НИЗКОЭМИССИОННАЯ ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 1996 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам для сжигания органического топлива и наиболее успешно может применяться для сжигания топлива в виде пыли.

Известно, что увеличения полноты сжигания топлива можно достичь путем тщательного перемешивания топлива с воздухом и повышения температуры горения. Однако, повышение температуры в зоне горения приводит к увеличению эмиссии оксидов азота за счет образования так называемых "термических" оксидов азота, связанных с окислением азота воздуха. Кроме того, повышение температуры факела приводит к шлакованию тепловоспринимающих топочных экранов и другим отрицательным последствиям.

Снижение температуры в зоне горения за счет рециркуляции продуктов сгорания, угрубления помола топлива и пр. приводит к снижению экономичности сжигания топлива из-за резкого падения скорости реакции горения и, соответственно, повышения неполноты его сгорания.

Требования обеспечения полного сгорания топлива обуславливают и количество подаваемого в топку кислорода (воздуха). Для сжигания определенного количества топлива необходимо строго определенное количество кислорода. При его недостатке недожог топлива с образованием оксида углерода, оказывающей вредное влияние на окружающую среду. Однако и значительное увеличение количества подаваемого воздуха (кислорода) нецелесообразно, поскольку в этом случае увеличивается выброс в атмосферу избытка нагретого в топке и не участвующего в реакции с топливом воздуха (кислорода), что ухудшает экономические характеристики топки и всего котельного агрегата. Поэтому обычно при организации сжигания топлив подают кислород (воздух) с некоторым избытком.

В большинстве известных топок, работающих на твердом топливе, коэффициент избытка воздуха находится на уровне 1,2, поскольку такая его величина является наиболее эффективной с точки зрения экономики. Однако именно при таком избытке воздуха (кислорода) получается максимальный выход топливных окислов азота, связанных с окислением азота, содержащегося в топливе. Топливные оксиды азота образуются на начальном участке факела, где из топлива выделяются летучие компоненты (продукты его термического разложения).

Известна топка, содержащая вертикальную камеру сгорания, на стенках которой установлены горелки для подачи топливо-воздушной смеси. Горелки установлены в несколько ярусов. Горелки каждого яруса соединены пылепроводами с устройствами подготовки топлива (мельницами), причем горелки каждого яруса соединены со своей мельницей, обеспечивающей регулирование соотношения "топливо-воздух" (Левит Г.Н. Пылеприготовление на тепловых электростанциях, М. Энергоатомиздат, 1991, с. 132, рис. 7.2).

При работе такой топки топливо-воздушную смесь подают через все, либо через часть горелок. Соотношение "топливовоздух" выбирается таким, чтобы в горелки верхнего яруса подавался воздух с избытком, а в горелки нижнего яруса с недостатком, так, что среднее значение коэффициента избытка воздуха в топке составляет 1,2, что, как упоминалось выше, наиболее эффективно с точки зрения экономичности топки. Основная часть топлива сгорает в зоне воспламенения и активного горения вблизи горелок в средней части камеры сгорания. Продукты горения поднимаются вверх и догорают в зоне дожигания в избыточном воздухе, поступающем через горелки верхнего яруса, а затем выносятся за пределы камеры
сгорания. Благодаря ярусному расположению горелок удается несколько растянуть зону горения по вертикали, а значит, и увеличить время пребывания частиц топлива в зоне горения и тем самым обеспечить более полное сгорание топлива. Кроме того, увеличение зоны горения приводит к выравниванию в ней температурных полей и некоторому снижению максимальной температуры горения. Этим предотвращается шлакование топочных поверхностей и появление "воздушных" оксидов азота (связанных с окислением азота воздуха при высокой температуре).

Как уже упоминалось выше, при таком расположении горелок несколько снижается температура в зоне горения. Это приводит к резкому уменьшению скорости выгорания топлива, и, следовательно, снижению производительности топки. Кроме того, относительно малый размер зоны дожигания в такой топке не обеспечивает полноту сгорания топлива при указанном снижении скорости выгорания, и тем самым ухудшает экономические характеристики топки.

Для сохранения экономичности работы топки при указанном уменьшении скорости выгорания топлива приходится уменьшать размеры топливных частиц, но при этом вновь возрастает максимальная температура горения, что приводит к снижению эффективности подавления образования оксидов азота и увеличению вероятности шлакования топочных поверхностей.

