Низкоэмиссионная вихревая горелка для сжигания высокозольного пылеугольного топлива

(51) 23 1/00 (2006.01) 23 1/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ воздушных каналов, имеющий цилиндрическую форму,снабжен кольцевым проточным сепаратором, выполненным в виде последовательно и соосно с каналом расположенных кольцевых элементов в форме усеченных конусных поверхностей,обеспечивающих повышение концентрации твердых частиц топлива в приосевой области канала аэросмеси и снижение концентрации частиц топлива в пристеночной области канала там,где у его выхода установлен завихритель пристеночной области потока, расположенный по периметру внутренней цилиндрической поверхности канала. В данной горелке выходы всех трех каналов горелки имеют цилиндрическую форму без конусообразных насадков на торцах, на входе обоих воздушных каналов имеются регулировочные шиберы расхода воздуха, а розжиг горелки осуществляется мазутной форсункой,вводимой посредством направляющего патрубка,установленного соосно с каналом аэросмеси, сквозь кольцевые элементы сепаратора и завихрителя пристеночного потока в канале аэросмеси. Конструктивное решение предусматривает также наличие дополнительных средств повышения эксплуатационной надежности горелки,ее обслуживания и ремонта.(72) Шишкин Андрей Аркадьевич Шишкин Аркадий Александрович(73) Акционерное общество Казахский научноисследовательский институт энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина(54) НИЗКОЭМИССИОННАЯ ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВЫСОКОЗОЛЬНОГО ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА(57) Предложена вихревая пылеугольная горелка с повышенной эффективностью снижения образования оксидов азотаи повышенной полнотой выгорания пылеугольного топлива, при этом конструктивно простой, надежной и удобной в эксплуатационном обслуживании. Горелка предназначена, главным образом, для сжигания высокозольного пылеугольного топлива, типа Экибастузского угля, но может быть также использована для сжигания углей меньшей зольности. Она содержит три коаксиальных канала канал аэросмеси, канал вторичного воздуха и канал третичного воздуха, размещеннм Канал аэросмеси,размещенный концентрически внутри обоих Основным источником загрязнения окружающей среды токсичными выбросами оксидов азотаявляются мощные тепловые электростанции,работающие на пылеугольном топливе. Образующиеся при этом выбросыприводят к формированию токсичного смога и выпадению кислотных дождей,оказывающих вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. Существуют два основных способа борьбы с выбросами оксидов азота, из которых первый основан на применении технологических средств,направленных на снижение образования оксидов азота в процессе сжигания топлива, второй - на применении средств санитарной очистки продуктов сжигании, таких как способ каталитического восстановления (СКВ) и некаталитического (СНКВ) восстановления оксидов азота. Технологические способы снижения образованияпо ряду причин являются предпочтительными, поскольку менее затратны и более надежны, а среди них наиболее доступными являются низкоэмиссионные вихревые пылеугольные горелки,имеющие большое разнообразие конструктивных решений,применительно к конкретному топливу и условиям его сжигания. В патенте 1207511 С, представлена вихревая пылеугольная горелка для сжигания пылеугольного топлива, включающая в себя три коаксиальных канала аэросмеси, вторичного и внешнего вторичного (или третичного) воздуха. В обоих воздушных каналах установлены аксиальные завихрители, а в канале аэросмеси завихритель отсутствует, при этом в самом канале установлено сепарирующее устройство типа проточного кольцевого сепаратора частиц пылеугольного топлива в виде нескольких последовательно установленных друг за другом колец в форме усеченных конусных поверхностей таким образом,что кольцо с максимальных поперечным сечением размещено ближе к входному участку канала, а кольцо с минимальным поперечным сечением ближе к выходу из канала. При движении пылеугольной взвеси по каналу в результате взаимодействия с конусными кольцами сепаратора частицы пылеугольного топлива преимущественно собираются в приосевой области потока, а в пристеночной области канала концентрация частиц оказывается минимальной, что способствует снижению образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива. Недостаток данной горелки в ее относительно невысокой эффективности,обусловленной недостаточной интенсивностью крутки потока на выходе из горелки и, следовательно, размерами