ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 1994 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для производства пористого углеродного материала при сжигании дробленых топлив.

Известна вихревая топка (авт. св. N 1416440, кл. C 01 B 31/06, 1988), содержащая камеру сгорания, снабженную установленной на фронтовой стене наклонно вниз щелевой горелкой, щелевое воздушное сопло, размещенное в нижней части топки и направленное вдоль фронтового ската топочной воронки.

При подаче в камеру сгорания дробленого топлива мелкие частицы, воспламеняясь, сгорают в прямоточной зоне факела, а крупные и средние частицы опускаются в нижнюю часть топки, где выгорают в процессе многократной циркуляции в вихревой зоне факела. В условиях многократной циркуляции крупные и средние частицы угля в вихревой зоне проходят все стадии термической обработки топлива, в результате чего в объеме частиц, начиная с поверхности, образуются трещины и поры. При дальнейшей циркуляции наряду с выгоранием частиц происходит увеличение количества пор и развитие их внутренней поверхности, в результате чего такие частицы приобретают свойства пористых углеродных материалов - адсорбирующие свойства. В процессе циркуляции в вихревой зоне часть частиц растрескивается, уменьшаясь в размерах, при этом у мелких частиц начинает интенсивно выгорать углерод и прекращается увеличение пор. Как показали исследования, унос топлива топочными газами из такой вихревой топки до 10% состоит из частиц пористого углеродного материала с хорошо развитой поверхностью пор, обладающего сорбционной способностью, сравнимой с сорбционной способностью промышленно полученных сорбентов.

Однако, как показала промышленная эксплуатация вихревой топки топочные газы выносят из нее большое количество частиц топлива, не обладающих достаточными сорбционными свойствами.

Известна также вихревая топка (авт. св. N 1218754, кл. F 23 C 5/24, 1984), содержащая камеру сгорания, снабженную горелкой, установленной наклонно вниз на ее фронтовой стене, щелевым соплом вторичного воздуха, установленным в ее нижней части и направленным вдоль заднего ската топочной воронки и газоплотным козырьком, установленным наклонно вниз на задней стене выше уровня горелки, образующим с фронтовой стеной окно для отвода дымовых газов из вихревой зоны. В такой топке установка козырька на задней стене выше уровня расположения горелки снижает потери топлива с уносом топочными газами. Улучшая аэродинамику вихревой зоны, козырек повышает кратность циркуляции крупных и средних частиц топлива в ней, увеличивая время пребывания этих частиц в вихревой зоне, и способствует тем самым увеличению поверхности пор и сорбционной способности углеродного материала, образующегося при сжигании дробленого топлива. Однако, эксплуатация таких вихревых топок показала, что они не позволяют регулировать расход углеродного материала, получаемого на выходе из топки, без существенного нарушения аэродинамики вихревой зоны и снижения КПД котла.

Объясняется это тем, что в вихревых топках с козырьком сепарация топливных частиц в вихревую зону при развороте факела у нижнего конца козырька определяется, в основном, размерами и местоположением козырька. Регулировочные возможности воздушных потоков, выходящих из горелки и сопла, ограничены. Во-первых, - необходимостью жесткого поддержания в камере сгорания стабильного избытка воздуха, так как увеличение избытка воздуха неизбежно приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами и снижению КПД-брутто и КПД-нетто котла, а уменьшение избытка воздуха приводит к возрастанию потерь тепла с механическим и химическим недожогом. Во-вторых, - необходимостью поддержания по условиям оптимальной аэродинамики вихревой зоны определенного соотношения импульсов потоков, выходящих из горелки и щелевого сопла вторичного воздуха на уровне 0,25-0,35.

Отклонение от этого соотношения приводит к нарушению аэродинамики вихревой зоны. Снижение скорости воздушного потока, выходящего из сопла в нижней части камеры сгорания, увеличивает сепарацию топлива на задний скат и приводит к накоплению на нем топлива, в результате чего воздушный поток отклоняется от ската, вдоль которого он направлен, и возникает так называемый "фонтанирующий режим работы", который не поддается регулированию. Он в конечном итоге приводит: к нарушению аэродинамики вихревой зоны, превращению ее в прямоточный факел, к нарушению прохождения топливом стадий термической подготовки топлива, к неконтролируемому уносу топлива угрубленного фракционного состава из камеры сгорания, резкому возрастанию мехнедожога топлива и падению КПД-котла. Вследствие сокращения времени термической обработки частиц топлива резко уменьшается содержание углеродного материала в уносе топлива, обладающего приемлемыми сорбционными свойствами.

