КОТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1994 года по МПК F23K1/00 

Изобретение относится к подготовке и сжиганию полифракционного высоковлажного твердого топлива и может быть использовано на тепловых электростанциях и в промышленных котельных для экологически чистых котельных агрегатов.

Известны котельные агрегаты, содержащие котел с призматической, экранированной, газоплотной топкой с холодной воронкой и пылеугольными горелками, установленными на фронтовой стене топки с наклоном вниз и встроенными в аэродинамический выступ, размещенный над скатом холодной воронки, в устье которой установлены сопла нижнего воздушного дутья, направленные вдоль ее фронтового ската - встречно горелкам, и систему пылеприготовления, включающую последовательно расположенные бункер сырого угля, питатель с течкой и вертикальную сушильную шахту, предвключенную к мельнице-вентилятору (МВ), выходной патрубок которой подключен пылепроводом к горелкам [1].

Данному аналогу присущи низкая надежность из-за повышенного абразивного износа элементов топливоподачи, горелок и экранных труб и экономичность из-за недожога топлива, а также повышенное образование оксидов азота.

Известны котельные агрегата, содержащие котел с топкой и горелкой, и системы пылеприготовления, снабженные бункером, питателем, течкой сырого топлива, МВ, пылепроводом и трубой-сушилкой (ТС), соединенной в средней части с топкой, в нижней части с МВ, а верхним концом подключенной к дополнительному вентилятору через течку сырого топлива, причем выходной патрубок последнего сообщен с топкой [2].

Аналогу присущи недостаточные надежность и экономичность, а также ухудшенные экологические показатели по выбросам оксидов азота в дымовых газах.

Прототипом изобретения является котельный агрегат, содержащий котел с призматической, экранированной, газоплотной топкой, снабженной холодной воронкой, в устье которой вдоль фронтового ската размещено воздушное сопло, и расположенными на фронтовой стене пылеугольными горелками и выступом, имеющим верхний наклонный скат, и систему пылеприготовления, снабженную последовательно расположенными бункером сырого топлива с питателем, вертикальной сушильной шахтой, верхняя часть которой соединена патрубком с течкой питателя и газоходом с топкой котла, и МВ, подключенной пылепроводом к горелкам. Горелки размещены над выступом, верхний скат которого установлен под углом к горизонту, превышающим угол естественного откоса топлива, а газоход выполнен в виде усеченной пирамиды и подключен к топке меньшим основанием и спутно верхнему скату выступа, а большим основанием - к верхней части сушильной шахты. Течка питателя снабжена дополнительным патрубком, подключенным к средней части газохода и перекидным шибером, установленным между основным и дополнительным патрубками течки, а экраны холодной воронки снабжены защитным покрытием из материала с коэффициентом внешнего трения к топливу, превышающим этот коэффициент для экранных труб без покрытия, причем выступ выполнен из того же материала, к горелкам подведены воздуховоды и сопла нижнего дутья подключены к воздуховоду [3]. Прототипу присущи недостаточные надежность и экономичность работы и снижение эффективности подавления образования оксидов азота при снижении загрузки вихревой зоны топливом по условиям нагрузки котла.

Отсутствие организованного подвода к корню факела горящих частиц топлива при их выносе из вихревой зоны в факельную снижает эффективность воспламенения пыли и догорания топлива в топке и формирует недожог. Крупные фракции топлива имеют низкую экспозицию сушки в наклонном газоходе переменного сечения, что приводит к необходимости увеличения кратности циркуляции, скорости движения и времени пребывания частиц топлива в вихревой зоне, снижает ее тепловую производительность и вызывает повышенный абразивный износ защитного покрытия и боковых экpанов холодной воронки, а также ее шлакование из-за отсутствия эффективного регулирования пирометрического уровня в последней.

Целью изобретения является повышение надежности, экономичности работы котельного агрегата и эффективности подавления образования токсичных оксидов азота в широком диапазоне нагрузок котла.

