ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК F23C7/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к топочным устройствам, и может использоваться в теплоагрегатах различного применения.

Известна топочная камера котельного агрегата по авт. свид. СССР №861847 (опубл. 07.09.81 г., МПК 3 F 23 С 7/02), содержащая холодную воронку с наклонными скатами и размещенный под последней шлаковый комод, в одной из стенок которого установлены воздушные сопла, наклоненные под углом, равным углу наклона противолежащего ската воронки, и дополнительные воздушные наклонные сопла, установленные на противолежащей стенке шлакового комода в шахматном порядке относительно основных воздушных сопел, причем угол наклона дополнительных сопел равен углу наклона противолежащего ската воронки.

Недостатком описанной топочной камеры являются сравнительно высокие потери тепла с механическим недожогом вследствие провала частиц несгоревшего топлива из вихревой зоны в нижней части холодной воронки. Провал вызван тем, что вследствие большого расстояния воздушных сопел от горелок нижнего яруса процесс выгорания крупных частиц топлива замедляется и аэродинамическая завеса, создаваемая системой струй, вытекающих из сопел, не может предотвратить провала крупных несгоревших частиц.

Известно также топочное устройство, защищенное патентом Российской Федерации №2094699 (опубл. 27.10.97 г., МПК 6 F 23 С 7/02), содержащее вертикальную камеру сгорания, воздухопровод горячего воздуха, соединенный посредством горелок с камерой сгорания и воздухопроводом нижнего дутья с воздушными соплами, установленными встречно в шахматном порядке у устья холодной воронки вдоль протяженных скатов, при этом количество воздушных сопел на единицу длины протяженных скатов холодной воронки находится в пределах 0,4-0,8 шт./м, а доля воздуха на нижнее дутье от общего количества воздуха, поступающего на горение, составляет не менее 0,2.

В сравнении с ранее описанной топочной камерой конструкция такого топочного устройства позволяет повысить эффективность дожигания отсепарированных в холодную воронку частиц несгоревшего твердого топлива, снизить шлакование скатов холодной воронки.

Недостатком данного топочного устройства является неучет существования оптимального диапазона расстояний между горелками и соплами нижнего дутья. При слишком близком расположении сопел нижнего дутья относительно горелок нижнего яруса происходит захолаживание факела и увеличение потерь тепла с мехнедожогом. При удалении сопел нижнего дутья от горелок, превышающем оптимальное, также имеют место повышенные потери тепла с мехнедожогом.

Наиболее близким к предлагаемому топочному устройству, совпадающим с ним по назначению и большинству существенных признаков, является топочное устройство, защищенное патентом Российской Федерации №2143639 (опубл. 27.12.99 г., МПК 6 F 23 C 7/02).

Это топочное устройство содержит вертикальную камеру сгорания, воздухопровод горячего дутья, соединенный посредством горелок с камерой сгорания, и сопла, расположенные вдоль одного или двух скатов холодной воронки камеры сгорания, соединенные посредством трубопровода нижнего дутья с трубопроводом горячего воздуха, или сушильного агента пылесистемы, или рециркуляции дымовых газов котельной установки, при этом отношение расстояния между горелками нижнего яруса и соплами нижнего дутья h_гс к высоте топочной камеры h_т находится в пределах h_гс/h_т=0,1-0,5.

В таком топочном устройстве за счет некоторой оптимизации расстояния между горелками нижнего яруса и соплами нижнего дутья потери тепла с мехнедожогом уменьшаются.

Недостатком данного топочного устройства являются невысокие адаптационные возможности к изменению характеристик топлива и нагрузки котельного агрегата. Например, при подаче в топку непроектного топлива с повышенной зольностью необходимо снизить температуру на выходе камеры сгорания, увеличив расход воздуха на соплах нижнего дутья и тем самым улучшив заполнение топки факелом. Однако, расход воздуха на нижнее дутье может быть увеличен только за счет снижения расхода воздуха на горелки, что может привести к отклонению их работы от оптимального режима и увеличению недожога топлива.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности топочного устройства за счет расширения адаптационных возможностей к изменению характеристик топлива и к изменению тепловой нагрузки камеры сгорания.

