ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 2004 года по МПК F23C5/32 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться в промышленных и энергетических котлах сжигающих лузгу, измельченные растительные, горючие и древесные отходы или твердое топливо.

Известна топка котла [1, рис. 8-21, 8-22], выполненная в виде экранированной камеры дожигания и циклонных предтопков, подключенных к ней через газовыпускные окна. Циклонные предтопки образованны сложно изогнутыми экранами и имеют тангенциальные сопла дутья.

Такая топка, благодаря наличию циклонных предтопков, обеспечивает полное выгорание топлива. Однако топка не нашла широкого применения. В циклонных предтопках используется высокотемпературный топочный процесс с жидким удалением шлака, поэтому имеет место повышенная эмиссия опасных для окружающей среды оксидов азота, серы и возгонов минеральной части (золы).

Известны топки с циклонными предтопками [2, стр. 7], которые дороги, сложны в изготовлении и ремонте, т.к. образованы сложноизогнутыми экранами. Особенно сложную конструкцию имеют газовыпускные окна, выполненные вогнутыми внутрь предтопка экранами.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является вихревая топка [3]. Вихревая топка образована экранами и обмуровкой. Она имеет сопла дутья и расположенное в торцевой стенке газовыпускное окно, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают ее глубину, т.е. расстояние между торцевыми стенками. Вихревая топка содержит контур циркуляции частиц с сепарационным устройством, питателем частиц и поверхностями нагрева. За вихревой камерой сгорания располагается камера дожигания. Газовыпускное окно имеет простейшую конструкцию - выполнено в виде отверстия.

Эта топка имеет простую конструкцию и позволяет за счет вынесенного теплообменника использовать экологически более чистый низкотемпературный топочный процесс.

Недостатками прототипа являются сложность из-за наличия контура циркуляции частиц и низкая эффективность сжигания топлива из-за возможности его спекания и уноса мелких не догоревших частиц, так как не предусматривается подача и поддержание потока топлива в вихревой топке во взвешенном состоянии. Кроме того, в прототипе не предусмотрена возможность увеличения и глубокого регулирования мощности топки.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности сжигания топлива и дополнительно предусматривается возможность увеличения и глубокого регулирования мощности топки.

Данное техническое решение обеспечит следующий технический результат: увеличение экологической безопасности за счет более полного сгорания топлива путем создания условий выгорания частиц топлива во взвешенном состоянии, оптимальное соотношение расходов дутья между эжектором и двумя группами сопел дутья, упрощение конструкции и схемы запитки воздушным дутьем вихревой топки.

Поставленная цель достигается тем, что вихревая топка содержит, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом размером 100-200 мм. Отношение поперечного размера А вихревой камеры сгорания к ее глубине В составляет 2-6, а отношение поперечного размера А вихревой камеры сгорания к диаметру Д газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированны под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5.

Вихревая топка также содержит газовую горелку. Вид исполнения вихревой топки предполагает, что она содержит две вихревые камеры сгорания и расположенную между ними камеру дожигания, при этом газовая горелка может располагаться в вихревых камерах сгорания или камере дожигания, причем наклонена к поду вихревой камеры сгорания, или камеры дожигания.

Благодаря применению вихревой камеры сгорания с большими поперечными размерами можно упростить ее конструкцию.

За счет подачи топлива эжектором подачи топлива, предлагаемой направленности сопел дутья, соотношению сечений и скоростей топливо горит во взвешенном состоянии без спекания. При этом расположение в газоперепускном окне направленного в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамического выступа с размером 100-200 мм и выполнение вихревой камеры сгорания с отношением поперечных размеров к ее глубине, равным 2-6, снижает унос мелких частиц топлива. Таким образом, конструкция вихревой топки повышает эффективность сжигания топлива.

Предлагаемое выполнение вихревой топки из двух вихревых камер сгорания и расположенной между ним камеры дожигания дополнительно увеличивает мощности топки и обеспечивает возможность ее глубокого регулирования. Дополнительно введена газовая горелка в состав вихревой топки в качестве растопочной при использовании резервного вида топлива, при этом она может быть расположена как в вихревой камере сгорания, так и в камере дожигания. Этим обеспечивается расширение функциональных особенностей вихревой топки, а также более быстрый выход на режим при пусковом цикле.

Сопоставительный анализ уровня техники, представленный аналогами, позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию “новизна”.

На фиг.1 схематично показано вертикальное сечение, а на фиг.2 - горизонтальное сечение предлагаемой вихревой топки. На фиг.3 дополнительно показано горизонтальное сечение предлагаемой вихревой топки в варианте с двумя камерами сгорания. На фиг.4 показан разрез предлагаемой вихревой топки, проходящий через расположенную в камере дожигания газовую горелку, на фиг.5 дополнительно показано сечение, проходящее через газовые горелки, расположенные в вихревых камерах сгорания предлагаемой вихревой топки в варианте с двумя вихревыми камерами сгорания.

