ТОПКА Российский патент 1998 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам для сжигания органического топлива, и наиболее успешно может применяться для сжигания твердого топлива с повышенным содержанием летучих.

При сжигании органического топлива с повышенным содержанием летучих возникают некоторые трудности, связанные с тем, что при нагревании такого топлива в системе пылеприготовления выделяется значительное количество взрывоопасных газов, что требует особого внимания при выборе схемы организации процесса подготовки и подачи указанного топлива в камеру сгорания. В частности, для сушки таких топлив обычно используют не воздух (содержащий много кислорода), а топочные (инертные) газы.

Кроме того, в последнее время при конструировании топок особое внимание уделяют их экологическим характеристикам, а именно возможностям топок обеспечивать такие режимы горения, при которых в окружающую среду поступало бы минимальное количество вредных соединений. При этом существенное значение имеет качество подготовки топлива, в т.ч. его влажность.

Известна топка для сжигания твердого органического топлива, описанная в книге Заха Р. Г. "Котельные установки", М.: Энергия, 1968, с.77 содержащая топочную камеру призматической формы, на стенке которой установлена по меньшей мере одна горелка. Топка снабжена топливной течкой, из которой топливо поступает в вертикальную газозаборную шахту. Газозаборная шахта в верхней части с помощью специального канала через газозаборное окно сообщается с внутренним пространством топочной камеры. Газозаборное окно, как правило, размещено в верхней части топочной камеры. Нижний конец газозаборной шахты сообщается с мельницей- вентилятором для размола топлива. Мельница, в свою очередь, сообщается с горелкой для подачи топлива в топочную камеру.

При работе топки горячие топочные газы из верхней части камеры сгорания через газозаборное окно и специальный канал поступают в газозаборную шахту, где, под воздействием высокой температуры этих газов, происходят предварительная сушка и подготовка топлива, поступающего из топливной течки. При этом из топлива происходит частичное выделение летучих, которые смешиваются с инертными топочными газами, содержащими малое количество кислорода. Подготовленное топливо поступает в мельницу, где происходят его размол до требуемых размеров и окончательная сушка. Подготовленное топливо вместе с газовой смесью затем поступает через горелку в топочную камеру, где и сгорает вместе с выделившимися ранее летучими. Поскольку выделение летучих из топлива при прохождении его через газозаборную шахту происходит в среде топочными газов, концентрация кислорода в которых относительно невелика, в данных условиях не может образоваться взрывоопасной смеси летучих и кислорода, а значит, предотвращается возможность взрывов и обеспечивается безопасность работы системы топливоприготовления и самой топки.

Эта топка обеспечивает довольно высокие экономические характеристики, поскольку для подготовки и сушки топлива частично могут использоваться отходящие топочные газы, а также неплохие экологические показатели, так как происходит полное сжигание топлива при относительно низких температурах, но только в том случае, если это топливо малосернистое. В противном случае топка требует дополнительных мер по снижению содержания оксидов серы в отходящих газах.

В настоящее время для снижения выбросов серы применяют три основные схемы: удаляют серу из топлива до подачи последнего в топку (как правило, в месте добычи), применяют различные кальций- и магнийсодержащие сорбенты (известь, карбид кальция и др.) для очистки дымовых газов за котлом, либо эти сорбенты инжектируют непосредственно в топочную камеру для прямого (сухого или полусухого) связывания серы. Возможны и комбинированные схемы для связывания серы, содержащейся в органическом топливе. Поскольку соединения кальция относятся к легкоплавким, важным является подача частиц сорбента в такие зоны топочной камеры, в которых температура не превышает температуры плавления сорбента, в противном случае может произойти сплавление поверхности частиц сорбента, а значит, закрытие пор и уменьшение реакционной поверхности. Это может привести к ухудшению экономических показателей работы топки из-за шлакования топочных экранов и даже к полной остановке котла.

Известна топка, в которой реализован способ одновременной очистки продуктов сгорания от серы и азота, описанный в патенте Японии 4- 67085.

Топка содержит камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной горелкой для подачи топливо-водушной смеси. Топка снабжена средствами для подачи сорбента, представляющими собой канал для подачи в топку тонкодисперсных или в виде шлама кальцийсодержащих веществ для связывания серосодержащих соединений, расположенный выше уровня горелки на этой же стенке. Кроме того, в конструкции предусмотрено специальное оборудование для улавливания летучей золы из продуктов сгорания топлива, специальной обработке этой золы и возврата ее в зону горения.

При работе такой топки через горелку в камеру сгорания подают топливо-воздушную смесь, а через соответствующий канал - сорбент для поглощения серы. Сорбент поступает в зону камеры сгорания с температурой 900-1200^oC. Непосредственно вблизи канала для подачи сорбента происходит реакция связывания серы. Газообразные продукты сгорания затем поступают в дымоход, где имеется специальное устройство для улавливания летучей золы, затем в часть уловленной золы добавляют кислоту для нейтрализации непрореагировавшего оксида или карбоната кальция, после чего эту золу направляют в отвал. В оставшуюся часть золы добавляют аммоний или мочевину или ее соединения и возвращают золу в топку, в зону с температурой 500-1000^oC, расположенную на выходе из камеры сгорания (уже за ее пределами). В этой зоне происходит дополнительное связывание одновременно серы и частично азота (из оксидов).