зоны рециркуляции топочных газов,определяющими эффективность снижения образования оксидов азота. Кроме того, в данной горелке зона рециркуляции не может быть приближена на расстояние достаточное для обеспечения выхода и воспламенения летучих и устойчивого зажигания пылеугольного факела с необходимой полнотой выгорания топлива,особенно в случае высокозольных углей, что 2 обусловлено недостаточной интенсивностью крутки вихревого факела. Известна вихревая пылеугольная горелка(Патент 8479668 В 2), включающая в себя коаксиальные каналы аэросмеси, вторичного и третичного воздуха. В канале аэросмеси, как и в рассмотренной выше горелке,установлен аналогичный проточный кольцевой сепаратор с кольцевыми элементами конусообразной формы,которые расположены в такой же последовательности и ориентации по отношению к входу и выходу канала аэросмеси. При этом в каналах вторичного и третичного воздуха установлены аксиальные завихрители, а на входных участках каналов имеются регуляторы расхода воздуха в виде шиберов. На выходном торцевом сечении каждого из трех каналов имеются конусообразные насадки. При работе данной горелки сепаратор собирает частицы топлива преимущественно в приосевой области потока аэросмеси, что способствует снижению образованияв приосевой зоне вихревого факела. Назначение конусообразных насадков на выходе каждого из каналов горелки состоит в расширении зоны факела горелки с целью интенсификации притока в область начального участка факела высокотемпературных топочных газов для ускорения прогрева пылеугольных частиц, выхода из них летучих и их выгорания. Недостаток данной пылеугольной горелки состоит в том, что наличие конусообразных насадков на выходном торце каналов при близком расположении зоны высокотемпературных топочных газов к горелке в случае использования высокозольного угля приводит к перегреву конусных насадков, их термической коррозии и деформации, что снижает эксплуатационную надежность и срок службы горелки. Задачей предлагаемого технического решения является разработка вихревой пылеугольной горелки, обеспечивающей снижение образования оксидов азота с одновременным повышением эффективности использования топливного ресурса. Технический результат, достигаемый изобретением,заключается в снижении образования и выбросов оксидов азота, в повышении полноты выгорания пылеугольного топлива, а также в повышении эксплуатационной надежности пылеугольной горелки, в том числе при сжигании высокозольного пылеугольного топлива. При этом, в предлагаемой горелке, как и в известной горелке, установлен аналогичный проточный кольцевой сепаратор с кольцевыми элементами конусообразной формы, которые расположены в такой же последовательности и ориентации по отношению к входу и выходу канала аэросмеси. При этом в каналах вторичного и третичного воздуха установлены аксиальные завихрители, а на входных участках каналов имеются регуляторы расхода воздуха в виде шиберов. Основной технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для приближения высокотемпературной зоны рециркуляции топочных газов к соплу горелки,вместо конических насадков на торцах каждого из каналов горелки, в канале аэросмеси установлен завихритель потока. Данный завихритель выполнен в виде равномерно распределенных и закрепленных по периметру внутренней поверхности цилиндрического канала аэросмеси закручивающих лопаток. Применение такого завихрителя позволяет обойтись без конических насадков на выходных торцах каналов горелки. При этом, поскольку площадь торцевых поверхностей стенок каждого из каналов на выходе горелки оказывается существенно (более чем на порядок) меньше по сравнению с площадью поверхности конусных насадков в известной горелке, пропорционально этому снижена и интенсивность их радиационного теплообмена с высокотемпературной зоной рециркуляции топочных газов. Приведенная в первом пункте формулы совокупность признаков одновременно увеличивает зону рециркуляции топочных газов в приосевой зоне пылеугольного факела, чем создает условия для более глубокого снижения образования оксидов азота в приосевой области пылеугольного факела. В соответствии с общепризнанным представлением о механизме образования оксидов азота это способствует подавлению образования оксидов азота тем, что при этом ускоряется прогрев частиц топлива, сконцентрированных в приосевой зоне факела, с более полным выходом и выгоранием летучих в условиях пониженной концентрации кислорода в приосевой зоне рециркуляции топочных газов. Помимо снижения образования оксидов азота, возможность приближения зоны высокотемпературных топочных газов к устью горелки с применением горелки с данной совокупностью признаков,одновременно способствует повышению полноты выгорания топлива, т.