RU2301375C1

RU2301375C1 - Device for igniting and stabilizing solid fuel combustion

Info

Publication number: RU2301375C1
Application number: RU2006102506/06A
Authority: RU
Inventors: зев Андрей Евгеньевич Кн (RU); Андрей Евгеньевич Князев
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-06-20

Abstract

FIELD: combustion.

SUBSTANCE: device comprises casing with cooling jacket connected with the cooler and member for supplying plasma-generating gas, members for supplying igniting fuel, and electrodes, which are arranged in the operation zone inside the casing. The electrodes are mounted for permitting movement between the operation position and cooling position. The operation zone of the casing is provided with openings for discharging coolant from the cooling jacket. The number of openings for discharging of the coolant is no less than the number of the electrodes. The member for supplying plasma-generating gas is made of a pipe, and the electrodes and openings for discharging of coolant are arranged over circumferences whose centers lie at the axis of the pipe. The diameter of the circumference of openings for discharging coolant ranges from 1.1. to 10 of the diameter of the circumference of electrodes. To provide cooling, the electrode is positioned in the zone located at a distance of half difference between the diameters of the circumference of openings for discharging coolant and circumference of electrodes. The operation zone of the casing is made of concave reflector.

EFFECT: enhanced reliability.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для поджига и стабилизации горения твердого топлива в теплоэнергетических установках, например в газификаторах или котельных агрегатах.The invention relates to the field of energy, in particular to devices for igniting and stabilizing the combustion of solid fuel in thermal power plants, for example in gasifiers or boiler units.

Известно устройство для воспламенения и стабилизации горения пылеугольного топлива, содержащее плазматрон, введенный в камеру воспламенения, соединенную с каналом подачи пылеугольного топлива. Устройство содержит каналы ввода сжатого воздуха, регулирование параметров которого осуществляется, в частности, возвратно-поступательным движением плазматрона (патент RU 2216690 С2, кл. F23Q 5/00, опубл. 20.11.2003). Это устройство не предназначено для работы с неизмельченным твердым топливом.A device is known for igniting and stabilizing the combustion of pulverized coal fuel, containing a plasmatron inserted into the ignition chamber connected to the pulverized coal feed channel. The device contains input channels of compressed air, the regulation of the parameters of which is carried out, in particular, by the reciprocating movement of the plasmatron (patent RU 2216690 C2, class F23Q 5/00, published on November 20, 2003). This device is not intended for use with unmilled solid fuels.

Наиболее близким к заявленному является устройство для поджига и стабилизации горения твердого, в частности пылеугольного, топлива, содержащее кожух с охлаждаемой рубашкой, соединенной с источником охладителя, и размещенные в муфеле рабочей зоны кожуха элемент подачи плазмообразующего газа, элемент подачи поджигового топлива и электроды (патент RU 2230991 С2, кл. F23Q 5/00, опубл. 20.06.2004).Closest to the claimed is a device for igniting and stabilizing the combustion of solid, in particular pulverized coal, fuel containing a casing with a cooled jacket connected to a cooler source, and a plasma-forming gas supply element, an ignition fuel supply element and electrodes placed in the muffle of the casing working area (patent RU 2230991 C2, class F23Q 5/00, publ. 06/20/2004).

