ТОПКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1996 года по МПК F23C6/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях при сжигании высоковлажного твердого топлива.

Известна топка для сжигания древесных отходов, содержащая камеру слоевого горения, снабженную воздуховодом, наклонной колосниковой решеткой и фестонированной перегородкой, разделяющей камеру слоевого горения с камерой дожигания, снабженной соплом для подвода воздуха.

Топливо подается в камеру слоевого горения на колосниковую решетку, под которую подводится первичный воздух и движется в виде насыпного слоя на решетке до полного его выгорания. Фестированная перегородка препятствует попаданию топлива в камеру дожигания. Топочные газы, полученные при горении топлива, представляющие собой смесь продуктов полного горения и газификации топлива, направляются через фестонированную перегородку в камеру дожигания, где происходит догорание топлива в потоке вторичного воздуха, подаваемого через сопло.

Отличительной особенностью слоевых процессов является устойчивое воспламенение топлива в слое, обусловленное отсутствием внешнего теплоотвода и созданием адиабатических условий горения топлива. Все выделенное тепло расходуется на сушку, газификацию и воспламенение вновь поступающего топлива. Последовательный процесс термической подготовки и горения частиц топлива целой части слоя, причем зона активного тепловыделения занимает значительную часть слоя, приводит к высокой стабильности процессов горения в слое независимо от колебаний рабочей влажности топлива.

Недостатком указанной топки является невысокая производительность из-за ограничения скорости горения крупных кусков топлива. Это обусловлено недостаточным подводом окислителя к поверхности реагирования частицы. Это отчетливо подтверждается сильной зависимостью скорости выгорания от интенсивности дутья. Дальнейшее же увеличение форсировки процесса увеличением потока первичного воздуха приводит к активной перестройке залегания частиц топлива в слое и к возрастающему выносу частиц из слоя, что приводит к тепловым потерям с уносом.

Наиболее близкой к предлагаемой топке для сжигания твердого топлива является топка, содержащая камеру слоевого горения, снабженную патрубком для ввода топлива воздуховодом, колосниковой решеткой, течкой для вывода очаговых остатков, и призматическую камеру дожигания с соплом нижнего дутья в устье холодной воронки, соединяющим камеру слоевого горения с камерой дожигания окном для выхода топочных газов. Камера дожигания снабжена также дополнительными соплами вторичного воздуха, расположенными над соплом нижнего дутья направленными вниз навстречу направлению последнего. Топливо через патрубок для ввода топлива подается в камеру слоевого горения на колосниковую решетку, под которую воздуховодом подводится первичный воздух со скоростью, обеспечивающей псевдоожижения слоя топлива. В камере слоевого горения происходит газификация и частичное выгорание топлива, а продукты газификации и горения вместе с мелкими частицами выносятся через окно для выхода топочных газов в камеру дожигания, где догорают в потоке вторичного воздуха, подаваемого через сопло нижнего дутья и дополнительные сопла вторичного воздуха. Шлак и другие негорючие включения удаляются из камеры слоевого горения через течку для вывода очаговых остатков.

При сжигании топлива в кипящем слое интенсивность процессов горения значительно повышается, что приводит к высокой производительности топок с кипящим слоем. Форсировка первичным воздухом слоя топлива до состояния псевдоожижения интенсифицирует подвод окислителя к горящей частице и повышает интенсивность тепло- и массообменных процессов. Турбулентное перемешивание частиц топлива в кипящем слое обеспечивает быстрый прогрев вновь поступающего топлива, а сопровождающееся соударение между частицами приводит к разрушению и размельчению горящих частиц, увеличивая тем самым удельную поверхность реагирования. Все это повышает скорость горения крупных частиц топлива, являющихся ограничителем повышения производительности топок для сжигания дробленого твердого топлива.