Это достигается тем, что в котельном агрегате, содержащем котел с призматической экранированной и газоплотной топкой, снабженной холодной воронкой, в устье которой вдоль ската размещены воздушные сопла нижнего дутья, а экраны снабжены защитным покрытием, и пылеугольными горелками, расположенными на фронтовой стене над выступом, верхний скат которого установлен под углом к горизонту, превышающим угол естественного откоса топлива, и систему пылеприготовления, снабженную последовательно расположенными бункером сырого топлива с питателем и течкой, а также вертикальной сушильной шахтой, соединенной наклонным газоходом, выполненным в виде усеченной пирамиды, с топкой котла через газозаборное окно и спутно верхнему скату выступа и мельницей, подключенной пылепроводом к горелкам топки, дополнительно пылеугольные горелки сгруппированы в пары и выполнены вихревыми с противоположным направлением крутки в каждой паре, котел снабжен как минимум двумя системами пылеприготовления, а сушильная шахта каждой из них выполнена в виде пневмотрубы переменного сечения, увеличивающегося снизу вверх, и подключена нижней частью к течке, верхним большим основанием - к всасывающему патрубку мельницы, а нижним меньшим основанием к меньшему основанию газохода, причем угол наклона нижней стенки газохода не превышает угол естественного откоса сырого топлива, но не менее угла естественного откоса для кpупных фракций топлива в воздушно-сухом состоянии, к всасывающему патрубку мельницы подключен воздуховод горячего воздуха, снабженный газоплотным запорным органом, а на пылепроводе установлена заслонка. Выступ снабжен нижним скатом аэродинамической формы. Воздушные сопла нижнего дутья могут быть направлены вдоль заднего ската холодной воронки, над которым по ширине задней стены топки могут быть установлены поярусно и параллельно в рядах дополнительные побудительные сопла, имеющие различные выходные сечения в ярусах, увеличивающиеся от нижнего яруса к верхнему и размещенные в рядах равномерно, но с интервалом в серединной зоне, имеющим ширину не менее величины межгорелочного пространства, но не превышающим межосевого расстояния пары горелок, причем побудительные сопла верхнего яруса направлены по касательной к условному продолжению нижнего ската выступа, а газозаборные окна систем пылеприготовления расположены со смещением к соответствующим боковым экранам топки, причем воздушные сопла нижнего дутья могут быть размещены равномерно по ширине устья холодной воронки и снабжены дополнительными каналами с меньшими выходными сечениями, сообщенными с трубопроводом частично охлажденных дымовых газов рециркуляции и воздуховодом, соединенными между собой перемычкой, снабженной запорно-регулирующими органами на участке подключения сопл, а побудительные сопла могут быть подключены поярусно к воздуховоду и трубопроводу газов рециркуляции и снабжены запорными органами на ярусах.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез котельного агрегата; на фиг. 2 и 3 - соответственно виды на фронтовую и заднюю стены из топки; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 и 6 - виды на фронтовую и заднюю стены из топки с двухсветным экраном для котельного агрегата повышенной мощности.