Целью предлагаемого изобретения является регулирование расхода пористого углеродного материала, получаемого на выходе из вихревой топки, при сжигании дробленого топлива. Поставленная цель достигается тем, что в известной вихревой топке, содержащей камеру сгорания, снабженную горелкой, газоплотным козырьком, установленным наклонно вниз на ее фронтовой или задней стене выше уровня горелки, щелевым соплом вторичного воздуха, размещенным в нижней части камеры сгорания и наклонением вдоль ската топочной воронки, расположенным под стеной с козырьком, - под последним установлены дополнительные щелевые воздушные сопла, а в козырьке над каждым из этих сопел выполнено щелевое отверстие.

Из технической и патентной литературы не известно заявляемое сочетание конструктивных элементов.

В заявляемой вихревой топке сочетание козырька, наклоненного вниз, установленных под ними щелевых сопел и щелевых отверстий, выполненных в козырьке над каждым из воздушных сопел, дает возможность обеспечить регулируемый отбор пористого углеродного материала из вихревой зоны. Это позволяет сделать вывод, что признаки заявляемой конструкции - вихревая топка - соответствует критерию - "существенные отличия".

На фиг.1 изображена заявляемая вихревая топка с горелкой, установленной на фронтовой стене камеры сгорания, и козырьком, установленным на задней стенке камеры сгорания; на фиг.2 - горизонтальный разрез А-А вихревой топки с горелкой на фронтовой и козырьком на задней стене; на фиг.3 - заявляемая топка с горелкой, установленной на фронтовой стене камеры сгорания, и козырьком, установленным на фронтовой стене камеры сгорания; на фиг.4 - горизонтальный разрез А-А вихревой топки с горелкой и козырьком на фронтовой стене; на фиг.5 - расчетные траектории движения частиц топлива в вихревой топке с горелкой, расположенной на фронтовой стене и козырьком на задней стене (котел ПК-24 станц. N 9 Иркутской ТЭЦ-10) при подаче максимального расчетного расхода воздуха через дополнительные сопла 12, где кривые 20 - траектория движения крупных частиц, кривые 21 - траектория движения средних частиц, кривая 22 - траектория движения мелких частиц; на фиг.6 изображены траектории движения частиц топлива и пористого углеродного материала в той же топке, что и на фиг.5, при отсутствии расхода воздуха через дополнительные щелевые сопла 12, где кривые 23 - траектория движения крупных частиц, кривая 24 - траектория движения средних частиц с плотностью, близкой к начальной, кривые 25 - траектория движения мелких частиц топлива, кривая 26 - траектория движения крупных частиц пористого углеродного материала, кривая 27 - траектория движения средних и мелких частиц пористого углеродного материала; на фиг.7 представлены расчетные и опытные данные по зависимостям потерь тепла с механическим недожогом топлива q₄ от относительного расхода воздуха r_доп через дополнительные щелевые сопла 12 (данные получены на котле ПК-24 станц. N 9 Иркутской ТЭЦ-10), где кривая 28 - зависимость для суммарного механического недожога, кривая 29 - зависимость для пористого углеродного материала.

Вихревая топка содержит камеру сгорания 1, на фронтовой стене 2 которой установлены наклонно вниз щелевые горелки 3. На задней стене 4 выше уровня горелок 3 (фиг.1) или на фронтовой стене 2 над горелками 3 (фиг.3) по всей ширине 5 (фиг.2 и 4) камеры сгорания 1 установлен выше уровня горелок 3 наклонно вниз под углом α газоплотный козырек 6. В нижней части 7 камеры сгорания 1 размещено щелевое сопло 8 вторичного воздуха, которое направлено вдоль одного из скатов топочной воронки 9, расположенного под стеной с козырьком 6, т.е. в случае установки козырька 6 на задней стене 4 сопла 8 наклонены вдоль заднего ската 11 топочной воронки 9 (фиг.1), а в случае расположения козырька 6 на фронтовой стене 2 сопла 8 наклонены вдоль фронтового ската 10 топочной воронки 9 (фиг.3).

