RU2611532C1

RU2611532C1 - Device for combustion of solid powdered fuel in dynamic flare of small length

Info

Publication number: RU2611532C1
Application number: RU2015157278A
Authority: RU
Inventors: Вера Сергеевна Бурцева; Константин Андреевич Куфтырев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "БЮРО ТЕХНИКИ"
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-02-28

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to thermal power industry, namely to combustion equipment, and can be used in systems for coal dust combustion. A burner for combustion of powdered solid fuel comprises a channel delivering high-concentration mixture of dust of solid fuel, the channel has rectangular shape and is installed inside an air duct delivering a secondary air, and an outlet opening of channel is closed by arch-like element in form of flat plate with dimensions identical to dimensions of the channel outlet opening, and installed overhead against the outlet opening of the channel at distance equal to width of the outlet opening.

EFFECT: increased intensity of mixing of powdered solid fuel with oxidant in zone of combustion reactions, thus ensuring, if possible, most complete fuel combustion upon flame length shortening.

3 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к топочной технике, и может быть использовано в системах сжигания угольной пыли.The invention relates to a power system, in particular to a furnace technology, and can be used in coal dust combustion systems.

Большинство современных горелочных устройств основаны на прямоточной подачи пылевоздушной смеси в зону активного горения топочной камеры. Во многом это обусловлено простотой и дешевизной изготовления горелочных устройств, а также относительно их низким сопротивлением, позволяющими использовать менее мощные дутьевые вентиляторы/насосы. Однако форма и длина факела в таком случае может быть чрезвычайно длинной и непригодной для использования, например, в водогрейных котлах небольшой мощности. В связи с этим возникает интерес к горелочным устройствам, работающим на пылевидном твердом топливе с коротким факелом, обеспечивающим при этом максимально возможное дожигание топлива (уменьшение теплопотерь от химической неполноты сгорания). Подобные устройства позволят создавать топочные камеры меньших габаритов.Most modern burner devices are based on direct-flow supply of dust-air mixture to the active combustion zone of the combustion chamber. This is largely due to the simplicity and low cost of manufacturing burner devices, as well as their relatively low resistance, allowing the use of less powerful blower fans / pumps. However, the shape and length of the torch in this case can be extremely long and unsuitable for use, for example, in boilers of small capacity. In this regard, there is an interest in burners operating on pulverized solid fuel with a short flare, while ensuring the maximum possible afterburning of the fuel (reducing heat loss from chemical incompleteness of combustion). Such devices will allow the creation of smaller combustion chambers.

Известен достаточно эффективный способ сжигания пылевидного топлива по патенту РФ №2557967, в котором пылевидное топливо подают в камеру зажигания через плазмотрон, которым воспламеняют смесь потока воздуха и пылевидного топлива, продукты горения из камеры зажигания смешивают с основным потоком воздуха и при недостатке кислорода подают в камеру горения, оставшуюся часть первого потока, обогащенную кислородом, подают в камеру подготовки воздуха, где обрабатывают лазерным излучением твердотельного лазера. Однако такой способ экономически дорог, а потому не целесообразен для использования в водогрейных котлах небольшой мощности.A fairly effective method for burning pulverized fuel is known according to RF patent No. 2557967, in which pulverized fuel is supplied to the ignition chamber through a plasma torch, which ignites a mixture of air flow and pulverized fuel, the combustion products from the ignition chamber are mixed with the main air stream and, if there is a lack of oxygen, are fed into the chamber combustion, the remaining part of the first stream, enriched with oxygen, is fed into the air preparation chamber, where it is treated with laser radiation from a solid-state laser. However, this method is economically expensive, and therefore not suitable for use in small-capacity boilers.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ изобретения по патенту РФ №2548706, при котором помол и механоактивацию угля осуществляют внутри камеры дезинтегратора с получением угля микропомола, который далее транспортируют в вихревую растопочную горелку, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, воспламенение и последующее сжигание которой при растопке пылеугольного котла осуществляют непосредственно в топочном объеме пылеугольного котла.The closest technical solution to the claimed method is the method of the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2548706, in which the grinding and mechanical activation of the coal is carried out inside the chamber of the disintegrator to produce coal microfinish, which is then transported to a vortex kindling burner, where it is intensively mixed with secondary air to obtain a dusty air mixtures, the ignition and subsequent combustion of which during the kindling of a pulverized coal boiler is carried out directly in the furnace volume of the pulverized coal boiler.

