ТОПКА Российский патент 2000 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.

При конструировании топок особое внимание уделяют обеспечению полноты сжигания топлива, что является одним из определяющих факторов для повышения их экономических и экологических характеристик. 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.

Для снижения температуры в зоне горения применяют ряд способов, таких как рециркуляция продуктов сгорания в топку, угрубления помола топлива и др. В настоящее время наиболее эффективным представляется использование вихревых топок, обеспечивающих сохранение относительно низких максимальных температур горения путем увеличения времени пребывания частиц в зонах активного горения. Известна топка (SU, A, 483559), содержащая камеру сгорания с горелкой для подачи топливовоздушной 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 топливовоздушную смесь, а снизу через щелевое устье с помощью устройства нижнего дутья - воздух. В результате взаимодействия двух встречно направленных потоков в 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 объеме 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 при сжигании в такой топке топлива угрубленного фракционного состава, например в случае износа рабочих частей угольных мельниц, может увеличиваться провал в шлаковый бункер крупных топливных частиц.

Это связано, например, с тем, что экранные поверхности нагрева большинства типов топочных камер представляют панели из вертикально расположенных труб. Между этими трубами получаются своего рода желоба, в которых могут скапливаться топливные частицы. Такие частицы выстраиваются друг за другом, образуя цепочки. Достигнув некоторой "критической" массы, данные конгломераты, преодолевая сопротивление встречного потока воздуха, выходящего из сопл нижнего дутья, проваливаются в шлаковый комод.

Для борьбы с провалом несгоревшего топлива приходится увеличивать скорость нижнего дутья, что приводит к повышению затрат на тяго-дутьевые машины и интенсификации эрозионного износа экранных труб. Кроме того, чрезмерные скорости потока нижнего дутья могут вызвать нарушение оптимальной аэродинамики вихревого топочного процесса, что приведет к повышению выноса из топки недогоревших частиц.

Еще больше проблем возникает при использовании в топочной камере негазоплотных экранов, что присуще практически всем старым котлоагрегатам. В этом случае недогоревшие топливные частицы проваливаются между экранными трубами и скатываются по расположенным под экранами плитам обмуровки топки в шлаковый бункер. В устье холодной воронки частицы, которые двигались вдоль того ее ската, под которым расположены сопла нижнего дутья, попадают в струю, выходящую из этих сопел. Часть из них возвращается этим потоком снова в зону активного горения, а наиболее тяжелые могут уйти в провал. Связано это с тем, что эти частицы движутся поперек потока нижнего дутья. Гораздо более эффективно процесс возврата топливных частиц протекает в случае, когда частицы движутся навстречу потоку нижнего дутья (например, вдоль какой-либо наклонной поверхности). В этом случае времени взаимодействия потока воздуха с частицей оказывается достаточно, чтобы погасить кинетическую энергию последней (этому же способствует и трение частицы о поверхность), а затем направить ее обратно в камеру сгорания.

Что же касается частиц, которые двигались вдоль противоположного ската холодной воронки, то они практически полностью уходят в провал. Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива в такой топке обычно заметно превышают нормативные значения, поэтому экономические характеристики являются относительно невысокими.

Известна вихревая топка, описанная в заявке PCT/RU 93/00291, предназначенная для сжигания грубоизмельченного топлива. Топка содержит вихревую камеру с наклонными скатами, образующими устье, под которым расположена камера обработки крупных фракций топлива с размещенным в ее нижней части соплом для подачи воздуха нижнего дутья. Камера обработки крупных фракций топлива представляет собой криволинейный канал, у которого нижний край стенки, расположенный напротив сопла для подачи воздуха нижнего дутья, расположен ниже оси сопла. Стенка, на которой расположено сопло, имеет участок выше последнего, ориентированный к оси сопла и на противоположную стенку. Стенка напротив сопла выполнена вогнутой относительно него, верхний ее край направлен на верхний участок противоположной стенки, ориентированный вдоль противоположного ему наклонного ската вихревой камеры.

При работе такой топки наиболее мелкие частицы топлива сгорают вблизи горелки, а относительно крупные частицы опускаются в нижнюю часть вихревой камеры и подхватываются подаваемым через устройство обработки крупных частиц воздухом нижнего дутья. Наиболее крупные частицы проваливаются через щелевое устье холодной воронки и, пройдя через криволинейный канал, попадают на вогнутую стенку устройства для обработки крупных частиц топлива. Форма криволинейного канала обеспечивает изменение направления движения частиц топлива после их поступления в криволинейный канал таким образом, что подхватываемые воздухом нижнего дутья они ударяются о противоположную стенку канала и измельчаются. Получившиеся в результате дробления относительно мелкие частицы выносятся потоком воздуха нижнего дутья в вихревую зону, где и догорают. Крупные частицы топлива вновь проваливаются в нижнюю часть устройства и цикл повторяется.