Под козырьком 6 наклонно вниз установлены дополнительные щелевые сопла 12. В случае расположения козырька 6 над горелками 3 (фиг.3) щелевые сопла 12 расположены по высоте между горелками 3 и козырьком 6 и размещены в плане между горелками 3 (фиг.4). В козырьке 6 по его ширине 13 над каждым соплом 12 выполнено щелевое отверстие 14, ширина которого 15 не больше ширины 16 сопла 12. Каждое щелевое отверстие 14 может отстоять от стены 2 или 4 с козырьком на расстоянии 17, которое на фиг.2 и 4 принято равным нулю. Размер 18 щелевого отверстия 14 может составлять от 0,2 до 0,5 относительной длины козырька 19. Площадь щелевых отверстий 14 составляет от 0,1 до 0,5 площади козырька 6. Размеры 15, 16, 17, 18, 19 рассчитываются в зависимости от требований, предъявляемых к количеству и качеству пористого углеродного материала. (Методика расчета является собственностью заявителей).

Работает топка следующим образом.

Дробленое топливо с фракционным составом, например, R₁₀ = 10-15%; R₃ = 40-50%; R₁ = 80-85%, подается в камеру сгорания 1 через горелки 3. Мелкие и часть средних частиц, воспламеняясь, образуют факел, который направляется к задней стене 4. Крупные и средние частицы с размерами delta>> 0,5 мм, не успевшие воспламениться, двигаются в факеле вдоль фронтового ската 10 (фиг. 1) или заднего ската 11 (фиг.3) к щелевым соплам 8 вторичного воздуха.

У сопел 8 они попадают в выходящий из них плоский воздушный поток и направляются вдоль заднего ската 11 и вертикального участка задней стены 4 (фиг. 1) или вдоль фронтового ската 10 и вертикального участка фронтовой стены 2 (фиг.3) в направлении козырька 6, образуя восходящую ветвь факела вихревой зоны. Через щелевое сопло 12 в камеру сгорания 1 подают дополнительный воздушный поток. В случае, когда воздушный поток подают через сопла 12 с максимальным расчетным расходом, отверстие 14 полностью перекрывается этим потоком и проход газов и частиц топлива снизу в зону над козырьком через отверстие 14 отсутствует. Воздушный поток из сопел 12 увлекает восходящую ветвь факела, которая разворачивается от задней стены 4 (фиг.1) или от фронтовой стены 2 (фиг.3) под козырьком 6 на угол (180^о - α).

У нижнего конца козырька 6 часть факела еще раз разворачивается на угол (180^о - α), и, огибая козырек 6 направляется в объем камеры сгорания 1, расположенный выше козырька, образуя прямоточную зону факела, в которой продолжают гореть вынесенные в нее мелкие частицы топлива.

При развороте факела у конца козырька 6 вторая часть факела направляется в вихревую зону 9, к фронтовой стене 2, горелке 3 и фронтовому скату 10 (фиг.1) или к задней стене 4 и заднему скату 11 (фиг.3), при этом вместе с этой частью факела в вихревую зону сепарируются средние и крупные частицы топлива, которые затем вновь поступают в воздушную струю, выходящую из сопел 8. Таким образом происходит многократная циркуляция средних и крупных частиц топлива в вихревой зоне 9.

В процессе многократной циркуляции топливные частицы последовательно проходят все стадии термической подготовки и горения: сушку и прогрев, выход и горение летучих, термо-пневмодробление, горение углерода. В приложении 1 представлены расчетные кривые для четырех частиц ирша-бородинского бурого угля (фиг.1), выгорающих в камере сгорания вихревой топки. (Расчеты проведены по специальной программе, разработанной авторами данной заявки.) Для мелких частиц ( Δ≅ 0,5 мм) время сушки составляет не более 0,2 с, время горения летучих - менее 1,8 с, полное время горения частицы не более 2 с, в то время как для крупных частиц (Δ≥10 мм) они превышают соответственно: 20, 70, 90 с.

