Растопочные горелки. 
Общая энергетика: развитие топочных технологий. 
Часть 2

В работающем пылеугольном котле воспламенение аэросмеси, поступающей из горелок, происходит за счет теплоты, получаемой от факела. В котле, пускаемом вновь или после временной остановки, для доведения аэросмеси до температуры воспламенения необходим сторонний источник тепла. В мировой и отечественной теплоэнергетике при растопке пылеугольных котлов и для стабилизации горения, подсветки пылеугольного факела используют природный газ или топочный мазут. В условиях отсутствия природного газа и ограничения по мазуту осуществляется растопка с помощью основного топлива, специально подготовленного с помощью специальных растопочных устройств.

1) Муфельные растопочные устройства

С простейших муфельных растопочных устройств начиналась в энергетике эпоха камерных топок. Они представляли собой выносные кирпичные печи, которые топились дровами. Дымовые газы этих костров обогревали топку котла до уровня, при котором обеспечивалось воспламенение топлива. Затем появились более совершенные муфельные растопочные горелки.

Муфельная горелка, изображенная на рис. 9.33 [34], имеет колосниковую решетку для сжигания кускового топлива. Над слоем выполнено сопло для ввода пылевоздушной смеси. На одной из боковых стенок — дверца для загрузки кускового топлива, с фронта — сопло для подвода пыли, под решеткой — подвод воздуха. Растопка муфеля производится обычно древесными отходами, загружаемыми через дверцу. После того как муфель раскалится, в него подается аэросмесь. Часть более крупной пыли выпадает на решетку, на горящий слой топлива и поддерживает горение в слое. Мелкие фракции пыли воспламеняются и поступают непосредственно в топку. Таким образом, пылевой факел используется вместо мазута. Муфельная горелка устанавливается под основными горелками. Муфели работают хорошо на топливах с выходом летучих более 20%. Производительность муфельных горелок должна обеспечивать 20—25% номинальной производительности котла.

Любопытна компоновка растопочного устройства в виде слоевой топки с колосниковой решеткой, вмонтированной в сепарационную шахту шахтно-мельничной топки. Высокотемпературные продукты горения и газификации из слоя поступают в нижний канал с аэросмесью (рис. 9.34). Первоначально осуществляется зажигание нижней части потока аэросмеси, что позволяет ограничить мощность растопочного устройства. Затем воспламенившийся нижний поток аэросмеси осуществляет воспламенение остальной части топлива.

Рис. 9.33. Одна из первых типовых конструкций муфельной растопочной горелки для крупных паровых пылеугольных котлов.

Рис. 9.34. Шахтно-мельничная амбразура топки котла со встроенным растопочным устройством:

1 — сепарационная шахта; 2 — амбразура; 3 — рассекатель; 4 — растопочное устройство После продолжительного периода утраты интереса к муфельным устройствам, когда они были вытеснены мазутными форсунками, растопочные муфельные устройства стали востребованными вновь, когда сложился дефицит мазута. В дальнейшем при разработке различных технологий безмазутной растопки муфельные устройства выступали в различном качестве:

• — как теплоаккумулятор для накопления тепла в керамической кладке от топлива, сжигаемого в слое, и последующего воспламенения струи пускового топлива в виде угольной пыли непосредственно в муфеле;
• — как растопочный слоевой газогенератор, в котором газифицируется в слое твердое топливо, а генераторный газ через амбразуру вводится в топку и воспламеняет поток аэросмеси, пересекая его;
• — как генератор высокотемпературной струи продуктов сгорания пускового топлива, зажигаемой от электрического разряда или плазмотрона, осуществляющих термообработку и активацию большей части пускового топлива, которая воспламеняется непосредственно в топке при контакте с воздушным потоком и осуществляет воспламенение топливо-воздушной смеси от рабочей горелки.

Известны конструкции муфельных горелок, используемых для снижения минимальной устойчивой нагрузки пылеугольных котлов [35].

Рассмотрим некоторые известные конструкции современных муфельных растопочных устройств.

