ЦИКЛОННЫЙ ПРЕДТОПОК КОТЛА Российский патент 1994 года по МПК F23C5/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах, сжигающих в качестве топлива водоугольные суспензии (ВУС).

Известны циклонные топки для сжигания твердого измельченного топлива, отходов производства, приведенные в источниках информации [1] , [2] , содержащие цилиндрическую камеру сгорания с торцовым выходным соплом и расположенной по оси камеры у противоположного торца горелкой, а также кольцевой смеситель, выполненный в виде венца лопаток завихрителя с установленными между его лопатками наклонных топливных патрубков, и кольцевой выходной канал, подключенный к камере сгорания.

Для водоугольных топлив невозможно получить эффективные сжигания в известных циклонных топках в связи с тем, что топливо сильно забалластировано водой. Например, при концентрации ВУС - 62% влажность составляет 38% или на 1 т в час ВУС необходимо испарить 0,38 м³ в час воды, на это надо затратить 228 , при этом температура в камере сгорания понижается на 140-160^оС, теплонапряженность камеры сгорания снижается на 24% . Это является общим недостатком известных циклонных топок.

В качестве прототипа выбрана циклонная топка [3] , содержащая соединенные пережимом горизонтальные камеры горения и дожигания, снабженные соплами для подвода воздуха.

Недостатком известной циклонной топки является невозможность сжигания водоугольного топлива с заметным сокращением вредных выбросов и интенсификации процесса горения. Она конструктивно не позволяет обеспечить эти условия.

Цель изобретения - повышение эффективности сжигания водоугольного топлива и сокращение вредных выбросов.

Цель достигается тем, что дополнительно установлена газификационная камера, соединенная с камерой горения циклонного предтопка свободным торцом, у противоположного торца ее по оси расположена горелка с форсункой ВУС, а вблизи ее по ходу потока размещен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный к газификационной камере при помощи тангенциальных сопл и кольцевого канала, причем соотношение диаметров сечения газификационной камеры к камере горения равно 0,4-0,6, а соотношение длины газификационной камеры к ее диаметру равно 1,1-1,8. Инертные горючие газы и водоугольное топливо, поступившие в газификационную камеру, создают условия для низкотемпературного их смешения при отсутствии окислителя, что способствует интенсивной подсушке водоугольного топлива и его предварительной газификации с выделением летучих. Подготовленное таким образом топливо с высокими реакционными свойствами поступает в камеру горения, перемешивается с поступившим сюда воздухом, активно воспламеняется и устойчиво сгорает с недостатком кислорода (по отношению к стехиометрии) с минимальным образованием окислов азота. Нагретые газы до температуры ≈ 1500^оС в камере горения через ее выходное отверстие в торце поступают в камеру дожигания, перемешиваются с поступившим в нее воздухом, и происходит дожигание крупных конгломератов коксовых остатков топливных частиц с небольшим избытком воздуха α₁ = 1,0-1,07. Отходящие газы с температурой 1450^оС через выходное сопло в торце камеры дожигания поступают в топку котла, где отдают тепло рабочей среде, дополнительно очищаясь от вредных выбросов. Таким образом, в заявленном циклонном предтопке котла благодаря предварительной сушке и газификации топлива в инертной среде газификационной камеры и ступенчатом подводе воздуха в камеры горения и дожигания достигается повышение эффективности горения и снижение уровня образующихся окислов азота и других вредных выбросов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный циклонный предтопок котла отличается наличием дополнительной газификационной камеры, соединенной с камерой горения свободным торцом, в противоположном торце ее по оси расположена горелка с форсункой ВУС и вблизи ее по ходу потока размещен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный при помощи тангенциальных сопл и кольцевого канала к газификационной камере, причем соотношение диаметров сечений газификационной камеры к камере горения ( ) равно 0,4-0,6, а отношение длины газификационной камеры l_ц к ее диаметру D₁ равно 1,1-1,8.

