ПРИЗМАТИЧЕСКАЯ ЭКРАНИРОВАННАЯ ТОПКА Российский патент 1995 года по МПК F23C5/08 

Изобретение относится к топкам котельных агрегатов и может быть использовано на тепловых электростанциях при сжигании шлакующихся бурых углей.

Известна топка котла для сжигания твердого топлива, содержащая вертикальную призматическую камеру сгорания.

Известна топка котла [1] содержащая вертикальную призматическую камеру, у которой в плане ширины по фронту больше глубины с холодной воронкой и угловыми горелками, размещенными на боковых стенках топки, причем оси всех горелок пересекаются в центре топки (диагональная компоновка горелок). Недостатками этих топок являются плохое заполнение сечения топочной камеры в горизонтальной плоскости, неустойчивый режим работы соударяющихся горелочных струй, наброс пламени с последующим шлакованием центральных частей тыловой и фронтовой стен, движение по центру топки основной массы газов вверх, которая способствует загрязнению поверхностей нагрева на выходе из топки. Известна также вертикальная призматическая пылеугольная топка [2] содержащая холодную воронку, фронтальные прямоточные горелки, наклоненные под острым углом к плоскости симметрии топки, а на задней стенке топки на одном уровне с горелками размещены вертикальные сопла газообразного дутья, причем крайние сопла направлены вдоль соответствующих боковых стен топки, а смежные с ними сопла в сторону ближайших боковых стен и в центральной части задней стенки топки дополнительно расположена вертикальная щелевая амбразура, в которой размещены горизонтальные щелевые сопла, поочередно направленные в сторону противоположных боковых стен параллельно направленным на них смежным вертикальным соплам.

Благодаря предложенному расположению горелок и сопл газообразного дутья происходит отток высокотемпературных топочных газов от центральной части задней стенки топки к боковым ее стенкам, что способствует усилению вихревого движения газов с вертикальными осями вращения у боковых стен. Однако приведенная конструкция топки имеет такие негативные эффекты как плохое заполнение газами топочного объема, расположенного у фронтовой стенки; из-за большой кинетической энергии пылевидного топлива не исключен прямой пробой воздушной завесы крупными частицами топлива и наброс их на задний экран; ненадежность работы центрального сопла, которое имея металлоемкую начинку открыто прямому излучению пламени из топки.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является призматическая экранированная пылеугольная топка [3] у которой ширина по фронту больше глубины и содержит на боковых сторонах угловые многоярусные горелки, ориентированные вдоль фронтовой и тыловой стен навстречу друг другу и по два сопла, расположенных по центру с обеих сторон длинных стен топки, направленных встречно. Система горелок и сопл организуют в топке четыре вихревых контура с вертикальными осями вращения.

Недостатками данной конструкции топки являются недостаточный теплообмен в зоне активного горения, обусловленный затенением части тыловых и фронтовых экранов пылевыми потоками в зонах горизонтального движения стелющихся факелов, а также при сжигании вместо каменного угля (АШ) шлакующих бурых углей появляется реальная опасность загрязнения экранов в зонах, где имеет место, при полном перемешивании пристенного воздуха с пылью, касание пламени с экранными трубами.

Цель изобретения повышение надежности теплообмена и эффективной защиты радиационных поверхностей нагрева от шлакования. Указанная цель достигается тем, что в призматической экранированной топке оба диагонально направленных горелочных блока приближены к оси симметрии боковых стен топки так, чтобы отношение расстояния между ними к высоте горелок составляло 0,8-1,2, а боковые и центральные сопла дутья в виде вертикальных пристенных щелей, равных по высоте горелочному блоку, установлены на фронтовой и тыловой стенах, а центральные сопла относительно друг друга в противоположные стороны вдоль стен, на которых они расположены, причем поверх центральных сопл разведены экранные трубы, образуя с обеих сторон с плоскостью неразведенных экранов щели, равные ширине центральных сопл.

Анализ свойств, проявляемых известными и предлагаемой топкой, обусловленных наличием сходных признаков расположением горелок на боковых стенах сопл дутья на фронтовом и тыловом экранах, показывает следующее. По сравнению с прототипом имеются существенные отличия в части направленности центральных сопл и приближенных в центру симметрии боковых горелок, что обеспечило вихревые аэродинамические структуры с противоположным направлением вращения газов по сравнению с прототипом. Поэтому предлагаемое топочное устройство отвечает критерию "Новизна".

