ВИХРЕВАЯ КАМЕРНАЯ ТОПКА Российский патент 2000 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к организации факельного и факельно-слоевого сжигания низкосортных и низкореакционных твердых и жидких топлив и отходов, по отдельности и совместно, в том числе водоугольной суспензии, отходов углеобогащения и др. Оно может использоваться в разработках новых и при реконструкции существующих технологических печей и топок котлов.

Известна [1, рис. 3.32в] применяемая в энергетике вихревая камерная топка ЦКТИ с пересекающимися струями, содержащая экранированную топку с расположенным внизу циклонным предтопком. Топливо и воздух подают в циклонный предтопок тангенциально. За счет этого в циклонном предтопке создается вихревое течение. Стенки в циклонном предтопке теплоизолированы, они закрываются (утепляются) износостойкой обмуровкой. Соответственно процессы горения и теплоотвода разделены и топочный процесс является высокотемпературным. Продукты сгорания охлаждаются в основной экранированной топочной камере и затем удаляются через расположенное вверху газовыпускное окно в конвективный газоход для их более глубокого охлаждения. Вихревое течение и пересечение струй подаваемой воздухотопливной смеси с раскаленным потоком уходящих продуктов сгорания обеспечивают в циклонном предтопке интенсивное воспламенение и стабильное горение, в том числе и низкореакционных топлив.

Недостатками этой вихревой камерной топки являются:
- большие габариты и сложность конструкции, так как необходимо выделение специального объема циклонного предтопка;
- такая схема мало пригодна для реконструкции существующих топок и котлов;
- большая эмиссия ядовитых оксидов азота и возгонка заметной доли минеральной части топлива с последующим зашлаковыванием экранов топки и конвективного газохода из-за использования высокотемпературного топочного процесса.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранному в качестве прототипа, является низкотемпературная вихревая камерная топка ЛПИ [1, рис. 3.28]. Вихревая камерная топка, содержит камеру сгорания с газовыпускным окном, горелки и расположенную внизу систему удаления шлака. Горелки прямоточные, установлены на фронтовом экране с наклоном вниз. Кроме того, имеются ориентированные встречно из под нижнего гиба заднего экрана сопла вторичного нижнего дутья.

Струи, истекающие из сопел вторичного нижнего дутья и горелок, действуя в паре, формируют петлевое течение в виде вихря с горизонтальной осью вращения. Доля вторичного дутья определяется условиями создания устойчивого вихря, она значительна и обычно составляет 30-40%. Вихрь заполняет холодную воронку топки, поэтому все экраны топки, включая и стенки холодной воронки, вовлекаются в активный теплообмен. Благодаря повышенному теплосъему, топочный процесс становится низкотемпературатурным и соответственно снижаются возгонка минеральной части топлива, зашлаковывание экранов топки и эмиссия ядовитых оксидов азота.

По конструкции схема данной топки принципиально не отличается от типовых П-образных пылеугольных и жидкотопливных топок энергетических котлов и может использоваться для их реконструкции. Низкотемпературные вихревые камерные топки ЛПИ наиболее пригодны и нашли применение при организации сжигания торфа, горючих сланцев и бурых углей, то есть высокореакционных и в том числе низкокачественных топлив. Для лучшего заполнения вихря горящими частицами используют укрупненный помол или просто дробление рядового топлива.

Недостатками прототипа являются:
- низкая эффективность по экономичности и экологическим показателям топочного процесса потому, что в топке формируются два независимых потока: поток, восходящий по заднему экрану топки с избытком топлива, и петлевой поток с большим избытком воздуха. Это связано с тем, что по условиям формирования аэродинамической обстановки воздух с топливом через горелки (первичный воздух) подается с недостатком, так как значительная доля (до 30-40%) его должна вводиться в виде нижнего дутья. В топочном же объеме не организовано перемешивание потоков дутья и поэтому в топке имеется существенный дисбаланс в распределении воздуха и топлива. Примерно половина топливовоздушного потока, которая отражается от заднего экрана вверх, в сторону газовыпускного окна имеет избыток топлива, и топливо здесь плохо выгорает из-за недостатка кислорода даже при повышенных избытках воздуха по топке в целом. Соответственно недожог топлива и повышенные избытки воздуха снижают экономичность топочного процесса. В петлевом потоке наоборот есть существенный избыток воздуха и здесь имеет место повышенная эмиссия оксидов азота, хотя она и не слишком интенсивна благодаря понижению температуры;
- схема прототипа не используется при разработке новых и реконструкции существующих котлов малой и средней мощности и в том числе слоевых, так как конструктивно их компоновка отличается от П-образной;
- схема прототипа не используется при сжигании низкореакционных и обводненных топлив, так как в ней не предусмотрены меры по воспламенению и стабилизации горения с характерным увеличенным участком подготовки и воспламенения топливовоздушной смеси, например, у водоугольной суспензии, в том числе и потому, что применяются прямоточные горелки;
- схема прототипа не используется при организации факельного сжигания совместно со слоевым способом.

