ТОПКА КОТЛА Российский патент 1997 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а более точно к топкам котлов, предназначенных для сжигания твердого крупнодисперсного неоднородного топлива и наиболее успешно может применяться при сжигании такого топлива как древесные отходы.

Известна вихревая топка для сжигания твердого топлива [1] содержащая вертикальную камеру сгорания с горелкой для подачи топливо-воздушной смеси, направленной вниз и установленной на ее фронтовой стенке. Скаты нижней части стенок камеры сгорания образуют холодную воронку призматической формы со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки установлено устройство нижнего дутья для подачи воздуха в камеру сгорания.

При работе такой топки через горелку в верхней части топки подают топливо-воздушную смесь, а снизу через щелевое устье с помощью устройства нижнего дутья воздух. В результате взаимодействия двух потоков в топочной камере образуются две зоны горения вихревая и прямоточная. Мелкие частицы топлива сгорают в прямоточной зоне, более крупные частицы опускаются в нижнюю часть топки и сгорают в вихревой зоне в результате многократной циркуляции. Наличие большого количества горящих частиц топлива в вихревой зоне стабилизирует процессы воспламенения и горения.

При работе такой топки обеспечивается относительно полное сжигание топлива, что обуславливает относительно высокую эффективность работы такой топки. Однако такая топка успешно работает только в том случае, если топливо имеет относительно однородный по физико-механическим свойствам состав, например, при использовании в качестве топлива размолотого угля. В том случае, если топливо содержит одновременно и относительно крупные и относительно мелкие частицы, что имеет место, например при сжигании отходов лесопилен, воздушный поток нижнего дутья не в состоянии поддерживать такие крупные частицы топлива во взвешенном состоянии. Кроме того, древесные отходы обладают еще и неоднородной влажностью и специфическими физико-механическими свойствами. Так, опилки и древесная пыль часто слипаются и образуют комки, имеющие повышенную влажность, а крупные частицы древесины и коры имеют разную способность к воспламенению. В результате этого топливо выгорает крайне неравномерно. Недогоревшие частицы топлива проваливаются в камеру дожигания провала и затем удаляются вместе с золой. Этим обуславливается относительно невысокие экономические и экологические показатели такой топки при использовании крупнозернистого и неоднородного топлива.

Известна топка [2] предназначенная для сжигания крупнодисперсного топлива, например, древесных отходов. Топка содержит камеру охлаждения топочных газов с холодной воронкой, образованной скатами ее стенок. Холодная воронка имеет щелевое устье, под которым установлен золоприемник. Топка имеет также предтопок, примыкающий к одной из стенок камеры охлаждения топочных газов и сообщающийся с камерой охлаждения через окно, выполненное в одном из скатов холодной воронки камеры охлаждения. В нижней части предтопка установлена наклонная колосниковая решетка и примыкающая к ней механическая цепная колосниковая решетка (ЦКР), размещенная выше щелевого устья холодной воронки.

Топка работает следующим образом. В предтопок подают топливо, например, древесные отходы, которые поджигают обычным образом. Частицы свежего топлива попадают на наклонную часть колосниковой решетки. На этой части частицы топлива подсушиваются. Новые порции свежего топлива попадают на слой уже горящих частиц и загораются. Под действием силы тяжести топливо постепенно сползает на горизонтальную цепную колосниковую решетку. На этой части частицы топлива подсушиваются и догорают. Зола и недогоревшие частицы топлива при движении ЦКР перемещаются к щелевому устью холодной воронки камеры охлаждения и проваливаются в золотник, а затем удаляются. Газообразные продукты сгорания и горячий воздух через окно в скате камеры охлаждения попадают внутрь этой камеры, где отдают часть своей энергии тепловоспринимающим поверхностям камеры охлаждения, и затем выносятся из топки.