2) Подготовка воспламеняющей среды с помощью стороннего источника тепло

В конструкции муфельного запального устройства, разработанного в Красноярске [36], воспламеняющей средой служит весь поток воздуха с полным расчетным расходом угольной пыли (рис. 9.35). В муфеле на входе устанавливается электроподогреватель. После нагрева подаваемого первичного воздуха до температуры надежного воспламенения пыли осуществляется подача угольной пыли. Небольшая часть топлива сгорает в пределах муфеля, а остальная после смешения со вторичным воздухом (поступающим в топку через кольцевой канал, охватывающий корпус муфеля) сгорает в топке. Со временем в полости муфеля устанавливается стабильный тепловой режим, электроподогрев воздуха прекращается при сохранении процесса горения факела растопочной горелки. Такая система оказалась эффективной при использовании высокореакционного канско-ачинскогоугля с большим выходом летучих.

Рис. 9.35. Схема растопочной горелки с электроподогревателем:

• 1 — керамический корпус; 2 — подводящий пылепровод; 3 — делитель потока;
• 4 — электрический нагреватель; 5 — изоляционная плита; 6 — короб вторичного воздуха; 7 — завихритель; 8 — топочная камера
• 3) Плазменные технологии в растопочных устройствах пылеугольных котлов

Отличие таких растопочных устройств от представленных выше состоит только в характере источника стороннего тепла — здесь им служит плазмотрон. Плазменно-топливная система растопочного устройства реализует три этапа процесса воспламенения:

• — формирование электродугового плазменного разряда; термохимическая обработка части угольной пыли с получением двухфазного высокореакционного потока;
• — воспламенение относительно холодного основного потока аэросмеси.

В этих растопочных устройствах последовательно усовершенствовалась конструкция плазмотронов:

• — первыми использовались плазмотроны с подаваемым стержневым графитовым катодом и кольцевым медным водоохлаждаемым анодом;
• — затем появились плазмотроны со сменными водоохлаждаемыми катодом и анодом;
• — в третьем поколении, в отличие от предыдущих конструкций, плазмотрон выполняется без использования высокого напряжения. Воздействие на часть потока аэросмеси осуществляется нагревом ее электродуговой плазмой. Термообработанное топливо в потоке аэросмеси приобретает высокую реакционную способность и является непосредственным источником воспламенения. При контакте на выходе из горелки со вторичным воздухом оно воспламеняется и поджигает основной поток аэросмеси. При этом уменьшается не только напряжение, но также и потребляемая энергия, поскольку объектом воздействия электродугового плазмотрона является небольшая часть топливовоздушной смеси, поступающей в горелку.

Примеры компоновок горелок приведены на рис. 9.36, 9.37.

Рис. 9.36. Компоновка плазменно-топливной системы воспламенения в топке двухкорпусного котла ПК-39 (экибастузский уголь):

1 — вихревая система плазменно-топливного воспламенения; 2 — основная пылеугольная горелка; 3 — канал аэросмеси; 4 — вторичный воздух Подобные плазменно-топливные системы [37] могут эксплуатироваться на пылеугольных котлах производительностью от 75 до 670 т/ч с различными системами пылеприготовления (прямого вдувания и с промежуточным бункером пыли).

Технические характеристики плазмотронов плазменно-топливной системы:

мощность плазмотрона, кВт 50—350.

напряжение, В 250—400.

ток дуги, А 200—900.

масса плазмотрона, кг 25—35.

масса источников питания, кг 450.

ресурс электродов плазмотрона, ч катод/анод 250/500.

температура плазменного факела, °С 3000—6000.

Рис. 9.37. Размещение плазменно-топливной системы воспламенения.