е., эффективности использования его энергетического ресурса. Существенно также, что в предлагаемом техническом решении приближение зоны высокотемпературных топочных газов не приводит к снижению надежности горелочного устройства интенсификацией радиационного теплового потока даже при использовании в качестве пылеугольного топлива высокозольных углей, поскольку интенсивность радиационного теплообмена оказывается более чем на порядок сниженной, по сравнению с известной горелкой. Это позволит применить данное конструктивное решение для создания горелочных устройств,обеспечивающих эффективное и экологически безопасное сжигание низкосортных высокозольных углей типа Экибастузского угля. Таким образом, все признаки первого пункта формулы изобретения являются существенными и служат для достижения основного технического результата. Дополнительное повышение эффективности работы данного горелочного устройства обеспечивается дальнейшим конструктивным совершенствованием отдельных элементов предлагаемой пылеугольной горелки. Дополнительное повышение эффективности горелки и ее эксплуатационной надежности обеспечивается выполнением завихрителя в канале аэросмеси на отдельном концевом участке канала,являющимся сменным участком, допускающим возможность осуществления замены такого сменного участка (сменной вставки) на другой,например, с иными параметрами завихрителя (либо поврежденного, либо изношенного завихрителя и пр.) на новый в период проведения очередного осмотра или ремонта горелочного оборудования. При этом угол поворота потока лопатками завихрителя выбран в пределах от 30 до 60, а высоталопаток выбрана в пределах от 0,1 до 0,6,где - радиус канала аэросмеси. Данные граничные значения угла крутки определены на основании результатов ранее проведенных исследований влияния угла крутки завихрителя на его аэродинамические характеристики. Было установлено, что при угле крутки менее 30 эффект от завихрителя становится незначительным, а при крутке более 60 резко возрастает гидродинамическое сопротивление завихрителя. Выбор предельных значений для высотылопатки завихрителя определен на основании того, что в пристеночной области потока в пределах 0,1 толщины пограничного слоя средняя скорость потока в нем существенно ниже, чем в остальной части сечения цилиндрического канала радиуса ,на основавнии чего можно считать, что влияние закрученного потока в пределах данного пограничного слоя несущественно. Что касается верхнего предела для высотылопатки завихрителя, то его значение определено из условия обеспечения беспрепятственного введения мазутной форсунки к устью горелки для ее розжига. Дополнительное повышение эффективности и эксплуатационной надежности предлагаемого горелочного оборудования обеспечивается выполнением проточного кольцевого сепаратора в виде сменного кассетного блока, устанавливаемого в канале аэросмеси через люк, предусмотренный в стенке данного канала. На фиг.1 приведен общий вид предлагаемой вихревой пылеугольной горелки в продольном сечении, на фиг.2 приведен завихритель потока, в пристеночной области цилиндрического канала аэросмеси, выполненный в виде сменной вставки. Пылеугольная вихревая горелка по предлагаемому решению содержит три цилиндрических коаксиальных канала канал аэросмеси 1, канал вторичного воздуха 2, канал наружного вторичного (или третичного) воздуха 3,общий вход 4 в короб вторичного и третичного воздуха. Канал аэросмеси 1, расположенный внутри каналов 2 и 3 является продолжением трубопровода аэросмеси 5. В канале 1 размещен кольцевой проточный сепаратор 6, выполненный в виде последовательно расположенных соосно каналу 1 кольцевых элементов в форме усеченных конусных поверхностей с осью, совмещенной с осью канала 1,При этом, большие сечения конусообразных 3 кольцевых элементов сепаратора 6 обращены к входной части канала аэросмеси 1, а меньшие их сечения ориентированы в направлении выхода из данного канала 1. В каналах - вторичном 2 и третичном 3 предлагаемой пылеугольной горелки установлены аксиальные завихрители 7 и 8,соответственно, и на входе в каждый из каналов 2 и 3 установлены регулировочные шиберы,соответственно 9 и 10. При этом, в отличие от горелки-прототипа на выходном участке канала 1 имеется - завихритель потока 11,выполненный в виде ряда профилированных лопаток 12,равномерно распределенных по периметру внутренней