ТОПКА Российский патент 1994 года по МПК F23C5/08 

Изобретение относится к сжиганию топлива в топках котлов и может быть использовано в котлах с односторонней компоновкой горелочных устройств.

Известна топка, содержащая экранированную камеру сгорания с однофронтовой компоновкой горелочных устройств, шлицами вторичного воздуха, установленными над горелками. Недостатком данного изобретения является неравномерное распределение температуры по высоте топки, что не позволяет достаточно эффективно снижать концентрацию оксидов азота в дымовых газах.

Известна также топка, содержащая экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами вторичного дутья, выполненными прямоугольного сечения, расположенными на той же стене. Однако данная топка не обеспечивает достаточное повышение экономичности котла и снижения концентраций вредных выбросов в продуктах сгорания.

Это обусловлено тем, что работа котлов на природном газе в буферном режиме приводит к необходимости сжигания в одной топке поочередно или одновременно газа и мазута. Теплообменные характеристики газового и мазутного факелов сильно отличаются друг от друга. Различие теплообменных свойств пламени приводит к тому, что при переходе с одного вида топлива на другой не удается сохранить одинаковое тепловосприятие экранных поверхностей нагрева. Так, например, при сжигании мазута, факел которого обладает сильными радиационными свойствами, экранные поверхности поглощают большое количество теплоты и температура дымовых газов на выходе из топочной камеры заметно снижается по сравнению с тем случаем, когда сжигается газ. При сжигании газа экранные поверхности поглощают значительно меньше тепла и температура дымовых газов на выходе их топки оказывается более высокой. Поэтому при переходе с мазута на газ температурный уровень в топке увеличивается на 30-40 К.

Картина теплового напряжения в топке также изменяется при изменении нагрузки котла.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная в качестве прототипа топка, содержащая экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами прямоугольной в поперечном сечении формы для вторичного дутья, расположенными на стене с горелками, причем сопла снабжены шиберами, закрепленными на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможностью поворота вокруг своих осей.

В известной топке в каждом сопле вторичного дутья установлены по два плоских шибера. Каждый из этих шиберов может поворачиваться вокруг своей оси независимо один от другого, благодаря этому при различных взаимных положениях шиберов воздушные потоки вторичного дутья могут быть направлены вверх или вниз на некоторый угол.

Это позволяет организовать ступенчатое сжигание топлива путем регулирования расхода и направления подачи вторичного воздуха. Благодаря повороту шиберов вокруг своих осей на угол 0-45^о, в зоне между ярусами появляются циркуляционные токи, в том числе в периферийных и концевых участках факелов. В результате этого происходит отклонение факелов от горизонтальной плоскости и интенсивный прогрев топлива и воздуха в прикорневой зоне каждого факела и частичное балластирование этих зон продуктами полного и неполного горения. Это приводит к изменению уровня максимальных температур в факеле.

Однако, при направлении воздушного потока вверх или вниз один из шиберов (при направлении потока вверх - нижний шибер, а при направлении вниз - нижний шибер) частично перекрывает воздушный поток (причем степень перекрытия тем больше, чем больше угол отклонения воздушного потока). В силу этого изменение направления потока сопряжено с изменением его расхода. Иначе говоря, при изменении направления воздушного потока неуправляемо изменяется его расход (интенсивность). Однако для организации оптимального процесса горения (особенно в котлах малой мощности) при различных нагрузках необходимо изменять направление воздушных потоков вторичного дутья независимо от его расхода.

Цель изобретения - обеспечение возможности изменения направления воздушных потоков вторичного дутья независимо от их расходов.