Таким образом, заявленный циклонный предтопок котла соответствует критерию изобретения "новизна". Наличие в заявляемом циклонном предтопке котла отличительных признаков - дополнительной газификационной камеры с подводом к ней инертных горячих газов и водоугольного топлива, выполнение камер (газификации и горения) с увеличением сечения по ходу потока, которые отсутствуют у прототипа и в других известных циклонных топках, позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведен циклонный предтопок котла; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Циклонный предтопок котла содержит горизонтальную цилиндрическую газификационную камеру 1, корпус 2, обмуровку 3, горелку 4 с форсункой, открытый выходной торец 5 газификационной камеры 1, кольцевой смеситель 6, выполненный в виде тора, тангенциальные патрубки 7 для подачи инертных горячих газов в кольцевой смеситель 6 из топки котла, тангенциальные патрубки 8 для подачи инертных горячих газов из конвективной части котла, тангенциальные сопла 9 для вывода смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя 6, тангенциальные патрубки 10 для эжекции смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя инертным горячим газом, поступившим в патрубки 10 из конвективной части котла, кольцевой канал 11 для ввода смеси инертных горячих газов в газификационную камеру 1, тангенциальные сопла 12 для ввода растопочного топлива в кольцевой смеситель 6, патрубки 13 для подачи сжатого воздуха, необходимого для распыления растопочного топлива и образования рабочей смеси в кольцевом смесителе 6, патрубки 14 для подачи водяного пара, клапан продувки 15, камеру горения 16 с выходным торцом 17, пережимом 18 и каналами 19 для тангенциальной подачи воздуха, камеру дожигания 20 с пережимом 21 и каналами 22 для тангенциальной подачи воздуха, выходное сопло 23.

Циклонный предпоток котла работает следующим образом.

Первоначально (в период запуска циклонного предтопка котла) в газификационную камеру 1 поступает растопочное топливо в виде аэросмеси по соплам 9 из кольцевого смесителя 6, а в камеры горения 16 и дожигания 20 поступает нагретый воздух по каналам 19 и 22. Растопочное топливо сгорает в циклонном предтопке котла, создавая температуру в нем 850-900^оС. Убедившись в устойчивом горения растопочного топлива, в циклонном подтопке, через форсунку горения 4 подают водоугольное топливо, которое поступает в виде распыленных капель размером до 250 мкм в газификационную камеру 1 циклонного предтопка. Через тангенциальные каналы 19, 22 продолжает поступать нагретый воздух. Водоугольное топливо воспламеняется и загорается. После наличия устойчивого горения водоугольного топлива подача растопочного топлива в газификационную камеру 1 прекращается. Из кольцевого смесителя 6 в газификационную камеру 1 подается смесь инертного горячего газа по тангенциальным соплам 9 и кольцевому каналу 11. Подача смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя 6 интенсифицируется за счет подачи инертных газов после котла через патрубок 10 под более высоким давлением, чем давление в кольцевом смесителе. Инертный горячий газ в кольцевой смеситель 6 поступает одновременно из топки котла через патрубок 7 и после котла через патрубок 8.

Использование кольцевого щелевого ввода смеси инертного горячего газа и центральная подача водоугольного топлива в распыленном виде позволяют наиболее эффективно перемешивать их в газификационной камере 1, при этом водоугольное топливо обезвоживается и газифицируется без доступа кислорода в основном за счет тепла в виде излучения, поступающего из камеры горения через свободный торец 5. Из газификационной камеры 1 летучие газы и частицы топлива попадают в камеру 16 горения, воспламеняются и сгорают. Более крупные частицы из-за наличия пережима 18 не могут сразу покинуть камеру горения и, уменьшаясь до определенного размера, газовым потоком выносятся через выходное отверстие 17 в камеру 20 дожигания коксовых остатков топлива. Отходящие газы с температурой ≈ 1450^оС через выходное сопло 23 в торце камеры дожигания поступают в топку котла, где отдают тепло рабочей среде.

Продувку кольцевого смесителя 6 осуществляют сжатым воздухом через патрубок 13, либо паром через патрубок 14 при открытом клапане продувки 15.