Вихревая топка содержит, по крайней мере, одну вихревую камеру сгорания 1 и камеру дожигания 2. Эти камеры образованы экранами 3 и обмуровкой 4, соединены газоперепускным окном 5 с аэродинамическим выступом 6. Конструктивно камеры 1, 2 ограничены внешними торцевыми 7 и внутренними разделительными 8 стенками.

Вихревая топка имеет вспомогательные системы. Система топливоподачи с эжектором подачи топлива 9, питателем 10 и бункером 11 топлива подключена к вихревой камере сгорания 1 через диффузор 12. Система подачи воздуха имеет группы первых 13, вторых 14 сопел дутья, эжектор подачи топлива 9, диффузор 12, воздуховоды 15, шиберы 16 и общий вентилятор 17 и также подключена к вихревой камере сгорания 1. Система охлаждения и удаления продуктов сгорания содержит трубы конвективной поверхности 18 нагрева котла и выходное окно 19. Они подключены к камере дожигания 2.

Газоперепускное окно 5 обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания 1 аэродинамическим выступом 6 с размером 100-200 мм. Аэродинамический выступ 6 уменьшает вынос мелких частиц, в том числе не догоревшего топлива, и в предлагаемой конструкции может быть выполнен типовой арочной кладкой из клинового шамотного кирпича, что значительно упрощает конструкцию топки. Выступ менее 100 мм малоэффективен, а более 200 мм трудно изготовить из стандартного клинового кирпича.

На фиг.1-5 обозначены: А - поперечный размер вихревой камеры сгорания; В - глубина вихревой камеры сгорания; Д - диаметр газоперепускного окна.

Отношение поперечного размера А вихревой камеры сгорания 1 к ее глубине В, т.е. к расстоянию между ее боковыми стенками, принято 2-6 из условий обеспечения хорошего удержания мелких частиц от выноса и возможности размещения необходимой для низкотемпературного топочного процесса площади охлаждающих экранов 3. Так, отношение меньшее 2 из-за больших осевых скоростей в вихре не обеспечивает хорошего удержания частиц при предлагаемой простой конструкции газоперепускного окна 5. Кроме того, вихревая камера сгорания 1 с большой глубиной плохо вписывается в профиль котлов. Для типичных теплонапряжений топочного объема и отношения размеров 5-6, как показывают оценочные расчеты, вся площадь охлаждающих экранов 3 может быть размещена на поверхности внешней стенки 7. Причем это условие выполняется при обеспечении низкотемпературного топочного процесса даже для топлив высокой калорийности.

Таким образом, при предлагаемом отношении размеров 2-6, можно для любых топлив использовать простую конструкцию вихревой топки: прямые экраны, причем только на внешней торцевой стенке 7 вихревой камеры сгорания 1, и выполненную кладкой из шамотного кирпича разделительную стенку 8 с газоперепускным окном 5.

Отношение поперечного размера А вихревой камеры сгорания 1 к диаметру Д газоперепускного окна 5 выбрано 1,4-5, что позволяет проектировать и изготовлять вихревые топки различной мощности.

Выход диффузора 12 предлагается располагать с наклоном вниз, на расстоянии не меньше 100 мм от пода топки. Наклон тракта подачи топлива позволяет работу системы топливоподачи на малых нагрузках, а его подъем над подом топки обеспечивает подсос горячих топочных газов под вводимую топливовоздушную струю, ее быстрый прогрев и воспламенение, т.е. повышает эффективность сжигания топлива.

Ориентирование топливовоздушной струи под корень группы первых 13 сопел дутья, направление этих сопел вверх под углом 30-45° и ориентирование под корень второй 14 группы сопел дутья, направленных по касательной к аэродинамическому выступу 6 обеспечивает поддержание потока топлива во взвешенном состоянии, исключает возможность его спекания и также повышает эффективность сжигания топлива. При этом направление второй 14 группы сопел дутья по касательной к аэродинамическому выступу 6, с одной стороны, исключает прямой выброс потока в газоперепускное окно 5, а с другой, обеспечивает максимальную длину траектории перелета потока от задней к фронтовой стенке топки, т.е. наилучшие условия выгорания во взвешенном состоянии.

Предлагаемые отношения площадей поперечного сечения эжектора подачи топлива 9 и каждой группы сопел дутья 1,25-2 и скоростей дутья в них соответственно 0,8-0,5 сохраняет одинаковое произведение скорости на площадь сечения, т.е. расходы дутья. Коэффициент аэродинамического сопротивления эжектора подачи топлива значительно выше, чем у сопел дутья. За счет уменьшенных в 0,8-0,5 раз скоростей дутья можно выровнять перепады давления в эжекторе подачи топлива и в соплах дутья и обеспечить их работу от общего вентилятора 17 без регулирования шиберами 16, что также упрощает схему вихревой топки.

С другой стороны, по условию выгорания топлива и поддержания его во взвешенном состоянии желательно в сечениях подачи иметь одинаковый расход дутья. Это обеспечивается уменьшением в 1,25-2 раза площади поперечных сечений сопел дутья.