Однако, тенденция ухудшения качества топлива, в частности повышение рабочей влажности исходного топлива, связанное с индустриализацией способов добычи и истощением месторождений, приводит к снижению производительности топок и эффективности сжигания топлива при снижении стабильности его воспламенения. При подаче в топку топлива с рабочей влажностью, превышающей расчетную, происходит снижение температурного уровня в камере слоевого горения за счет затраты тепла на испарение дополнительно введенной влаги. В условиях многократной циркуляции и турбулентного перемешивания сырого топлива и горящих частиц происходит взаимное влияние процессов нагрева и сушки сырого топлива, физического подвода и химического реагирования окислителя для уже горящих частиц. Снижение температурного уровня в камере слоевого горения увеличивает время прогрева и сушки частиц, что ведет к увеличению количества топлива в кипящем слое. С другой стороны, скорость реакции горения находится в экспоненциальной зависимости от температуры сред, причем уменьшение парциального давления кислорода в газовой среде за счет увеличения доли водяных паров усугубляет проблемы физического контакта окислителя с горючим. Увеличение же количества топлива в псевдоожиженном слое требует увеличения скорости псевдоожижения, а значит, и расхода первичного воздуха, что еще более ведет к снижению температуры среды в слое. Таким образом, повышение влажности подаваемого топлива приводит к снижению температуры в кипящем слое, затягиванию процесса сушки и снижению скорости горения топлива, а значит, и к уменьшению производительности топки в целом. Более того, увеличение времени выхода летучих и турбулентное перемешивание их с продуктами сушки на фоне снижения температуры процесса приводит к неустойчивому воспламенению топлива и появлению пульсаций в камере горения. При резком увеличении исходной влажности топлива, которое имеет место в практике, возможны погасание процесса горения и аварийный останов топочной установки.

Кроме того, процесс сжигания топлива в кипящем слое требует строго выдержанного фракционного состава, что предполагает громоздкую систему топливоприготовления с отделением инородных и негорючих включений. Это в значительной степени повышает издержки и за счет расхода э/э на собственные нужды снижает экономичность в энергетическом использовании топлива.

Целью предлагаемого изобретения является повышение устойчивости воспламенения, экономичности и эффективности сжигания немолотого высоковлажного твердого топлива путем предварительной сушки, газификации и воспламенения топлива в камере слоевого горения с последующим вовлечением его в многократную циркуляцию в камере дожигания.

Поставленная цель достигается тем, что в известной топке для сжигания твердого топлива, содержащей камеру слоевого горения, снабженной патрубком для ввода топлива, воздуховодом, колосниковой решеткой с течкой для вывода очаговых остатков, и призматическую камеру дожигания с соплом нижнего дутья в устье холодной воронки, соединяющем камеру слоевого горения с камерой дожигания окном для выхода топочных газов, камера слоевого горения расположена над соплом нижнего дутья так, что течка для вывода очаговых остатков совмещена с окном для выхода топочных газов и расположена между устьем холодной воронки и соплом нижнего дутья, снабженного шибером.

В результате проведенного патентного поиска авторами не обнаружено технических решений, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с совокупностью признаков предлагаемого устройства, что позволяет делать вывод о соответствии последнего критерию "новизна".

Кроме того, ни в патентной, ни в научно-технической литературе не обнаружено технических решений, в которых свойства признаков этих технических решений совпадали бы со свойствами отличительных признаков предлагаемого устройства. Это говорит о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенное отличие".

На чертеже показана топка для сжигания твердого топлива, поперечный разрез.

Топка содержит камеру слоевого горения 1, снабженную патрубком для ввода топлива 2, воздуховодом 3, колосниковой решеткой 4 и течкой для ввода очаговых остатков 5. Призматическая камера дожигания 6 с соплом нижнего дутья 7 в устье холодной воронки 8 соединяется с камерой слоевого горения 1 окном для выхода топочных газов 9. Камера слоевого горения 1 расположена над соплом нижнего дутья 7 так, что течка для вывода очаговых остатков 5 совмещена с окном для выхода топочных газов 9 и расположена между устьем холодной воронки 8 и соплом нижнего дутья 7, которое снабжено регулирующим шибером 10 и направлено вдоль заднего ската 11 камеры дожигания 6. На задней стене 12 камеры дожигания 6 расположены сопла вторичного дутья 13, направленные вниз под острым углом в направлении, противоположном направлению сопла нижнего дутья 7. Напротив сопл 13 на фронтовой стене 14 расположено окно для выхода топочных газов 15, размещенное над фронтовым скатом 16, являющимся верхней образующей окна для выхода газов 9.

Топка для сжигания твердого топлива работает следующим образом.

Исходное немолотое высоковлажное топливо, в частности древесные отходы или бурые угли рядового фракционного состава с максимальным размером частиц δ_max 100 мм, подается в камеру слоевого горения 1 через патрубок для ввода топлива 2 на колосниковую решетку 4, которая представляет собой движущееся колосниковое полотно от места ввода топлива 2 до течки для вывода очаговых остатков 5. Топливо под действием силы тяжести падает на колосниковую решетку 4 в виде насыпного слоя и движется по ней к течке для вывода очаговых остатков 5. Для обеспечения процесса горения в камере 1 в слой подают воздух с помощью воздуховода 3. По мере прохождения топлива на решетке 4 в камере горения происходят последовательно процессы сушки, газификации и воспламенения топлива. Причем на выходе из камеры горения 1 в течку для вывода очаговых остатков 5 поступают уже воспламененные частицы топлива, в том числе и самые крупные. Расположение течки для вывода очаговых остатков 5 под соплом нижнего дутья 7 позволяет с помощью потока вторичного воздуха нижнего дутья вовлечь все топливо, поступающее из камеры слоевого горения 1, в многократную циркуляцию в призматической камере дожигания 6, где происходит его выгорание в потоке вторичного воздуха во взвешенном состоянии. Камера дожигания 6, выполненная призматической с верхним выходом топочных газов, позволяет осуществить многократную циркуляцию частиц топлива таким образом, что по мере движения восходящего потока воздуха нижнего дутья с высокой начальной скоростью происходит расширение струи потока и падение в нем скорости газа. При этом частицы топлива, скорость витания которых становится меньше скорости газа в струе, выпадают из потока на задний скат 11 и под действием силы тяжести сползают по нему навстречу восходящему потоку нижнего дутья до момента равновесия силы тяжести частицы и силы аэродинамического сопротивления набегающего потока газа. По мере выгорания и уменьшения массы таких частиц происходит дальнейшая транспортировка их вместе с мелкими частицами восходящим потоком газов вдоль ската 11 и задней стены 12. Для сепарации мелких частиц топлива в объем камеры дожигания 6 и предотвращения потери топлива с уносом на задней стене 12 располагают сопла вторичного дутья 13, направленные под острым углом вниз. Причем в восходящем потоке нижнего дутья по мере выгорания топлива сильно уменьшается концентрация ккслорода, что снижает скорость горения. Острое же дутье вторичного воздуха из сопл 13, осуществляя сепарацию частиц топлива, повышает скорость выгорания мелочи. У фронтовой стены 14 камеры дожигания 6 происходит разворот потока топочных газов, из которого сепарируются недогоревшие частицы топлива на фронтовой скат 16. Скатываясь по скату 16, частицы топлива вновь подхватываются потоком нижнего дутья и совершают таким образом многократную циркуляцию.

Инородные включения в исходном топливе, не претерпевающие измельчения в процессе термической подготовки в слое, и удельный вес которых превышает вес крупных частиц топлива, прошедших термическую подготовку, не отвеиваются потоком нижнего дутья, пересекая этот поток, выпадают из камеры дожигания 6.

Термические напряжения и растрескивание поверхности частицы в процессе подготовки топлива в слое способствуют разрушению и активному подводу окислителя к поверхности реагирования в процессе горения топлива в камере дожигания 6. Адиабатические условия сушки и газификации топлива в слое, а также сжигание термически подготовленного топлива в псеввдоожиженном состоянии позволяют значительно повысить скорость прогрева топлива в слое и горения его в камере дожигания 6, а значит, и производительность топки в целом.

Совмещение окна для выхода топочных газов 9 с течкой для вывода очаговых остатков 5 и расположение его между устьем холодной воронки 8 и соплом нижнего дутья 7 позволяют с помощью потока нижнего дутья турбулентно перемешать уносимую из слоя мелочь с горящими частицами топлива, поступающими из камеры слоевого горения 1 по течке вывода очаговых остатков 5, и вовлечь унос топлива из слоя в многократную циркуляцию в камере дожигания 6. Это в значительной степени уменьшает время прогрева и повышает эффективность выгорания уноса топлива. С другой стороны, такое совмещение окна 9 с течкой 5, позволяющее смешать поток уносимой мелочи из слоя с горячими крупными частицами топлива, за счет интенсивного выгорания уноса в потоке нижнего дутья дает возможность повысить температуру среды в камере дожигания 6 и значительно увеличить скорость выгорания в ней топлива.