Такая топка может успешно применяться при сжигании грубоизмельченного топлива, особенно высоковлажного, когда требуется значительное время на подготовку крупных частиц топлива. В том случае, если используют мелкоизмельченное (в виде пыли) и относительно сухое топливо, в котором крупные частицы встречаются относительно редко, указанная конструкция становится неэкономичной, поскольку неоправданно увеличиваются затраты на дутьевые машины. Это связано с потерями энергии при неоднократном изменении направления воздушного потока (в том числе и резком при ударах о противоположную стенку) в криволинейном канале. А самое главное, если используемые топлива имеют склонность к шлакованию, то наличие под устьем холодной воронки достаточно протяженного криволинейного канала, имеющего зоны с относительно узким поперечным сечением (что необходимо для эффективной работы описанного выше устройства), может привести к возникновению проблем с эксплуатацией данного котельного агрегата в связи с частым забиванием криволинейного канала крупными кусками отвалившегося от стенок шлака. Это может привести к нарушениям в нормальной эксплуатации топки и всего агрегата в целом.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать такую вихревую топку, в которой устройство ввода нижнего дутья было бы выполнено таким образом, чтобы обеспечить возврат частиц топлива в вихревую зону и тем самым добиться более полного сгорания топлива и одновременно снизить опасность завала шлаком устройства нижнего дутья при улучшении экономичности топки.

Поставленная задача решается 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 для ввода воздуха нижнего дутья, причем стенка указанного устройства нижнего дутья, расположенная против сопла для подачи воздуха нижнего дутья, выполнена вогнутой относительно указанного сопла, которое расположено в нижней части указанного устройства нижнего дутья, в соответствии с изобретением устройство для ввода нижнего дутья расположено по всей ширине устья холодной воронки, указанная вогнутая стенка в верхней части примыкает к устью холодной воронки и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащий скат холодной воронки в его средней части, а ось сопла для подачи воздуха нижнего дутья проходит вдоль нижней части вогнутой стенки и направлена снизу вверх так, что угол между указанной осью и указанной вогнутой стенкой в нижней ее части составляет от 0 до 45^o.

Благодаря тому, что устройство ввода нижнего дутья расположено по всей ширине щелевого устья, при работе топки обеспечивается создание вихревой зоны практически во всем объеме нижней части камеры сгорания и предотвращается вероятность провала отдельных частиц топлива из-за неравномерности потока воздуха нижнего дутья.

При указанном угле наклона оси воздушного сопла обеспечивается наиболее эффективный "угол атаки" для частиц топлива и шлака при минимизации потерь энергии. Это обеспечивает наиболее успешную работу топки.

Расположение верхней части вогнутой стенки таким образом, как описано выше, определяется, с одной стороны, опасностью эрозионного износа гибов экранных труб в устье холодной воронки, а с другой - возможностью отрыва струи нижнего дутья от ската холодной воронки и перехода к так называемому "фонтанирующему" режиму, при котором нарушается аэродинамика вихревого процесса и резко возрастают потери теплоты, связанные с выносом из топки несгоревшего топлива.

Данная конструкция в первую очередь призвана обеспечить попадание всех частиц топлива, провалившихся по тем или иным причинам в шлаковый комод, на нижнюю часть вогнутой стенки. Потеряв при ударе часть своей кинетической энергии, они окатываются вниз, подвергаясь действию набегающего снизу вверх потока нижнего дутья, который и возвращает их обратно в камеру сгорания.

Отсутствие в данной конструкции "узких" мест исключает забивание данного устройства крупными кусками шлака.

Целесообразно, чтобы вогнутая стенка устройства нижнего дутья в своей нижней части была наклонена к горизонту под указанным углом. Поскольку угол между осью воздушного сопла устройства нижнего дутья и нижней частью вогнутой стенки составляет указанную величину, более легкие частицы топлива подхватываются воздушным потоком и возвращаются в вихревую зону, а частицы шлака под своей тяжестью сползают в отвал. Частицы топлива, попадающие на вогнутую стенку, имеют различную скорость и различное направление этой скорости. В том случае, если угол наклона стенки больше 45^o, некоторые частицы топлива, обладающие большой скоростью, при соударении со стенкой мало теряют скорость (происходит скользящий удар) и могут, преодолев сопротивление воздушного потока, проскочить прямо в шлаковый комод, что увеличивает потери от недожога топлива. Если угол наклона стенки меньше 20^o, то практически все частицы топлива затормаживаются на этой стенке, подхватываются воздушным потоком и возвращаются в вихревую зону для дожигания. Однако наиболее тяжелые частицы шлака при таком наклоне стенки могут накапливаться, спекаться и привести даже к завалу устройства нижнего дутья.