Следует отметить, что в такой топке невозможно равномерно распределить топливо по ширине ЦКР. Даже при видимой равномерности слоя топлива (что в условиях эксплуатации встречается крайне редко) аэродинамические и теплофизические характеристики различных участков слоя такого топлива (по его ширине) существенно различаются, что связано с резкой переменностью свойств топлива даже в близлежащих зонах на колосниковой решетки (для данного топлива это соотношение коры и древесины и их сортов, различия во фракционном составе и т. п. ). Это приводит к неравномерности распределения воздуха по ширине полотна решеток. В зонах с повышенными скоростями воздуха резко интенсифицируются все процессы (прогрев, сушка, воспламенение и выгорание топлива). В других зонах, где движение воздуха через слой практически отсутствует, все вышеперечисленные процессы протекают крайне вяло. В результате такого горения (обычно называемого "кратерным") в конечных зонах ЦКР образуются участки оголенных колосников и кучевые скопления топливных частиц, причем частицы топлива в центральной части таких конгломератов, как правило, только начинают выделять летучие. Кроме того, через пустые участки ЦКР проходит большое количество воздуха, который не участвует в горении и транзитом покидает котел, снижая экономичность его работы в результате увеличения потерь с уходящими газами. Для исключения сброса кучевых скопления недогоревшего топлива в систему золоудаления машинистам приходится резко уменьшать скорость движения ЦКР, а иногда даже останавливать ее для дожигания топлива, поскольку в противном случае резко снижается эффективность утилизации отходов окорки за счет возрастания потерь тепла с провалом недогоревшего топлива, а также могут возникнуть сложности при эксплуатации системы шлакозолоудаления. Таким образом, такая топка обладает относительно невысокой производительностью и надежностью, а также относительно невысоким экономическими и экологическими характеристиками.

В основу настоящего изобретения положена задача создать топку, в которой бы обеспечивалась более качественная подготовка топлива, и, следовательно, более полное его сгорание при использовании такого крупнозернистого и неоднородного топлива как древесные отходы, и, тем самым, повысить экономические и экологические характеристики топки.

Поставленная задача решается тем, что в топке котла, содержащей камеру охлаждения топочных газов с холодной воронкой, расположенной в нижней ее части и образованной скатами стенок камеры охлаждения, в одном из которых имеется окно, и предтопок, сообщающийся с ней через указанное окно и снабженный колосниковой решеткой, установленной в его нижней части выше щелевого устья холодной воронки, в соответствии с изобретением, установлена камера дожигания провала с воздушным соплом, размещенным в ее нижней части, которая размещена под устьем холодной воронки и сообщается с помощью выходного сопла через указанное устье с камерой охлаждения, при этом продольная ось выходного сопла направлена вдоль ската холодной воронки, противоположного скату, в котором имеется окно, а камера охлаждения снабжена наклоненным вниз соплом для подачи воздуха, размещенным на той ее стенке, вдоль ската которой направлено выходное сопло камеры дожигания провала.

При работе такой топки крупнозернистое топливо, например, отходы деревообрабатывающего производства, из бункера подают в предтопок. При растопке топливо поджигают обычным образом. На колосниковой решетке образуется слой горящего топлива. Частицы свежего топлива под действием силы тяжести опускаются на колосниковую решетку, где и загораются. Топливо перемещается вдоль ЦКР с относительно высокой скоростью и попадает в камеру охлаждения топочных газов. Частицы уже подсушенного и частично выгоревшего топлива подхватываются потоком воздуха нижнего дутья и направляются вдоль ската холодной воронки. Этот топливо-воздушный поток взаимодействует со встречным потоком воздуха, вытекающего из расположенного выше наклоненного вниз сопла на стенке камеры охлаждения. В результате взаимодействия восходящего и нисходящего потоков образуется вихревое движение газов, где частицы топлива и догорают в результате многократной циркуляции. Поскольку колосниковая решетка расположена над устьем холодной воронки, а в расположенном рядом скате камеры охлаждения имеется окно, частицы горящего кокса, образующиеся в процессе горения топлива, под действием силы тяжести и из-за инерционной сепарации при развороте потока газов, проходящего вдоль стенок камеры охлаждения, опускаются на колосниковую решетку, интенсифицируя таким образом процессы воспламенения и подсушивания свежего топлива. Относительно крупные частицы топлива опускаются вдоль выходного сопла в нижнюю часть камеры дожигания провала, где циркулируют в восходящем потоке горячего воздуха. По мере перемещения вдоль этого сопла частицы топлива подсушиваются и частично распадаются на более мелкие частицы. Подготовленное топливо подхватывается исходящим из сопла нижнего дутья газо-воздушным потоком и возвращается в вихревую зону камеры охлаждения, где и циркулирует вплоть до полного выгорания. Таким образом, в предлагаемой конструкции предтопок выполняет роль камеры для термической подготовки и воспламенения топлива. Основное горение топлива происходит в вихревой зоне топочной камеры. В устройстве нижнего дутья происходит дополнительная подготовка относительно крупных частиц топлива и возврат их в вихревую зону. Этим обеспечивается более полное сжигание неоднородного по своим физико-механическим свойствам топлива, повышение надежности, экономических и экологических характеристик топки. Кроме того, перемещение процесса горения в значительной степени в камеру охлаждения газов приводит к существенному улучшению в ней условий теплообмена, а значит, к резкому повышению тепловой эффективности экранных поверхностей нагрева и еще большему улучшению экономических характеристик топки.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен вертикальный разрез топки, выполненный согласно изобретению.