Процесс горения в этой топке происходит в прямоточной зоне, что обуславливает относительно малое время пребывания частиц топлива и сорбента в камере сгорания, а значит и малое время взаимодействия сорбента с дымовыми газами. В таких условиях эффективное связывание серы возможно только в том случае, если предварительно проведена очень тщательная подготовка как топлива, так и сорбента, и обеспечен их однородный мелкодисперсный состав. Тщательное измельчение сорбента необходимо еще и для получения максимальной площади его поверхности, а следовательно, и степени использования сорбента, поскольку реакция связывания серы протекает, в основном, на поверхности. Для протекания указанной реакции во всем объеме частицы сорбента необходимо более значительное время, чем время, которое частица сорбента находится в зоне благоприятных с точки зрения условий протекания реакции связывания серы температур (600-1100^oC). Кроме того, при наличии крупных частиц как топлива, так и сорбента, эти частицы не будут уноситься потоком дымовых газов из топки, а будут проваливаться через устье в нижней части камеры сгорания и удаляться вместе со шлаком, что приведет к резкому снижению экономических и экологических характеристик такой топки.

Однако, даже тщательная подготовка сорбента не обеспечивает такое его измельчение, чтобы все частицы сорбента прореагировали с оксидами серы во всем своем объеме. Всегда имеется некоторое количество относительно более крупных частиц, на поверхности которых образуется слой прореагировавшего сорбента, а средняя часть частиц не принимает участия в реакции связывания серы. Это ведет к увеличению потребления дорогостоящего сорбента и снижению экономических и экологических характеристик топки. Кроме того, сложная система дополнительной очистки газов за котлом также ведет к увеличению издержек производства.

В основу изобретения поставлена задача при использовании топлива с повышенным содержанием летучих, обеспечить безопасную концентрацию летучих в камере сгорания, и тем самым повысить надежность топки, а также обеспечить относительно полное использование сорбента при оптимальной для связывания соединений серы температуре и тем самым повысить экономические и экологические характеристики топки.

Поставленная задача решается тем, что в топке для сжигания твердого органического топлива, содержащей камеру сгорания призматической формы с холодной воронкой, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, по меньшей мере одну горелку, установленную на ее стенке, и канал для подачи сорбента для поглощения серы, под устьем холодной воронки по всей его ширине размещено устройство ввода нижнего дутья для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания, при этом топка дополнительно содержит газозаборную шахту и мельницу-вентилятор, а канал для подачи сорбента сообщается с газозаборной шахтой в верхней ее части.

Поскольку в предложенной топке сорбент для связывания соединений серы подается через специальный канал в верхнюю часть газозаборной шахты, в последней протекает реакция взаимодействия частиц сорбента с соединениями серы, находящимися в отбираемых из камеры сгорания через газозаборную шахту топочных газах. При этом на поверхности частиц сорбента образуется слой прореагировавшего сорбента. Поскольку из газозаборной шахты сорбент вместе с топливом поступает в мельницу, происходит разрушение упомянутого слоя, смешивание частиц сорбента с топливом. В дальнейшем, при поступлении топлива в смеси с сорбентом через горелку в камеру сгорания, происходит дальнейшее взаимодействие непрореагировавших частиц сорбента с соединениями серы. Благодаря наличию устройства нижнего дутья в нижней части камеры сгорания в результате взаимодействия двух потоков - из горелки и из щелевого устья холодной воронки, образуется вихревая зона. В вихревой зоне, как это характерно для вихревых топок, температура составляет около 1000-1100^oC. При этих температурах скорость прямой реакции взаимодействия оксида кальция и диоксида серы больше скорости обратной реакции разложения сульфата кальция, что обеспечивает связывание значительной части серы и вынос ее из зоны горения в наиболее удовлетворительным с точки зрения экологии виде. Кроме того, при такой температуре не происходит оплавления поверхности частиц сорбента, а, значит, закрытия пор и уменьшения реакционной поверхности. Слой сульфата кальция, образующийся на поверхности частицы сорбента и постоянно растущий во времени, остается не оплавленным, пористым, что позволяет оксиду серы проникать по трещинам и порам к еще не прореагировавшей поверхности частицы сорбента. Кроме того, за счет многократной циркуляции частиц в вихревой зоне резко увеличивается время их пребывания в благоприятной температурной зоне, а, следовательно, время реакции, и степень связывания серы, что обеспечивает оптимальный режим для взаимодействия частиц сорбента и топлива.

Таким образом, в предлагаемой топке сорбент используется дважды - в газозаборной шахте и в камере сгорания, что обуславливает практически полное его использование и тем самым обеспечиваются хорошие экономические и экологические показатели предлагаемой топки.

Использование отходящих газов для подготовки и сушки топлива с повышенным содержанием летучих путем подачи его в газозаборную шахту и последующая подготовка этого топлива с помощью мельницы-вентилятора известно. Однако неизвестны топки, в которых бы сорбент подавался в верхнюю часть газозаборной шахты и использовался для связывания соединения серы двукратно - вначале в газозаборной шахте и затем в камере сгорания.

