ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 1997 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам с твердым шлакоудалением для сжигания твердого топлива и наиболее успешно может применяться при сжигании высококалорийного высокосортного топлива.

В тех случаях, когда в топках используют высококалорийное топливо, нередко возникают проблемы, связанные с неоднородностью температурных полей в камере сгорания.

Известен способ сжигания твердого топлива в вихревой топке с твердым шлакоудалением [1] включающий подачу в камеру сгорания топливовоздушной смеси через горелки и встречную подачу воздуха в камеру сгорания через устройство нижнего дутья. Способ реализуется в вихревой топке с твердым шлакоудалением, содержащей вертикальную камеру сгорания, на фронтовой стенке которой расположена горелка, направленная вниз. Скаты фронтовой и задней стенок камеры сгорания в нижней части камеры сгорания образуют холодную воронку со щелевым устьем. Топка содержит также устройство нижнего дутья, сопло которого расположено непосредственно паод устьем холодной воронки.

При работе такой топки топливо подают через горелки в смеси с воздухом. Навстречу этому потоку топливо-воздушной смеси подают воздух через сопло устройства нижнего дутья вдоль фронтового ската холодной воронки камеры сгорания. Поскольку сопло устройства нижнего дутья расположено непосредственно под устьем холодной воронки, скорость воздушного потока в области устья холодной воронки равна скорости воздушного потока, выходящего из сопла устройства нижнего дутья. Взаимодействие двух потоков в камере сгорания вызывает образование двух зон горения вихревой и факельной. Для стабильной и экономичной работы топки необходимо накопление в вихревой зоне достаточного количества горящего топлива. Однако при использовании мелкоразмолотого количества горящего топлива. Однако при использовании мелкоразмолотого топлива его основная часть сгорает с прямотоке, обедняя вихревую зону и ухудшая стабильность воспламенения горелочной струи. При использовании же груборазмолотого топлива, его сравнительно крупные частицы, преодолевая сопротивление воздуха, исходящего из сопла нижнего дутья, проваливаются через устье холодной воронки и удаляются со шлаком, снижая экономичность работы топки. В то же время, увеличение скорости нижнего дутья для удержания в камере сгорания этих относительно крупных частиц ведет к ускорению износа элементов топки и снижает экономические показатели ее работы за счет увеличения выноса несгоревших частиц топлива.

Известна топка [2] предназначенная для сжигания топлива в виде пыли. Топка содержит вертикальную камеру сгорания с направленной вниз горелкой, установленной на ее фронтовой стенке. В нижней части фронтовая и задняя стенки камеры сгорания наклонены и вместе с боковыми стенками образуют холодную воронку со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки установлено сопло для подачи топливо-воздушной смеси.

При работе такой топки через горелку и сопло одновременно подают топливо-воздушную смесь. В результате взаимодействия этих потоков в центральной части топки образуется вихревая зона, в которой в основном протекает процесс горения топлива. Подача топлива через сопло позволяет увеличить загрузку топливом вихревого потока. Скорости потоков выбираются такими, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточное время пребывания мелких частиц топлива для их полного сгорания, а с другой стороны, удержать в потоке относительно крупные частицы, обеспечивая тем самым и их полное сгорание. Это удается в том случае, если топливо предварительно тщательно подготовлено и имеет относительно мелкий и однородный фракционный состав. Однако при переходе на сжигание топлива угрубленного фракционного состава, сравнительно крупные частицы, преодолевая сопротивление воздушного потока, истекающего из сопла, проваливаются через щелевое устье холодной воронки, как это имеет место и в описанном ранее известном устройстве [1] Таким образом, такая топка требует тщательной подготовки топлива для успешной работы и, следовательно, относительно дорога и ненадежна в эксплуатации.

Кроме того, известно, что увеличение паропроизводительности котлов при сжигании одного и тоге же топлива, приводит к повышению температуры газов в центральной области топки. Это вызвано эффектом "запирания излучения", т.к. с ростом оптической толщины снижается эффективная степень черноты факела.

Указанное явление объясняется тем, что охлажденные вблизи экранов вследствие теплоотдачи продукты сгорания, имеющие более высокую степень черноты, не пропускают (экранируют) излучение от более высокотемпературных слоев газов в центре топки. Повышению температуры газов в центральных слоях способствует также и то, что основная часть топлива сгорает также в центральной части топки, причем повышенная температура интенсифицирует процесс выгорания. Следовательно, в зоне высоких температур происходит расплавление минеральной части топлива, которое вызывает шлакование поверхностей нагрева в топке, а также повышение концентрации токсичных продуктов (NO_x, SO_x).