В процессе сушки топливных частиц в вихревой зоне в них происходит образование трещин (потеря веса частицы при этом составляет до 30% от первоначального). Процесс выхода летучих сопровождается активным образованием пор внутри частиц. Чем меньше частица, тем быстрее проникают процессы сушки и выхода летучих (Приложение 1, кривая 2, фиг.1), однако, при этом поры в мелких частицах имеют малые размеры и их количество незначительно. Для средних частиц с размерами 0,5-1,5 мм за время 3-5 с в процессе их многократной циркуляции (что составляет примерно 1-2 круга циркуляции) заканчиваются сушка (на 100%) и выход летучих (на 80-100%), что приводит к уменьшению их плотности до 40% от первоначальной. Такие частицы представляют собой пористый углеродный материал с хорошо развитой поверхностью пор (внутренняя поверхность). Удельная поверхность пор составляет 100-200 м²/г, прочность частиц на истирание - около 80%. (По нашим опытным данным).

Крупные частицы (Δ≥ 5 мм) во время сушки и выхода летучих имеют значительный перепад температур между поверхностью частиц и их центром, достигающий по нашим расчетам и опытам 700^о, что приводит к возникновению значительных термических напряжений внутри частиц и к термическому разрушению некоторого количества последних. Термонапряженные крупные частицы, ослабленные трещинами, разрушаются также при ударе об ограждающие поверхности вихревой зоны. Этот процесс термо-пневморазрушения крупных частиц также дает дополнительное количество пористых углеродных частиц.

Вследствие различий в плотности и в размерах частицы топлива двигаются в вихревой зоне по разным траекториям (фиг.5, 6). Расчеты траекторий движения выполнены по специальной программе машинного счета, разработанной авторами заявляемого устройства и основанной на собственных экспериментальных данных.

В случае подачи максимального расчетного расхода воздуха через сопла 12 (фиг.5) щелевое отверстие 14 полностью перекрыто воздушными струями. Крупные с большой инерцией частицы свежего топлива разгоняются струей вторичного воздуха из сопла 8 до относительно небольших скоростей, не более 0,2 от первоначальной скорости - W_о воздуха в сопле 8. Вследствие этого их траектории имеют вид, обозначенный на фиг.5 поз. 20, т.е. крупные частицы не долетают до козырька 6. Средние частицы топлива (траектории их обозначены цифрой 21) разгоняются до скоростей 0,4-0,5 W_о, ударяются о козырек и затем возвращаются воздушным потоком из сопел 12 в вихревую зону.

Самые мелкие частицы с размерами Δ≅ 0,5 мм уносятся дымовыми газами в прямоточную часть факела (их траектории обозначены поз. 22), в зону камеры сгорания, расположенную над козырьком 6.

Таким образом, основная масса топливных частиц, в том числе и большинство частиц, прошедших термическую подготовку и имеющих приемлемые (см. раньше) свойства пористого углеродного материала, вовлекаются в многократную циркуляцию в вихревой зоне. Здесь они выгорают до размера около 0,5 мм, который уходит в прямоточную часть факела и далее - в газоходы, расположенные за вихревой топкой.

В случае, когда подача воздуха через сопла 12 отсутствует, щелевые отверстия 14 открыты и поэтому часть газовоздушного потока из восходящей ветви факела вихревой зоны проходит через отверстие 14 в пространство камеры сгорания над козырьком 6. При этом траектории движения частиц разных размеров и плотностей будут иметь вид, показанный на фиг.6.

Крупные частицы свежего топлива будут иметь траектории, близкие к прежним (линии 23 на фиг.6), и будут замыкаться в нижней части вихревой зоны. Средние частицы топлива, не прошедшие полную термическую подготовку и имеющие плотность, близкую к первоначальной, за счет сил веса будут отклоняться от задней стены 4 (фиг.1) или фронтовой стены (фиг.3) камеры сгорания и ударяться о козырек 6. Траектории этих частиц обозначены на фиг.6 поз. 24. После удара о козырек 6 эти частицы уходят в вихревую зону для продолжения процесса термической подготовки. Средние частицы топлива с размерами 0,5-3 мм, прошедшие полную термическую подготовку (вышли вся влага и основная масса летучих, т.е. это - готовый пористый углеродный материал) и имеющие плотность около 40% от первоначальной, уносятся газовоздушным потоком через щелевое отверстие 14 в объем камеры сгорания 1, расположенный над козырьком 6 (линии 26 и 27).