Котельный агрегат содержит котел 1 с призматической, экранированной и газоплотной топкой 2, снабженной холодной воронкой 3 с фронтовым 4 и задним скатами 5, имеющими защитное покрытие 6, и пылеугольными вихревыми горелками 7, сгруппированными в пары с противоположным направлением крутки в каждой паре (обозначено стрелками на фиг. 2 и 5) и расположенными на фронтовой стене 8 топки 2 над выступом 9, установленным над фронтовым скатом 4 воронки 3, по ширине устья 10 которой размещены равномерно и направлены вдоль заднего ската 5 воздушные сопла 11 нижнего дутья, снабженные дополнительными каналами 12 с меньшими выходными сечениями. Котельный агрегат оборудован как минимум двумя идентичными системами пылеприготовления, каждая из которых снабжена (на фиг. 1 показана одна из пылесистем) последовательно расположенными бункером 13 сырого топлива, питателем 14 с течкой 15 и сушильной шахтой 16, выполненной в виде вертикальной пневмотрубы переменного сечения, увеличивающегося снизу вверх, и подключенной нижней частью к течке 15, верхним большим основанием 17 - к всасывающему патрубку мельницы 18, а нижним меньшим основанием 19 - к меньшему основанию 20 наклонного газохода 21, выполненного в виде усеченной пирамиды и сообщенного большим основанием 22 с топкой 2 котла 1 через газозаборное окно 23 спутно верхнему скату 24 выступа 9, установленного под углом к горизонту, превышающим угол естественного откоса топлива. Угол наклона нижней стенки 25 газохода 21 не превышает угол естественного откоса полифракционного сырого топлива, но не менее угла естественного откоса для крупных фракций топлива в воздушно-сухом состоянии. Выходной патрубок мельницы 18 подключен пылепроводом 26 к горелке 7, а на пылепроводе 26 между мельницей 18 и горелкой 7 установлена заслонка 27. Выступ 9 снабжен нижним скатом 28 аэродинамической формы, обеспечивающей формирование горизонтального вихревого потока в холодной воронке 3, условные цилиндры 29 которого имеют наибольший диаметр при номинальной нагрузке котла (с максимальным расчетным расходом топлива в холодную воронку 3 и соответствующих скоростных характеристиках потоков, выходящих из сопл), а над задним скатом 5 воронки 3 по ширине задней стены 30 топки 2 (фиг. 3 и 6) установлены пояpусно и параллельно в рядах 31, 32 и 33 дополнительные побудительные сопла 34, имеющие различные выходные сечения в ярусах 31-33, увеличивающиеся от нижнего яруса 31 к верхнему 33 и размещенные в рядах равномерно, кроме зон 35, соответствующих по расположению на задней стене 30 топки 2, межгорелочным пространствам 36 между парами горелок 7 на фронтовой стене 8 топки 2 (фиг. 2 и 5). При этом сопла 34 верхнего яруса 33 направлены по условному продолжению нижнего ската 28 выступа 9, ширина L каждой зоны 35 - не менее величины межгорелочного пространства L_мг 36, но не превышает межосевого расстояния L_мо пары горелок 7, т. е. L_мг ≅L ≅L_мо. Газозаборные окна 23 пылесистем расположены со смещением в зону около боковых экранов 37, 44, ограничивающих топку 2 или каждую из полутопок (фиг. 5). Дополнительные каналы 12 сообщены с трубопроводом 38 частично охлажденных дымовых газов рециркуляции, а сопла 11 - с воздуховодом 39 при помощи дополнительных трубопроводов-перемычек 40 и снабжены запорно-регулирующими органами 41 на участках подключения сопл 11 и 12. Побудительные сопла 34 подключены поярусно к воздуховоду 39 и трубопроводу 38 газов рециркуляции и снабжены запорными органами 42 на ярусах 31-33. К всасывающему патрубку мельницы 18, в качестве которой может быть применен мельничный вентилятор, подключен воздуховод 39, снабженный газоплотным запорным органом 43. В котельном агрегате (фиг. 5 и 6) объем топки 2 разделен на две полутопки двухсветным экраном 44.

Котельный агрегат работает следующим образом.