Вместе с тем, "эффект" запирания излучения "снижает также и тепловую эффективность экранов, т.е. происходит снижение теплоотвода от продуктов сгорания к экранам. Из-за этого происходит повышение температуры газов на выходе из топки, что приводит к загрязнению конвективных поверхностей нагрева, снижению надежности и экономичности показателей работы.

Известны вихревые топки [3] с твердым шлакоудалением, содержащая вертикальную камеру сгорания с направленной вниз горелкой, установленной на фронтовой стенке. Фронтовая и задняя стенки камеры сгорания в своей нижней части наклонены и образуют вместе с боковыми стенками холодную воронку призматической формы, имеющую щелевое устье. Под устьем холодной воронки размещена камера дожигания провала, сообщающаяся с камерой сгорания. Камера дожигания провала снабжена соплом для подачи воздуха, размещенным на стенке в ее нижней части. Воздушное сопло выполнено щелевым по всей ширине соответствующей1 стенки камеры дожигания провала.

Топка работает следующим образом.

Крупномолотое топливо подают через горелку в камеру сгорания. Одновременно через щелевое воздушное сопло подают воздух, который проходит через камеру дожигания провала и поступает в камеру сгорания. Мелкие частицы топлива сгорают в прямоточной зоне факела, а крупные и средние поступают в нижнюю часть камеры сгорания, подхватываются потоком воздуха и выносятся к корню факела. Те частицы, которые не удерживаются этим потоком, сепарируются на фронтовой скат холодной воронки и поступают в камеру дожигания провала.

Крупные и средние частицы, которые подхватываются потоком воздуха в камере дожигания, после термической подготовки (сушки и прогрева) выносятся в камеру сгорания. Этим обеспечивается более полное сжигание топлива, относительно низкая скорость потока, выходящего из камеры дожигания провала, что исключает износ топочных экранов и повышенный вынос из топки частиц несгоревшего топлива.

Температурные поля в такой топке в ее поперечном сечении по характеру соответствуют описанным выше. Это затрудняет эксплуатацию такой топки и снижает эффективность ее работы при сжигании высококалорийных топлив, склонных к шлакованию, вследствие частых остановов котла на расшлаковку топки.

В основу изобретения положена задача создать вихревую топку, которая была бы выполнена таким образом, чтобы увеличить количество подаваемого топлива в зоны боковых стенок камеры сгорания и тем самым создать более равномерное температурное поле в поперечном сечении топки и предотвратить шлакование, при обеспечении дожигания относительно крупных частиц топлива.

Поставленная задача решается тем, что вихревая топка с твердым шлакоудалением, содержащая вертикальную камеру сгорания с направленной вниз горелкой, установленной на ее фронтовой стенке, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованной скатами стенок нижней части камеры сгорания, а также камеру дожигания провала, размещенную под устьем холодной воронки, сообщающуюся с камерой сгорания и снабженную соплом для подачи воздуха в своей нижней части, в соответствии с изобретением, снабжена по меньшей мере двумя дополнительными направленными вверх горелками, установленными на задней стенке камеры дожигания провала симметрично относительно вертикальной оси этой стенки на ее участках от боковых стенок до 1/4 ширины камеры дожигания, причем оси горелок направлены вдоль фронтового ската холодной воронки камеры сгорания.

