ВИХРЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к организации низкотемпературного сжигания топлива и может использоваться в промышленных и энергетических котлах.

Известна камера сгорания (Сидельковский Л.Н. и др. Парогенераторы промышленных предприятий. 1978, рис. 8-21, 8-22), выполненная в виде охлаждаемого циклонного предтопка, образованного изогнутыми экранами и обмуровкой, и имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно, расположенное на торцевой стенке.

Такая камера сгорания обеспечивает полное выгорание топлива, но она не нашла широкого применения, так как в ней используется высокотемпературный топочный процесс с жидким шлакоудалением и, соответственно, с повышенной эмиссией оксидов азота, серы и возгонов минеральной части (золы), опасных для окружающей среды.

Кроме того, эти камеры сгорания сложны в изготовлении и ремонте. Особенно сложную конструкцию имеет газовыпускное окно, так как при сравнительно малой степени пережима выходящего потока оно должно обеспечить надежное удержание частиц топлива от выноса и поэтому выполняется вогнутым внутрь камеры сгорания.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа является вихревая камера сгорания (авт.св. СССР N 813083), образованная обмуровкой, имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно, расположенное в одной из торцевых стенок, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками. За вихревой камерой сгорания располагается вихревая камера дожигания, также имеющая тангенциальные сопла вторичного дутья. Газовыпускное окно имеет простейшую конструкцию - выполнено в виде отверстия.

Недостатками прототипа являются:
- вихревая камера сгорания неохлаждаемая и предназначена для сжигания древесных отходов, при использовании качественных топлив или сухих древесных отходов будет иметь место шлакование и пригорание стенок, так как в центре топки существует ядро вихря с высокой температурой;
- низкая экономичность, так как температура топочного процесса не регулируется наиболее экономичным способом - управляемым теплоотводом, а может достигаться, например, подачей избыточного воздуха.

Целью настоящего изобретения является обеспечение низкотемпературного высокоэкономичного регулируемого топочного процесса с эмиссией загрязняющих веществ и повышение эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что вихревая камера сгорания, образованная экранами и/или обмуровкой, имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно в одной из торцевых стенок, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками, по предлагаемому изобретению она включена в контур циркуляции частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером и питателем этих частиц.

Дополнительно контур циркуляции частиц может иметь поверхности нагрева.

Кроме того, в вихревой камере сгорания в зоне вращения частиц экраны могут быть закрыты износостойким материалом или обмуровкой, а сопла дутья могут располагаться преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока.

Регулирование топочного процесса осуществляется за счет измерения расхода потока циркулирующих частиц и его охлаждения. Оно влияет на главный определяющий параметр - температуру топочного процесса и обеспечивается благодаря применению контура циркулирующих частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером, питателем циркулирующих частиц.

При этом низкотемпературный режим топочного процесса и, соответственно, низкая эмиссия загрязняющих веществ достигаются за счет контролируемого теплоотвода к экранам и дополнительно к поверхностям нагрева, расположенным в контуре циркуляции частиц.

Узкие боковые зоны экранов, где концентрируется поток частиц, без заметного снижения теплосъема могут быть закрыты износостойким материалом или обмуровкой, защищающими камеру сгорания от износа, что повышает ее эксплуатационную надежность. Кроме того, расположение сопел дутья преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока, т.е. в зоне оседания и выпадения частиц, повышает эффективность удержания частиц и устойчивость вращения двухфазного потока без чрезмерного увеличения скорости дутья и, соответственно, износа вихревой камеры сгорания.

На фиг. 1 показано поперечное сечение А - А; на фиг.2 - сечение Б - Б предлагаемой вихревой камеры сгорания.

Вихревая камера 1 сгорания образована экранами 2 и/или обмуровкой 3, имеет газовыпускное окно 4 и тангенциальные сопла 5 дутья, расположенные преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого движения, указанного стрелками 6. В условно выделенной зоне 7 вращения частиц экраны 2 могут быть закрыты слоем 8 износостойкого материала или обмуровки, что повышает надежность работы камеры 1 сгорания. Вихревая камера 1 сгорания подключена к контуру циркуляции частиц, который состоит из сепаратора 9 частиц (в данном случае на фиг.1 показан простейший вариант - пылеосадительная камера 9), накопительного бункера 10, питателя 11 циркулирующих частиц и поверхности нагрева 12.

Особенностью предлагаемой конструкции вихревой камеры 1 сгорания является наличие контура циркуляции частиц, с помощью которого можно регулировать теплосъем, температуру и обеспечить низкотемпературный топочный процесс.

Температура в камере 1 сгорания должна быть по крайней мере ниже температуры размягчения золы, иначе ее частицы в зоне 7 начнут слипаться и прилипать к стенкам. Оптимальным по условиям минимальной эмиссии загрязняющих веществ (SO₂, NO_x, CO, CmHn, возгонов золы и др.) согласно опыту применения топок с кипящим и циркулирующим слоем является уровень температур в 800 - 950^oC. Для его поддержания из камеры сгорания необходимо отводить от 60% (на высококалорийных топливах) до 40-10% (на низкоколорийных топливах и горючих отходах) "избыточного тепла", выделяющегося при сгорании топлива. Соответственно при сжигании низкосортных топлив и горючих отходов для организации теплосъема "избыточного тепла" достаточно экранировать одну стенку, а вторая стенка может выполняться из обмуровки 3. Применение обмуровки 3, например, из жаростойкого бетона к тому же упрощает выполнение в этой торцевой стенке газовыпускного окна 4.

