їх в металургійних процесах, зокрема в процесі прямого відновлення заліза із рудної сировини. 9 88979 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 1 Варіанти випробувань 2 3 4 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 Межі регулювання відношення масової витрати пари до масової витрати пиловугільного палива Калорійність одержаного горючого газу, кДж на тонну конвертованого пиловугільного палива × 10-6 1 Варіанти випробувань 2 3 4 5 1,0 1,35 1,35...1,55 1,55 1,1 12,5 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 × 10-6 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 Механічний 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 Межі регулювання витрат пиловугільного палива залежно від витрат пиловугільного палива в основному пальнику 1 0,05 Варіанти випробувань 2 3 4 0,12 0,12...0,21 0,21 5 0,4 11 88979 12 Продовження таблиці 5 Питомі витрати електроенергії на розпал і стабілізацію однієї тонни пиловугільного палива в основному пальнику, кВт×год. / тонну Механічний недопал палива основного пальника, % 26 47 47...82 82 136 14 4 2...3 2 2 Таблиця 6 Результати перевірки питомих втрат електроенергії і механічного недопалу при кисневій конверсії пиловугільного палива Найменування параметрів 1 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 Механічний недопал палива основного пальника, % Комп’ютерна верстка М. Ломалова Варіанти випробувань 2 3 4 5 0,07 0,15 0,15...0,27 0,27 0,5 20 38 65...102 90 167 17 4 2...3 3 2 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601