Ориентация верхней части вогнутого листа выбрана из следующих соображений. Поток нижнего дутья, выходящий из устья холодной воронки, должен подхватывать частицы топлива, выпавшие на скат. Поэтому, чем раньше ось этого потока пересекает данный скат, тем лучше. В то же время необходимо исключить контакт данного потока, несущего абразивные частицы (топливо, зола и пр.), с гибами труб, поскольку это наиболее опасные с точки зрения возможности разрыва участки экранов, так как при гибке труб внешние их части утоняются (растягиваются).

Целесообразно, чтобы устройство для ввода нижнего дутья вихревой топки содержало две одинаковые части, осесимметричные относительно вертикальной оси камеры сгорания.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых
фиг. 1 изображает нижнюю часть топки, выполненной в соответствии с изобретением, в вертикальном разрезе,
фиг. 2 изображает схематически подачу топлива и воздуха нижнего дутья для другого варианта воплощения изобретения.

Как показано на фиг. 1, вихревая топка содержит камеру 1 сгорания с установленной на ее стенке наклоненной вниз горелкой 2. В нижней своей части две противолежащие стенки камеры 1 сгорания наклонены и их скаты 1а и 1б вместе с двумя другими стенками (на чертеже не показаны) образуют холодную воронку 3 призматической формы со щелевым устьем 4. Под щелевым устьем 4 по всей его ширине установлено устройство для ввода нижнего дутья 5. На одной из стенок 6 устройства 5, расположенной под одним из скатов камеры сгорания, установлено воздушное сопло 7, а противоположная стенка 8 устройства нижнего дутья выполнена вогнутой относительно этого воздушного сопла. Сопло установлено так, что его ось пересекает нижнюю часть вогнутой стенки, а угол а между этой осью и нижней частью стенки 8 составляет от 0 до 45^o. Вогнутая стенка 8 в своей нижней части наклонена к горизонту под углом 20-45^o, а в своей верхней части примыкает к краю устья 4 холодной воронки 3. Воображаемая плоскость, показанная на чертеже пунктиром, являющаяся продолжением верхней части стенки 8, пересекает противолежащий скат 1б в его средней части.

Устройство для ввода нижнего дутья может быть выполнено осесимметричным, как схематически показано на фиг. 2. В этом случае оно содержит две одинаковые аналогичные описанному выше устройству нижнего дутья части, осесимметричные относительно вертикальной оси камеры сгорания. Вторая часть выполнена так, что на примыкающей к вогнутой стенке первой части устройства нижнего дутья вертикальной стенке установлено второе воздушное сопло, а противоположная стенка второй части устройства нижнего дутья, примыкающая к вертикальной стенке первой части, выполнена вогнутой относительно второго сопла.