Компенсировать уменьшение скорости сгорания топлива при сохранении относительно низких максимальных температур горения возможно и другим путем: увеличением времени пребывания частиц в зонах активного горения и восстановительной. Это достигается в вихревых топках.

Известна топка по авт.свид. СССР N 483559, содержащая камеру сгорания, с горелкой для подачи топливо-воздушной смеси, установленной на ее стенке. Скаты стенок нижней части камеры сгорания образуют холодную воронку призматической формы со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки размещено устройство нижнего дутья, выполненное,например, в виде воздушного сопла.

При работе такой топки через горелку подают топливновоздушную смесь, а снизу через щелевое устье с помощью устройства нижнего дутья воздух. В результате взаимодействия двух встречно направленных потоков, во всем объеме нижней части топки образуется вихревая зона, а в верхней прямоточная. Вблизи горелок и в прямоточной зоне сгорают мелкие частицы топлива, а средние и крупные сепарируются в вихревую зону. В вихревой зоне эти частицы выгорают в процессе многократной циркуляции. После выгорания до определенного размера они выносятся за пределы вихревой зоны и догорают в верхней прямоточной части факела. Интенсивная внутритопочная рециркуляция смеси воздуха, продуктов сгорания и топлива приводит к значительному снижению и выравниванию температур по всему объему вихревой зоны. Для предотвращения сгорания основной массы частиц вблизи горелок и наилучшего использования преимуществ вихревых топок, в таких топках применяют разные приемы: используют топливо угрубленного фракционного состава с относительно небольшим содержанием мелких частиц, наклоняют вниз горелки и увеличивают в них скорость воздуха для улучшения сепарации в вихревую зону топливных частиц. Уменьшенная скорость горения топлива, вызванная снижением максимальных температур горения и угрублением фракционного состава топлива, компенсируется увеличением времени пребывания топлива в зоне низких температур, т.е. в вихревой зоне. В то же время значительная часть вихревой зоны представляет собой восстановительную зону, характеризующуюся недостатком кислорода. Это позволяет снизить выбросы оксидов азота за счет их восстановления.

Промышленные испытания котла с такой топкой подтвердили существенное снижение температурного уровня и резкое снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах. Однако в такой топке, как указывалось выше, основная часть горящего топлива циркулирует в вихревой зоне, а в прямоточной зоне, в которой имеется избыточное количество кислорода и которая выполняет роль зоны дожигания, из-за небольшого количества горящего топлива, температура оказывается еще более низкой, чем в вихревой зоне. Поэтому частицы топлива, выносимые из вихревой зоны, в значительной своей части не успевают выгореть в прямоточной зоне факела. Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива в такой топке обычно превышают нормативные значения, поэтому экономические характеристики являются относительно невысокими.

Целью изобретения является создание вихревой топки, в которой бы происходила многократная циркуляция частиц топлива в низкотемпературной восстановительной зоне и одновременно дожигание выносимых их вихревой зоны мелкодисперсных коксовых частиц в высокотемпературной, обогащенной кислородом зоне, и тем самым обеспечивалось бы снижение выбросов оксидов азота и повышение экономичности топки.

Это достигается тем, что в вихревой топке, содержащей камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной наклоненной вниз горелкой для подачи топливовоздушной смеси, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, и размещенным под устьем холодной воронки устройством ввода нижнего дутья, горелка выполнена в виде по меньшей мере двух расположенных друг над другом каналов для подачи топливо-воздушной смеси, а каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух",причем указанные устройства выбраны такими, что отношение количества воздуха к количеству топлива для вышерасположенного канала всегда оказывается больше, чем для нижерасположенного канала.

При работе такой топки через оба канала горелки подают топливо-воздушную смесь, а снизу, через устройство ввода нижнего дутья воздух. Благодаря тому, что каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух", а эти устройства обеспечивают указанное выше отношение количества воздуха к количеству топлива в каждом из каналов, в верхней части камеры сгорания оказывается избыточное количество кислорода при достаточно высокой загрузке этой зоны частицами топлива, поступающими из вышерасположенного канала горелки.Этим обуславливается относительно высокая температура горения при избыточном количестве кислорода в этой зоне и, следовательно, эффективное дожигание топлива. Загрузка средней части топки осуществляется преимущественно из нижерасположенного канала при недостаточном количестве кислорода.

