СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И ВИХРЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к области сжигания топлива, а более конкретно к вихревым камерам сгорания.

Наиболее успешно изобретение может быть использовано для сжигания низкосортного органического топлива, например, на электростанциях.

В настоящее время сжигание низкосоpтного органического топлива (высокая влажность W_t^r или высокая зольность A_d^r, низкая теплотворная способность Q_i^r и низкий выход летучих V^daf) на электростанциях сопровождается резким снижением надежности работы камер сгорания ввиду неустойчивости воспламенения и горения топлива и ухудшением экономичности их работы вследствие роста потерь от механического недожога q₄.

Известен способ сжигания топлива в вихревой камере сгорания путем подачи топливно-воздушной смеси в верхнюю часть камеры сгорания и вторичного воздуха в нижнюю часть камеры сгорания.

Топливно-воздушную смесь, состоящую из грубоизмельченного топлива и первичного воздуха, подают во внутреннее пространство камеры сгорания, при этом скорость первичного воздуха рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить сепарацию и распределение фракций топлива по вертикали камеры сгорания.

Топливно-воздушная смесь внутри камеры сгорания воспламеняется и образует горящий факел, содержащий топочные газы и несгоревшие частицы топлива различных фракций, которые затем перемещаются под действием сил гравитации и инерции в нижнюю часть камеры сгорания.

Поток вторичного воздуха подается во внутреннее пространство камеры сгорания в направлении к месту ввода топливно-воздушной смеси в камеру сгорания на одной из ее стенок. Этот поток вторичного воздуха поднимает находящиеся в нижней части камеры сгорания несгоревшие частицы топлива различных фракций и направляет их в верхнюю (корневую) часть горящего факела для сжигания.

Вихревая камера сгорания, реализующая описываемый способ сжигания топлива, имеет на одной из ее стенок горелку, а в нижней части вихревой камеры установлено сопловое устройство для подачи вторичного воздуха. Поток вторичного воздуха направлен вдоль стенки, на которой выполнена горелка, в направлении к горелке.

В описываемом способе сжигания топлива подаваемый в нижнюю часть камеры сгорания поток вторичного воздуха характеризуется недостаточной интенсивностью процессов тепломассообмена в нем в силу малой турбулизации движения воздуха в потоке. Это приводит к тому, что процессы прогрева и выхода летучих у крупных частиц топлива, находящихся в нижней части камеры сгорания, происходят медленно, на них затрачивается значительное количество тепла, а это замедляет воспламенение мелких частиц топлива, высушенных, прогретых и достаточно подготовленных к горению, находящихся в едином потоке с крупными частицами топлива. В силу этого процесс воспламенения топлива в потоке вторичного воздуха в нижней части камеры сгорания затягивается, что приводит к потере стабильности воспламенения в корневой части факела. Это обусловливает неустойчивость процесса сжигания топлива, что может проявляться в повышении пульсации факела и возникновении хлопков в камере сгорания. Такая картина характерна для сжигания низкосортного трудновоспламеняемого топлива, отличающегося высокой влажностью или высокой зольностью и низким выходом летучих. Все сказанное обусловливает недостаточную надежность процесса сжигания топлива и не гарантирует безопасности работы камеры сгорания.

Кроме того, указанное замедление процесса воспламенения мелких частиц топлива в потоке вторичного воздуха в нижней части камеры сгорания приводит к тому, что, не успевая воспламениться здесь, они увлекаются этим потоком к корневой части факела. При повторной сепарации значительная часть их, не успев сгореть, уходит в верхнюю часть камеры сгорания и далее покидает ее. Это приводит к достаточно высоким потерям от механического недожога q₄, что снижает экономичность работы камеры сгорания, т.е. ее коэффициент полезного действия.

Необходимо также указать, что поток вторичного воздуха, направленный к месту ввода топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, т.е. к месту установки горелки на одной из стенок камеры сгорания, содержит мелкие наиболее эрозионно опасные частицы топлива. Это приводит к эрозионному износу стенки камеры сгорания, которую омывает на своем пути указанный поток, что снижает надежность работы камеры сгорания.

