СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА В МНОГОГРАННОЙ ТОПКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ВОЗДУХА В ТОПКУ Российский патент 1994 года по МПК F23L7/00 

Настоящее изобретение относится к способу сжигания черного щелока и устройству для подачи воздуха в топку. В частности, настоящее изобретение касается подачи воздуха для горения через впускные отверстия для воздуха, расположенные, по существу, на одном и том же уровне в разных гранях топки. Грани топки имеют несколько таких впускных отверстий для воздуха, расположенных близко друг к другу на одном и том же уровне и сообщающихся со средством для подвода воздуха к топке.

Оптимальная подача воздуха в нижней части топки играет существенную роль в управлении процессом горения в топочной камере котла. Примерным процессом в этом отношении является сжигание черного щелока в содорегенерационном котле.

Поскольку химические реакции в содорегенерационном котле протекают очень быстро, то скорость процесса в основном зависит от перемещения необходимого для горения воздуха и черного щелока. Эта стадия перемешивания определяет скорость горения, а также влияет на эффективность процесса. Воздух и черный щелок обычно вводят в котел через отдельные отверстия, причем особенно важно то, что подача воздуха обеспечивает быстрое перемешивание в котле. Необходимо регулировать симметрию горения по всей площади поперечного сечения котла и при необходимости регулировать подачу воздуха.

Черный щелок обычно вводят в содорегенерационный котел в виде довольно больших капель, с тем чтобы облегчить падение капель вниз и предотвратить движение непрореагировавших капель щелока (в виде тонкодисперсного дыма) вверх вместе с текущими вверх газами в верхнюю часть котла. Большой размер капель, приводящий к тому, что капли отстоят друг от друга дальше, чем в тонкодисперсном аэрозоле черного щелока, означает, что надлежащее перемешивание особенно важно в содорегенерационном котле.

В содорегенерационный котел вводят стехиомерическое количество воздуха (относительно количества черного щелока) и, кроме того, подают избыточное количество воздуха для обеспечения возможности полного сгорания. Однако слишком много избыточного воздуха вызывает снижение эффективности котла и увеличение затрат. Воздух обычно вводят в котел на трех разных уровнях: первичный воздух - на нижнем уровне топки, вторичный воздух - выше уровня ввода первичного воздуха, но ниже форсунок для впрыскивания щелока и третичный воздух - выше форсунок для впрыскивания щелока для обеспечения возможности полного сгорания. Воздух обычно вводят через несколько отверстий, расположенных во всех четырех гранях топки.

В содорегенерационном котле неравномерная или неэффективная подача вторичного воздуха дает особенно плохие результаты сгорания, приводит к засорению поверхностей нагрева и увеличивает выбросы (загрязняющих веществ) в дымовых газах. Поток вторичного воздуха должен быть отрегулирован таким образом, чтобы летучие и превращающиеся в газ частицы из черного щелока оптимально перемешивались с необходимым для горения воздухом и не покидали котел несгоревшими, что конечно, понизило бы эффективнось процесса сгорания. Кроме того, летучие частицы и частицы колоти могут очень легко вызвать загрязнение поверхностей утилизации тепла в соединенных с котлом устройствах для утилизации тепла. Всякие непрорегировавшие частицы, выходящие из котла, также увеличивают нежелательные и/или вредные выбросы.

Было обнаружено, что, в частности, в котлах большого диаметра, имеющих площадь поперечного сечения топки приблизительно 10 м х 10 м или даже больше, проникновение воздуха в направлении к центральным частям котла недостаточно и трудно регулируемо. Кроме того, было обнаружено, что в квадратных котлах потоки воздуха, подаваемого в перпендикулярных направлениях от углов котла, стремятся частично исключить проникновение друг друга в котел.

На фиг. 1 схематически показано распределение по площади поперечного сечения котла традиционных воздушных потоков от четырех разных сторон (граней) топки. Местами между воздушными потоками образуются относительно большие пустые зоны А. С другой стороны, имеет место также значительное пересечение В потоков воздуха. Таким образом, воздух протекает по площади поперечного сечения котла неравномерно. Как видно из фиг. 1, некоторые зоны остаются совсем без воздуха, необходимого для горения, тогда как другие зоны получают лишние количества воздуха.

Были сделаны попытки улучшить ситуацию путем увеличения числа отверстий, как показано на фиг. 2. В этом случае можно уменьшить пустые зоны в углах. Однако для обеспечения оптимальной эффективности горения ограничивают количество воздуха для горения. Увеличивая число отверстий для воздуха, можно обеспечить при одном и том же количестве необходимого для горения воздуха более равномерную подачу воздуха вблизи стенок и углов, но, поскольку соответственно должна быть уменьшена глубина проникновения воздуха, то в центре котла образуется зона, в которую воздух не доходит.