Известно пылеугольное горелочное устройство по патенту РФ №2059927, содержащее горелку, установленную по оси горелочного устройства с соосными каналами вторичного воздуха и аэросмеси, и два наклоненных под углом к другу канала подачи топлива. Это устройство дополнительно снабжено двумя наклоненными под углом навстречу друг другу каналами подачи воздуха, угол наклона которых совпадает с углом наклона каналов подачи топлива, горелка является вихревой или щелевой, при этом каналы вторичного воздуха и аэросмеси щелевой горелки расположены параллельно друг другу. В таких устройствах организована подача пылевоздушной смеси по двух каналам, находящимся под небольшим (10÷45°) углом друг к другу. Потоки смеси, соударяясь, образуют веерообразное течение, обеспечивающее распространение топлива только в одной плоскости.Known pulverized coal burner device according to the patent of the Russian Federation No. 2059527, containing a burner mounted on the axis of the burner device with coaxial channels of secondary air and air mixtures, and two fuel supply channels inclined at an angle to each other. This device is additionally equipped with two air supply channels inclined at an angle towards each other, the angle of inclination of which coincides with the angle of inclination of the fuel supply channels, the burner is vortex or slotted, while the secondary air channels and slot mixture burner air mixtures are parallel to each other. In such devices, the dust-air mixture is supplied through two channels located at a small (10 ÷ 45 °) angle to each other. The flows of the mixture, colliding, form a fan-shaped flow, which ensures the distribution of fuel in only one plane.

Известна форсунка по патенту РФ №2377468, принятая за прототип, содержащая трубу подачи высококонцентрированной смеси пыли твердого топлива с воздухом - пыли высокой концентрации (ПВК) или аэропыли - в горелку или в факел горелки, в которой размещены завихритель и конусный рассекатель, установленный в выходном участке трубы и обращенный вершиной конуса навстречу потоку аэропыли, причем на боковой поверхности выходного участка трубы в зоне установки рассекателя выполнены, по меньшей мере, два окна для выпуска струй аэропыли, а сам завихритель размещен по ходу потока аэропыли перед окнами и вершиной конуса рассекателя.Known nozzle according to the patent of the Russian Federation No. 2377468, adopted as a prototype, containing a pipe for supplying a highly concentrated mixture of dust of solid fuel with air - dust of high concentration (PVC) or aerofoil - in the burner or in the torch of the burner, in which the swirl and cone divider installed in the outlet a pipe section and facing the apex of the cone towards the air flow, moreover, at least two windows for the release of air jets are made on the side surface of the pipe outlet in the installation area of the divider, and the swirl itself Aerope disposed along the flow in front of windows and the top of the deflector cone.

Недостатком указанных известных технических решений является сравнительно невысокая интенсивность смешения топлива непосредственно в факеле горелочного устройства, приводящая к замедлению процессов горения из-за медленного подвода окислителя к топливу.The disadvantage of these known technical solutions is the relatively low intensity of mixing the fuel directly in the torch of the burner device, which leads to a slowdown of the combustion process due to the slow supply of oxidizer to the fuel.

Задачей заявленного технического решения является получение более эффективного способа сжигания пылевидного твердого топлива и создание горелочного устройства, обеспечивающего такой способ.The objective of the claimed technical solution is to obtain a more efficient method of burning pulverized solid fuel and the creation of a burner device that provides such a method.

Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности смешения пылевидного твердого топлива с окислителем в зоне реакций горения и тем самым обеспечение по возможности наиболее полного сжигания топлива при укорочении длины факела.The technical result of the invention is to increase the intensity of mixing of pulverized solid fuel with an oxidizing agent in the zone of combustion reactions and thereby ensuring the most complete combustion of fuel when shortening the length of the flame.

Повышение интенсивности перемешивания достигается в заявляемом способе сжигания пылевидного твердого топлива за счет турбулизации подаваемого в зону горения топлива, обеспечиваемой конструкцией горелочного устройства, через которое происходит подача пылевидного твердого топлива в зону горения, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, воспламенение и последующее сжигание.An increase in the intensity of mixing is achieved in the inventive method of burning pulverized solid fuel by turbulizing the fuel supplied to the combustion zone, provided by the design of the burner device through which the pulverized solid fuel is fed into the combustion zone, where it is intensively mixed with secondary air to obtain a dust-air mixture, ignition and subsequent burning.