Техническим результатом изобретения является интенсификация процессов тепломассообмена в потоке вторичного воздуха, обеспечение пофракционного разделения частиц топлива, находящихся в нижней части камеры сгорания, уменьшение эрозионного воздействия потока вторичного воздуха на стенку камеры сгорания, вдоль которой он направлен. Это улучшает условия воспламенения и горения частиц топлива в потоке вторичного воздуха в нижней части камеры сгорания, стабилизирует воспламенение в корневой части факела и, следовательно, повышает устойчивость всего процесса сжигания топлива в камере сгорания. Благодаря этому повышается экономичность работы камеры сгорания, т.е. ее коэффициент полезного действия, а также надежность и безопасность ее работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сжигания топлива в вихревой камере сгорания путем подачи топливно-воздушной смеси в верхнюю часть камеры сгорания и вторичного воздуха в нижнюю часть камеры сгорания согласно изобретению подачу вторичного воздуха осуществляют по меньшей мере двумя потоками с различными расходами.

Указанный технический результат достигается также тем, что в вихревой камере сгорания, в верхней части которой на одной из ее стенок выполнена горелка, а в нижней части камеры установлено сопловое устройство для подачи вторичного воздуха вдоль стенки, на которой выполнена горелка, в направлении к горелке, согласно изобретению сопловое устройство для подачи вторичного воздуха выполнено по меньшей мере в виде двух сопел, при этом расход каждого сопла уменьшается по мере удаления потока соответствующего сопла от стенки, на которой выполнена горелка.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволяет установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений можно сделать вывод, что заявляемые технические решения вытекают из них неочевидным образом и, следовательно, соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Использование заявляемых технических решений на электростанциях для сжигания низкосортного органического топлива указывает на соответствие их критерию "промышленная применимость".

Выполнение соплового устройства для подачи вторичного воздуха вышеуказанным образом обеспечивает подачу этого воздуха по крайней мере двумя потоками с различными расходами. Взаимодействие этих потоков по границе их соприкосновения увеличивает турбулизацию движения воздуха в этих потоках, что интенсифицирует процессы тепломассообмена внутри потоков и между ними и тем самым улучшает условия воспламенения и горения топлива в нижней части камеры сгорания.

Кроме того, подача вторичного воздуха по крайней мере двумя потоками обеспечивает при взаимодействии этих потоков с частицами топлива, находящимися в нижней части камеры сгорания, разделение указанных частиц по фракциям. Первый поток вторичного воздуха на пути топлива, попавшего в нижнюю часть камеры сгорания, наиболее удален от стенки, на которой выполнена горелка, и имеет наименьший расход. При этом такой расход должен быть достаточным для отвеивания мелких фракций топлива от крупных и для транспортирования попавших в этот поток мелких частиц топлива к корню факела в верхнюю часть камеры сгорания.

Следующий на пути топлива поток вторичного воздуха находится ближе к стенке, на которой расположена горелка, и имеет расход, больший расхода предыдущего потока. Такой расход должен обеспечить удержание крупных частиц топлива в камере сгорания, при этом сокращается провал их из камеры сгорания, а также транспортировку их к корню факела в верхнюю часть камеры сгорания.

Мелкие частицы топлива, отделенные от крупных частиц первым потоком вторичного воздуха, быстро воспламеняются и горят, интенсивно прогревая второй поток вторичного воздуха с крупными частицами топлива, которые досушиваются, прогреваются и загораются.

Такое последовательное пофракционное воспламенение частиц топлива стабилизирует процесс воспламенения и горения в нижней части камеры сгорания и повышает его устойчивость.

Транспортируемые вторичными потоками воздуха в корневую часть факела горящие частицы топлива, преимущественно крупные, образуют там с уже горящими мелкими частицами топлива надежный источник стабилизации горения факела в верхней части камеры сгорания. Указанная стабилизация обусловливается тем, что при попадании горящих частиц топлива, транспортируемых из нижней части камеры сгорания в богатую кислородом корневую часть факела, резко увеличивается скорость горения этих частиц, что увеличивает тепловыделение в корневой части факела. Тем самым повышается устойчивость процесса сжигания топлива в камере сгорания. В результате этого уменьшаются внутрипоточные пульсации факела и снижается вероятность хлопков в камере сгорания, что повышает надежность и безопасность работы камеры сгорания.