По сравнению с аналогом, существенным отличием новой топки является расположение горелок на боковых стенах с диагональной компоновкой, что позволяет организовать четыре вихревых потока в отличие от двухвихревого движения, которое получается в аналоге с фронтальными горелками. Отличительные признаки имеют в предлагаемой топке и центральные сопла, как по их ориентации, так и более надежной их защите от высоких топочных температур. Это позволяет заключить, что предлагаемая топка отвечает критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображена топка, поперечный разрез; на фиг.2 вид топки в плане.

Топка оборудована призматической экранированной камерой сгорания 1, у которой в плане ширина по фронту больше глубины, с холодной воронкой 2 и на боковых стенах 3 установлены по два диагонально направленных блока многоярусных горелок 4, которые приближены к оси симметрии боковых стен так, чтобы отношение расстояния между ними к высоте горелок составляло 0,8-1,2. На тыловых 5 и фронтовых стенах 6 расположены центральные сопла дутья 7, равные по высоте горелочному блоку и направленные относительно друг друга в противоположные стороны вдоль стен. Поверх центральных сопл дутья разведены экранные трубы 8, образующие с плоскостью неразведенных экранов щели 9, равные ширине центральных сопл 7.

Сопла газообразного дутья подключены к общему коробу, в котором через подводящие патрубки с регулирующими клапанами (не показаны) могут подаваться либо третичный воздух, либо газы рециркуляции, либо их смесь.

Изменение отношения расстояния в свету между горелками по горизонтали к высоте горелки в пределах Н 0,8-1,2 обусловлено следующими соображениями. Сближение угловых горелок к центру оси симметрии продиктовано не только получением развитых четырех вихревых зон с вращением газов от центра тыловой и фронтовой стен к углам топки (по часовой стрелке), но и получением эффективного выжига топлива на горизонтальных участках горелочных струй за счет взаимодействия их от двух блоков горелок. Верхний предел, равный 1,2. определен на основании исследований, когда выше этого предела взаимодействие струй практически прекращается.

Нижний предел Н 0,8, характеризующий до этого значения отсутствие межструйного обмена между смежными начальными участками пылепотоков, что обеспечивает для эффективного воспламенения проникновение высокотемпературных топочных газов по всей высоте межструйного пространства, выведен на основе опыта и исследований по сжиганию бурых углей в системе прямоточных вертикально-щелевых горелок с двухъярусной компоновкой.

Топка котла работает следующим образом. Угольную пыль и вторичный воздух подают через диагонально расположенные на боковых стенах 3 многоярусные горелки 4. В топке 1 вначале происходит эффективное сгорание топлива в прямоточной части факела, благодаря оптимальному соотношению расстояния в свету по горизонтали Н между горелками к высоте горелки h, обеспечивающему эффективное взаимодействие смесеобразования и воспламенения горелочных струй за счет интенсивного подсоса топочных газов в межгорелочное пространство.

Прямоточные части факела, направленные от боковых стен 3 навстречу друг другу, соударяясь, турбулизируют поток и вследствие центральных сопл газообразного дутья 7, ориентированных вдоль фронтовой и тыловой стен к боковым экранам возникают четыре вихревых движения с вертикальными осями вращения, при этом происходит не только уменьшение температурной и скоростной неравномерности на выходе из топки, но и интенсификация теплообмена, как за счет защиты газообразными завесами экраном от шлакования, так и за счет массообмена между высокотемпературными газами в центральной части топки и низкотемпературными пристенными слоями газов, все это позволит повысить коэффициент эффективности экранов (Ψ до 0,5) и соответственно снизить температуру газов на выходе из топки на 70-80^оС.

Новая и базовая аэродинамическая структура факела с помощью математического моделирования была выявлена на компьютере РС-АТ-386 и полученное поле скоростей в объеме топки переснято с печатающего устройства.