Целью настоящего изобретения является:
- повышение экономичности;
- улучшение экологических показателей;
- расширение применимости схемы сжигания в вихревой камерной топке при разработке новых и реконструкции существующих технологических печей и топок котлов;
- расширение применимости схемы вихревой камерной топки на организацию факельного и факельно-слоевого сжигания низкосортных и низкореакционных твердых и жидких топлив и отходов, по отдельности и совместно со слоевым сжиганием, в том числе водоугольной суспензии, отходов углеобогащения и др.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревой камерной топке, содержащей камеру сгорания с газовыпускным окном, горелки и расположенную внизу систему удаления шлака, по предлагаемому изобретению горелки направлены в топочный объем тангенциально и установлены перед газовыпускным окном.

Дополнительно стена камеры сгорания, расположенная за газовыпускным окном, то есть на участке прогрева и воспламенения струй может быть выполнена из обмуровки или экранами, утепленными обмуровкой. Причем могут быть установлены и вихревые горелки, в которые направляется только первичный воздух, с подачей вторичного воздуха через расположенные между грелками и газовыпускным окном сопла, ориентированные одинаково с горелками.

Кроме того, в качестве системы удаления шлака в нижней части топочного объема может устанавливаться топочное устройство слоевого типа.

При направлении горелок в топочный объем тангенциально, топливовоздушный поток формирует в топке петлевое течение в виде вихря. Благодаря установке горелок перед газовыпускным окном при пересечении струй свежей воздухотопливной смеси с раскаленным потоком уходящих продуктов сгорания обеспечивается интенсивное воспламенение и стабилизация горения, в том числе и низкореакционных топлив, а также отбивание части выносимых частиц обратно в топку. Вихрь заполняет топку, активизирует смесеобразование и выгорание топлива даже при минимальных избытках воздуха. Этим повышается экономичность топки.

В топках котлов все экраны вовлекаются в активный теплообмен. Благодаря повышенному теплосъему топочный процесс становится низкотемпературатурным. Соответственно снижаются возгонка минеральной части топлива, зашлаковывание экранов топки и эмиссия ядовитых оксидов азота, то есть улучшаются экологические показатели.

Геометрия вихря детерминируется расположением и ориентацией горелок. Например, схема с вертикальной осью вращения удобна при конструировании и реконструкции технологических печей и котлов малой мощности и в том числе слоевых. Устанавливая в нижней части топки дополнительно топочное устройство слоевого типа можно организовать факельно-слоевой топочный процесс с одновременным сжиганием нескольких видов топлив в факеле и слое. Соответственно при ориентации струй в вертикальной плоскости, вихрь будет иметь горизонтальную ось вращения, и реализуется схема наиболее пригодная для П-образной компоновки котлов.

При выполнении расположенной за газовыпускным окном стены камеры сгорания из обмуровки или из экранов закрытых обмуровкой, благодаря локальному утеплению топки ускоряется прогрев и воспламенение топлива и дополнительно повышается эффективность топки. При использовании вихревых горелок за счет интенсификации перемешивания с раскаленным потоком топочных газов также ускоряется прогрев и воспламенение топлива, и особенно при подаче в них только первичного воздуха.

Подача вторичного воздуха через расположенные за горелками, ближе к газовыпускному окну и ориентированные одинаково с горелками сопла в виде высоконапорных струй обеспечивает не только защиту свежего топлива с помощью аэродинамической завесы от выноса, но и реализует экологически более чистую схему двухступенчатого сжигания.

На фиг. 1 показано вертикальное А-А, а на фиг. 2 горизонтальное Б-Б сечения предлагаемой вихревой камерной топки в варианте применения ее к слоевым топкам котлов.

Вихревая камерная топка, содержит камеру сгорания 1 с газовыпускным окном 2, горелки 3, сопла 4 и расположенную внизу систему удаления шлака. Горелки 3 и сопла 4 направлены в топочный объем тангенциально и установлены перед газовыпускным окном 2. В общем случае могут быть применены, в зависимости от типа топлива, щелевые, вихревые или горелки 3 другого типа, а сопла 4 могут не устанавливаться.

При направлении горелок 3 и сопел 4 (на фиг.1 они показаны условно) в камеру сгорания 1 тангенциально, входящий топливовоздушный поток формирует в топке петлевое течение в виде вихря с условными траекториями 5. Все экраны 6, ограждающие камеру сгорания 1, вовлекаются в активный теплообмен и благодаря повышенному теплосъему топочный процесс становится низкотемпературатурным. Соответственно снижаются возгонка минеральной части топлива, зашлаковывание экранов топки и эмиссия ядовитых оксидов азота. Кроме того, вихрь, заполняя топку, активизирует смесеобразование и выгорание топлива даже при минимальных избытках воздуха. Таким образом повышаются экономичность и экологические показатели топки.

Геометрия траекторий 5 вихря детерминируется расположением и ориентацией горелок 3 и сопел 4. В рассматриваемом случае струи распространяются в горизонтальной плоскости, то есть вихрь имеет вертикальную ось вращения. В качестве системы удаления шлака используется типовое топочное устройство, состоящее из слоевой решетки 7 обратного хода со слоем 8 горящего топлива, забрасывателей 9, бункера 10 топлива и шлакоприемника 11. Таким образом, по предлагаемому изобретению расширяется круг применимости вихревой камерной топки, в частности реализуется схема наиболее пригодная для котлов малой и средней мощности, в том числе и слоевых. В вихревой камерной топке по предлагаемому изобретению легко осуществить факельное и факельно-слоевое сжигание низкосортных и низкореакционных твердых и жидких топлив, а также горючих отходов.

Камера сгорания 1 образуется водоохлаждаемыми экранами 6 или стенами 12, выполненными из обмуровки. Стенка камеры сгорания 1, расположенная за газовыпускным окном 2 по ходу потока, то есть на участке прогрева и воспламенения струй, может быть специально выполнена из обмуровки 13 или экранами, утепленными обмуровкой 14.

Котел состоит из верхнего 15 и нижнего 16 барабанов, между которыми установлены пакеты 17 из кипятильных труб и поворотная камера 18, выделенные перегородками 19. Кроме того, в котле имеется набор типового оборудования: вентилятор 20 с воздуховодами 21 и регулирующими шиберами 22, насос 23 с трубопроводами 24 для подачи жидких отходов или жидкого топлива, например водоугольной суспензии, патрубок 25 отвода дымовых газов и др.

Предлагаемая вихревая камерная топка работает следующим образом.

Топочный процесс осуществляется в камере сгорания 1. Летучие и газообразные продукты сгорания выходят через газовыпускное окно 2. Благодаря установке горелок 3 перед газовыпускным окном 2 струи свежей воздухотопливной смеси пересекаются с раскаленным потоком уходящих продуктов сгорания, быстро прогреваются и воспламеняются. Эти процессы усиливаются при выполнении расположенной за газовыпускным окном 2 стены камеры сгорания 1 из обмуровки 13 или из экранов 6, закрытых обмуровкой 14, из-за дополнительного подвода тепла к струям от разогретых стенок. За счет интенсификации перемешивания с раскаленным потоком топочных газов в случае использования вихревых горелок еще более ускоряется прогрев и воспламенение топлива, особенно при подаче в горелки только первичного воздуха. Таким образом, в предлагаемой вихревой камерной топке происходит интенсивное воспламенение и стабилизация горения, что позволяет использовать ее для сжигания, в том числе и низкореакционных топлив. Все эти меры позволяют организовать, даже в топках малого объема, сжигание таких топлив, как водоугольная суспензия с характерным для нее увеличенным участком прогрева и воспламенения.

При направлении горелок 3 и сопел 4 в камеру сгорания 1 тангенциально, входящий поток формирует в топке петлевое течение в виде вихря с условными траекториями 5. Центробежные силы сепарируют и удерживают частицы в топке, а входящий топливовоздушный поток отбивает выносимые частицы обратно в топку. Дополнительно защищают от выноса частиц, в том числе и свежего топлива, аэродинамические завесы, образующиеся при подаче вторичного воздуха в виде высоконапорных струй через расположенные между горелками 3 и газовыпускным окном 2 сопла 4, ориентированные одинаково с горелками 3.

Вихревое течение, заполняя топку, активизирует теплообмен, смесеобразование. Благодаря согласованной подаче топлива и воздуха выгорание топлива идет эффективно даже при минимальных избытках воздуха и обеспечивает высокоэкономичный низкотемпературный топочный процесс. Низкая температура и минимальные избытки обусловливают высокие экологические показатели.