В объеме камеры сгорания 1 над козырьком 6 уменьшается скорость газовоздушного потока и происходит дополнительная сепарация наиболее крупных частиц пористого углеродного материала (траектории - 26) в зоне аэродинамической тени козырька 6. Частицы по верхней поверхности козырька 6 возвращаются на дожигание в вихревую зону. Средние частицы пористого углеродного материала с размерами 0,5-1,5 мм (траектории 27) уносятся восходящим потоком газов через камеру сгорания 1 в газоходы, расположенные за пределами вихревой топки. Мелкие частицы с размерами меньше 0,5 мм выносятся из вихревой зоны по траекториям 25 частично через щелевое отверстие 14 и частично - с потоком газов, разворачивающегося вверх у нижнего конца козырька 6. По массе эти частицы разделяются пропорционально транспортирующим расходам газов.

По нашим исследованиям, расход газов через щелевое отверстие 14 составляет до 0,2 от общего расхода газов в вихревой топке. При таком режиме работы количество пористого углеродного материала, уносимого в газоходы за пределы вихревой топки, составляет до 2% от исходного топлива, поданного в топку, что в два раза выше, чем в прототипе (авт. св. N 1218754, кл. F 23 C 5/24).

В процессе многократной циркуляции у крупных частиц топлива, двигающихся по замкнутым траекториям в вихревой зоне, протекают сушка, выход летучих и частичное горение углерода. При соударении частиц друг с другом, или при ударе их об стены 2,4, козырек 6, расположенные в вихревой зоне, происходит разрушение частиц на более мелкие, с образованием дополнительного количества средних частиц, которые после соответствующей термической обработки приобретают свойства пористого углеродного материала. Траектории этих частиц будут совпадать с кривыми 27 на фиг.6.

При необходимости регулирования, например, уменьшения количества получаемого за вихревой топкой пористого углеродного материала, необходимо подать воздух в дополнительные щелевые сопла 12. При этом количество газов, проходящих через щелевое отверстие 14, снизится и, следовательно, уменьшится количество пористых углеродных частиц средних размеров, выносимых через отверстие 14 в зону камеры сгорания, расположенную над козырьком 6.

Таким образом, выполнение в козырьке 6 щелевых отверстий 14, и установка под каждым из этих отверстий щелевого воздушного сопла 12 позволяет изменением скорости воздушного потока из этих сопел регулировать величину уноса пористого углеродного материала из вихревой зоны через отверстия 14. Чем меньше скорость воздушного потока из сопел 12, тем больше сечение щелевых отверстий 14, доступное проходу через них частиц углеродного материала из вихревой зоны, и тем выше расход этого материала, отбираемого впоследствии за пределами вихревой топки для потребителя.

Снабжение вихревой топки несколькими парами "воздушное сопло - щелевое отверстие в козырьке над соплом", рассредоточенными по ширине камеры сгорания, расширяет диапазон регулирования готового углеродного материала за счет изменения количества отключенных или включенных сопел 12.

Для случая, когда расстояние 17 (фиг.2,4) больше нуля, т.е. щелевое отверстие 14 смещено в сторону топки на расстоянии в пределах ширины (19) козырька, процесс получения пористого углеродного материала будет аналогичен рассмотренному выше.

Расход углеродного материала необходимо рассчитать в зависимости от расстояния 17 и расхода (скорости) воздуха через дополнительные сопла 12. Расстояние 17 определяется специальным расчетом в зависимости от теплофизических характеристик используемого топлива (влажности, выхода летучих, термостойкости и др.).

При регулировании отбора углеродного материала через отверстия 14 происходит перераспределение объема уходящих из вихревой зоны газов между отверстиями 14 и прямоточной зоной факела с сохранением стабильного общего расхода газов, уходящих их вихревой зоны, и стабильного коэффициента избытка воздуха на выходе из вихревой топки. Причем уменьшение расхода газов через прямоточную зону факела приводит к снижению скорости газов в ней и к соответствующему уменьшению в этой зоне выноса мелких несгоревших частиц топлива из вихревой зоны в прямоточную зону факела.