Для достижения указанного технического результата топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, горелки, установленные на одной из стен камеры сгорания, воздухопроводы к горелкам с регулирующими клапанами, сопла нижнего дутья, установленные по встречно-смещенной схеме вдоль двух наклонных скатов холодной воронки, воздухопроводы к соплам нижнего дутья с регулирующими клапанами, дополнительно содержит сопла верхнего дутья, установленные на стене камеры сгорания, противоположной той, на которой установлены горелки, воздухопроводы к соплам верхнего дутья с регулирующими клапанами, а сопла нижнего дутья выполнены двухканальными, оси каналов каждого двухканального сопла нижнего дутья расположены в одной вертикальной плоскости, при этом угол между осями α находится в пределах 10-30°, биссектриса этого угла пересекает скат холодной воронки на расстоянии от верхней плоскости холодной воронки, равном 0,5-0,8 высоты этой воронки, продолжение биссектрисы пересекает плоскость противоположного ската холодной воронки под углом γ=20-40°. Каждое двухканальное сопло может быть конструктивно выполнено в виде двух отдельных сопел, расположенных одно над другим. Обеспечивается отдельное регулирование подачи воздуха на верхние и нижние каналы сопел (верхние и нижние ряды сопел), расположенные на каждом из двух наклонных скатов холодной воронки.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображено схематично заявленное топочное устройство; на фиг.2 - расположение сопел нижнего дутья (показаны сопла только на одном из скатов холодной воронки).

Топочное устройство (фиг.1) содержит камеру сгорания 1, на одной из стен которой размещены горелки 2, а на противоположной - сопла 3 верхнего дутья. На наклонных скатах 4 и 5 холодной воронки установлены сопла 6 нижнего дутья по встречно-смещенной схеме, т.е. при шаге между соплами 6, равном S_c, сопла на скате 5 смещены относительно сопел на скате 4 на некоторую долю шага S_c, например на величину ¹/₂ S_c. Каждое из сопел 6 выполнено двухканальным, т.е. содержит верхний канал 6-1 и нижний канал 6-2, оси которых 7-1 и 7-2 расположены в одной вертикальной плоскости и пересекаются под углом α=10-30°. Каждое из сопел 6 также конструктивно может быть выполнено в виде двух отдельных сопел 6-1 и 6-2, расположенных одно над другим, оси которых 7-1 и 7-2 взаимно расположены так же, как и оси каналов двухканального сопла. Сопла располагаются на скатах холодной воронки таким образом, чтобы биссектриса 8 угла между осями 7-1 и 7-2 (фиг.2) пересекала плоскость ската холодной воронки (например, ската 4) на расстоянии от верхней плоскости 9 холодной воронки, равном (0,5-0,8)h_вор, где h_вор - высота холодной воронки, а продолжение биссектрисы 8-1 пересекало плоскость противоположного ската 5 под углом γ=20-40°. Сопла 3 верхнего дутья соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 11 верхнего дутья с регулирующим клапаном 12. Сопла нижнего дутья 6 соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 13 нижнего дутья с регулирующим клапаном 14. Верхние каналы (сопла) 6-1 сопел нижнего дутья соединены с воздухопроводом 13 через воздухопровод 15-1 верхних каналов (сопел) с регулирующим клапаном 16-1. Нижние каналы (сопла) 6-2 сопел нижнего дутья соединены с воздухопроводом 13 через воздухопровод 15-2 нижних каналов (сопел) с регулирующим клапаном 16-2. Горелки 2 соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 17 с регулирующим клапаном 18.

Подача топлива в горелки 2 осуществляется по каналам 19 подачи топлива в горелки.