На чертеже схематически изображена топка для сжигания твердого органического топлива, выполненная в соответствии с изобретением, продольный разрез.

Топка содержит камеру 1 сгорания призматической формы, с холодной воронкой 2, образованной скатами нижней части камеры сгорания, и устройство 3 ввода нижнего дутья, размещенное по всей ширине щелевого устья 4 холодной воронки 2. Топка содержит также горелку 5, установленную на ее стенке и вертикальную газозаборную шахту 6. В верхней части газозаборная шахта 6 через газозаборное окно 7 и канал 8 сообщается с внутренним пространством камеры 1 сгорания. Канал 8 в свою очередь сообщается с каналом 9 для подачи сорбента. Газозаборная шахта 6 в нижней своей части сообщается с мельницей-вентилятором 10 и через нее и горелку 5 с внутренним пространством камеры 1 сгорания.

При работе топки топливо через течку 11 поступает в газозаборную шахту 6. Одновременно горячие топочные газы через газозаборное окно 7 поступают в канал 8 и затем в газозаборную шахту 6, при этом топочные газы предварительно смешиваются с сорбентом для связывания соединений серы, поступающим через канал 9 в канал 8. По мере прохождения топочных газов, частиц сорбента и топлива вдоль газозаборной шахты 6 топливо нагревается, происходят выделение летучих и перемешивание их с топочными газами. Одновременно на поверхности частиц сорбента происходит реакция связывания соединений серы с сорбентом. Поскольку топочные газы имеют температуру 600-1100^oC, а, как известно, наиболее успешно реакция связывания соединений серы происходит при такой температуре, в газозаборной шахте 6 обеспечиваются оптимальные условия для связывания соединений серы.

Из газозаборной шахты 6 топливо в смеси с газом и сорбентом поступает в мельницу 10. В мельнице 10 происходят дальнейшая сушка топлива, измельчение его частиц и частиц сорбента, а также перемешивание. При этом разрушается поверхностный слой частиц сорбента и открывается доступ к непрореагировавшему ранее ядру этих частиц. Таким образом, частицы сорбента вновь подготавливаются к использованию. Подготовленная смесь подается в горелку 5. Мелкие частицы топлива и летучие сгорают вблизи горелки в прямоточной части факела. Более крупные твердые частицы топлива и сорбента опускаются в нижнюю часть топки и подхватываются направленным вдоль ската холодной воронки воздухом из устройства 3 ввода нижнего дутья. Встречные потоки аэросмеси из горелки и воздуха из устройства ввода нижнего дутья взаимодействуют и образуют вихревую зону с температурой около 1000^oC. Многократная циркуляция в этой зоне частиц топлива, сорбента и дымовых газов обеспечивает их длительное пребывание при наиболее эффективной для связывания серы температуре, что обуславливает практически полное использования сорбента.

Проведенные исследования показали, что предлагаемая топка обеспечивает существенное снижение содержания оксидов серы в топочных газах при экономичном использовании сорбента. Кроме того, работа такой топки безопасна даже при использовании топлива с большим содержанием летучих.

Такая топка может быть реализована на уже действующих агрегатах, при этом затраты на реконструкцию относительно невелики, а эффект от внедрения значителен.

Сущность изобретения: топка для сжигания твердого органического топлива с повышенным содержанием летучих содержит камеру 1 сгорания призматической формы с холодной воронкой 2. Последняя образована скатами стенок нижней части камеры 1 сгорания и имеет щелочное устье 4. На стенке камеры 1 установлена горелка 5. Под устьем 4 холодной воронки 2 по всей его ширине размещено устройство 3 ввода нижнего дутья для образования вихревой зоны в нижней части камеры 1 сгорания. Топка дополнительно содержит газозаборную шахту 6, сообщенную с внутренним пространством топки в верхней ее части через газозаборное окно 7, а в нижней части через мельницу-вентилятор 10 и горелку 5. Топка также имеет канал 9 для подачи сорбента для связывания соединений серы, сообщающийся с газообразной шахтой 6 и внутренним пространством топки через канал 8. При работе этой топки сорбент для связывания серы вместе с дымовыми инертными газами поступает в газозаборную шихту 7, где под действием горячих дымовых газов происходят частичное выделение летучих из топлива и связывание серы, содержащейся в топливе. После механической обработки в мельнице-вентиляторе 10 топливо в смеси с газами и сорбентом поступает в вихревую зону камеры 1 сгорания, где происходит окончательное связывание серы. 1 ил.

Топка для сжигания твердого органического топлива, содержащая камеру сгорания призматической формы с холодной воронкой, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, по меньшей мере одну горелку, установленную на ее стенке, и канал для подачи сорбента для поглощения серы, отличающаяся тем, что под устьем холодной воронки по всей его ширине размещено устройство ввода нижнего дутья для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания, топка дополнительно содержит газозаборную шахту и мельницу-вентилятор, а канал для подачи сорбента сообщается с газозаборной шахтой в верхней ее части.