Организация сжигания водоугольного топлива с включением камеры, в которой происходит полная газификация топлива благодаря поступлению смеси горячих отходящих газов из топки котла и за котлом, камеры горения и камеры дожигания, обеспечивающие ступенчатый подвод воздуха в камере горения с недостатком кислорода (по отношению к стехиометрии), в камере дожигания с небольшим избытком воздуха α_т= 1,05-1,07 ведет к уменьшению концентрации вредных выбросов оксидов азота (NO_х) на 30-40% и потерь топлива с механическим недожигом после котла.

Это характеризует экономичность циклонного предтопка котла, сжигающего водоугольное топливо.

Соотношение диаметров сечения газификационной камеры к камере горения = 0,4÷0,6 и соотношение длины газификационной камеры и ее диаметра = 1,1÷1,8 выбирается из следующих условий.

а) Известно, что диаметр цилиндрической камеры горения равен 2,7 м для циклонных предтопок большой мощности, тогда диаметр газификационной камеры определяется по формуле
D₁ = D = 2,7·0,4 = 1,08 м, где = 0,4 - принято из условия расходной скорости потока в газификационной камере и поступления тепла в нее в виде излучения из камеры горения;
D₂ = 2,7 м - диаметр камеры горения. Длина газификационной камеры определяется по формуле
l_ц = Са˙τ = 3˙0,4 = 1,2 м, где С_а = 3 м/с - расходная осевая скорость потока к газификационной камере; τ = 0,4 с - время, необходимое для нагревания капли размером до 250 мкм, испарение влаги и выхода летучих газов. Соотношение = = 1,1. Отсюда следует, соотношения = 0,4, = 1,1 соответствуют циклонным предтопкам большой мощности.

б) Известно, что диаметр цилиндрической камеры горения равен 1,1 м для циклонных предтопков малой мощности, тогда диаметр газификационной камеры определяется по формуле
D₁ = D = 1,1·0,6 = 0,66 м, где = 0,6 принято из условий, изложенных в пункте а).

Длина газификационной камеры определяется по формуле
l_ц = С_а ˙ τ = 3 ˙0,4 = 1,2 м.

Соотношение = = 1.8.

Следовательно, соотношения = 0,6 , = 1,8 соответствуют циклонным предтопкам малой мощности.

Таким образом, меньшие соотношения , соответствуют циклонным предтопкам котла большой мощности, а более высокие соотношения - циклонным предтопкам котла малой мощности.

Использование: на котлах, сжигающих в качестве топлива водоугольные суспензии. Сущность изобретения: предтопок дополнительно снабжен соосной газификационной камерой, снабженной выходными тангенциальными соплами, на выходе из которых размещен кольцевой канал, газификационная камера имеет входной и открытый выходной торцы, вокруг газификационной камеры в зоне входного торца расположен кольцевой смеситель, подключенный к газификационной камере посредством выходных тангенциальных сопл и кольцевого канала . 1 з. п. ф - лы, 2 ил.

1. ЦИКЛОННЫЙ ПРЕДТОПОК КОТЛА для сжигания суспензионного топлива, содержащий соединенные пережимом горизонтальные камеры горения и дожигания, снабженные тангенциальными соплами для подвода воздуха, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности сжигания топлива, например водоугольной суспензии, и уменьшения вредных выбросов путем предварительного обезвоживания, газификации и ступенчатого сжигания топлива, предтопок дополнительно снабжен соосной газификационной камерой, снабженной выходными тангенциальными соплами, на выходе из которых размещен кольцевой канал, газификационная камера имеет входной и открытый выходной торцы, при помощи последнего из которых указанная камера сообщена с камерой горения, вокруг газификационной камеры в зоне входного торца расположен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный к газификационной камере посредством выходных тангенциальных сопл и кольцевого канала, кроме того, во входном торце газификационной камеры соосно с ее продольной осью расположена горелка. 2. Предтопок по п. 1, отличающийся тем, что соотношение диаметра сечения газификационной камеры и диаметра камер горения равно 0,4 - 0,6, а соотношение длины газификационной камеры и ее диаметра равно 1,1 - 1,8.