поверхности канала и закрепленных на его внутренней поверхности таким образом, что на входном участке завихрителя 11 торцы лопаток 12 направлены параллельно набегающему потоку, а выходные участки лопаток 12 завихрителя 11 направлены под определенным угломк начальному направлению потока. Высоталопаток при этом определяется требуемой интенсивностью крутки потока аэросмеси в пристеночной области канала 1, которая, в свою очередь, зависит от характеристик используемого топлива. Например,чем ниже реакционная способность топлива и выше его зольность, тем больше должна быть высоталопаток завихрителя 11. Помимо наличия в канале аэросмеси 1 завихрителя потока 11, на выходах всех трех каналов 1, 2 и 3 предлагаемой вихревой пылеугольной горелки, в отличие от горелкипрототипа конусообразные выходные насадки отсутствуют полностью. Для дополнительного повышения эффективности и эксплуатационной надежности горелки завихритель 11 в канале аэросмеси 1 выполнен в виде сменной вставки 13, у которой конструктивные параметры завихрителя(угол повороталопаток 12, их высота ,используемый материал (маркой стали и пр., могут быть различными, отвечающими конкретным условиям применения горелки и используемому топливу. Также, для дополнительного повышения эксплуатационной надежности в стенке канала аэросмеси 1 предусмотрен люк 14 для замены одного сепаратора 6 другим без существенных трудозатрат и времени на выполнение данной операции. Сепаратор 6 при этом выполнен в виде конструкции кассетного типа. Канал аэросмеси 1 в области сопряжения его с трубопроводом аэросмеси 5 снабжен направляющим патрубком 15,расположенным соосно с каналом аэросмеси 1,предназначенным для введения мазутной форсунки(не показана) сквозь кольцевые элементы сепаратора 6 для розжига горелки при запуске котлоагрегата после его останова. Кроме того,данный направляющий патрубок снабжен съемной или откидной крышкой 16 со смотровым окошком(гляделкой) 17, используемым для визуального контроля режима работы горелки. Предлагаемая пылеугольная горелка работает следующим образом. Введением мазутной форсунки(не показана) в канал аэросмеси 1 с помощью направляющего патрубка 15 (сквозь систему 4 кольцевых элементов сепаратора 6 и сквозь центральную область завихрителя 11) осуществляется предварительный прогрев топочного объема котлоагрегата с применением,например, мазута. При достижении температуры в топочном объеме достаточной для устойчивого горения применяемого пылеугольного топлива в канал аэросмеси 1 вместе с воздухом подают угольную пыль. После устойчивого зажигания пылеугольного факела с помощью регулировочных шиберов 9 и 10 оптимизируют подачу вторичного и третичного воздуха в соответствии с режимной картой и требуемой нагрузкой котлоагрегата. При этом процесс сжигания пылеугольного топлива в предлагаемой горелке определяется такими конструктивно-режимными факторами,как параметр крутки вихревого факела, размер области высокотемпературных топочных газов и степень приближения данной высокотемпературной области к соплу горелки для обеспечения эффективного прогрева частиц топлива для выхода из них летучих с их полным выгоранием в зоне рециркуляции топочных газов в условиях недостатка кислорода и пониженного уровня температур для обеспечения снижения в данной области токсичных продуктов в виде . Такие условия обеспечиваются применением предлагаемой пылеугольной горелки с размещенным внутри канала аэросмеси проточным кольцевы сепаратором 6 в совокупности с завихрителем 11 в канале аэросмеси 1, создающим дополнительную крутку обедненной топливом аэросмеси в пристеночной области канала 1. Совместная работа данных элементов предлагаемой горелки состоит в том, что при прохождении потока аэросмеси в канале 1 в зоне размещения сепаратора 6 частицы угольной пыли при взаимодействии с конусообразной поверхностью последовательно установленных колец сепаратора 6 преимущественно перемещаются в приосевую область потока, тогда как пристеночная область потока аэросмеси после прохождения сепаратора 6 оказывается обедненной топливом(и соответственно обогащенной кислородом). Далее,при поступлении аэросмеси в топочный объем его центральная приосевая область имеет пониженную концентрацию кислорода,а пристеночная закрученная область потока имеет пониженную концентрацию топлива и, наоборот, повышенную концентрацию кислорода, который вследствие крутки в притстеночной области потока еще больше отдаляется от центальной приосевой зоны потока аэросмеси, что способствует снижению образования оксидов азота в области воспламенения