Расчеты, проведенные авторами, показали, что при отключении сопел 12 и увеличении расхода пористого углеродного материала через щелевое отверстие 14 суммарные потери тепла q₄, которые рассчитываются по содержанию углерода в летучей золе на выходе из топки, возрастают, в основном, на величину дополнительно полученного пористого углеродного материала (кривые 28, 29 на фиг. 7). Пористый углеродный материал затем в газоходах, расположенных за вихревой топкой, отбирается из потока газов для потребителя. Вследствие этого конечные потери тепла от механического недожога (после отбора углеродного материала) остаются примерно на прежнем уровне (эти потери могут несколько возрасти, если отбор углеродного материала из потока газов будет некачественным).

В заявляемой вихревой топке регулирование расхода углеродного материала, отбираемого из вихревой зоны через щелевое отверстие 14, осуществляется без влияния на аэродинамику вихревой зоны, так как перераспределение расхода воздуха происходит между соседними соплами 12, расположенными рядом с отверстиями 14, что позволяет сохранить оптимальное соотношение импульсов потоков, выходящих из горелки и сопла вторичного воздуха. Поддержание оптимальной аэродинамики вихревой зоны исключает потери топлива, связанные с его накоплением на одном из скатов топочной воронки и последующим его провалом через топочную воронку; исключает возникновение фонтанирующих режимов работы топки и связанные с этим режимом потери топлива с уносом топочными газами; создает оптимальные условия для термической подготовки топлива в вихревой зоне факела (температура и время пребывания) и, следовательно, повышает количество пористого углеродного материала, получаемого в такой топке.

Регулирование расхода пористого углеродного материала в заявляемой топке без изменения суммарных расходов воздушных потоков, выходящих из горелки и сопла, позволяет четко поддерживать постоянство избытка воздуха в камере сгорания и исключает увеличение потерь тепла с уходящими газами. Таким образом, с учетом отбора пористого углеродного материала из дымовых газов за вихревой топкой конечный КПД-брутто вихревой топки остается постоянным. Если же учесть продажную цену пористого углеродного материала, экономический эффект от внедрения предложенного изобретения будет пропорционален цене этого углеродного материала, определяемой условиями рынка.

Действительно, как показала эксплуатация котла ПК-24 станц. N 9 Иркутской ТЭЦ-10, на котором проведено опробование схемы получения пористого углеродного материала, в заявляемой вихревой топке возможно получение регулируемого количества пористого углеродного сорбента с требуемыми качествами по сорбционной поверхности, прочность и т.д. Котел ПК-24 станц. N 9, на котором организовано получение пористого углеродного материала, является энергетическим котлом Иркутской ТЭЦ-10, несущим электрическую и тепловую нагрузку в соответствии с режимом работы ТЭЦ. Получаемый пористый углеродный материал является для этого котла побочным продуктом. В связи с этим и появилась необходимость регулирования расхода пористого углеродного материала без изменения экономических (или других) показателей работы котла. На основании опытных данных, полученных при реализации заявленной вихревой топки, составлено описание данной заявки и приведены необходимые иллюстрации работы предлагаемого устройства.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для производства пористого углеродного материала при сжигании дробленых топлив. Цель изобретения - регулирование расхода пористого углеродного материала, получаемого на выходе из топки при сжигании дробленого топлива. Для достижения поставленной цели под газоплотным козырьком 6 установлены дополнительные щелевые воздушные сопла 12, а в козырьке 6 над каждым из этих сопел 12 выполнены шелевые отверстия 14. 6 ил.

ВИХРЕВАЯ ТОПКА, содержащая камеру сгорания, снабженную горелками, газоплотным козырьком, установленным выше уровня горелок на фронтовой или задней стенке упомянутой камеры сгорания и наклоненным вниз, щелевое сопло вторичного дутья, расположенное в нижней части холодной воронки и наклоненное вдоль ската последней, расположенного под стенкой с козырьком, отличающаяся тем, что, с целью регулирования расхода пористого углеродного материала, получаемого на выходе из топки при сжигании дробленого топлива, под газоплотным козырьком установлены дополнительные щелевые воздушные сопла, а в козырьке над каждым из этих сопл выполнены щелевые отверстия.