Заявляемое горелочное устройство для сжигания пылевидного твердого топлива содержит канал подачи высококонцентрированной смеси пыли твердого топлива. Этот канал имеет прямоугольную форму и установлен внутри воздушного короба подачи вторичного воздуха, а выпускное отверстие канала перекрыто арочным элементом, выполненным в виде плоской пластины, имеющей габариты, идентичные габаритам выходного отверстия канала, и установленной по потоку напротив выходного отверстия канала на расстоянии, равном ширине выходного отверстия.The inventive burner device for burning pulverized solid fuel contains a feed channel for a highly concentrated mixture of dust of solid fuel. This channel has a rectangular shape and is installed inside the secondary air supply duct, and the outlet of the channel is blocked by an arched element made in the form of a flat plate having dimensions identical to the dimensions of the outlet of the channel and installed downstream of the channel outlet at a distance equal to the width outlet

Турбулизация подаваемого в зону горения топлива достигается за счет исполнения выходного отверстия в форме прямоугольного отверстия, перекрытого арочным элементом п-образной формы. В этом случае поступающая в топочное пространство пылевоздушная смесь имеет высокую завихренность, что в свою очередь ускоряет турбулентное смешение окислителя и топлива в зоне реакций. Увеличение интенсивности турбулентного смешения обеспечивается автоколебательным течением (ru-эффект, [1]), возникающим при поступлении топливовоздушной смеси в рабочее пространство через отверстие предлагаемого горелочного устройства. При турбулентном режиме истечения (число Рейнольдса Re>5000) из данного отверстия в пространстве, локализованном арочным элементом, наблюдается нестационарное взаимодействие двух встречно-соосных потоков, истекающих из торцевых сторон арочного элемента, каждый из которых поочередно свободно истекает в топочное пространство, поджимая другой. За счет наличия в рассматриваемой гидродинамической системе обратной связи поджатый поток увеличивает свой напор и через небольшой промежуток времени преодолевает созданный другим потоком сопротивление и начинает свободное распространение в топочное пространство. Частоту колебаний можно определить из условия постоянства числа Струхаля, равного для данного течения 0,25. За масштаб длины при расчете частоты колебаний следует брать высоту арочного элемента.The turbulization of the fuel supplied to the combustion zone is achieved due to the execution of the outlet in the form of a rectangular hole overlapped by an arched p-shaped element. In this case, the dusty air mixture entering the combustion chamber has a high vorticity, which in turn accelerates the turbulent mixing of the oxidizer and fuel in the reaction zone. An increase in the intensity of turbulent mixing is provided by a self-oscillating flow (ru-effect, [1]) that occurs when the air-fuel mixture enters the working space through the opening of the proposed burner device. In the turbulent mode of outflow (Reynolds number Re> 5000) from a given hole in the space localized by the arch element, there is an unsteady interaction of two counter-coaxial flows flowing from the end faces of the arch element, each of which alternately freely flows into the furnace space, compressing the other. Due to the presence of feedback in the hydrodynamic system under consideration, the compressed flow increases its pressure and, after a short period of time, overcomes the resistance created by the other flow and begins to spread freely into the furnace space. The oscillation frequency can be determined from the condition that the Strouhal number is constant, equal to 0.25 for a given current. When calculating the frequency of oscillations, the height of the arched element should be taken as the length scale.