Полифракционное сырое топливо (уголь, торф) из бункера 13 питателем по течке 15 поступает в нижнюю часть вертикальной сушильной шахты 16, в которую встречно поступающему топливу по газоходу 21 разрежением, создаваемым мельницей 18 (мельничным вентилятором), подводятся высокотемпературные инертные газы (сушильный агент), отбираемые из топки 2 через газообразные окна 23. В наименьших сечениях 19 и 20 шахты 16 и газохода 21 при наибольшей скорости сушильного агента поступившее полифракционное топливо пофракционно разделяется по скоростям витания его частиц. Основная его часть, состоящая из мелких и средних фракций, отвеивается, проходит в зоне разделения кратковременную сушку в мягком режиме сушильным агентом, частично охлажденным в газоходе 21, а затем разгоняется и выносится в сушильную шахту 16, в которой при уменьшении скорости по высоте восходящего потока сушильного агента подсушивается и измельчается при многократном возвратно-поступательном движении частиц топлива в процессе аэрофонтанной сушки. Частицы топлива, потерявшие массу, скорость витания которых становится меньше наименьшей скорости сушильного агента в верхнем (большем) сечении 17 шахты 16 поступают через всасывающий патрубок в мельницу 18 (мельничный вентилятор), в которой доизмельчаются, а затем по пылепроводу 26 готовая пыль транспортируется сушильным агентом к вихревой пылеугольной горелке 7, к которой также из воздуховода 39 подведен горячий воздух. Ко второй горелке 7 этой же пары также подводится готовая пыль от второй индивидуальной системы пылеприготовления, идентичной первой. При совместной работе пары вихревых горелок 7 с противоположным направлением закрученных потоков пылевоздушной смеси, выходящих из них, в объеме топки 2 над выступом 9 формируется факельная зона сжигания пыли, характеризующаяся сложением тангенциальных составляющих скоростей вихревых потоков в межосевом пространстве пары горелок 7 и пониженным вследствие этого давлением с образованием интенсивного восходящего потока между горелками 7, чем обеспечивается целенаправленный подвод продуктов сгорания из холодной воронки 3. Этот эффект "аддитивности" достигает максимума между горелками 7 в их приосевых зонах с резким нарастанием, а в пространстве между образующими вихревых потоков носит постоянный характер. На участках, прилегающих снаружи от осей пары горелок 7 эффект "аддитивности" отсутствует, а направление векторов тангенциальных составляющих скоростей изменяется на противоположное, т. е. вниз. Расход сушильного агента в пылесистему в зависимости от загрузки последней топливом и его характеристик (начальной влажности и фракционного состава) изменяют прикрытием регулирующей заслонки 27. Дополнительно для повышения экономичности и надежности в широком диапазоне регулирования вытеснение высокотемпературного сушильного агента производят присадкой горячего воздуха из воздуховода 39 открытием газоплотного запорного органа 43. Кроме регулирования сушильной производительности пылесистем изменением расхода и скорости сушильного агента в нижней части шахты 16 запорно-регулирующими органами 27 и 43 влияют на процесс пофракционного разделения сырого топлива, за счет чего перераспределяют массовые части разделенного топлива для оптимизации топочного процесса. Выполнение органа 43 газоплотным предложено для повышения надежности и экономичности по условиям взрывобезопасности и максимального использования потенциала инертного сушильного агента. Крупные фракции, отделенные от всей массы поступившего сырого топлива, скорость витания которых больше наибольшей скорости сушильного агента в меньшем основании 19 шахты 16, частично потеряв влагу в процессе пофракционного разделения под действием гравитационных сил поступают на нижнюю стенку 25 газохода 21 и вследствие установки стенки 25 под углом не менее угла естественного откоса для крупных фракций топлива в воздушно-сухом состоянии, образуют на ней слой, непрерывно сползающий в направлении к выходу из газохода 21 в топку 2 через газозаборное окно 23 с сушкой в противотоке отбираемым из топки 2 сушильным агентом. Пределы выбора угла установки стенки 25 к горизонту определяются увеличенной экспозицией сушки крупных фракций топлива и ограничены преимущественным их выходом из газохода 21 в топку 2. При этом часть крупных фракций, потерявших в процессе подсушки массу настолько, что скорость их витания становится меньше наименьшей скорости сушильного агента в большем сечении 