в топке котла БКЗ-75:

• 1 — вихревая система плазменно-топливного воспламенения;
• 2 — основная пылеугольная горелка
• 4) Газификация пылевидного топлива в муфельной горелке

На кафедре тепловых электрических станций Уральского федерального университета разработана высокоэкономичная растопочная газификационная горелка (рис. 9.38) [38]. Муфель представляет собой стальной короб 7, футерованный внутри шамотным кирпичом 2. Газификация ведется путем ускоренного интенсивного прогрева пылеугольной струи с последующим сжиганием топливной смеси на выходе из горелки. Прогрев ведется малорасходным (до 50 кг/ч) мазутным факелом. Далее пылевоздушный поток газифицируется и входит в автотермический режим. Мазутные факелы отключаются. Стенки муфеля, разогретые до температуры 600 °C, обладают значительным запасом тепловой энергии и при кратковременном погасании факела (либо значительном ухудшении в составе угля и, следовательно, газа) стабилизируют режим, обеспечивая последующее воспламенение.

Рис. 9.38. Схема растопочной муфельной горелки с мазутоподогревателем футеровки муфеля:

1 — короб; 2 — футеровка; 3 — подача аэросмеси; 4 — диффузор; 5 — мазутная форсунка; 6 — подвод вторичного воздуха Аналогичная конструкция разработана и в Сибирском федеральном университете [39]. При сжигании небольшого количества жидкого топлива прогревается футеровка муфеля до 600 °C. После этого подается угольная пыль в потоке высокой концентрации, отключается мазут, газифицированная или прошедшая пиролиз угольная пыль воспламеняется в топке при контакте с воздухом и осуществляет растопку котла.

Следует напомнить, что технология растопки с помощью газогенерации использовалась в энергетике еще в 40—50-х гг. прошлого столетия. Растопочный генератор слоевой конструкции (рис. 9.39) [40] загружается топливом в расчете на 30—40 мин работы. Предварительно он разогревается до температуры 1000—1100 °С сжиганием дров или качественного угля. Высота слоя угля составляет до 1 м. Процесс газификации идет под некоторым избыточным давлением. Горячий генераторный газ поступает в топку котла.

Рис. 9.39. Муфельная растопочная горелка.

Обобщая известные современные разработки муфельных растопочных устройств для пылеугольных котлов, можно выделить и оценить используемые в них характерные технические решения:

разделение потока пускового топлива на первичный, подвергающийся прямому воздействию стороннего теплового источника, и основной, который при смешении с первичным потоком проходит термическую обработку, приобретая к выходу из муфеля в топку высокую воспламеняющую способность;

• — воспламеняющая способность пускового факела не зависит от способа первичного подогрева аэросмеси — электронагревателем, дуговым, искровым разрядником, воздушной плазмой;
• — использование предварительного нагрева керамической футеровки муфеля с помощью мазутного факела как стороннего источника тепла для подготовки пускового топлива значительно замедляет процесс растопки котла;

• — использование высококонцентрированной аэросмеси угольной пыли тонкого помола в растопочном устройстве способствует компактности и эффективности муфельного устройства;
• — термообработка аэросмеси в растопочном устройстве не предполагает газификацию угольной пыли с подачей в топку генерированного газа, задача ограничивается активацией угольных частиц в процесс пиролиза.

В итоге можно наблюдать, с одной стороны, обилие различных конструкций муфельных растопочных устройств, многочисленные патенты, публикации, научные исследования, а с другой — единичные случаи практического использования современных растопочных безмазутных устройств в отечественной энергетике. Причиной тому не только инерционность мышления руководителей электростанций, но также и невысокая надежность, энергоемкость предлагаемых решений.

В принципиально новой эффективной конструкции плазменно-угольной надподовой горелки часть основного потока угольной пыли сжигается в предвключенном устройстве под воздействием плазмотрона [41]. В котле, оснащенном такой горелкой, плазма не воздействует на свойства шлакового расплава. Электрическая мощность плазмотрона — 70 кВт, расход угольной пыли на горелку — 3,7 т/ч. Горелки этого типа установлены на котле Гусиноозерской ГРЭС (холбольджинский уголь) на уровне выше 0,3 м пода топки. Достигнуто повышение температуры над слоем шлакового расплава на 50 °C.