Для того, чтобы обеспечить более равномерную подачу вторичного воздуха, производят индивидуальную регулировку каждого отверстия для воздуха, чтобы избежать лишних количеств воздуха в угловых зонах. Обычно отверстия для впуска воздуха в содорегенерационном котле снабжают заслонками с ручным управлением, благодаря чему можно при необходимости регулировать давление воздуха. Регулирование давления воздуха производят путем изменения площади живого (проходного) сечения отверстий либо отдельно у каждого отверстия, либо у нескольких отверстий одновременно. Следовательно, можно в некоторой степени регулировать расход вводимого воздуха, но невозможно поддерживать постоянной для всех нагрузок глубину проникновения воздуха в направлении к центральной зоне котла на уровне ввода вторичного воздуха. Например, при работе с полной нагрузкой, когда все отверстия для впуска воздуха полностью открыты, нет никакой другой возможности регулирования.

Однако применение заслонок для сужения сечения отверстий для воздуха весьма проблематично. При сужении сечения отверстия воздушный поток, протекающий через отверстие, недостаточен для охлаждения отверстия или заслонки, которая нагревается и полностью или частично сгорает.

Перемешивание затрудняется также вследствие наличия в центральной части котла восходящего потока газа, затрудняющего проникновение слабого потока вторичного воздуха. Более конкретно, потоки первичного воздуха, подаваемого от боковых сторон в нижней части котла, сталкиваются друг с другом в центральной части котла и образуют в этой части газовый поток, текущий очень быстро в направлении вверх и захватывающий дымовые газы и другие неполностью сгоревшие газообразные или пылевидные материалы из нижней части топки. Этот газовый поток, называемый также "капельным лифтом", захватывает также текущие навстречу, в направлении вниз частицы черного щелока и носит их в верхнюю часть котла, где они прилипают к поверхности нагрева в котле, загрязняя и засоряя их. В центральной части котла скорость текущего вверх газа может стать в четыре раза большей, чем средняя скорость газов в результате неполного (слабого) перемешивания. Таким образом, в центральной части котла образуется зона быстрого течения, что очень затрудняет перемешивание дымовых газов сбоку потока.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности сжигания. В частности, основная цель состоит в обеспечении подачи воздуха в топку, более равномерной, чем при известных способах, и лучше охватывающий все поперечное сечение котла.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение постоянной глубины проникновения необходимого для горения воздуха в котел при разных уровнях нагрузки.

В частности, что касается содорегенерационных котлов, дополнительной целью является обеспечение лучшего перемешивания черного щелока и необходимого для горения воздуха в топке. И еще одной целью является уменьшение вредного влияния эффекта вышеупомянутого "капельного лифта". И наконец, целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства для подачи воздуха, обеспечивающего возможность уменьшения количества вредных выбросов.

Для достижения вышеупомянутых целей в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ, отличающийся тем, что струи воздуха имеют, по крайней мере, два разных размера и глубину проникновения, увеличивающуюся от углов топки к середине каждой грани. Глубину проникновения струи поддерживают постоянной при разных режимах нагрузки, струи воздуха подают с образованием конвертообразного профиля по поперечному сечению топки и регулируют посредством заслонок, установленных на общем валу, а также регулируют изменением давления воздуха в воздушных коробах, подающих воздух к отверстиям.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что отверстия выполнены с гидравлическими диаметрами, увеличивающимися в направлении от углов топки к середине ее граней. В одном из примерных вариантов площадь поперечного сечения отверстий увеличивается в направлении от углов топки к середине ее граней. Выполнены, по крайней мере, два отверстия для воздуха, расположенные с зазором между собой в средней части, по крайней мере, одной из граней топки, причем общий гидравлический диаметр отверстий больше гидравлического диаметра отверстий, расположенных вблизи углов топки, расстояние между отверстиями уменьшается в направлении от середины граней к углам топки. Устройство дополнительно содержит средство для ввода воздуха в топку содорегенерационного котла, средство для ввода вторичного воздуха в топку содорегенерационного котла, заслонки, установленные в отверстиях с возможность регулирования давления воздуха, соединенные в группы и установленные на общем валу с возможностью одновременного их регулирования.

Отверстия для воздуха в соответствии с настоящим изобретением целесообразно размещать на, по существу, одном и том же уровне.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения зоны отверстий для вторичного воздуха предусмотрены во всех четырех гранях содорегенерационного котла. Площади отверстий в соплах для вторичного воздуха на одном уровне содорегенерационного котла таковы, что они меньше у отверстий, расположенных близко к углам, чем у отверстий, расположенных в средних частях стенки. Это обеспечивает достаточную глубину проникновения воздуха в средних частях котла, причем без недостатков, присущих традиционному устройству. Хорошее перемешивание воздуха для горения также облегчает образование и регулирование слоя на дне топки.