В результате взаимодействия вытекающего из этого канала потока топливо-воздушной смеси и воздуха, поступающего из устройства ввода нижнего дутья, образуется вихревая зона, основная часть которой характеризуется недостаточным содержанием кислорода и относительно невысокой максимальной температурой и выполняет роль зоны восстановления, а периферийная часть (расположения вблизи стенки, на которую поступает воздух нижнего дутья) характеризуется избытком кислорода и выполняет роль зоны окисления.

В результате многократной циркуляции в вихревой зоне сгорает основная масса средних частиц топлива, причем из-за недостатка кислорода в вихревой зоне одновременно происходит и процесс восстановления оксидов азота.Крупные частицы топлива из обоих каналов горелки сепарируются в нижнюю часть топки, подхватываются восходящим потоком воздуха и вновь поступают в вихревую зону к горелке и так вплоть до полного выгорания топливных частиц.

Целесообразно располагать каналы горелки так, что угол между продольной осью любого канала и проекцией этой оси на соответствующую стенку камеры сгорания меньше аналогичного угла вышерасположенного канала. При таком наклоне каналов относительно стенки обеспечивается растягивание зоны восстановления по вертикали, а значит и большее время пребыванию горящих частиц топлива в низкотемпературной зоне, и, следовательно, более полное сжигание топлива и более полное восстановление оксидов азота. Одновременно это позволяет разнести по вертикали зоны с разными функциями восстановительную и окислительную, что позволяет более точно выбрать соотношение "топливо-воздух" для каждого канала для обеспечения наиболее эффективных режимов работы топки. Кроме того, при таком наклоне каналов горелки обеспечивается еще более эффективная загрузка топливом как верхней, так и средней части камеры сгорания и, следовательно, более высокая производительность топки.

Целесообразно снабдить топку устройством для подачи в каждый канал топлива заданного фракционного состава, например, пылеконцентратором. В этом случае в вышерасположенный канал нужно подавать преимущественно мелкодисперсное топливо, которое успевает сгореть вблизи этого канала, создавая требуемый температурный уровень, а в нижерасположенный относительно крупнодисперсное топливо, которое успешно сгорает в вихревой зоне.

Изобретение поясняется чертежом,который изображает продольный разрез вихревой топки, выполненной согласно изобретению.

Вихревая топка содержит вертикальную камеру 1 сгорания, на фронтовой стенке которой установлена горелка 2 для подачи топливо-воздушной смеси. Горелка 2 выполнена в виде двух каналов 2а и 2б для подачи топливо-воздушной смеси. Канал 2а содержит патрубок 2в, а канал 2б патрубок 2г для подачи топливо-воздушной смеси. Кроме того,канал 2а содержит патрубок 2д, а канал 2б патрубок 2е для подачи воздуха. Для регулирования соотношения "топливо-воздух" каждый из патрубков 2д, 2е снабжен устройством, выполненным, например, в виде шиберов 3 и 4, установленных в патрубках 2д, 2е соответственно. Кроме того, площади поперечных сечений патрубков 3в и 2г и патрубков 2д и 2е, а также диапазон регулирования шиберов 3 и 4 выбираются такими, чтобы при любом положении последних отношение количества воздуха к количеству топлива для канала 2а было больше, чем для канала 2б. Топка, выполненная согласно изобретению, может быть снабжена и большим числом каналов. В этом случае их конструктивное выполнение аналогично описанному выше. Фронтовая и задняя стенки камеры 1 сгорания в своей нижней части наклонены и образуют вместе с боковыми стенками холодную воронку 5 призматической формы со щелевым устьем 6. Под устьем 6 холодной воронки 5 размещено устройство 7 ввода нижнего дутья. Как показано на фиг. 1, угол между продольной осью Х канала 2а и проекцией этой продольной оси Х на стенку камеры 1 сгорания больше угла между продольной осью У канала 2б и проекцией этой оси У на стенку камеры сгорания. Наибольшее количество топливных окислов азота образуется на начальном участке факела. Поэтому, в зависимости от вида топлива и особенностей конкретной топки взаимное расположение осей каналов следует выбирать таким, чтобы разнести по вертикали зоны с разными функциями восстановительную и окислительную, что позволяет наиболее точно выбрать соотношение "топливо-воздух" для каждого канала. Исходящие из каналов 2а и 2б потоки топливо-воздушной смеси расширяются по мере удаления от устьев. Апертура составляет обычно около 7 градусов. Поэтому для большинства используемых видов топлива и типов топочных камер углы между продольными осями каналов 2а и 2б обычно составляют около 12-15 градусов. Топка снабжена также устройством для подачи в каждый канал топлива заданного фракционного состава, выполненным в виде пылеконцентратора 8 с завихрителем потока 9. Может использоваться любой из широко применяемых в теплотехнике пылеконцентраторов, а также и другие известные устройства, предназначенные для этой цели. Подача топлива заданного фракционного состава в каждый канал может осуществляться, например, и с помощью мельниц.

Вихревая топка работает следующим образом.

В пылеконцентратор 8 подают топливо-воздушную смесь. Завихритель потока 9 закручивает поток, в результате чего под действием центробежной силы происходит разделение топлива по фракциям: более крупные частицы топлива прижимаются к стенкам пылеконцентратора 8 и поступают преимущественно в патрубок 2г, а более мелкие (менее инерционные) частицы топлива поднимаются вместе с воздушным потоком и поступают в патрубок 2в. Таким образом, в верхний канал 2а поступают относительно более мелкие частицы топлива, а в нижний канал 2б относительно крупные частицы топлива. Количества подаваемого в верхний и нижний каналы топлива определяются конструкцией пылеконцентратора и задаются заранее в зависимости от типа используемого топлива и конструкции топочного котла. Количество подаваемого в верхний канал мелкодисперсного топлива должно быть таким, чтобы обеспечить требуемый температурный уровень вблизи верхнего канала. Одновременно через патрубки 2д и 2е подают воздух, регулируя его расход с помощью шиберов 3 и 4 соответственно так, что в верхний канал 2а поступает большее количество воздуха, а в нижний канал 2б меньшее. Кроме того, одновременно подают воздух и с помощью устройства 7 нижнего дутья через щелевое устье 6. При взаимодействии потоков топливо-воздушной смеси, поступающих в топку из каналов 2а и 2б и встречного воздушного потока из устройства нижнего дутья, в нижней части топки образуется вихревой поток движения газов. Потоки топливо-воздушной смеси, исходящие из каналов 2а и 2б по мере удаления от устьев каналов расширяются и заполняют топливной смесью топочное пространство.

Благодаря тому, что продольные оси каналов 2а и 2б наклонены под разными углами относительно стенок камеры 1 сгорания, причем угол наклона продольной оси Х канала 2а больше угла наклона продольной оси У канала 2б топливной смесью равномерно заполняется по вертикали практически весь топочный объем камеры сгорания. В том случае, если топка содержит большее число каналов, можно обеспечить еще более эффективное заполнение топочного пространства топливо-воздушной смесью. Относительно мелкие частицы топлива сгорают вблизи устьев каналов 2а и 2б, где и образуется зона воспламенения и активного горения. В этой зоне воспламеняется и сгорает основная часть относительно мелких частиц топлива.

На фиг. 1 зона воспламенения и активного горения не заштрихована. Вблизи верхнего канала 2а в условиях подачи избыточного количества кислорода через патрубок 2д горение происходит при относительно высокой температуре с образованием "топливных" оксидов азота. Однако, поскольку через этот канал подается меньшая часть топлива,количество образовавшихся оксидов азота относительно невелико. Через канал 2б в топку поступает большая часть топлива, некоторая часть которого (наиболее мелкие частицы) сгорает вблизи горелок в существующей там зоне воспламенения и активного горения.

Функционирование этой зоны поддерживается как за счет относительно небольшого количества воздуха, поступающего из канала 2б, так и за счет воздуха нижнего дутья, поступающего через щелевое устье холодной воронки вдоль ската под канал 2б. Остальное (недогоревшее) топливо сепарируется в вихревую зону в среднюю часть топки, причем, поскольку угол наклона продольной оси Y нижнего канала меньше угла наклона оси Х верхнего канала, вихревая зона оказывается очень растянутой по вертикали. Это ведет к снижению максимальной температуры горения, выравниванию температурных полей и образованию в условиях недостатка кислорода обширной зоны восстановления.

На фиг.1 зона восстановления условно показана наклонной штриховкой. При сгорании топлива в условиях недостатка кислорода и относительно невысоких температур образуется некоторое количество оксидов азота и продуктов неполного сгорания. Однако благодаря наличию вихревого потока и относительно большой по величине зоне восстановления и в результате длительного пребывания этих продуктов в зоне восстановления происходит взаимодействие продуктов неполного сгорания, например, оксидов углерода, с другими оксидами (например, оксидами азота).

В результате этого оксид углерода отбирает у оксида азота кислород и восстанавливает его до молекулярного азота. Одновременно и сам ядовитый оксид углерода частично превращается в относительно безвредный углекислый газ. Недогоревшие в зоне восстановления частицы топлива представляют собой преимущественно частицы углерода (кокса), практически не содержащие азота.

Кокс и газообразные продукты неполного сгорания на выходе из вихревой зоны попадают в поток топливо-воздушной смеси из верхнего канала, который характеризуется избыточным содержанием воздуха, и формирует зону дожигания, показанную на фиг.1 условно горизонтальной штриховкой. Поскольку, как указывалось выше, в зону дожигания из вышерасположенного канала поступает такое количество мелкодисперсного топлива, которое при сгорании обеспечивает высокую температуру в этой зоне, происходит относительно полное дожигание твердых и газообразных продуктов неполного сгорания.

В том случае, если топка содержит большее число каналов, чем в описанной выше конструкции, можно обеспечить еще более эффективное заполнение топочного объема топливовоздушной смесью и обеспечить более полное сгорание топлива.

Таким образом, в предлагаемой топке происходит многократная циркуляция частиц топлива в низкотемпературной восстановительной зоне и одновременно - дожигание выносимых из вихревой зоны мелкодисперсных частиц в высокотемпературной, обогащенной кислородом зоне. Это обуславливает снижение выбросов оксидов азота. Одновременно благодаря наличию вихревого потока в топке обеспечивается и относительно полное сжигание топлива,а значит, и относительно высокие экономические показатели топки.

Использование: низкоэмиссионная вихревая топка предназначена для сжигания органического топлива и наиболее успешно может применяться для сжигания пыли. Сущность: топка содержит по меньшей мере одну горелку 2, выполненную в виде по меньшей мере двух расположенных друг над другом каналов 2а и 2б для подачи топливо-воздушной смеси. Каждый из каналов снабжен устройство 3(4) для регулирования соотношения "топливо-воздух", обеспечивающего такое отношение количества воздуха к количеству топлива в каждом из каналов, что для вышерасположенного канала 2а это отношение всегда оказывается больше, чем для нижерасположенного канала 2б. Продольные оси каналов 2а, 2б целесообразно наклонить так, что угол между продольной осью канала 2а или 2б и проекцией этой оси на стенку топки для нижерасположенного канала 2б оказывается меньше, чем для вышерасположенного канала 2а. Топка также может быть снабжена устройством 8 для подачи в каждый канал топлива заданного фракционного состава. При работе такой топки в топочном объеме формируются три функциональные зоны: зона воспламенения и активного горения, зона восстановления и зона дожигания. Этим обуславливается снижение выбросов оксидов азота и одновременно высокие экономические характеристики топки. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Низкоэмиссионная вихревая топка, содержащая камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной наклоненной вниз горелкой для подачи топливовоздушной смеси, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания и размещенным под устьем холодной воронки устройством ввода нижнего дутья, отличающаяся тем, что горелка выполнена по меньшей мере в виде двух расположенных друг над другом каналов для подачи топливовоздушной смеси, а каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух", причем устройства выбраны так, что отношение количества воздуха к количеству топлива для вышерасположенного канала всегда оказывается больше, чем для нижерасположенного канала. 2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что угол между продольной осью любого канала и проекцией этой оси на соответствующую стенку камеры сгорания меньше аналогичного угла вышерасположенного канала. 3. Топка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена устройством для подачи в каждый канал топлива заданного фракционного состава.