Топка котла содержит камеру охлаждения газов 1. Стенки камеры 1 в нижней своей части наклонены и образуют холодную воронку со скатами 2а и 2б. В скате 26 выполнено окно 2в. К боковой стенке камеры охлаждения газов 1 примыкает предтопок 3, сообщающийся через окно 4 с устройством подачи топлива (не показано). В нижней части предпотока 3 размещена колосниковая решетка, состоящая из неподвижной наклоненной части 5а, и примыкающей к ней механической цепной колосниковой решетки (ЦКР) 56. ЦКР 56 размещена вблизи окна 2в, выполненного в скате 2б, причем один край ЦКР 56 примыкает к нижнему краю окна 2в. Колосниковая решетка может иметь и другое конструктивное выполнение, например, она может быть целиком неподвижной и наклоненной к окну в скате камеры охлаждения, либо она может быть целиком выполнена как механическая решетка. Как видно из чертежа, колосниковая решетка установлена выше щелевого устья холодной воронки камеры охлаждения 1. Под устьем холодной воронки установлена камера дожигания провала 6, в нижней части которой размещено сопло 7 для подачи воздуха. Камера дожигания провала 6 сообщается с камерой охлаждения 1 с помощью выходного сопла 8 прямоугольного сечения, примыкающего к устью холодной воронки. Стенки выходного сопла наклонены так, что его продольная ось направлена вдоль ската 2а холодной воронки, противоположного скату 2б, в котором выполнено окно 2в. Выходное сопло камеры дожигания провала может иметь как переменное, так и постоянное сечение. Геометрические параметры выходного сопла и всей камеры дожигания провала выбираются из соображений необходимости поддержания определенной скорости потока воздуха в области устья холодной воронки и времени пребывания частицы топлива в камере дожигания провала, необходимого для подготовки этой частицы. На стенке камеры охлаждения 1, вдоль ската 2а которой направлена ось выходного сопла 8, установлено наклоненное вниз сопло 9 для подачи воздуха.

Топка работает следующим образом. Через приемное окно 4 в предтопок загружают топливо, например, отходы деревоперерабатывающего производства. Частицы топлива поджигаются обычным образом с помощью специальных горелок (не показаны). Горящие топливные частицы падают на наклоненную колосниковую решетку 5а на которой протекает процесс их сушки, и под действием силы тяжести сползают на механическую цепную колосниковую решетку 5б. Новые порции свежего топлива опускаются на уже горящий слой и там воспламеняются.

Перемещаясь вдоль ЦКР 5б, частицы топлива частично выгорают. Подготовленные таким образом, но еще не полностью сгоревшие частицы топлива сбрасываются в камеру охлаждения 1 над устьем холодной воронки, и попадают в газо-воздушный поток, исходящий из воздушного сопла 7 и направляемый выходным соплом вдоль ската 2а холодной воронки. Мелкие и средние частицы топлива подхватываются этим потоком и поднимаются в верхнюю часть камеры 1. Навстречу этому топливо-воздушному потоку направляется поток воздуха из сопла 9. Поскольку это сопло расположено на той же стенке, что и скат 2а, в результате взаимодействия двух потоков образуется вихревой поток, который подхватывает несгоревшие частицы топлива и возвращает их в нижнюю часть камеры охлаждения газов, где эти частицы, в результате многократной циркуляции, и сгорают окончательно
В это время относительно крупные частицы топлива, падающие в холодную воронку камеры охлаждения с ЦКР 5б, через устье холодной воронки и сопло 8 попадают в камеру дожигания провала 7. По мере продвижения в нижнюю часть этой камеры 7 частицы топлива подсушиваются и выгорают, теряя свой вес, и частично растрескиваются, распадаясь на более мелкие частицы. Такие более легкие и мелкие частицы подхватываются восходящим потоком и возвращаются в вихревую зону, где и догорают. Под действием гравитации и центробежных сил некоторое количество горячего кокса покидает вихревую зону и падает через окно 2в в скате 2б на слой свежего топлива, находящегося в начале ЦКР 5б, ускоряя его сушку и воспламенение.