Выявлено, что в горизонтальной плоскости А-А образуются четыре вихревых потока, каждый из которых примыкает к углу топки, имея направление вращения вдоль длинных и боковых стен топки, замыкаясь в зоне воспламенения горелочных струй. Такая аэродинамическая структура факелов способствует выравниванию потоков газов выше горелок.

Пример конструктивного выполнения для котла БКЗ-320 ст. N 18 Красноярской ТЭЦ-1.

Исходные данные: производительность 320 т/ч, расход ирша-бородинского угля на котел 55,18 т/ч, сушка топлива в 4 молотковых мельницах газовая и расход пылегазовой первичной смеси после мельницы 50 х 10³ м³/ч, размер топки в плане 12 х 7 м.

Расчет: из условия нормативного теплового напряжения на ярус горелок (q 1,2 Гкал/м²˙час) выбираем 2 яруса горелок. Тогда на боковых стенах топки устанавливаются по 4 горелки с каждой стороны (всего 8 горелок). Из условия нормативного теплового напряжения лучистой поверхности в зоне активного горения (q_аг 0,7 Гкал/м² ˙час) рассчитываем высоту пояса горелок, равную 4,6 м, а межосевое расстояние, равное 3,2 м. Выбирая расчетную скорость аэросмеси 14 м/сек, определяем площадь выходного сечения каналов первичной пылегазовзвеси в горелке, которая составляет 0,5 м². Принимаем общий расход третичного воздуха 30% тогда из расчетного расхода вторичного воздуха на горелку 5,2 м³/с и скорости его 30 м/сек, площадь выходного сечения сопл вторичного воздуха составит 0,508 м². Тогда, общая площадь одной горелки равна F_г 1,08 м² и размеры ее b_г х h_г 0,78 х 1,4 м. Расход третичного воздуха на центральные сопла составляет 32,1 м³/сек, и, соответственно, их выходная площадь при расчетной скорости дутья 40 м/сек 0,8 м². Устанавливаем 4 центральных со следующими размерами: центрального сопла b_ц х h_ц 0,04 х 4,8 м.

На каждой боковой стене смежные горелки по горизонтали размещены диагонально с горелками противоположной стены и сближены на расстояние между горелками 1,5 м, при этом отношение простенка между горелками к высоте горелки составляет 1,5/1,4 1,07, что вписывается в пределы соотношений этих размеров, рекомендуемых в формуле изобретения.

Внедрение предлагаемого изобретения позволит за счет интенсификации теплообмена (что даст понижение на 60-80^оС температуры газов на выходе из топки), а также уменьшения шлакования поверхностей нагрева поднять бесшлаковочную мощность котла на 10%

Использование: в парогенераторах, сжигающих пылевидное топливо. Сущность изобретения: призматическая экранированная топка содержит на боковых стенах 3 по два многоярусных блока горелок и по два центральных сопла 7 подачи агента, установленных по центру фронтовой и тыловой стен 5 топки. Два диаметрально направленных горелочных блока приближены к оси симметрии боковых стен 3 топки так, чтобы отношение расстояния между ними к высоте горелок составляло 0,8 - 1,2, а центральные сопла 7 дутья в виде вертикальных пристенных щелей, равных по высоте горелочному блоку, ориентированы относительно друг друга в противоположные стороны вдоль стен, на которых они расположены, причем экранные трубы разведены поверх пристенных центральных сопл 7, образуя с обеих сторон с плоскостью неразведенных экранов щели, равные ширине центральных сопл. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ПРИЗМАТИЧЕСКАЯ ЭКРАНИРОВАННАЯ ТОПКА, содержащая по два многоярусных блока горелок на боковых стенах и по два центральных дутьевых сопла, установленных по центру фронтовой и тыловой стен, отличающаяся тем, что оси противоположных горелок в каждом блоке направлены навстречу друг к другу вдоль диагоналей прямоугольника, причем отношение расстояния между горелками к их высоте равно 0,8 1,2, а центральные дутьевые сопла выполнены в виде вертикальных пристенных щелей, равных по высоте горелочному блоку, и ориентированы относительно друг друга в противоположные стороны вдоль стен, на которых они расположены. 2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что трубы экранов разведены поверх пристенных центральных сопл с образованием с обеих сторон с плоскостью неразведенных экранов щели, равные ширине центральных сопл.