Вследствие того, что из двух подаваемых потоков вторичного воздуха поток, омывающий стенку, на которой выполнена горелка, содержит минимальное количество мелких наиболее эрозионно опасных частиц, уменьшается эрозионный износ этой стенки, что повышает надежность работы камеры сгорания.

Указанное выше устойчивое воспламенение частиц топлива в нижней части камеры сгорания увеличивает время горения мелких частиц топлива, попавших в нижнюю часть камеры сгорания, что в совокупности с уменьшением провала крупных частиц из камеры сгорания снижает потери с механическим недожогом q₄, вследствие чего повышается экономичность работы камеры сгорания, т.е. ее коэффициент полезного действия.

Целесообразно, чтобы в сопловом устройстве сопло было выполнено дискретным. Такое выполнение сопла обусловливает раздробление потока, выходящего из сопла, на несколько струй. В результате увеличивается поверхность соприкосновения потоков вторичного воздуха с высокотемпературными топочными газами, что увеличивает подсос топочных газов внутрь потоков вторичного воздуха. При этом обеспечивается смешивание между струями в потоке и между потоками вторичного воздуха, что повышает интенсивность тепломассообмена вторичного воздуха, и, как следствие, увеличивается надежность воспламенения и горения топлива в нижней части камеры сгорания.

На чертеже изображена вихревая камера сгорания в разрезе.

Поскольку заявляемый способ реализуется при работе заявляемого устройства, описание способа приведено при описании работы устройства.

Вихревая камера сгорания представляет собой собственно призматическую вертикальную камеру 1 сгорания, в верхней части которой на стенке 2 выполнена горелка 3. Посредством горелки 3 во внутреннее пространство камеры 1 сгорания подается топливно-воздушная смесь, состоящая из грубоизмельченного топлива и первичного воздуха. В нижней части камеры 1 установлено сопловое устройство 4 для подачи вторичного воздуха. Сопловое устройство 4 выполнено по крайней мере в виде двух сопел 5, 6 с разными расходами, которые формируют соответственно потоки 7, 8 вторичного воздуха. Потоки 7, 8 подаются вдоль стенки 2 в направлении к горелке 3. При этом расход воздуха через сопла 5, 6, а соответственно и расход потоков 7, 8 уменьшается по мере удаления этих потоков от стенки 2, на которой расположена горелка 3.

При работе вихревой камеры 1 сгорания в ней образуются две зоны горения факельная зона (факел) 9 с корневой частью 10 (район ввода топливно-воздушной смеси в камеру 1 сгорания) и вихревая зона 11.

Вихревая камера сгорания работает следующим образом.

Топливно-воздушная смесь, состоящая из грубоизмельченного топлива и первичного воздуха, подается посредством горелки 3 во внутреннее пространство камеры 1 сгорания, при этом расход первичного воздуха выбирается таким, чтобы обеспечить сепарацию и распределение фракций топлива по высоте камеры 1 сгорания. Топливно-воздушная смесь внутри камеры 1 сгорания воспламеняется и образует горящий факел 9, в котором сгорают самые мелкие частицы топлива. Несгоревшие частицы топлива под действием сил гравитации и инерции сепарируются в нижнюю часть камеры 1 сгорания в вихревую зону 11 горения. Вторичный воздух через сопла 5 и 6 соплового устройства 4 подается двумя потоками 7 и 8 соответственно с разными расходами также в нижнюю часть камеры 1 сгорания.

Подача вторичного воздуха двумя потоками 7, 8 с различными расходами обусловливает взаимодействие этих потоков по границе их соприкосновения. Это увеличивает турбулизацию движения воздуха в этих потоках, что приводит к интенсификации процессов тепломассообмена внутри потоков и между ними и тем самым улучшает условия воспламенения и горения топлива в нижней (вихревой) зоне 11 горения.

Потоки 7, 8 подаются вдоль стенки 2, на которой выполнена горелка 3, в направлении к горелке 3. При этом расход потоков 7, 8 уменьшается по мере удаления их от стенки 2, на которой расположена горелка 3.