Поставленная цель достигается тем, что в топке, содержащей экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами прямоугольной в поперечном сечении формы для вторичного дутья, расположенными на стене с горелками, причем сопла снабжены шиберами, закрепленными на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможностью поворота вокруг своих осей, в каждом сопле установлено по одному шиберу, имеющему в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников, ось поворота каждого шибера совмещена с вершиной соответствующего первого треугольника и расположена на равном расстоянии от верхней и нижней поверхностей сопла, причем при расположении шибера в среднем положении верхняя и нижняя поверхности шибера, образующие в продольном сечении две равные стороны второго равнобедренного треугольника, параллельны соответственно верхней и нижней поверхностям сопла, а высота второго равнобедренного треугольника превышает двойную высоту поперечного выходного сечения сопла.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенная топка отличается тем, что шиберы и сопла выполнены особой формы с определенным соотношением размеров, что приводит к появлению нового свойства - возможности изменения воздушных потоков вторичного дутья независимо от расхода воздуха в этих топках. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана схема предлагаемой топки с соплами вторичного дутья (продольный разрез); на фиг. 2,3,4 - схема сопла для вторичного дутья при различных положениях шибера (т. е. при различных направлениях образующихся воздушных потоков вторичного дутья); на фиг. 5 - схема предлагаемой топки при наклонном расположении сопел относительно горелок (продольный разрез).

Топка содержит (см. фиг. 1) корпус 1, горелки 2, сопла 3 вторичного дутья, в которых установлены шибера 4, имеющие в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников. Шибера 4 установлены на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможность поворота вокруг своих осей 5. Ось 5 поворота каждого шибера 4 совмещена с вершиной соответствующего первого равнобедренного треугольника и расположена на равном расстоянии от нижней и верхней поверхностей сопла. При расположении шибера в среднем положении (см. фиг. 3) их верхние и нижние поверхности, образующие в продольном вертикальном сечении две стороны равнобедренных треугольников, параллельны соответственно веpхним и нижним поверхностям сопла 3. Геометрические размеры сопел 3 и шиберов 4 выбраны таким образом, что высота второго равнобедренного треугольника (образованного в продольном сечении шибера 4) превышает двойную высоту поперечного сечения сопла 3. Горелки 2 и сопла 3 сообщены с воздуховодами 6.

В случае, если струя воздуха подается только горизонтально, возникают следующие сложности при эксплуатации котла.

При сжигании мазута и понижении нагрузки котла смешение продуктов частичного выгорания мазута и вторичного воздуха происходит слишком далеко от зоны активного горения, что приводит к появлению СО в продуктах сгорания. Для снижения СО в уходящих газах возникает необходимость увеличивать количество воздуха, подаваемого через горелку, что ведет к росту концентрации оксидов азота в уходящих газах.

При сжигании газа эффект уменьшения количества оксидов азота в продуктах сгорания тем значительней, чем дальше от активной зоны горения подается вторичный воздух. В случае, если струя воздуха подается только горизонтально, при изменении нагрузки котла необходимо изменять количество воздуха, подаваемого во вторую ступень. Это, в свою очередь, в некоторых случаях приводит к появлению продуктов химического недожога в уходящих газах. Поэтому сопла 3 вторичного дутья целесообразно расположить наклонно к горелкам. Угол наклона зависит от вида сжигаемого топлива (жидкое или газообразное) и способа подачи топлива и составляет при сжигании природного газа - 0^о; при сжигании мазута и распыла его с помощью паромеханических форсунок - 20-25^о; при сжигании мазута с высокой вязкостью и распыла его с помощью механических форсунок - 40-45^о. (Кроме того, угол наклона сопл зависит от степени подогрева мазута). Такое взаимное расположение сопел 3 и горелок 2 показано на фиг. 5.

Предлагаемая топка работает следующим образом. Топливо (газ или мазут) через горелки 2 поступает в топку. Воздух через воздуховод 6 поступает к горелкам 2 и соплам 3 вторичного дутья. При повороте шибера 4 в верхнее крайнее положение (см. фиг. 2) его верхняя часть прижимается к верхней поверхности сопла 3. При этом образуется воздушный канал между нижней поверхностью шибера 4 и нижней поверхностью сопла 3, по которому вторичный воздух подается в верхнюю часть топочного пространства. Аналогично при повороте шибера 4 в крайнее нижнее положение вторичный воздух подается в нижнюю часть топочного пространства.

Величина угла отклонения воздушного потока в крайнее верхнее или нижнее положение зависит от соотношения поперечных (вертикальных) и продольных размеров шибера 4. При большем соотношении угол отношения больше, и наоборот.

При нахождении шибера 4 в промежуточном положении между крайним верхним и крайним нижним положениями поток вторичного воздуха формируется при его прохождении через два канала, образующихся выше и ниже шибера 4. В зависимости от соотношения сечений этих двух каналов суммарный воздушный поток, образованный путем суперпозиции верхнего и нижнего воздушных потоков имеет то или иное промежуточное (между крайним верхним и крайним нижним) направление.