Работа топочного устройства (фиг.1) осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1 по каналам 19 горелок 2 подаются твердое топливо в пылевидном состоянии и часть предварительно смешанного с ним воздуха, необходимого для горения и обеспечивающего транспорт топлива в камеру сгорания (первичный воздух), другая часть (вторичный воздух) подается через воздухопровод 17.

Суммарный расход первичного и вторичного воздуха соответствует коэффициенту избытка воздуха в горелке α_гор<1,0. Топливо воспламеняется на выходе из горелок и на начальном участке факел горит с недостаточным для полного сгорания количеством кислорода. Такой режим способствует пониженной генерации окислов азота.

Воздух, необходимый для дожигания топлива до приемлемой полноты выгорания (третичный воздух) подается в камеру сгорания 1 по воздухопроводам 13, 15-1 и 15-2 через сопла 6 и по воздухопроводу 11 и сопла 12. Распределение воздуха между горелками 2 и соплами 3, 6 осуществляется с помощью регулирующих клапанов 12, 14 и 18. С помощью этих клапанов в камере сгорания 1 устанавливается оптимальный режим в зависимости от характеристик сжигаемого топлива (теплотворная способность, реакционная способность, склонность к шлакованию, содержания азота и др.), а также тепловой нагрузки камеры сгорания 1. Дополнительно степень заполнения факелом холодной воронки регулируется с помощью регулирующих клапанов 16-1 и 16-2. Уменьшение подачи воздуха через верхние каналы (сопла) с помощью регулирующих клапанов 16-1 путем их прикрытия приводит к уменьшению заполнения факелом холодной воронки. Уменьшение подачи воздуха через нижние каналы (сопла) 6-2 путем прикрытия регулирующих клапанов 16-2 приводит к увеличению заполнения факелом холодной воронки.

Задача улучшения адаптационных возможностей топочных устройств весьма актуальна, поскольку при эксплуатации котельных агрегатов нередко приходится сталкиваться с такими проблемами, как:

- изменение характеристик поставляемого топлива, вследствие чего может возникнуть необходимость в перераспределении потоков воздуха между соплами верхнего и нижнего дутья или между горелками и соплами для поддержания оптимального отношения между величинами выбросов окислов азота и потерями тепла с недожогом топлива;

- падение температуры пара при уменьшении нагрузки котельного агрегата, которое требуется предотвратить, не увеличивая коэффициент избытка воздуха в камере горения или степени рециркуляции дымовых газов в камеру горения;

- уменьшение температуры воды на входе в котельный агрегат, при этом требуется сохранение паропроизводительности за счет увеличения тепловосприятия испарительных поверхностей в камере горения.

Повышение эффективности заявленного топочного устройства обеспечивается следующим. Взаимное расположение каналов 6-1 и 6-2 двухканальных сопел нижнего дутья 6 или сопел 6-1 и 6-2 так, что оси каждой пары пересекаются в одной вертикальной плоскости под углом α=10-30°, позволяет формировать плоские струи, создающие эффективную аэродинамическую завесу в поперечном сечении холодной воронки, что препятствует сепарации в шлаковый комод несгоревших угольных частиц.

При угле α менее 10° ширина плоских струй не обеспечивает удовлетворительного заполнения сечения холодной воронки. При угле α более 30° для получения требуемой дальнобойности плоских струй потребуется увеличение расхода воздуха на нижнее дутье.

Сопла нижнего дутья размещаются на наклонных скатах холодной воронки таким образом, что биссектриса 8 угла между осями каналов (сопел) пересекает плоскость ската холодной воронки на расстоянии от ее верхней плоскости, равном 0,5-0,8 высоты холодной воронки, а продолжение биссектрисы 8-1 пересекает плоскость противолежащего ската холодной воронки под углом γ=20-40°.