Вихревая камера 1 является частью топки или котла и, соответственно, оснащается бункером 13 топлива с питателем 14 топлива, дутьевым вентилятором 15 с воздуховодами 16 и другими элементами. Газовыпускным окном 4 она подключается к конвективному газоходу 17 с конвективными поверхностями 18 нагрева. Поверхности 2, 12 и 18 нагрева включаются в соответствующие тракты котла по воде и пару.

Предлагаемая вихревая камера сгорания работает следующим образом.

За счет подачи дутья через тангенциальные сопла 5 в вихревой камере 1 сгорания, образованной экранами 2 и/или обмуровкой 3, организуется вихревое течение, указанное стрелками 6, и происходит выгорание топлива, вращающегося с потоком газа и частицами золы в узкой периферийной зоне 7. При этом расположение сопел 5 дутья преимущественно внизу и на подъемном участке, т.е. в зоне оседания и выпадения частиц из потока, позволяет повысить эффективность удержания частиц и устойчивость вращения двухфазного потока без чрезмерного увеличения скорости дутья. В совокупности с применением узкого слоя 8 износостойкого материала или обмуровки на экранах 2 в зоне 7 вращения частиц позволяет надежно защитить экраны 2 от износа и повысить надежность работы камеры 1 сгорания. Вращающийся поток продуктов сгорания очищается от частиц и выходит через газовыпускное окно 4 на охлаждение в конвективный газоход 17 с поверхностями 18 нагрева и выносит при этом часть тепла. Остальная часть "избыточного тепла" для обеспечения требуемого или оптимального (800 - 950^oC) уровня температур топочного процесса должна выводиться из камеры 1 сгорания другими способами. Конструкция плоской камеры 1 сгорания, благодаря большой площади боковых стен позволяет все "избыточное тепло" или значительную его часть передать экранам 2. Кроме того, всю или значительную часть "избыточного тепла", причем в контролируемых условиях, можно отвести также и к поверхности 12 нагрева, размещенной в контуре циркуляции частиц. В контур циркуляции поступают из зоны 7 наиболее крупные частицы, которые успевают выпасть при движении их над пылеосадительной камерой 9. Далее эти частицы, контактируя с поверхностью 12 нагрева, отдают ей часть вынесенного из камеры 1 сгорания тепла и задерживаются в накопительном бункере 10. Контроль теплосъема поверхностью 12 нагрева осуществляется питателем 11. Чем больше производительность питателя 11, тем выше расход циркулирующих частиц и, соответственно, больше тепла они выносят из камеры 1 сгорания к поверхности 12 нагрева. Если поверхность 12 нагрева достаточно велика, то она может обеспечить съем всего "избыточного тепла". В этом случае камера 1 сгорания может вообще не иметь экранов 2 и выполняться только из обмуровки 3. С другой стороны, при повышении производительности питателя 11 бункер 10 освобождается, и циркулирующие частицы будут заполнять топку. Соответственно объем и степень черноты в зоне 7 горения частиц увеличивается, и за счет этого возрастет теплоотдача излучением к экрану 2. Таким образом, и при отсутствии в контуре циркуляции частиц поверхности 12 нагрева теплоотвод из камеры 1 сгорания может регулироваться за счет изменения ее заполнения частицами и управляться с помощью питателя 11. Если применять сразу два или несколько контуров циркуляции частиц с размещением в них различных поверхностей 12 нагрева (пароперегревателя, испарителя и экономайзера), то можно обеспечить глубокое регулирование и изотермичность топочного процесса с независимым поддержанием заданных параметров получаемого в котле пара. При работе камеры 1 сгорания топливо непрерывно дозируется из бункера 13 питателем 14. Пропорционально его расходу подается и воздух, который нагнетается вентилятором 15 и распределяется с помощью воздуховодов 16 между соплами 5 дутья.

Использование предлагаемой вихревой камеры сгорания по сравнению с прототипом позволяет обеспечивать регулируемый низкотемпературный топочный процесс и понизить эмиссию загрязняющих веществ: оксидов серы, азота, возгонов золы и др. до уровня, характерного для топок с циркулирующим слоем, и повысить эксплуатационную надежность камеры сгорания.

Изобретение относится к низкотемпературному сжиганию топлива в топках промышленных и энергетических котлов и других теплотехнических установок. Для этого вихревая камера 1 сгорания, образованная экранами 2 и/или обмуровкой 3, имеет расположенные преимущественно внизу тангенциальные сопла 5 дутья и газовыпускное окно 4 в одной из торцевых стенок, причем поперечный размер А камеры 1 сгорания превышает расстояние Б между ее торцевыми стенками. Камера 1 включена в контур циркуляции частиц с сепарационным устройством 9 (выполненным, например, в виде пылеосадительной камеры 9), накопительным бункером 10, питателем 11 циркулирующих частиц и поверхностями 12 нагрева. Изобретение позволяет обеспечить высокоэкономичный низкотемпературный регулируемый топочный процесс с низкой эмиссией загрязняющих веществ, характерной для котлов с циркулирующим кипящим слоем. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая камера сгорания, образованная экранами и/или обмуровкой, содержащая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно в одной из торцевых стенок, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками, отличающаяся тем, что она включена в контур циркуляции частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером и питателем этих частиц. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что контур циркуляции частиц снабжен поверхностями нагрева. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что экраны в зоне вращения частиц закрыты износостойким материалом или обмуровкой. 4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что тангенциальные сопла дутья расположены преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока.