СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЁРДОГО ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ ПАРОВЫХ И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в агрегатах систем отопления, например в топках котлов.

Известен способ сжигания твердого пылеугольного топлива в топках паровых и водогрейных котлов, включающий формирование потоков воздуха, смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в топке и ее горение [1], по совокупности существенных признаков изобретения принятый за ближайший аналог.

Вихревая трехпоточная горелка [1] используется для подачи в топку воздуха и флюидизированной высоконцентрированной угольной пыли, имеющей дисперсность, соответствующую остатку на сите с размером ячейки 90 мкм менее 5. . . 10%. Соотношение расходов воздуха и топлива соответствует коэффициенту избытка воздуха по отношению ко всему подаваемому топливу α = 1,05...1,1. Особенность вихревых горелок при сжигании пылеугольного топлива состоит в том, что вблизи устья горелки образуется зона возвратного течения, которая обеспечивает подачу к срезу горелки горячих продуктов сгорания, от которых воспламеняется свежая смесь, и это обеспечивает стабилизацию факела. Кроме того, по данным исследований, представленным в [3, 4, 5], на расстоянии от устья горелки l = (1,2...2)•d_a, где d_a - диаметр амбразуры, основные параметры факела по радиусу, такие как температура и коэффициент избытка воздуха α, становятся равномерными, т.е. происходит перемешивание топлива и воздуха.

Таким образом, сгорание основной массы угольной пыли происходит при коэффициенте избытка воздуха, среднем по горелке, т.е. при α = 1,05...1,1. Согласно термодинамическим расчетам, результаты которых излагаются далее, при таком сжигании угольной пыли температура в процессе выгорания углерода оказывается ниже, чем при недостатке воздуха, т.е. при α<1. Это приводит к ухудшению воспламенения, образованию шлаков, имеющих пониженную температуру, т.е. повышенную вязкость, что затрудняет процесс жидкого шлакоудаления. Кроме того, кинетические расчеты, результаты которых также рассматриваются ниже, показывают, что при таком сжигании образуется максимально возможное количество оксидов азота.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков, обеспечивается за счет того, что в способе сжигания твердого пылеугольного топлива в топках паровых и водогрейных котлов, включающем формирование потоков воздуха, смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в топке и ее горение, согласно изобретению на начальной стадии выгорания летучих и пыли твердого топлива обеспечивают соотношение воздух-топливо, соответствующее коэффициенту избытка воздуха по отношению к летучим α_л>1, а по отношению ко всему топливу α_т = 0,2...0,8, и по мере выгорания углерода топлива к смеси подмешивают воздух таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха α_т достиг к моменту полного выгорания углерода величины α_т≥1.

Во втором варианте исполнения на начальной стадии выгорания летучих и пыли твердого топлива обеспечивают соотношение воздух-топливо, соответствующее коэффициенту избытка воздуха по отношению к летучим α_л>1, а по отношению ко всему топливу α_т = 0,2...0,8, и по мере выгорания углерода топлива к смеси подмешивают воздух таким образом, чтобы при выгорании 50% углерода коэффициент избытка воздуха составил α_т = 0,5...0,8 и при дальнейшем выгорании углерода достиг к моменту полного выгорания углерода величины α_т≥1.

Кроме того, в первом варианте осуществления способа сжигания в область стабилизации (воспламенения) факела горения подают смесь пылеугольного топлива и воздуха с соотношением компонентов, соответствующим коэффициенту избытка воздуха по отношению к летучим α_л>1, а по отношению ко всему топливу α_т = 0,2. . . 0,8 и далее обеспечивают постепенное подмешивание остального воздуха к продуктам неполного горения после области стабилизации до тех пор, пока коэффициент избытка воздуха α_т не достигнет величины α_т≥1.

Организованный таким образом процесс горения обеспечивает наиболее высокую температуру продуктов сгорания на протяжении всего процесса сжигания пыли: на 300-500 К выше по сравнению со случаем сжигания смеси, имеющей первоначально состав, соответствующий стехиометрическому соотношению воздух-топливо, т.е. α_т = 1.

Это обеспечивает более надежное зажигание топлива и более высокую температуру образующихся шлаков, что особенно важно при жидком шлакоудалении.

Приведем результаты расчетов, обосновывающих изложенное выше.

Выполненные на основе методов [2] термодинамические расчеты свойств продуктов сгорания, в частности кузнецкого угля с воздухом, показали картину, не нашедшую отражения в широко известных фундаментальных работах, рассматривающих вопросы сжигания пылеугольного топлива [3...8].

На фиг. 1 представлена зависимость адиабатической температуры продуктов сгорания каменного угля с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха по отношению ко всему топливу α_т - кривая 1. Ввиду полидисперсности угольной пыли - размеры частиц фракций, составляющих значительную долю, изменяются обычно примерно от 1 до 100 мкм - зажигание и выгорание углерода различных фракций происходит не одновременно. В общем случае сначала сгорают летучие вещества, выделяющиеся из частиц при нагревании их до ~900^oС. Массовая доля этих "летучих" может составлять величину от нескольких процентов до нескольких десятков процентов. Затем воспламеняются и сгорают мелкие фракции. Например, доля частиц, имеющих размер меньше 3 мкм, может составить 10. . . 15%, а от излучения топочных газов они нагреваются до Т=1500 К за 1...2 мс. После самых мелких частиц зажигаются и горят более крупные и т.д. Например, массовая доля частиц, имеющих диаметр более 50 мкм, может превышать 20%, а время воспламенения и сгорания этих частиц составляет величину порядка секунды.

На фиг. 1 нанесены также кривые зависимости температуры продуктов сгорания от α_т при сгорании сначала одних летучих (кривая 2), а затем - различных долей углерода топлива, оставшегося после выделения летучих (кривая 3 - 10%, 4 - 20%, 5 - 30%, 6 - 40%, 7 - 50%). Остальной углерод, сверх этой доли, предполагается инертным, не вступает в реакцию и только нагревается до температуры смеси, отбирая, естественно, тепло, выделившееся при сгорании указанной доли углерода.

Выявляется необычная картина - при выгорании лишь части углерода температура продуктов сгорания будет выше, если содержание воздуха в смеси меньше стехиометрического по отношению ко всему топливу. И это превышение температуры составляет величину 300...700^oС. На фиг.2 представлены кривые зависимости адиабатической температуры продуктов сгорания от доли сгоревшего углерода при различных фиксированных коэффициентах избытка воздуха - от α_т = 0,3 до α_т = 1,1 (цифры около кривых). Отчетливо видно, что сжигание смеси пылеугольного топлива с воздухом при недостатке воздуха, соответствующем коэффициентам избытка воздуха по отношению ко всему топливу α_т = 0,3...0,8, обеспечивает в начале процесса и на значительном его протяжении более высокую температуру продуктов сгорания, чем при стехиометрическом соотношении. Величина превышения температуры составляет сотни градусов - до 750^oС.

Таким образом, если стремиться к достижению возможно более высоких температур в процессе сжигания пылевидного твердого топлива, можно организовать сжигание пыли следующим образом. Зажигание и сгорание летучих и первых порций углерода, мелких фракций, должно происходить при содержании воздуха в смеси, соответствующем коэффициенту избытка воздуха по отношению к летучим α_л>1, а по отношению ко всему топливу α_т = 0,2...0,8.