Вышеописанная разница в площадях поперечного сечения отверстий увеличивает глубину проникновения воздуха, вводимого в котел. Зависимость между глубиной проникновения воздуха, гидравлическим диаметром отверстий, температурами воздуха и газа и расходами может быть проиллюстрирована посредством следующей математической формулы:
L_p = K x D_n x V_n/V_f x (T_f/T_n)ⁿ, где L_p - глубина проникновения воздушной струи;
K - эмпирическая постоянная;
D_n - гидравлический диаметр отверстия;
V_n - расход воздуха в отверстии;
V_f - скорость восходящего потока газа в котле;
T_n - температура воздуха на входе;
T_f - температура газа в топке, и
n - эмпирическая постоянная (обычно 0,5).

Из формулы можно видеть, что глубина проникновения прямо пропорциональна гидравлическому диаметру отверстия. Иными словами, увеличивая отверстие, получают увеличение глубины проникновения. Размеры отверстий для воздуха, выбранные в соответствии с приведенной выше формулой, будут обеспечивать симметричный ввод воздуха по всей площади поперечного сечения котла при постоянных условиях. При других условиях работы глубину проникновения воздуха можно поддерживать постоянной, регулируя ее путем регулирования гидравлических диаметров отверстий, расхода воздуха в отверстиях или температуры воздуха на входе. Регулируя глубину L_p проникновения воздуха в зависимости от расхода V_n и/или температуры T_n, можно заставить котел в соответствии с настоящим изобретением работать с перегрузкой без нарушения равномерной подачи воздуха для горения.

В соответствии с настоящим изобретением можно использовать заслонки для регулирования гидравлических диаметров отверстий для впуска воздуха. Заслонки используют для надлежащего регулирования расхода воздуха при изменении режима нагрузки. При нормальных условиях нет необходимости регулировать проход отдельных отверстий, поскольку отверстия уже выполнены с нужными размерами. В угловых зонах топки размеры отверстий таковы, что обеспечивают малый расход воздуха и потому нет необходимости в применениях в соответствии с настоящим изобретением сужать отверстия настолько сильно, что заслонки сгорали бы, как в известных устройствах.

Воздух к отверстиям для из впуска подводят от воздушных коробов, из которых воздух поступает к отдельным отверстиям, по существу, одновременно. Путем регулирования давления воздуха в воздушных коробах можно просто регулировать скорость воздуха в отверстии и тем самым влиять на глубину проникновения воздуха. Известен способ одновременного регулирования отверстий для впуска воздуха в содорегенерационном котле путем использования основного вала. Такой способ совместного регулирования особенно пригоден для устройства в соответствии с настоящим изобретением. Все заслонки в одной стенке перемещают на одинаковую величину хода, благодаря чему при изменениях нагрузки котла регулирование можно осуществлять просто путем подачи управляющих команд на привод основного вала. Нет необходимости изменять профиль подачи воздуха. Аналогичным образом, является простым делом регулирование общего количества воздуха и/или скорость воздуха в каждой стенке таким образом, чтобы обеспечить требуемый результат сгорания. Не является сложным сочетать использование основного вала с автоматическим управлением, причем в качестве управляющего параметра можно взять, например, давление, измеряемое в воздушных соплах, количество поступающего снизу газа, текущего вверх, или параметры, влияющие на глубину проникновения воздуха.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения очевидны из следующего ниже подробного описания, проведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 и 2 изображены схемы иллюстрирующие проникновение воздушных струй по площади поперечного сечения котла; на фиг. 3 - содорегенерационный котел в разрезе; на фиг. 4 - зоны отверстий для ввода первичного и вторичного воздуха в содорегенерационном котле в увеличенном масштабе; на фиг. 5 - схема, иллюстрирующая проникновение струй воздуха в соответствии с настоящим изобретением по площади поперечного сечения котла.

Содорегенерационный котел 1 (см. фиг. 3) содержит топку 2, снабженную дном (подом) 3, гранями и пароперегревателем 5. В процессе горения на дне топки образуется слой высушенного и частичного сгоревшего черного щелока. Расплавленные химикаты текут через пористый слой на дно топки, откуда их отводят в виде слива по желобам (течкам) в растворительный бак для топлива. Черный щелок вводит в содорегенерационный котел путем впрыскивания его через отверстия в зоне 8. Воздух вводят на трех разных уровнях: регистр 9 первичного воздуха, регистр 10 вторичного воздуха и регистр 11 третичного воздуха. Овальные отверстия 12 для впуска вторичного воздуха в регистре 10, как будет описано более подробно ниже, отличаются по размерам друг от друга.

На фиг. 4, представляющей в увеличенном масштабе регистры 9 и 10 первичного и вторичного (соответственно) воздуха, показано, что отверстия 12 вблизи углов котла меньше, чем отверстия 12 в средней части грани котла. Отверстия в средней части котла имеют больший гидравлический диаметр, благодаря чему они обеспечивают лучшее проникновение воздуха в центральные части котла, чем меньшие отверстия в угловых зонах.