Это устройство недостаточно эффективно и надежно, так как содержит воздушный плазматрон, который требует постоянного поддержания электрической дуги, что способствует быстрому выгоранию электродов, а струя плазмы обеспечивает лишь низкотемпературный факел муфеля (900-1100°С). Кроме того, использование в этом устройстве воздуха в качестве плазмообразующего газа приводит к образованию нежелательных комбинаций химических соединений, таких как N_xO_y и N_xC_y. При работе с твердым топливом может происходить закупорка муфеля, что также понижает его эффективность и надежность. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективности и надежности устройства, а также расширении области его применения за счет улучшения его эксплуатационных характеристик.This device is not efficient and reliable enough, since it contains an air plasmatron, which requires constant maintenance of the electric arc, which contributes to the rapid burning of the electrodes, and the plasma jet provides only a low-temperature torch of the muffle (900-1100 ° С). In addition, the use of air as a plasma gas in this device leads to the formation of undesirable combinations of chemical compounds, such as N _x O _y and N _x C _y . When working with solid fuel, clogging of the muffle can occur, which also reduces its efficiency and reliability. The technical result achieved by the invention is to increase the efficiency and reliability of the device, as well as expanding the scope of its application by improving its operational characteristics.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для поджига и стабилизации горения твердого топлива, содержащем кожух с охлаждаемой рубашкой, соединенной с источником охладителя, и размещенные в рабочей зоне кожуха элемент подачи плазмообразующего газа, элемент подачи поджигового топлива и электроды, в рабочей зоне кожуха выполнены отверстия для вывода охладителя из охлаждаемой рубашки, а электроды выполнены с возможностью перемещения между рабочим положением и положением охлаждения.The technical result is achieved by the fact that in the device for igniting and stabilizing the combustion of solid fuel, comprising a casing with a cooled jacket connected to a cooler source, and a plasma-forming gas supply element, an ignition fuel supply element and electrodes located in the casing working area, are made in the casing working area holes for withdrawing the cooler from the cooled jacket, and the electrodes are movable between the working position and the cooling position.

Число отверстий для вывода охладителя может составлять не менее числа электродов, что повышает эффективность охлаждения электродов и увеличивает их ресурс.The number of holes for the outlet of the cooler can be at least the number of electrodes, which increases the efficiency of cooling the electrodes and increases their resource.

Элемент подачи плазмообразующего газа может быть выполнен в виде трубки, а электроды в рабочем положении и отверстия для вывода охладителя могут быть размещены на окружностях с центрами на оси этой трубки, причем диаметр окружности расположения отверстий для вывода охладителя может составлять от 1,1 до 10,0 диаметра окружности расположения электродов, что обеспечивает эффективное охлаждение электродов при различных размерах устройства.The plasma gas supply element can be made in the form of a tube, and the electrodes in the working position and the holes for the outlet of the cooler can be placed on circles with centers on the axis of this tube, and the diameter of the circumference of the location of the holes for the output of the cooler can be from 1.1 to 10, 0 diameter of the circumference of the location of the electrodes, which provides effective cooling of the electrodes with different sizes of the device.

Положение охлаждения электрода может соответствовать размещению его в зоне, ограниченной расстоянием от оси отверстия для вывода охладителя, равным половине разности диаметров окружности расположения отверстий для вывода охладителя и окружности расположения электродов, что повышает эффективность устройства.The cooling position of the electrode may correspond to its placement in the zone limited by the distance from the axis of the hole for the outlet of the cooler, equal to half the difference between the diameters of the circle of the location of the holes for the output of the cooler and the circumference of the location of the electrodes, which increases the efficiency of the device.

Рабочая зона кожуха может быть выполнена в виде вогнутого отражателя, что обеспечивает фокусирование фотонной энергии, сопутствующей формированию теплового пятна.The working area of the casing can be made in the form of a concave reflector, which ensures focusing of the photon energy associated with the formation of a heat spot.

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показано заявленное устройство;figure 1 shows the claimed device;

на фиг.2 - схематичное изображение электродов в рабочем положении и положении охлаждения.figure 2 - schematic representation of the electrodes in the working position and the cooling position.