Коэффициент избытка воздуха по отношению к летучим α_л, это отношение действительного количества воздуха в смеси на 1 кг топлива К к тому количеству, которое необходимо для полного сгорания только летучих К_л ^о. Если доля летучих в горючей массе топлива составляет v_л ^r, состав их характеризуется химической формулой, записанной для молекулярного веса μ_л = 1000,
C_lH_mO_n,
а состав воздуха, аналогично,
O_14,49N_53,92Ar_0,3211C_0,0104,
то величина стехиометрического количества воздуха по отношению к летучим будет равна

здесь множители при количествах атомов - валентности элементов. Если стехиометрическое соотношение для горючей массы топлива обозначить K^o, то стехиометрическое количество воздуха для летучих будет соответствовать коэффициенту избытка воздуха для топлива

Как следует из данных фиг. 2, если стремиться обеспечить наибольшую температуру на протяжении всего процесса сгорания топлива, то к моменту, когда выгорит 40...50% углерода, следует увеличить содержание воздуха до α = 0,5...0,8 и далее увеличивать его до α = 0,9...1,0.

Такая организация процесса сжигания пылевидного твердого топлива обеспечит следующие преимущества.

1. Температура в течение всего процесса сгорания на 300÷600^oС выше температуры, достигаемой при традиционной организации сжигания [1, 3...8]. Это обеспечит надежное зажигание (повышение температуры заметно больше повышает скорость окисления углерода, чем снижение концентрации кислорода - понижает) и малую вязкость шлаков в случае жидкого шлакоудаления.

Повышенная температура процесса при выгорании летучих и мелких фракций обеспечит более раннее выделение летучих и воспламенение частиц крупных фракций, что должно повысить полноту сгорания.

2. Концентрация оксидов азота - термических и топливных - уменьшается в несколько раз по сравнению с концентрацией при традиционной организации процесса. Результаты расчетов по методике, изложенной в [9], зависимости концентрации термических оксидов азота от доли сгоревшего углерода приведены на фиг. 3. Цифры около кривых обозначают значение коэффициента избытка воздуха α_т. Сплошные кривые соответствуют сжиганию в чистом воздухе, без рециркуляции. Пунктирные - при сжигании в смеси 90% воздуха с 10% газов рециркуляции. Как видно, сжигание при α_т = 0,6...0,7 обеспечивает уменьшение концентрации термических NO в несколько раз по сравнению с традиционным сжиганием при α_т = 1,0...1,1. Концентрация топливных оксидов азота также согласно [10] может уменьшиться в несколько раз в результате организации процесса горения при пониженной концентрации кислорода.

Становится возможным, в силу п.1, организовать рециркуляцию дымовых газов. На фиг. 3 штриховыми линиями представлены значения концентрации NO при степени рециркуляции r = 0,1.

Таким образом, реализация предлагаемого способа сжигания пылевидного твердого топлива обеспечит значительное улучшение эксплуатационных и экономических показателей пылеугольных котлов.

Использованная литература
1. Енякин Ю. П., Вербовецкий Э.Х., Новиков Ю.С. и др. Техническая концепция модернизации котлов ТП-80 и ТП-87 ТЭЦ-22, Электрические станции, 2000, 11, с.19-24.

2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 10 т. Под научным руководством акад. Глушко В.П. - М.: АНСССР, 1971. Т.1. 266 с.

3. Померанцев В.В. (ред.) Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 312 с.

4. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1987. 208 с.

5. Хзмалян Д. М. Теория топочных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

6. Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива. М.: Наука, 1994. 320 с.

7. Turns, Stephen R. , An Introduction to combustion, Second Edition, McGraw-Hile Int.Ed. 2000. 674 p.p.

8. Enviromental Implication of Combustion Processes, Edited by Ishwar K. Puris CRC Press, 1993. 312 p.p.

9. Тишин А. П. , Худяков В.А., Артамонов А.К. Исследование возможности уменьшения концентрации окислов азота при сжигании топлив в теплоэнергоагрегатах. Калининград М.О.: ЦНИИМаш, 1994. 60 с.

10. Титов С. П., Бабий В.И., Барабаш В.М. Исследование образования NO_x при горении пыли каменных углей. Теплоэнергетика. 1980. 3. С.64-67.