На фиг. 5 показан профиль подачи (ввода) воздуха в соответствии с настоящим изобретением (так называемый конвертообразный профиль) для площади поперечного сечения котла. Струи 13 воздуха, подаваемого через отверстия 12 разного размера, проникают в котел на глубину, соответствующую размеру отверстия. От средних частей граней котла воздушные струи проходят до центральной части котла, а от угловых зон граней котла - лишь на небольшое расстояние в направлении внутрь. Как показано на фиг. 5, глубина проникновения для каждой грани увеличивается постепенно от минимальной в углу до максимальной в середине грани. Как следствие обеспечивается достаточное проникновение воздуха в центральную часть котла, в результате чего также воздух для горения частично смешивается с газом "капельного лифта", текущим вверх в центральной части котла. Одновременно предоставляется возможность избежать пересечения воздушных струй в угловых зонах котла. Таким образом, обеспечивается выгодный ввод воздуха по всей площади поперечного сечения котла без большого избытка воздуха и без пустых мест (зон).

При изменении нагрузки можно сохранить глубину L_p проникновения воздушных струй неизменной путем изменения вышеупомянутых переменных в формуле
L_p = K ˙ D_n ˙ N_v/V_f ˙ (T_f/T_n)^0,5 Для сохранения глубины проникновения неизменной можно изменять размеры отверстий для воздуха, скорость воздушных струй или температуру воздуха на входе. Можно также увеличивать глубину проникновения путем уменьшения температуры воздушных струй. Глубина проникновения может быть соответственно уменьшена, если это потребуется, путем сужения отверстий посредством вышеупомянутых заслонок.

Понятно, что описанное выше устройство может быть применено не только в содорегенерационном котлоагрегате, но и в других топка, таких, как слоевые топки.

Изобретение описано выше в связи со считающимся сейчас наиболее практичным и предпочтительным вариантом его осуществления, но понятно, что оно не должно быть ограничено раскрытым вариантом, а наоборот, должно считаться как охватывающее различные модификации и эквивалентные схемы в пределах существа и объема прилагаемой формулы изобретения. (56) Авторское свидетельство СССР N 463835, кл. F 23 C 7/04, 1975.

Использование: для ввода воздуха для горения в виде струй в топку, например, содорегенерационного котла. Сущность изобретения: воздух для горения вводят через отверстия для воздуха, расположенные, по существу, на одном и том же уровне, струями, по крайней мере, двух размеров. Отверстия для воздуха в стенках топки выполнены разными по размерам таким образом, что их гидравлические диаметры увеличиваются в направлении от углов топки к середине стенок топки, благодаря чему глубина проникновения соответственных струй воздуха, текущего через отверстия, увеличивается. Глубину проникновения воздушных струй поддерживают постоянной при разных режимах нагрузки. 2 с. и 12 з. п. ф-лы. 5 ил.

1. Способ сжигания черного щелока в многогранной топке путем подачи встречных струй воздуха через отверстия, выполненные в разных гранях топки на одинаковом уровне, отличающийся тем, что струи воздуха имеют по крайней мере два разных размера и глубину проникновения, увеличивающуюся от углов топки к середине каждой грани. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при установке топки в содорегенерационном котле глубину проникновения струй поддерживают постоянной при разных режимах нагрузки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что струи воздуха подают с образованием конвертообразного профиля по поперечному сечению топки. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубину проникновения струй регулируют посредством заслонок. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что регулирование производят группой заслонок, установленных на общем валу. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубину проникновения струй регулируют изменением давления воздуха в воздушных коробах, подающих воздух к упомянутым отверстиям. 7. Устройство для подачи воздуха в топку, образованную по крайней мере четырьмя гранями с выполненными в каждой из них отверстиями, подключенными к источнику подачи воздуха, отличающееся тем, что отверстия выполнены с гидравлическими диаметрами, увеличивающимися в направлении от углов топки к середине ее граней. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения упомянутых отверстий увеличивается в направлении от углов топки к середине ее граней. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно содержит по крайней мере два отверстия для воздуха, расположенные с зазором между собою в средней части по крайней мере одной из граней топки, причем общий гидравлический диаметр упомянутых отверстий больше гидравлического диаметра отверстий, расположенных вблизи углов топки. 10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что расстояние между отверстиями уменьшается в направлении от середины граней к углам топки. 11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство для ввода воздуха в топку содорегенерационного котла. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство для ввода вторичного воздуха в топку содорегенерационного котла. 13. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно содержит заслонки, установленные в отверстиях с возможностью регулирования давления воздуха. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что заслонки соединены в группы и установлены на общем валу с возможностью одновременного их регулирования.