При работе котла через горелки 3 для факельного сжигания может вводиться угольная пыль. Кроме того, насосом 23 по трубопроводам 24 могут подаваться жидкие отходы или жидкое топливо, например водоугольная суспензия. Кусковые твердое топливо или горючие отходы, например отходы углеобогащения, подаются из бункера 10 топлива и распределяются забрасывателями 9 по слоевой решетке 7. Здесь кусковое топливо и выпадающие из топочного объема частицы горят в слое 8. Шлак и очаговые остатки решеткой 7 обратного хода удаляются в шлакоприемник 11.

Таким образом, по изобретению осуществляется факельно-слоевое сжигание, причем не одного, а различных типов топлив. Одновременно расширяется круг применимости вихревой камерной топки, в частности реализуется схема наиболее пригодная для котлов малой и средней мощности, в том числе и слоевых.

В предлагаемой вихревой камерной топке факельный и слоевой процессы горения не просто сосуществуют, они активно взаимодействуют и взаимно стабилизируются: слой поддерживает горение факела, а тепловое излучение факела разогревает слой. Кроме того, мелочь, выносимая из слоя, удерживается и дожигается в вихре, а крупные частицы, выпадающие из факела, догорают в слое 8. Этим дополнительно повышается экономичность и круг применимости топки. В предлагаемой топке соответственно возможно организовать одновременное сжигание двух типов низкокачественных топлив или отходов. Например, в слой подаются не горящие самостоятельно кусковые отходы углеобогащения, и их горение поддерживается факельным сжиганием водоугольной смеси.

Воздух, необходимый для организации топочного процесса, подается в топку вентилятором 20. По воздуховодам 21 он направляется под горящий слой 8 кускового топлива, в горелки 3 и сопла 4. Конкретно дутье распределяется регулирующими шиберами 22. Подача дутья в виде вторичного воздуха через сопла 4 обеспечивает экологически более чистое двухступенчатое сжигание.

Продукты сгорания, выходящие через газовыпускное окно 2, проходят далее последовательно выделенные перегородками 19 поворотную камеру 18 и пакеты 17 из кипятильных труб. Здесь они охлаждаются, передавая тепло воде, которая циркулирует по кипятильным трубам между верхним 15 и нижним 16 барабанами котла, и далее выводятся по патрубку 25 отвода дымовых газов.

Использование предлагаемой вихревой камерной топки по сравнению с прототипом [1, рис. 3.28] позволяет:
- повысить экономичность и экологические показатели топки, так как в ней поддерживается не только низкотемпературный топочный процесс, но и согласованная подача воздуха и топлива: соответственно топливо выгорает при минимальных избытках воздуха, обеспечивается высокая экономичность, низкая возгонка золы и малая эмиссия оксидов;
- расширить применимость схемы сжигания в вихревой камерной топке: формирование вихря с вертикальной осью вращения позволяет использовать предлагаемую топку при разработке новых и реконструкции существующих технологических печей и топок котлов малой и средней мощности;
- расширить применение вихревой камерной топки на организацию факельного и факельно-слоевого сжигания низкосортных и низкореакционных твердых и жидких топлив и отходов, по отдельности и совместно со слоевым сжиганием, в том числе водоугольной суспензии, отходов углеобогащения и др. благодаря дополнительному дожиганию частиц и наличию взаимной стабилизации факела и горящего слоя.

Источники информации
1. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/ Под ред. В.М. Зорина.-М.: Энергоиздат, 1982.

Изобретение относится к организации сжигания твердых топлив, в том числе низкосортных, и может использоваться в печах и топках котлов и позволяет повысить экономичность и улучшить экологические показатели. Для этого в вихревой камерной топке, содержащей камеру 1 сгорания с газовыпускным окном 2, горелки 3 и расположенную внизу систему удаления шлака, горелки 3 направлены в топочный объем тангенциально и установлены перед газовыпускным окном 2. Стена камеры 1 сгорания, расположенная за газовыпускным окном 2 по ходу потока, то есть на участке прогрева и воспламенения струй, может быть выполнена из обмуровки или экранами 6, утепленными обмуровкой. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая камерная топка, содержащая камеру сгорания с газовыпускным окном, горелки и расположенную внизу систему удаления шлака, отличающаяся тем, что горелки направлены в топочный объем тангенциально и установлены перед газовыпускным окном, а стена камеры сгорания, расположенная за газовыпускным окном, то есть на участке прогрева и воспламенения струй, выполнена из обмуровки или экранами, утепленными обмуровкой. 2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве системы удаления шлака в нижней части топочного объема устанавливается топочное устройство слоевого типа. 3. Топка по п.1, отличающаяся тем, что между горелками и газовыпускным окном расположены сопла вторичного дутья, ориентированные в одинаковом направлении с горелками. 4. Топка по пп.1-3, отличающаяся тем, что в топке установлены вихревые горелки.