Таким образом, в предлагаемой топке предтопок выполняет функцию камеры подготовки топлива. Кроме того такую же функцию выполняет частично и камера дожигания провала. Благодаря этому, в предлагаемой топке обеспечивается более качественная подготовка топлива и его более полное сжигание.

Следует отметить, что перемещение процесса горения в значительной степени из предтопка в камеру охлаждения улучшает тепловосприятие топочных экранов и улучшает экономические и экологические характеристики такой топки.

Предлагаемая топка котла может быть эффективно использована при сжигании крупнодисперсного неоднородного топлива, как, например, отходов деревообрабатывающего производства. При этом обеспечивается достаточно полное сжигание таких отходов, что обуславливает высокие экономические и экологические характеристики такой топки.

Использование: топка котла предназначена для сжигания неоднородных крупнозернистых видов топлива. Наиболее эффективно такая топка может быть использована при сжигании отходов обработки древесины. Сущность: топка котла содержит камеру 1 охлаждения топочных газов с холодной воронкой, образованной скатами 2а, б стенок камеры 1 охлаждения. В одном из скатов 2б холодной воронки имеется окно 2в. Топка котла содержит также предтопок 3, сообщающийся с камерой 1 охлаждения через указанное окно 2в. В нижней части предтопка 3 имеется колосниковая решетка 5, расположенная выше щелевого устья холодной воронки, где происходит подготовка и воспламенение топлива. Под устьем холодной воронки размещена камера 6 дожигания провала с выходом соплом 8, с помощью которого камера 6 дожигания провала сообщается через устье холодной воронки с камерой 1 охлаждения. Стенки выходного сопла наклонены так, что его продольная ось проходит вдоль ската холодной воронки, расположенного напротив ската 2а, в котором имеется окно 2в. В камере 1 охлаждения дополнительно установлено сопло 9 для подачи воздуха, размещенное на той стенке, вдоль ската которой проходит ось выходного сопла камеры 6 дожигания провала. При работе этой топки топливо поступает вначале на колосниковую решетку 5, где частично подсушивается и воспламеняется, а затем перемещается в камеру 1 охлаждения. В камере 1 охлаждения мелкие и средние частицы топлива подаются воздушными потоками, вытекающими из устья холодной воронки, в камеру 1 охлаждения, где благодаря взаимодействию этого потока и потока, вытекающего из воздушного сопла 9, расположенного на стенке камеры 1 охлаждения, образуется зона вихревого движения газов. Топливные частицы вовлекаются в вихревой поток, где и догорают. Более крупные частицы топлива опускаются через сопло 8 в камеру 6 дожигания провала, где подсушиваются и растрескиваются. Подготовленные частицы топлива подхватываются воздушным потоком нижнего дутья и возвращаются в камеру 1 охлаждения, где и сгорают в вихревом потоке. 1 ил.

Топка котла, содержащая камеру охлаждения топочных газов с холодной воронкой, расположенной в нижней ее части и образованной скатами стенок камеры охлаждения, в одном из которых имеется окно, предтопок, сообщающийся с ней через указанное окно и снабженный колосниковой решеткой, установленной в его нижней части выше щелевого устья холодной воронки, отличающаяся тем, что топка снабжена камерой дожигания провала с воздушным соплом, размещенным в ее нижней части, установленной под устьем холодной воронки и сообщающейся с помощью выходного сопла через указанное устье с камерой охлаждения, при этом продольная ось выходного сопла направлена вдоль ската холодной воронки, противоположного скату, в котором имеется окно, а камера охлаждения снабжена наклоненным вниз соплом для подачи воздуха, размещенным на той ее стенке, вдоль ската которой направлено выходное сопло камеры дожигания провала.