Устройство для поджига и стабилизации горения твердого топлива содержит кожух 1 с охлаждаемой рубашкой 2, соединенной с источником охладителя (не показано). Источником охладителя может быть емкость с охладителем или система водоснабжения. В рабочей зоне кожуха 1 размещены трубка 3 подачи плазмообразующего газа, элемент подачи поджигового топлива в виде трубки 4, а также электроды 5, установленные с возможностью подключения к электрической цепи. Рабочей зоной кожуха 1 является зона, сообщенная с топкой или вводимая в топку газификатора или котельного агрегата. Рабочая зона кожуха 1 выполнена в виде вогнутого отражателя 6, обращенная к топке поверхность которого выполнена зеркальной. Форма отражателя может быть круглой, параболической, гиперболической или какой-либо другой, обеспечивающей защиту электродов 5 от попадания фрагментов твердого топлива при работе устройства и для предотвращения попадания твердого топлива в стартовую зону теплового пятна. Электроды 5 выполнены с возможностью перемещения между рабочим положением 7 и положением охлаждения 8 и снабжены механизмом их перемещения. Механизмом перемещения электродов 5 может быть одно из известных устройств, не рассматриваемых в данном изобретении. Для охлаждения электродов 5 в рабочей зоне кожуха 1 выполнены отверстия 9 для вывода охладителя из охлаждаемой рубашки 2. Отверстия 9 могут быть оборудованы форсунками 10 для формирования струи охладителя.A device for igniting and stabilizing the combustion of solid fuel contains a casing 1 with a cooled jacket 2 connected to a source of cooler (not shown). The source of the cooler may be a tank with a cooler or a water supply system. In the working area of the casing 1 there is a plasma-forming gas supply tube 3, an ignition fuel supply element in the form of a tube 4, and also electrodes 5 installed with the possibility of connection to an electric circuit. The working area of the casing 1 is the area communicated with the furnace or introduced into the furnace of the gasifier or boiler unit. The working area of the casing 1 is made in the form of a concave reflector 6, the surface of the furnace facing which is made mirrored. The shape of the reflector can be round, parabolic, hyperbolic or some other, providing protection of the electrodes 5 from ingress of solid fuel fragments during operation of the device and to prevent solid fuel from entering the starting area of the heat spot. The electrodes 5 are made with the possibility of movement between the working position 7 and the cooling position 8 and are equipped with a mechanism for their movement. The mechanism for moving the electrodes 5 may be one of the known devices not considered in this invention. To cool the electrodes 5 in the working area of the casing 1, holes 9 are made for removing the cooler from the cooled jacket 2. Holes 9 can be equipped with nozzles 10 for forming a jet of cooler.

Согласно фиг.2 электроды 7 в рабочем положении размещены на окружности диаметра Dэ, а отверстия 9 для вывода охладителя на окружности диаметра Do. Центры Оэ, Оо этих окружностей расположены на оси трубки 3, причем диаметр Do окружности отверстий для вывода охладителя составляет от 1,1 до 10,0 диаметра Dэ окружности расположения электродов 5 и определяется конкретными параметрами устройства, в частности размером электродов 5. В положении 8 охлаждения электроды 5 размещены в зоне, ограниченной расстоянием t от оси Оохл отверстия 9 для вывода охладителя, равным половине разности диаметров Do окружности расположения отверстий 9 для вывода охладителя и Dэ окружности расположения электродов 5 в рабочем положении 7. Электроды 5 выполнены из тугоплавких сплавов на основе хрома, ванадия или никеля. В качестве плазмообразующего газа может быть использован водород или кислород. В качестве поджигового топлива могут быть использованы различные виды топлива как жидкого, так и пылевидного, например дизельное топливо, бензин, бензол, керосин, водоугольное топливо, а также может быть использована смесь топлива с топливоносителем, например паром, и/или кислородом, и/или водородом. Устройство для поджига снабжено регуляторами силовой части искрения, перемещения электродов, расхода плазмообразующего газа, расхода поджигового топлива и расхода охладителя, а также блоками управления ими.According to figure 2, the electrodes 7 in the working position are placed on a circle of diameter De, and the holes 9 for outputting the cooler to a circle of diameter Do. The centers Oe, Oo of these circles are located on the axis of the tube 3, and the diameter Do of the circumference of the holes for the outlet of the cooler is from 1.1 to 10.0 of the diameter De of the circumference of the location of the electrodes 5 and is determined by the specific parameters of the device, in particular the size of the electrodes 5. In position 8 the cooling electrodes 5 are placed in a zone limited by the distance t from the Oohl axis of the hole 9 for the output of the cooler, equal to half the difference between the diameters Do of the circumference of the holes 9 for the output of the cooler and the circle of the location of the electrodes 5 lateral position 7. Electrodes 5 are made of refractory alloys based on chromium, vanadium or nickel. As the plasma-forming gas, hydrogen or oxygen can be used. As ignition fuel, various types of fuel can be used, both liquid and pulverized, for example diesel fuel, gasoline, benzene, kerosene, water-coal fuel, and also a mixture of fuel with a fuel carrier, such as steam, and / or oxygen, and / or hydrogen. The ignition device is equipped with regulators of the power part of sparking, electrode movement, plasma gas flow rate, ignition fuel flow rate and cooler flow rate, as well as control units for them.