Находящиеся в нижней части камеры 1 сгорания частицы топлива попадают в потоки 7, 8 вторичного воздуха и разделяются по фракциям за счет разных расходов потоков 7, 8, при этом крупные частицы топлива попадают в поток 7, а мелкие в поток 8. Расход потока 8 должен обеспечить отвеивание мелких фракций топлива от крупных и транспортировку их в корневую часть 10 факела 9. Расход потока 7 должен обеспечить удержание крупных фракций топлива в камере 1 сгорания, сократив их провал из камеры 1 сгорания, и транспортировку их в корневую часть 10 факела 9.

Из двух подаваемых потоков 7, 8 вторичного воздуха поток 7, непосредственно омывающий стенку 2, на которой выполнена горелка 3, содержит минимальное количество мелких наиболее эрозионно опасных частиц. Это уменьшает эрозионный износ стенки 2, что повышает надежность работы вихревой камеры 1 сгорания.

В потоках 7 и 8 частицы топлива, сначала мелкие в потоке 8, затем крупные в потоке 7, прогреваются, воспламеняются и горят. Такое последовательное пофракционное воспламенение частиц топлива стабилизирует процесс воспламенения и горения в нижней части камеры 1 сгорания и повышает его устойчивость.

Стабилизация процесса воспламенения в нижней части камеры 1 сгорания увеличивает время горения мелких частиц топлива, попавших в нижнюю (вихревую) зону 11 горения. Это обстоятельство вместе с уменьшением провала крупных частиц из камеры 1 сгорания снижает потери с механическим недожогом q₄, вследствие чего повышается экономичность работы камеры 1 сгорания, т.е. ее коэффициент полезного действия.

Горящие частицы топлива транспортируются потоками 7, 8 из нижней части камеры 1 сгорания в корневую часть 10 факела 9 и там стабилизируют воспламенение и горение факела 9. Тем самым повышается устойчивость процесса сжигания топлива в камере 1 сгорания. В результате уменьшаются пульсации факела 9 и снижается вероятность хлопков в камере 1 сгорания, что повышает надежность и безопасность работы камеры 1 сгорания.

В случае выполнения сопел 5, 6 дискретными формируемые ими потоки 7, 8 будут разделены на несколько струй. В результате увеличится поверхность соприкосновения потоков 7, 8 с высокотемпературными топочными газами, что увеличит их подсос внутрь потоков 7, 8. При этом улучшается смешивание между струями в каждом потоке 7, 8 и между потоками 7, 8, что повышает интенсивность тепломассообмена в потоках 7, 8 вторичного воздуха, вследствие чего повышается надежность воспламенения и горения топлива в нижней части камеры 1 сгорания.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет повысить экономичность работы камеры сгорания, т.е. ее коэффициент полезного действия, а также надежность и безопасность ее работы за счет улучшения условий воспламенения и горения частиц топлива в нижней части камеры сгорания, а также стабилизации воспламенения в корневой части факела, т.е. благодаря повышению устойчивости всего процесса сжигания топлива в камере сгорания.

Использование: для сжигания низкосортного органического топлива. Сущность изобретения: топливно-воздушную смесь подают в верхнюю часть камеры сгорания. Вторичный воздух подают по меньшей мере двумя потоками с различными расходами. Вихревая камера 1 для сжигания топлива имеет на одной из стенок 2 горелку 3, а в нижней части ее установлено сопловое устройство 4 для подачи вторичного воздуха вдоль стенки 2, на которой установлена горелка, в направлении к горелке 3. Сопловое устройство 4 выполнено по меньшей мере в виде двух сопел 5,6, расход которых уменьшается по мере удаления потока соответствующего сопла от стенки 2, на которой выполнена горелка 3. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания топлива в вихревой камере сгорания путем подачи топливовоздушной смеси в верхнюю часть камеры сгорания и вторичного воздуха в нижнюю часть камеры сгорания, отличающийся тем, что подачу вторичного воздуха осуществляют по меньшей мере двумя потоками с различными расходами. 2. Вихревая камера сгорания, содержащая горелку, установленную в ее верхней части на одной из стенок, и сопловое устройство для подачи вторичного воздуха, расположенное на противоположной стенке и направленное навстречу горелке, отличающаяся тем, что сопловое устройство для подачи вторичного воздуха выполнено по меньшей мере в виде двух сопл с расходом в каждом из них, уменьшающимся по мере удаления от стенки с горелкой. 3. Камера по п. 2, отличающаяся тем, что каждое сопло выполнено дискретным.