Таким образом, создавая адиабатические условия для процессов предварительной термической подготовки топлива в слое при отсутствии внешнего теплообмена с целью обеспечения интенсивной сушки и устойчивого воспламенения высоковлажного топлива, его дожигание осуществляют затем в условиях интенсивного подвода окислителя к воспламененному топливу и активного внешнего теплообмена.

Однако, по интенсивности горения слоевой процесс ограничен подачей в слой потока окислителя, так как увеличение расхода первичного воздуха ограничивается устойчивостью слоя. Диффузионное сопротивление процесса горения в слое снижается путем форсировки слоя потоком первичного воздуха, "вымывая" из слоя мелкие частицы, увеличивая тем самым порозность слоя и расход окислителя через него. Формировка воздухом осуществляется до предела устойчивости слоя, чтобы предотвратить перемешивание холодных и горящих частиц топлива и сохранить тем самым зону устойчивого воспламенения и горения топлива в слое.

Согласно закону распределения влажности топлива по фракциям, унос из камеры слоевого горения 1 содержит незначительное содержание влаги, не влияющей существенно на время индукции. Следовательно, смешение потоков уноса и горящих частиц топлива, поступающих по течке вывода очаговых остатков 5, обеспечивает интенсивное воспламенение уноса, а повышение температуры среды вследствие этого увеличивает скорость выгорания крупных частиц топлива.

Повышение устойчивости воспламенения, экономичности и эффективности сжигания немолотого высоковлажного топлива достигается взаимным влиянием потока первичного воздуха, подаваемого в слой, с потоком нижнего дутья, подаваемого через сопло 7, и регулированием процесса сжигания топлива между камерой слоевого горения 1 и камерой дожигания 6, которое осуществляется с помощью регулирующего шибера 10. Шибер 10 смонтирован так, что его ось смещена к одной продольной стене сопла и позволяет изменять сечение сопла по всей его длине.

При подаче в камеру слоевого горения 1 высоковлажного топлива шибер 10 прикрывают, что приводит к перераспределению воздушных потоков, подаваемых в камеру слоевого горения 1 и камеру дожигания 6. Расход первичного воздуха в воздуховоде 3 увеличивается, а расход в сопле нижнего дутья 7 уменьшается, причем скорость потока в нем за счет уменьшения сечения сопла увеличивается. Это приводит к тому, что увеличение форсировки первичным воздухом повышает температуру в слое и интенсифицирует процессы сушки, газификации и горения в нем топлива. Устойчивость воспламенения высоковлажного топлива при этом сохраняется. Увеличение же скорости нижнего дутья позволяет отвеить повышенный при форсировке слоя унос мелких влажных частиц. Уменьшение расхода воздуха через сопло нижнего дутья 7 снижает избыток воздуха в камере дожигания 6 и повышает температуру процесса горения в ней. Таким образом, форсировка воздухом слоя топлива в камере слоевого горения 1 позволяет обеспечить устойчивое воспламенение высоковлажного немолотого топлива, а уменьшение избытков воздуха в камере дожигания 6 эффективное дожигание топлива в условиях повышенных температур среды.

При подаче в камеру горения 1 сухого топлива, шибер 10 открывают. При этом расход воздуха через сопло нижнего дутья 7 увеличивается, а расход первичного воздуха через воздуховод 3 уменьшается. Так как потери тепла на испарение влаги в слое сильно уменьшаются, то устойчивое воспламенение топлива обеспечивается и при уменьшении форсировики слоя. Поэтому, обеспечив устойчивое воспламенение топлива в слое при малой форсировке, процесс основного тепловыделения переносят в камеру дожигания 6, где в этом случае сжигают значительную часть топлива. При этом увеличение расхода воздуха через сопло нижнего дутья 7 обеспечивает материальный баланс процесса горения в камере дожигания 6.

В предлагаемой топке для сжигания твердого топлива колосниковая решетка 4, представляющая собой в рассмотренном случае подвижное колосниковое полотно, может быть выполнена в виде неподвижной наклонной решетки, а первичный воздух подаваться как под слой, так и на слой. В случае подачи воздуха на слой газовоздушный поток проходит через слой и направляется в окно для выхода топочных газов 9.