Устройство работает следующим образом. Плазмообразующий газ, например водород, по трубке 3 поступает в рабочую зону кожуха 1 и проходит между симметрично расположенными относительно оси трубки 3 электродами 5, создающими электроискровые дуги, при этом образуется плазма. Одновременно для охлаждения кожуха 1 и электродов 5 в охлаждаемую рубашку 2 подают охладитель, например водяной пар, который через отверстия 9 выводят из рубашки 2 для охлаждения электродов 5. Электроды 5 периодически перемещают в рабочее положение в зоне электродуги и в положение охлаждения для охлаждения паром. При этом перемещение электродов 5 создает турбулентность на границе потоков плазма - охладитель, и часть потока охладителя попадает в зону образовавшейся плазмы, где охладитель распадается на составляющие, которые вступают в реакцию. При прохождении плазмообразующего газа через создаваемые электродами 5 электроискровые дуги определенный, регулируемый интенсивностью искрения, процент молекул водорода распадается на атомы, которые снова воссоединяются на небольшом расстоянии от дуги, а также вступают в реакцию с кислородом, образуя пламя. Воссоединение и окисление водорода поднимает температуру в локальной области (тепловом пятне). Температура теплового пятна может изменяться в диапазоне от 900 до 4000°С путем регулирования процентного соотношения расщепляемого водорода изменением частоты и длительности искрения электродов 5. Частота и длительность искрения электродов влияет на их охлаждение. Может быть использовано любое количество пар электродов 5. Количество пар электродов 5 определяет время нахождения электродов под нагрузкой и время охлаждения электродов, т.е. увеличение количества пар электродов 5 увеличивает время их эксплуатации. Для поддержания объема теплового пятна в рабочую зону кожуха 1 через трубку 4 подают поджиговое топливо.The device operates as follows. Plasma-forming gas, such as hydrogen, passes through the tube 3 into the working area of the casing 1 and passes between the electrodes 5 symmetrically located relative to the axis of the tube 3, creating spark arcs, and a plasma is formed. At the same time, to cool the casing 1 and the electrodes 5, a cooler, for example water vapor, is supplied to the cooled jacket 2, which is removed through the holes 9 from the jacket 2 to cool the electrodes 5. The electrodes 5 are periodically moved to the operating position in the electric arc zone and to the cooling position for steam cooling. In this case, the movement of the electrodes 5 creates turbulence at the boundary of the plasma-cooler flows, and part of the cooler flow falls into the zone of the formed plasma, where the cooler breaks up into components that enter into the reaction. When the plasma-forming gas passes through the electric spark arcs created by the electrodes 5, a certain, regulated by the intensity of sparking, percentage of hydrogen molecules breaks up into atoms, which again reunite at a short distance from the arc, and also react with oxygen to form a flame. The reunion and oxidation of hydrogen raises the temperature in the local area (heat spot). The temperature of the heat spot can vary in the range from 900 to 4000 ° C by adjusting the percentage of splittable hydrogen by changing the frequency and duration of sparking of the electrodes 5. The frequency and duration of sparking of the electrodes affects their cooling. Any number of pairs of electrodes can be used 5. The number of pairs of electrodes 5 determines the time the electrodes are under load and the cooling time of the electrodes, i.e. an increase in the number of pairs of electrodes 5 increases the time of their operation. To maintain the volume of the heat spot in the working area of the casing 1 through the tube 4 serves ignition fuel.