Возможность перераспределения воздуха между верхними и нижними каналами (соплами) 6-1 и 6-2 позволяет изменять ориентацию плоских струй. При одинаковых расходах воздуха через каналы (сопла) 6-1 и 6-2 плоская струя развивается в бисекторной плоскости, при увеличении расхода воздуха через верхние каналы (сопла) 6-1 по сравнению с расходом воздуха через нижние каналы (сопла) плоская струя отклоняется от бисекторной плоскости вниз, причем это отклонение тем больше, чем больше величины отношения расходов через верхние каналы (сопла) 6-1 к расходу через нижние каналы (сопла) 6-2. При увеличении отношения расходов воздуха через нижние каналы (сопла) 6-2 к расходу воздуха через верхние сопла 6-1 происходит отклонение плоской струи от бисекторной плоскости вверх. Изменение угла наклона плоских струй позволяет изменять степень заполнения холодной воронки факелом и тем самым управлять тепловосприятием поверхностей нагрева камеры сгорания 1. Указанные выше диапазоны двух конструктивных параметров - относительного расстояния от верхней плоскости холодной воронки до пересечения биссектрисы угла между осями каналов (сопел) с наклонным скатом холодной воронки и угла пересечения продолжения биссектрисы с противолежащим наклонным скатом холодной воронки - в совокупности определяют область, в которой изменение аэродинамики в нижней части камеры сгорания за счет изменения отношения расходов воздуха нижнего дутья на верхние и нижние каналы (сопла) эффективно влияет на тепловосприятие поверхностей нагрева камеры сгорания и не оказывает негативного влияния на экономичность сжигания топлива. Возможность перераспределения воздуха между соплами 3 верхнего дутья и соплами 6 нижнего дутья, а также между соплами 3, 6 и горелками 2 позволяет поддерживать режим горения с оптимальным отношением между величинами потерь тепла с недожогом топлива и выбросами оксидов азота и влиять на величину тепловосприятия поверхностей нагрева в камере сгорания 1 при изменении характеристик топлива и тепловой нагрузки камеры сгорания.

Пример реализации возможностей заявленного топочного устройства

В топочном устройстве сжигается проектное топливо - бурый уголь с заданными техническими характеристиками. Коэффициент избытка воздуха в горелках равен α_гор=0,85, а оптимальный режим по экономичности сжигания, отсутствию шлакования поверхностей нагрева в камере сгорания 1 и за ней, уровню выбросов окислов азота соответствует распределению третичного воздуха между соплами нижнего дутья 6 и соплами 3 верхнего дутья соответственно 0,65 и 0,35, что достигается соответствующей установкой регулирующих клапанов 12, 14 и 18. Клапаны 16-1 и 16-2 полностью открыты.

При использовании бурого угля с более низкой температурой шлакования, чем проектное топливо, следует прикрыть регулирующие клапаны 16-2 и приоткрыть регулирующий клапан 14 для сохранения доли воздуха, идущего на нижнее дутье. В результате увеличится заполнение факелом холодной воронки и понизится температура на выходе из камеры сгорания. В случае, если главной проблемой при сжигании непроектного топлива будет шлакование ограждающих поверхностей камеры сгорания 1, следует увеличить расход третичного воздуха на сопла верхнего дутья 3, увеличив степень открытия регулирующих клапанов 12, и для сохранения вторичного воздуха, идущего на горелки 2, увеличить степень открытия регулирующих клапанов 10. Такое перераспределение воздуха между соплами нижнего и верхнего дутья будет препятствовать шлакованию стены камеры сгорания, на которой расположены сопла 3.