22 газохода 21, выносится потоком сушильного агента из газохода 21 обратно в сушильную шахту 16 и проходит в ней процессы, описанные выше, другая часть более тяжелых крупных фракций топлива, под действием гравитационных сил через газозаборные окна 23 у боковых экранных поверхностей 37 поступает на верхний скат 24 выступа 9, по которому частично подсушенные в газоходе 21 крупные частицы топлива скатываются в холодную воронку 3 и попадают в горизонтальный вихрь (условный цилиндр 29), сформированный взаимодействием потоков, выходящих из сопл 11, каналов 12 и побудительных сопл 34 друг с другом, со скатом 5 воронки 3 и стеной 30 топки 2, нижним скатом 28 выступа 9 и фронтовым скатом 4 воронки 3. Вследствие отсутствия дополнительных побудительных сопл 34 в зонах 35 при равномерном размещении сопл 11 нижнего дутья по ширине устья 10 холодной воронки 3 в последней формируется зона вихревого сжигания, состоящая из нескольких параллельных (по ширине) горизонтальных вихрей, разделенных безвихревыми зонами подъемного движения, инициируемых соплами 11 с каналами 12. Крупные частицы топлива, поступившие в вихревые потоки, примыкающие к боковым экранам 34, 44 топки 2, в процессе многократной циркуляции подсушиваются, измельчаются и частично сгорают в присутствии воздуха, подведенного в зону по соплам 11 и 34, в количестве, ограниченном недостатком воздуха по сравнению с теоретически необходимым объемом для полного сгорания поступающего в зону топлива (т. е. α<1,0). По мере потери массы в процессе выгорания, более легкие частицы топлива перемещаются под действием центробежных сил в приосевые области вихревых потоков и одновременно продвигаются в последних от боковых экранов 44, 37 к безвихревой зоне подъемного движения в средней части воронки 3, откуда за счет подсоса, создаваемого эффектом "аддитивности" в межгорелочных пространствах пар горелок 7, горящие частицы топлива и газообразные высокотемпературные продукты сгорания направленно поступают в факельную зону, инициируют и стабилизируют воспламенение в корне факела, а с другой стороны сами быстро и полностью догорают при повышенном α>1,0) избытке воздуха, подведенного горелками 7, и относительно высоком пирометрическом уровне в факельной зоне. Этим реализуется двухстадийное сжигание топлива в топке 2, причем необходимые скоростные характеристики потоков по условиям надежности вихреобразования одновременно с ограничением расхода воздуха, подведенного соплами 11 и 34 по условию α<1,0, создают дополнительным подводом в каналы 12 и сопла 34 частично охлажденных дымовых газов рециркуляции из трубопровода 38 в регулируемом соотношении с горячим воздухом, подведенным из воздуховода 39, определяемом положением запорно-регулирующих органов 41 и 42 соответственно. При этом обеспечивается более эффективное подавление токсичных оксидов азота в рабочем диапазоне нагрузок котла, вследствие независимости расхода воздуха в вихревую зону от скоростных характеристик потоков, а, кроме того, предотвращается шлакование вихревой зоны за счет одновременного регулирования температурного режима в вихревой зоне. При частичных нагрузках котла 1 и пониженном расходе топлива в вихревую зону ее размер (диаметр) сокращается (см. поз.29, фиг. 1), так как снижаются необходимые энергии потоков, инициирующих вихреобразование. Соответственно могут быть сокращены расходы воздуха и газов рециркуляции с экономией энергозатрат, однако скоростные характеристики потоков, определяемые скоростью витания частиц топлива, т. е. фракционным составом (не зависящим от нагрузки), должны сохраняться постоянными. Поэтому экономичная работа котельного агрегата при частичных нагрузках обеспечена установкой дополнительных каналов 12, имеющих меньшие выходные сечения, чем сопла 11 с многоярусной в рядах 31...33 установкой сопл 34 с уменьшающимися выходными сечениями от верхнего 33 к нижнему ряду 31. Взаимным перераспределением объемных расходов (воздуха и газов) между соплами нижнего дутья 11 и каналами 12 и дополнительными соплами 34 регулируется кратность циркуляции частиц топлива, время их пребывания в вихревых потоках и степень выгорания, в результате чего обеспечивается оптимальный топочный процесс с минимальными тепловыми потерями от мехнедожога и уходящими газами. Таким образом преимуществами котельного агрегата является повышение надежности, экономичности и эффективности подавления образования токсичных оксидов азота в широком диапазоне нагрузок котла.