При работе вихревой топки, выполненной в соответствии с изобретением, через горелку 2 подают топливовоздушную смесь, а через сопло 7 устройства 5 нижнего дутья - воздух. Мелкие частицы топлива сгорают в непосредственной близости от горелки, а более крупные опускаются в нижнюю часть и подхватываются потоком воздуха нижнего дутья. При взаимодействии встречных потоков топливовоздушной смеси и воздуха нижнего дутья в нижней части камеры сгорания образуется вихревая зона, в которой, в результате многократной циркуляции, и сгорает большая часть частиц топлива. Благодаря тому, что устройство 5 ввода нижнего дутья расположено по всей ширине щелевого устья 4, все частицы топлива в нижней части попадают в поток нижнего дутья, а вихревая зона образуется практически во всем объеме нижней части камеры сгорания, что предотвращает провал отдельных частиц топлива из-за неравномерности потока воздуха нижнего дутья. Однако в потоке топливовоздушной смеси всегда имеется некоторое количество более крупных или обладающих более высокой кинетической энергией частиц, которые преодолевают силу воздушных потоков и проваливаются через щелевое устье в устройство нижнего дутья. Кроме того, как указывалось выше, существует вероятность образования конгломератов топливных частиц вдоль труб тепловых экранов, которые при достижении относительно большой массы проваливаются в устройство нижнего дутья, а также вероятность провала частиц при использовании негазоплотных экранов. Все эти частицы, проходя через щелевое устье, попадают на нижнюю часть вогнутой стенки 8 устройства нижнего дутья, затормаживаются и медленно сползают вниз. Как уже упоминалось выше, при указанном наклоне от 20 до 45^o нижней части изогнутой стенки к горизонту скорость сползания частиц топлива и шлака такова, что частицы топлива до достижения края стенки подсушиваются, подхватываются потоком воздуха нижнего дутья и возвращаются в вихревую зону, а частицы шлака медленно сползают в шлаковый комод, не успевая при этом спечься и достигнуть критической массы, вызывающей опасность завала шлакового комода. Благодаря соотношению углов наклона оси сопла нижнего дутья и нижней части стенки 8 обеспечивается наиболее эффективное взаимодействие потока воздуха нижнего дутья и частиц топлива, находящихся на стенке 8. Кроме того, при таком соотношении углов поток воздуха нижнего дутья проходит вдоль стенки 8 и выходит из щелевого устья 4 под таким углом, что пересекает скат 1б в средней его части. Этим обеспечивается снижение опасности эрозионного износа гибов экранных труб, что может быть, если поток воздуха нижнего дутья в смеси с частицами топлива попадает на верхнюю часть ската холодной воронки. Если же поток воздуха нижнего дутья попадает на нижнюю часть ската холодной воронки, возникает опасность отрыва струи нижнего дутья от ската холодной воронки и, как указывалось выше, перехода к "фонтанирующему" режиму.

В том случае, если устройство для ввода нижнего дутья содержит две одинаковые части, осесимметричные относительно вертикальной оси камеры сгорания, работа его происходит аналогичным образом. На фиг. 2 схематически показаны направления подачи топливовоздушной смеси через горелки 9 и воздуха нижнего дутья через соответствующие сопла 10. При реализации такого варианта воплощения изобретения достигается еще большая полнота сгорания топлива, поскольку в нижней части камеры сгорания образуется кроме горизонтального еще и вертикальный вихрь.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить полноту сгорания топлива при одновременном снижении опасности завала шлакового комода и тем самым повысить экономические характеристики топки.

Изобретение может быть реализовано как при строительстве новых, так и при реконструкции старых топочных агрегатов.

Топка содержит камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной наклоненной вниз горелкой для подачи топливовоздушной смеси и холодную воронку призматической формы. Щелевое устье холодной воронки образовано скатами стенок нижней части камеры сгорания. Под дутьем холодной воронки размещено устройство для ввода воздуха нижнего дутья, причем стенка устройства нижнего дутья, расположенная против сопла для подачи воздуха нижнего дутья, выполнена вогнутой относительно указанного сопла. В соответствии с изобретением устройство для ввода нижнего дутья расположено по всей ширине устья холодной воронки, вогнутая стенка в верхней части примыкает к устью холодной воронки и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащий скат холодной воронки в его средней части, ось сопла для подачи воздуха нижнего дутья проходит вдоль нижней части вогнутой стенки и направлена снизу вверх так, что угол между указанной осью и указанной вогнутой стенкой в нижней ее части составляет 0 - 45°. Настоящая топка обеспечивает возврат частиц топлива в вихревую зону, что позволяет добиться более полного сгорания топлива и повысить экономичность топки. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая топка, содержащая камеру сгорания по меньшей мере с одной наклоненной вниз горелкой для подачи топливо-воздушной смеси, установленной на ее стенке, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, и размещенным под устьем холодной воронки устройством для ввода воздуха нижнего дутья, причем стенка указанного устройства нижнего дутья, расположенная против сопла для подачи воздуха нижнего дутья выполнена вогнутой относительно указанного сопла, которое расположено в нижней части указанного устройства нижнего дутья, отличающаяся тем, что устройство для ввода нижнего дутья расположено по всей ширине устья холодной воронки, указанная вогнутая стенка в верхней части примыкает к устью холодной воронки и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащий скат холодной воронки в его средней части, а ось сопла для подачи воздуха нижнего дутья проходит вдоль нижней части вогнутой стенки и направлена так, что угол между указанной осью и указанной вогнутой стенкой в нижней ее части составляет 0 - 45^o. 2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что вогнутая стенка в нижней своей части наклонена к горизонту под углом 20 - 45^o. 3. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для ввода нижнего дутья содержит две одинаковые части, осесимметричные относительно вертикальной оси камеры сгорания.