При работе такой топки в смеси с воздухом подается через горелку, установленную на фронтовой стенке камеры сгорания, и одновременно топливо-воздушная смесь подается через дополнительные горелки, установленные на стенке камеры дожигания провала. Дополнительная подача топливо-воздушной смеси через горелки в камере дожигания обеспечивает большую загрузку топливом периферийных зон по поперечному сечению камеры сгорания, перераспределение тепловыделения между этими зонами и центральными зонами, а значит, и выравнивание температурных полей в поперечном сечении камеры сгорания. Авторами экспериментально установлено, что выравнивание температурных полей при использовании высококалорийного топлива в таких топках происходит наиболее эффективно в том случае, если дополнительные горелки находятся на указанных участках задней стенки камеры дожигания провала. В этом случае топливо поступает в зоны камеры сгорания, находящиеся вблизи боковых стенок этой камеры, т.е. в зоны с наименьшими температурами газов. Благодаря указанному направлению осей дополнительных горелок3, происходит взаимодействие потоков, обуславливающее поступление топлива к корню факела и его стабильное воспламенение, а значит и стабильную работу топлива. Кроме того, при этом частично разгружается от топлива задний скат холодной воронки и увеличивается загрузка фронтового ската. Это приводит к выравниванию температурного поля также и по глубине камеры сгорания. Таким образом, предлагаемая топка обеспечивает подачу топлива в близи боковых стенок камеры сгорания и, тем самым, обуславливает выравнивание температурных полей в поперечном сечении камеры сгорания при обеспечении дожигания относительно крупных частиц топлива в камере дожигания.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых фиг. 1 изображает продольный разрез топки, выполненной в соответствии с изобретением, а фиг. 2 изображает разрез по стрелке А-А на фиг. 1
В соответствии с изобретением вихревая топка с твердым шлакоудалением содержит вертикальную камеру сгорания 1. На фронтовой стенке 1а камеры сгорания 1 размещена горелка. Фронтовая стенка 1а и задняя стенка 16 в нижней своей части наклонены и образуют скаты 3 и 4 соответственно. Эти скаты 3 и 4 вместе с боковыми стенками камеры сгорания 1 (на фиг. не показаны) образуют холодную воронку 5 призматической формы, имеющую щелевое устье 6. Под устьем 6 холодной воронки 5 установлена камера дожигания провала 7, сообщающаяся с камерой сгорания 1. В нижней части камеры дожигания провала 7 размещено сопло 8 для подачи воздуха. На задней стенке 7а камеры дожигания провала 7 размещены две дополнительные щелевые горелки 9 и 10 (фиг. 2). Эти горелки 9 и 10 расположены на учсастках задней стенки 7а камеры дожигания провала 7 от боковой стенки 76 камеры дожигания провала 7 до 1/4 В ширины камеры дожигания провала 7. Горелки 9, 10 расположены симметрично относительно вертикальной оси стенки 7а камеры 7. Оси горелок 9, 10 (на фиг. показаны штрих-пунктиром) направлены вдоль фронтового ската 3 холодной воронки 5 камеры сгорания 1.

Вихревая топка работает следующим образом.

Через горелку 2 в камеру сгорания 1 подают топливо-воздушную смесь. Одновременно такую же смесь подают через дополнительные щелевые горелки 9, 10. Кроме того, через сопло 8 подают воздух. Поток топливо-воздушной смеси из горелки 2 направлен вниз в сторону ската 4, а поток топливо-воздушной смеси, исходящей из дополнительных горелок направлен вдоль ската 3 холодной воронки 5. Поток топливо-воздушной смеси, исходящей из устья 6 холодной воронки 5 неоднороден: его боковые, близкие к боковым стенкам камеры сгорания 1 зоны, обогащены топливом, поступающим через дополнительные горелки 9, 10, а его средняя часть обогащена кислородом, благодаря поступающему из сопла 8 воздуху. В результате взаимодействия потоков в камере сгорания образуется активная вихревая зона с равномерным распределением тепловых полей.

Использование: вихревая топка с твердым шлакоудалением предназначена преимущественно для сжигания высококалорийного высокосортного топлива. Сущность: вихревая топка содержит вертикально установленную камеру 1 сгорания. На фронтовой стенке этой камеры 1 имеется направленная вниз горелка 2. Скаты стенок камеры 1 сгорания в нижней части образуют призматическую холодную воронку 5 с щелевым устьем 6. Под камерой 1 сгорания размещена камера 7 дожигания провала, снабженная в своей нижней части соплом 8 для подачи воздуха. На задней стенке камеры 7 дожигания провала дополнительно установлены направленные вверх горелки 9, расположенные симметрично относительно вертикальной оси этой стенки на ее участке от боковой стенки камеры 7 дожигания провала до 1/4 ширины камеры 7 дожигания провала. Оси дополнительных горелок 9 направлены вдоль фронтового ската 3 холодной воронки 5 камеры 1 сгорания. 2 ил.

Вихревая топка с твердым шлакоудалением, содержащая вертикальную камеру сгорания с направленной вниз горелкой, установленной на ее фронтовой стенке, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованной скатами стенок нижней части камеры сгорания, камеру дожигания провала, размещенную под устьем холодной воронки, сообщающуюся с камерой сгорания и снабженную соплом в своей нижней части для подачи воздуха, отличающаяся тем, что топка снабжена по меньшей мере двумя дополнительными направленными вверх горелками, установленными на задней стенке камеры дожигания провала симметрично относительно вертикальной оси этой стенки на ее участке от боковой стенки до 1/4 ширины камеры дожигания, причем оси горелок направлены вдоль фронтового ската холодной воронки камеры сгорания.