Реализация объекта изобретения возможна преимущественно при разработке перспективных экологически чистых котельных агрегатов для высоковлажных полифракционных топлив (бурые угли, фрезерный торф, сланец, лигниты, отходы производства), а также при реконструкции находящихся в эксплуатации котельных агрегатов тепловых электростанций и промышленных котельных.

Использование: подготовка и сжигание полифракционного высоковлажного твердого топлива на тепловых электростанциях и в промышленных котельных для экологически чистых котельных агрегатов. Сущность изобретения: полифракционное сырое топливо (уголь, торф) из бункера 13 питателем 14 по течке 15 поступает в нижнюю часть вертикальной сушильной шахты 16, в которую встречно поступающему топливу по газоходу 21 разрежением, создаваемым мельницей 18, подводятся высокотемпературные инертные газы (сушильный агент), отбираемые из топки 2 через газозаборные окна 23. В наименьших сечениях 19 и 20 шахты 16 и газохода 21 при наибольшей скорости сушильного агента поступившее полифракционное топливо пофракционно разделяется по скоростям витания его частиц. Основная его часть, состоящая из мелких и средних фракций, отваливается, проходит в зоне разделения кратковременную сушку в мягком режиме сушильным агентом, частично охлажденным в газоходе 21, а затем разгоняется и выносится в сушильную шахту 16, в которой при уменьшении скорости по высоте восходящего потока сушильного агента подсушивается и измельчается при многократном возвратно-поступательном движении частиц топлива в процессе аэрофонтанной сушки. Частицы топлива, потерявшие массу, скорость витания которых становится меньше наименьшей скорости сушильного агента в верхнем (большем) сечении 17 шахты 16 поступают через всасывающий патрубок в мельницу 18, в которой доизмельчаются, а затем по пылепроводу 26 готовая пыль транспортируется сушильным агентом к вихревой пылеугольной горелке 7, к которой также из воздухопровода 39 подведен горячий воздух. Ко второй горелке 7 этой же пары также подводится готовая пыль от второй индивидуальной системы пылеприготовления, идентичной первой. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. КОТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ, содержащий котел с призматической, экранированной и газоплотной топкой, обрамленной экранами и снабженной холодной воронкой с размещенными вдоль ее ската воздушными соплами нижнего дутья, и пылеугольные горелки, установленные на фронтовом экране над выступом, верхний скат которого расположен под углом к горизонту, превышающим угол естественного откоса топлива, и систему пылеприготовления, снабженную последовательно расположенными бункером сырого топлива с питателем и течкой, а также вертикальной сушильной шахтой, соединенной с газозаборным окном топки с помощью наклонного газохода, выполненного в виде усеченной пирамиды и сопряженного с верхним скатом выступа, и мельницей, подключенной пылепроводом к горелкам топки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, экономичности и эффективности подавления процесса образования токсичных оксидов азота в широком диапазоне нагрузок, он снабжен как минимум одной дополнительной системой пылеприготовления, аналогичной первой, пылеугольные горелки сгруппированы в пары и выполнены вихревыми с противоположным направлением крутки в каждой паре, причем в каждой системе пылеприготовления сушильная шахта выполнена в виде пневмотрубы переменного сечения, увеличивающегося снизу вверх, и подключена нижней частью к течке своего бункера, со стороны верхнего большего основания - к всасывающему патрубку мельницы и нижним меньшим основанием - к меньшему основанию газохода, а угол наклона нижней стенки газохода не превышает угол естественного откоса сырого топлива, но не менее угла естественного откоса для крупных фракций топлива во воздушно-сухом состоянии, всасывающий патрубок мельницы дополнительно подключен к воздуховоду горячего воздуха, снабженному газоплотным запорным органом, а на пылепроводе между мельницей и горелкой установлена заслонка. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что воздушные сопла нижнего дутья направлены вдоль заднего ската холодной воронки, над которым по ширине задней стенки топки дополнительно установлены поярусно и параллельно в рядах побудительные сопла, имеющие различные выходные сечения в ярусах, увеличивающиеся от нижнего яруса к верхнему, и размещенные в рядах равномерно, но с интервалом в серединной зоне, имеющим ширину не менее величины межгорелочного пространства, но не более межосевого расстояния пары горелок, причем побудительные сопла верхнего яруса направлены по касательной к условному продолжению нижнего ската выступа, а газозаборные окна каждой системы пылеприготовления расположены со смещением к соответствующим боковым экраном топки. 3. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздушные сопла нижнего дутья размещены равномерно по ширине устья холодной воронки и снабжены дополнительными каналами с меньшими выходными сечениями, при этом сопла и каналы подключены перемычками к воздуховоду и трубопроводу частично охлажденных дымовых газов рециркуляции соответственно и на участках их подключения снабжены запорно-регулирующими органами, а дополнительные побудительные сопла подключены поярусно к воздуховоду и трубопроводу газов рециркуляции и снабжены запорными органами на ярусах.