Начальный температурный режим создается растопочной газовой горелкой 20 (фиг.1), расположенной в вихревой камере сгорания и наклоненной к поду вихревой камеры сгорания. В случае применения горючих отходов, газовая горелка располагается в камере дожигания 20 (фиг.4) и служит для более полного выгорания горючих газов, поступающих из вихревой камеры сгорания. При любом виде расположения газовой горелки, она также может служить в качестве горелки резервного вида топлива.

Вихревая топка, как показано на фиг.3, может содержать две вихревые камеры сгорания 1 и расположенную между ним камеру дожигания 2. Применение двух вихревых камер сгорания обеспечивает размещение большой площади экранов 3 на внешних стенах 7, позволяет, по крайней мере, в два раза увеличить общую мощность и глубину регулирования нагрузки вихревой топки. В данной конфигурации вихревой топки газовая горелка 20 может располагаться или в камере дожигания (фиг.4) или газовые горелки могут располагаться в каждой вихревой камере сгорания (фиг.5).

За вихревой топкой далее по ходу дымовых газов установлены трубы конвективной поверхности 18 нагрева котла и выходное окно 19.

Предлагаемая вихревая топка работает следующим образом.

Благодаря тангенциальной подаче дутья через эжектор подачи топлива 9 и группы сопел 13, 14 дутья в вихревой камере сгорания 1, образованной внешней 7 и разделительной 8 стенками, экранами 3 и обмуровкой 4, организуется вихревое течение. При работе топки за счет центробежных сил, увеличенных поперечных размеров вихревой камеры сгорания 1 и аэродинамического выступа 6 происходит удержание горящих частиц топлива в узкой пристенной зоне до их глубокого выгорания и измельчения во вращающемся потоке газов. Расположение сопел 13, 14 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.

Кроме дутья для обеспечения процесса из бункера 11 с помощью питателя 10 равномерно дозируется топливо. Топливо подается эжектором подачи топлива 9 в вихревую камеру сгорания 1 через диффузор 12. Повышение давления в диффузоре 12 и высокоскоростной поток дутья в эжекторе подачи топлива 9 исключают обратный прорыв горячих топочных газов в тракт подачи топлива при пульсациях давления в топке. Таким образом, предлагаемая система топливоподачи обеспечивает стабильную подачу топлива, исключает автоколебательные режимы горения с повышенным выносом не догоревших частиц, т.е. повышает эффективность сжигания топлива.

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается охлаждающими экранами 3, что обеспечивает работу топки без спекания и потерь топлива. При этом вся площадь охлаждающих экранов 3, необходимая для низкотемпературного топочного процесса, может разместиться на одной торцевой стенке 7.

Вращающийся поток газообразных продуктов сгорания и мелких частиц выходит через газоперепускное окно 5 в камеру дожигания 2. Аэродинамический выступ 6 срезает и возвращает в топку периферийный поток, который наиболее насыщен частицами и уменьшает их вынос. После камеры дожигания 2 поток продуктов сгорания проходит поверхности нагрева 18, охлаждается ими и через выходное окно 19 удаляется из котла.

По результатам патентного поиска, предлагаемая вихревая топка не найдена, а конструкция топки не следует явным образом из уровня техники, так как она основана на результатах многочисленных практических и экспериментальных испытаний и конструктивных проработок, а значит представленное изобретение обладает “изобретательским уровнем”.

Возможность осуществления изобретения “Вихревая топка” подтверждается описанием аналогов, описанием предлагаемого изобретения, технической документацией заявителя: 04.374.00.00 СБ, 04.365.00.00 СБ, 04.3800.000 СБ, 04.350.00.00 СБ, 04.3900.000 СБ, 00.8022.516 СБ, отчетом по балансовым испытаниям котла Е 14-2,1-350 ГДВ с вихревой топкой 00.8022.516 СБ, установленного в котельной Урюпинского МЭЗа для работы на лузге.

Результаты испытаний: видимый унос, горение, СО при полном сжигании лузги, при измерениях газоанализатором DELTA 2000, находятся в допустимых пределах требований соответствующих документов ТУ 24.118-94

Использование предлагаемой вихревой топки по сравнению с прототипом [3] позволяет упростить конструкцию, повысить эффективность сжигания топлива и дополнительно предусматривает возможность увеличения и глубокого регулирования мощности топки, а также увеличить экологическую безопасность топки.

Литература

1. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий, - М.: Энергия, 1978 г.

2. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

3. Патент RU N 2132512, F 23 С 5/24, опубл. 27.06.99, бюл. №18.

Изобретение может использоваться в промышленных и энергетических котлах сжигающих лузгу, измельченные растительные, горючие и древесные отходы или твердое топливо. Вихревая топка содержит, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированны под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку. Вихревая топка может содержать две вихревые камеры сгорания и расположенную между ними камеру дожигания. Газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания или в камере дожигания и наклонена к поду вихревой камеры сгорания. Использование данной вихревой топки позволят упростить конструкцию, повысить эффективность сжигания топлива, увеличить экологическую безопасность топки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вихревая топка, содержащая, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированы под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что содержит две вихревые камеры сгорания и расположенную между ними камеру дожигания.3. Вихревая топка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания и наклонена к поду вихревой камеры сгорания.4. Вихревая топка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что газовая горелка располагается в камере дожигания.