Поджиговое топливо могут подавать сплошным потоком или прерывисто. Для подачи поджигового топлива могут использовать топливоноситель, например, охладитель или другой, участвующий в реакции, реагент.The ignition fuel can be fed in a continuous stream or intermittently. A fuel carrier, for example, a cooler or another reactant involved in the reaction, can be used to supply ignition fuel.

Требуемые параметры устройства задают через блоки управления, через которые поступают сигналы на регуляторы силовой части искрения, перемещения электродов, расхода плазмообразующего газа, расхода поджигового топлива и расхода охладителя.The required device parameters are set via control units, through which signals are sent to the regulators of the power part of sparking, electrode movement, plasma gas flow rate, ignition fuel flow rate and cooler flow rate.

Предложенное изобретение может найти применение в области энергетики, в частности в газификаторах твердого топлива, в тепловых котлах, утилизаторах, а также в химической промышленности.The proposed invention can find application in the field of energy, in particular in gasifiers of solid fuels, in thermal boilers, heat recovery units, as well as in the chemical industry.

Claims

1. Устройство для поджига и стабилизации горения твердого топлива, содержащее кожух с охлаждаемой рубашкой, соединенной с источником охладителя, и размещенные в рабочей зоне кожуха элемент подачи плазмообразующего газа, элемент подачи поджигового топлива и электроды, отличающееся тем, что электроды выполнены с возможностью перемещения между рабочим положением и положением охлаждения, а в рабочей зоне кожуха выполнены отверстия для вывода охладителя из охлаждаемой рубашки.1. A device for igniting and stabilizing the combustion of solid fuel, comprising a casing with a cooled jacket connected to a cooler source, and a plasma-forming gas supply element, an ignition fuel supply element and electrodes located in the casing working area, characterized in that the electrodes are movable between the working position and the cooling position, and in the working area of the casing, holes are made for removing the cooler from the cooled jacket.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число отверстий для вывода охладителя составляет не менее числа электродов.2. The device according to claim 1, characterized in that the number of holes for the output of the cooler is not less than the number of electrodes.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент подачи плазмообразующего газа выполнен в виде трубки, а электроды в рабочем положении и отверстия для вывода охладителя размещены на окружностях с центрами на оси этой трубки, причем диаметр окружности расположения отверстий для вывода охладителя составляет от 1,1 до 10,0 диаметра окружности расположения электродов.3. The device according to claim 1, characterized in that the plasma-forming gas supply element is made in the form of a tube, and the electrodes in the working position and the holes for the outlet of the cooler are placed on circles with centers on the axis of this tube, and the diameter of the circumference of the location of the holes for the output of the cooler is from 1.1 to 10.0 diameters of the circumference of the location of the electrodes.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что положение охлаждения электрода соответствует размещению его в зоне, ограниченной расстоянием от оси отверстия для вывода охладителя, равным половине разности диаметров окружности расположения отверстий для вывода охладителя и окружности расположения электродов.4. The device according to claim 3, characterized in that the cooling position of the electrode corresponds to its placement in a zone limited by the distance from the axis of the hole for the output of the cooler, equal to half the difference between the diameters of the circumference of the holes for the output of the cooler and the circumference of the location of the electrodes.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая зона кожуха выполнена в виде вогнутого отражателя.5. The device according to claim 1, characterized in that the working area of the casing is made in the form of a concave reflector.