При горизонтальном расположении колосниковой решетки 4 для повышения эффективности топливоподготовки в слое в камере слоевого горения 1 на фронтовой стене 14, напротив сопл вторичного дутья 13, располагают окно для входа топочных газов 15, размещенное над фронтовым скатом 16. Расположение окна для выхода топочных газов 9 между устьем холодной воронки 8 и соплом нижнего дутья 7 позволяет за счет эжектирующего воздействия потока воздуха нижнего дутья создать разрежение в окне для выхода топочных газов 9. Поскольку разрежение в окне 9, создаваемое потоком воздуха нижнего дутья, выше разрежения в окне 15, обеспечивающееся высотой камеры дожигания 6, то поток топочных газов направлен из камеры дожигания 6 через окно 15 в камеру слоевого горения 1, а затем через окно 9 снова в камеру дожигания 6. Таким образом, наличие окна для входа топочных газов 15 позволяет организовать циркуляцию горячих топочных газов в камере слоевого горения 1, что в значительной степени повышает эффективность прогрева верхней зоны слоя топлива, находящегося на решетке 4. Расположение сопл вторичного дутья 13 напротив окна для входа топочных газов 15 позволяет обеспечить сепарацию мелких горящих частиц топлива из восходящего потока топочных газов в камеру слоевого горения 1. Сепарация же этих частиц на слой топлива интенсифицирует в нем процессы термической подготовки.

Итак, совмещение течки для вывода очаговых остатков 5 с окном для выхода топочных газов 9 и расположение ее между устьем холодной воронки 8 и соплом нижнего дутья 7, снабженной регулирующим шибером 10, позволяет в отличие от топки-прототипа
повысить устойчивость воспламенения и эффективность сжигания немолотого высоковлажного твердого топлива за счет предварительной подготовки топлива в камере слоевого горения 1, используя преимущества слоевого процесса: высокоэффективные тепло- и массообменные процессы, высокую адиабатность и стабильность воспламенения с последующим вовлечением всего топлива в многократную циркуляцию в камере дожигания 6, интенсивный подвод вторичного воздуха в которую значительно повышает скорость выгорания топлива;
повысить интенсивность термических процессов в камере слоевого горения 1 за счет формировки первичным воздухом слоя топлива, осуществить смешение потоков уносимой из слоя мелочи с горящими частицами топлива, поступающих из слоя по течке для вывода очаговых остатков 5, и обеспечить взаимное положительное влияние их на эффективность сгорания топлива в камере дожигания 6;
повысить производительность топки при сжигании высоковлажного топлива в широком диапазоне колебания исходной влажности за счет перераспределения потоков воздуха между первичным воздухом, подаваемом в камеру слоевого горения 1, и вторичным воздухом нижнего дутья камеры дожигания 6, осуществляемом с помощью шибера 10, установленного в сопле нижнего дутья 7.

Ожидаемый экономический эффект от работы одного модернизированного котла КМ-75-40 при внедрении заявляемой топки составит 671,4 тыс.руб в год.

Использование: на тепловых электростанциях при сжигании высоковлажного твердого топлива. Сущность изобретения: топка для сжигания твердого топлива содержит камеру слоевого горения 1 с течкой для вывода очаговых остатков 5 и призматическую камеру дожигания 6 с соплом нижнего дутья 7 в устье холодной воронки 8, причем камера слоевого горения 1 соединяется с камерой дожигания 6 окном для выхода топочных газов 9. Камера слоевого горения 1 расположена над соплом нижнего дутья 7 так, что течка для вывода очаговых остатков 5 совмещена с окном для выхода топочных газов 9 и расположена между устьем холодной воронки 8 и соплом нижнего дутья 7. Сопло нижнего дутья 7 снабжено регулирующим шибером 10. 1 ил.

ТОПКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, содержащая камеру слоевого горения, снабженную патрубком для ввода топлива, воздуховодом, колосниковой решеткой с течкой для вывода очаговых остатков, и призматическую камеру дожигания с соплом нижнего дутья в устье топочной воронки, соединяющем камеру слоевого горения с камерой дожигания окном для выхода топочных газов, отличающаяся тем, что камера слоевого горения расположена над соплом нижнего дутья, причем течка для вывода очаговых остатков совмещена с окном для выхода топочных газов и расположена между устьем топочной воронки и соплом нижнего дутья, снабженного регулирующим шибером.