и выгорания летучих. Кроме того, наличие завихрителя в пристеночной области канала аэросмеси приводит к повышению параметра общей крутки пылеугольного факела и,как следствие,приближению высокотемпературной зоны к устью сопла горелки,чем ускоряется прогрев пылеугольного топлива и вместе со снижением выхода оксидов азота повышается полнота выгорания топлива и боле эффективное использование его энергетического ресурса. При этом, в предлагаемом горелочном устройстве более близкое расположение высокотемпературной зоны рециркуляции топочных газов к устью сопла горелки не приводит к снижению надежности горелочного оборудования в связи с тем, что выходы коаксиальных каналов в данном случае имеют цилиндрическую форму с многократно уменьшенной площадью тепловоспринимающей поверхности(по сравнению с горелкойпрототипом), вследствие чего они не подвержены перегреву и деформации, в том числе и при сжигании высокозольных углей, чем в совокупности с другими признаками первого пункта формулы изобретения способствуют достижению поставленной цели. Предлагаемая горелка предусматривает также возможность более точной настройки режима ее работы путем оптимального подбора завихрителя 11 в канале аэросмеси 1 применительно к конкретным характеристикам угля и условиям его сжигания. Такая настройка осуществляется заменой участка канала аэросмеси 1, включающего в себя завихритель 11, аналогичным сменным участком(вставкой 13) с другими конструктивными параметрами завихрителя 11 такими, например, как уголустановки лопаток завихрителя 11. Как отмечено выше, в предлагаемой горелке предусмотрена также возможность быстрой замены проточного сепаратора 6 другим сепаратором,например с другими рабочими характеристиками. Такая замена может потребоваться в случае необходимости его срочного ремонта или восстановления и осуществляется через предусмотренный в канале аэросмеси 1 люк 14,который для этого открывается и через открытый люк производится замена одного сепаратора другим, после чего люк герметично закрывается и горелка готова к работе. Таким образом, признаки первого пункта формулы изобретения обеспечивают достижение поставленной цели предлагаемого изобретения, а дополнительные пункты усиливают и дополняют основной технический результат, обеспечиваемый признаками первого пункта. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Вихревая пылеугольная горелка, содержащая коаксиальные цилиндрические каналы аэросмеси,вторичного воздуха и внешнего вторичного(третичного) воздуха, общий вход в короб вторичного и третичного воздуха, на входе в каналы вторичного и третичного воздуха установлены регулировочные шиберы, а внутри каналов установлены аксиальные завихрители, в канале аэросмеси установлен кольцевой проточный сепаратор в виде последовательно расположенных в канале аэросмеси соосно с каналом кольцевых элементов, из которых наибольший расположен ближе к входной стороне канала аэросмеси, а наименьший - к выходу канала, отличающаяся тем, что выходные торцы всех каналов горелки имеют цилиндрическую форму, а на выходном участке канала аэросмеси установлен завихритель потока,выполненный в виде равномерно распределенных по периметру внутренней поверхности канала аэросмеси профилированных лопаток, закрепленных на внутренней поверхности таким образом, что на входном участке завихрителя торцы лопаток ориентированы в направлении набегающего потока аэросмеси, а выходные участки лопаток расположены к первоначальному направлению потока под углом , определяющим крутку потока аэросмеси в пристеночной области потока. 2. Вихревая пылеугольная горелка по п.1,отличающаяся тем, что завихритель в канале аэросмеси выполнен в виде сменной вставки с различными углами наклоналопаток завихрителя и их высотой . 3. Вихревая пылеугольная горелка по п.п.1-2,отличающаяся тем, что угол наклона лопаток завихрителя аэросмеси находится в пределах 30-60,а высоталопаток завихрителя в пределах 0,1-0,6, где- радиус канала аэросмеси. 4. Вихревая пылеугольная горелка по п.п.1-3,отличающаяся тем, что кольцевой сепаратор выполнен с возможностью его замены сепаратором с другими рабочими характеристиками через герметически закрывающийся люк в цилиндрической стенке канала аэросмеси. 5. Вихревая пылеугольная горелка по п.п.1-4,отличающаяся тем, что в области сопряжения горелки с подводящим трубопроводом аэросмеси горелка снабжена направляющим патрубком,закрепленным соосно с каналом аэросмеси и снабженным на своем конце съемной крышкой со смотровым окошком для контроля режима горения при работе горелки.