Известно, что для обеспечения полного сгорания топлива требуется подвод необходимого количества окислителя, определяемого из стехиометрии брутто-реакции горения для конкретного состава топлива. Процесс горения сопровождается образованием большого количества продуктов сгорания. Являясь более не горючими, они препятствуют к диффузии окислителя к оставшемуся топливу. По этой причине в горелочное устройство подают заведомо большее количество воздуха и создают топочные камеры больших размеров с целью увеличения времени пребывания частиц топлива в зоне реакции и тем самым увеличения вероятности прохождения полного догорания топлива. Для увеличения скорости смешения предлагается искусственно за счет гидродинамической неустойчивости встречно соосных потоков инициализировать вихревое течение, в значительной степени способствующее подводу окислителя к топливу.It is known that to ensure complete combustion of the fuel requires the supply of the required amount of oxidizing agent, determined from the stoichiometry of the gross combustion reaction for a specific fuel composition. The combustion process is accompanied by the formation of a large number of combustion products. Being no longer combustible, they inhibit diffusion of the oxidizing agent to the remaining fuel. For this reason, a deliberately larger amount of air is supplied to the burner device and large combustion chambers are created in order to increase the residence time of the fuel particles in the reaction zone and thereby increase the likelihood of complete burning of the fuel. To increase the mixing speed, it is proposed to initiate a vortex flow artificially due to hydrodynamic instability of counter-coaxial flows, which significantly contributes to the supply of the oxidizer to the fuel.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1-3). На фиг. 1 представлено продольное сечение горелочного устройства, на фиг. 2 представлен вид спереди на горелочное устройство, на фиг. 3 представлен разрез Α-A горелочного устройства (с фиг. 1).The essence of the proposed technical solution is illustrated in FIG. 1-3). In FIG. 1 is a longitudinal section through a burner device; FIG. 2 is a front view of the burner device; FIG. 3 shows a section Α-A of the burner device (with FIG. 1).

Горелочное устройство состоит из короба 1 для подачи вторичного воздуха 2 с установленным внутри коробом 3 для подачи пылевоздушной смеси 4. В канале подачи пылевоздушной смеси исполнено выходное отверстие 5 прямоугольной формы, напротив которого вверх по потоку установлена плоская пластина 6 с габаритами, соответствующими габаритам выходного отверстия 5.The burner device consists of a duct 1 for supplying secondary air 2 with an inside duct 3 for supplying the dust-air mixture 4. In the dust-air mixture supply duct, a rectangular outlet 5 is made, opposite which a flat plate 6 with dimensions corresponding to the dimensions of the outlet is installed upstream 5.

Пылеугольная горелка работает следующим образом.A coal burner operates as follows.

Пылевоздушную смесь подают в топочное пространство по каналу 4, заканчивающееся прямоугольным отверстием 5, перекрытого плоской пластиной 6, на некотором расстоянии внутрь канала. Пылевоздушная смесь, обтекая препятствие в виде установленной пластины, разделяется на два встречно-соосных потока. Вследствие соударения образуемых потоков и их неустойчивости возникает автоколебательное истечение пылевоздушной смеси в топочное пространство с высокой амплитудой и частотой колебаний. Наличие достаточно равномерно распределенной концентрации пыли в факеле горелочного устройства обеспечивает устойчивое воспламенение, а высокая турбулизация потока за счет автоколебательного истечения способствует активному перемешиванию топлива и воздуха и интенсивному сгоранию.The dust-air mixture is fed into the combustion chamber through the channel 4, ending with a rectangular hole 5, covered by a flat plate 6, at a certain distance into the channel. The dusty air mixture, flowing around an obstacle in the form of an installed plate, is divided into two counter-coaxial flows. Due to the collision of the generated flows and their instability, a self-oscillating outflow of the dust-air mixture into the combustion space with a high amplitude and frequency of oscillation occurs. The presence of a fairly evenly distributed dust concentration in the torch of the burner device provides stable ignition, and high turbulization of the flow due to self-oscillating outflow promotes active mixing of fuel and air and intensive combustion.

ЛитератураLiterature

1. Бурцев С.И., Денисихина Д.М. Расчетное исследование течений, формирующихся при истечении воздуха из прямоугольных отверстий, перекрытых аркой // Материалы Междунар. Науч.-Тех. Конф. «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». - М. - 2005.1. Burtsev S.I., Denisikhina D.M. A computational study of the currents that form when air flows from rectangular openings covered by an arch // Materials of the Intern. Scientific-technical Conf. "Theoretical foundations of heat and gas supply and ventilation." - M. - 2005.

Claims

A burner device for burning pulverized solid fuel containing a feed channel for a highly concentrated mixture of solid fuel dust, characterized in that the fuel feed channel has a rectangular shape and is installed inside the secondary air supply duct, and the outlet of the duct is blocked by an arched element made in the form of a flat plate with dimensions identical to the dimensions of the outlet of the channel, and installed downstream opposite the outlet of the channel at a distance equal to the width of the outlet o versts.