Благодаря тому, что высота второго равнобедренного треугольника, образованного в продольном вертикальном сечении крайними поверхностями шибера 4, согласно изобретению превышает двойную высоту поперечного выходного сечения соответствующего сопла, воздушный поток вторичного дутья, выходящий из сопла, оказывается хорошо сформированным по направлению, т. е. угол расхождения воздушного потока оказывается небольшим. Это позволяет осуществлять ступенчатое сжигание путем направления потока вторичного воздуха в нужную часть топочного пространства с достаточной степенью точности.

Поскольку сечение каждого сопла 3, по которому подается вторичный воздух, остается практически постоянным при различных пространственных положениях каждого шибера 4 (а значит, и при различных направлениях подачи вторичного воздуха в ту или иную часть топки по ее высоте), то и расход вторичного воздуха при этом остается практически постоянным. Иначе говоря, изменение направления подачи вторичного воздуха никак не влияет на величину его расхода. При необходимости расход вторичного воздуха может осуществляться при помощи дополнительно устанавливаемого перед соплом 3 регулирующего устройства.

П р и м е р. Котел КВГМ-100 был оборудован соплами вторичного дутья с шиберами согласно предлагаемому изобретению. Сопла были расположены выше горелок на расстоянии, равном двум диаметрам горелок. Через сопла вторичного дутья подавались 20% воздуха от его общего расхода.

При работе котла на мазуте для организации оптимального процесса горения при 100% нагрузке котла вторичный воздух подавался горизонтально (т. е. шибер 4 находился в среднем положении); при 70% -ной нагрузке котла шибер 4 поворачивался вниз на 20-25^о, а при 50% -ной нагрузке - на 35-40^о.

При работе же котла на природном газе при 100% -ной нагрузке шибер 4 поворачивался вверх на 35-40^о, при 70% -ной - шибер 4 поворачивался вверх на 20-25^о, при 70% -ной - шибер 4 поворачивался вверх на 20-25^о, а при 50% -ной нагрузке шибер 4 устанавливался в среднем положении (т. е. угол отклонения его от горизонтали составлял 0^о).

При такой организации процесса горения концентрация вредных веществ в дымовых газах оказывалась минимальной независимо от величины нагрузки котла. При сжигании газа концентрации оксидов азота не превышала 125 мг/м³, а при сжигании мазута - 180 мг/м³. Оксид углерода (СО) в продуктах сгорания отсутствовал.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет при ступенчатом сжигании топлива изменять направление подачи вторичного воздуха в зону горения независимо от величины его расхода и тем самым позволяет снижать концентрации вредных веществ в дымовых газах до минимальных величин независимо от коэффициента загрузки топки котла.

(56) Заявка Японии N 62-29682, кл. F 23 С 1/00, опубл. 1987.

Авторское свидетельство СССР N 1366786, кл. F 23 С 5/08, 1988.

Использование: для ступенчатого сжигания топлива в топках котлов с односторонней компоновкой горелочных устройств. Сущность изобретения: в каждом сопле вторичного дутья установлено по одному шиберу, имеющему в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников, ось поворота каждого шибера совмещена с вершиной соответствующего первого треугольника и расположена на равном расстоянии от нижней и верхней поверхности сопла. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ТОПКА, содержащая экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами прямоугольного сечения для вторичного дутья, расположенными на стене с горелками, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности изменения направления воздушных потоков вторичного дутья независимо от их расходов, в каждом сопле установлено по одному шиберу, имеющему в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников, ось поворота каждого шибера совмещена с вершиной соответствующего первого треугольника и расположена на равном расстоянии от верхней и нижней поверхностей сопла, причем при расположении шибера в среднем положении верхняя и нижняя поверхности шибера, образующие в продольном вертикальном сечении две стороны второго равнобедренного треугольника, параллельны соответственно верхней и нижней поверхностям сопла, а высота второго равнобедренного треугольника превышает двойную высоту поперечного выходного сечения сопла. 2. Топка по п. 1, отличающаяся тем, что сопла вторичного дутья установлены под углом 0 - 45^o к осям горелок.