На фиг.1 и 2 цифрами обозначены:

1 - камера сгорания; 2 - горелки; 3 - сопла верхнего дутья; 4, 5 - скаты холодной воронки; 6 - двухканальные сопла нижнего дутья; 6-1 - верхний канал двухканального сопла нижнего дутья (верхнее сопло нижнего дутья); 6-2 - нижний канал двухканального сопла нижнего дутья (нижнее сопло нижнего дутья); 7-1 - ось верхнего канала (сопла) нижнего дутья; 7-2 - ось нижнего канала (сопла) нижнего дутья; 8 - биссектриса угла между осями верхнего и нижнего каналов (сопел) нижнего дутья; 8-1 - продолжение биссектрисы угла между осями верхнего и нижнего каналов (сопел) нижнего дутья; 9 - верхняя плоскость холодной воронки; 10 - воздухопровод горячего воздуха; 11 - воздухопровод верхнего дутья; 12 - регулирующий клапан воздухопровода верхнего дутья; 13 - воздухопровод нижнего дутья; 14 - регулирующий клапан воздухопровода нижнего дутья; 15-1 - воздухопровод верхних каналов (сопел) нижнего дутья; 15-2 - воздухопровод нижних каналов (сопел) нижнего дутья; 16-1 - регулирующий клапан воздухопровода верхних каналов (сопел) нижнего дутья; 16-2 - регулирующий клапан воздухопровода нижних каналов сопел нижнего дутья; 17 - воздухопровод к горелкам; 18 - регулирующий клапан воздухопровода к горелкам; 19 - канал подачи топлива в горелки.

Буквами обозначены:

α - угол между осями верхнего и нижнего каналов двухканальных сопел нижнего дутья (верхнего и нижнего сопел нижнего дутья); γ - угол пересечения продолжения биссектрисы угла α с наклонной плоскостью ската холодной воронки.

Топочное устройство предназначено для использования в теплоэнергетике, в частности в теплоагрегатах различного назначения. Устройство содержит вертикальную камеру сгорания, горелки, сопла нижнего дутья, установленные по встречно-смещенной схеме вдоль двух наклонных скатов холодной воронки, воздухопроводы с регулирующими клапанами к горелкам и к соплам нижнего дутья, сопла верхнего дутья, выполненные двухканальными и установленные на стене камеры сгорания, противоположной стене с горелками, воздухопроводы с регулирующими клапанами к соплам верхнего дутья. Сопла нижнего дутья выполнены двухканальными с осями каналов каждого сопла, расположенными в одной вертикальной плоскости, при этом угол между осями равен 10-30°, биссектриса этого угла пересекает скат холодной воронки на расстоянии от верхней плоскости холодной воронки, равном (0,5-0,8) ее высоты, продолжение биссектрисы пересекает плоскость противолежащего ската холодной воронки под углом 20-40°. Изобретение обеспечивает повышение эффективности за счет расширения адаптационных возможностей к изменению характеристик топлива и к изменению тепловой нагрузки камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, горелки, установленные на одной из стен камеры сгорания, воздухопроводы к горелкам с регулирующими клапанами, сопла нижнего дутья, установленные по встречно-смещенной схеме вдоль двух наклонных скатов холодной воронки, воздухопроводы к соплам нижнего дутья с регулирующими клапанами, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сопла верхнего дутья, установленные на стене камеры сгорания, противоположной той, на которой установлены горелки, воздухопроводы к соплам верхнего дутья с регулирующими клапанами, а сопла нижнего дутья выполнены двухканальными, оси каналов каждого двухканального сопла нижнего дутья расположены в одной вертикальной плоскости, при этом угол между осями каналов двухканального сопла нижнего дутья равен 10-30°, биссектриса этого угла пересекает скат холодной воронки на расстоянии от верхней плоскости холодной воронки, равном (0,5-0,8) h_вор - (где h_вор - высота холодной воронки), продолжение биссектрисы пересекает плоскость противоположного ската холодной воронки под углом 20-40°, и обеспечивает раздельное регулирование подачи воздуха на верхние и нижние каналы сопел.2. Топочное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждое двухканальное сопло нижнего дутья выполнено в виде двух отдельных сопел, расположенных одно над другим.