ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 2005 года по МПК F23C5/24 F23C7/02 

Настоящее изобретение относится к области сжигания топлива, в частности, к вихревым топкам и может быть использовано для сжигания твердого органического топлива, например, на электростанциях.

В настоящее время возросла потребность в топках энергетических котлов, способных надежно работать при существенном изменении качественных характеристик твердого топлива, с приемлемой экономичностью сжигания, которая, прежде всего, характеризуется пониженной величиной потерь от механического недожога q₄, и улучшенными экологическими показателями: пониженной генерацией окислов азота NO_x и повышенным связыванием окислов серы SO_x.

Известна вихревая топка с установленной в верхней части горелкой и в нижней части соплом для подачи воздуха, SU 483559 А1.

Недостатком этого устройства является высокая степень эрозионного износа стенки топки вследствие воздействия на нее потока воздуха, выходящего из сопла и содержащего мелкие, наиболее эрозионноопасные частицы топлива и золы.

Известна вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую вертикальные стенки и сопряженные с ними наклонные стенки, горелку, вмонтированную в одну из вертикальных стенок, и сопло для подачи в камеру сгорания воздуха, СА 1010306.

Топливно-воздушная смесь, состоящая из грубоизмельченного топлива и первичного воздуха, подается во внутреннее пространство камеры сгорания, при этом ее скорость рассчитана таким образом, чтобы обеспечить сепарацию и распределение частиц топлива разных классов (крупности) по высоте камеры сгорания.

Топливно-воздушная смесь внутри камеры сгорания воспламеняется и образует горящий факел, содержащий топочные газы и несгоревшие частицы топлива различных размеров, которые затем перемещаются под действием сил гравитации и инерции в нижнюю часть камеры сгорания.

Поток воздуха, который подается во внутреннее пространство камеры сгорания через сопло в направлении к месту ввода топливно-воздушной смеси в камеру сгорания на одной из ее стенок, поднимает находящиеся в нижней части камеры сгорания несгоревшие частицы топлива различных размеров и направляет их в верхнюю - корневую - часть горящего факела для сжигания.

Подаваемый в нижнюю часть камеры сгорания поток вторичного воздуха характеризуется недостаточной интенсивностью процессов тепломассообмена в нем в силу малой турбулизации движения воздуха в потоке. Это приводит к тому, что процессы прогрева и выхода летучих крупных частиц топлива, находящихся в нижней части камеры сгорания, происходят медленно, на них затрачивается значительное количество тепла, а это замедляет воспламенение мелких частиц топлива, высушенных, прогретых и достаточно подготовленных к горению, находящихся в едином потоке с крупными частицами топлива. В силу этого процесс воспламенения топлива в потоке воздуха в нижней части камеры сгорания затягивается, что приводит к потере стабильности воспламенения корневой части факела. Это обусловливает неустойчивость процесса сжигания топлива, что может проявляться в повышении пульсации факела и возникновении хлопков в камере сгорания. Такая картина характерна для сжигания низкосортного трудновоспламеняемого топлива, отличающегося высокой влажностью или низким выходом летучих веществ.

Кроме того, ввод воздуха в нижнюю часть камеры сгорания одним соплом приводит к повышенному износу наклонной стенки камеры сгорания (в случае если сопло направлено к этой стенке под углом) или к повышенному провалу несгоревшего топлива из камеры сгорания (в случае если сопло направлено вдоль этой стенки).

Известна также вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, а также горелку, вмонтированную в стенку, и сопловое устройство для подачи воздуха в топку, выполненное в виде двух сопел с расходом в каждом из них, уменьшающимся по мере удаления от стенки с горелкой, RU 2044218.

Данное техническое решение, принятое за прототип настоящего изобретения, обеспечивает повышение интенсивности процессов тепломассообмена, что повышает устойчивость воспламенения, например, при сжигании низкосортных (высоковлажных) топлив. Отвеивание мелких, наиболее эрозионноопасных частиц из ближнего к омываемой стенке камеры сгорания потока, несколько уменьшает эрозионное воздействие на нее. Однако потоки воздуха, выходящие из смежных сопел, перекрывают друг друга, при этом степень взаимодействия потоков возрастает по мере удаления от выходных отверстий сопел, так как потоки расширяются. Вследствие этого мелкие частицы вовлекаются в значительном количестве в перемешанный объем обоих потоков и взаимодействуют со стенкой камеры сгорания, что обусловливает ее износ. Кроме того, ввиду высокой интенсивности процессов тепломассообмена в нижней части камеры сгорания при сжигании топлива тонкого помола или с высокой удельной теплотой сгорания, может произойти чрезмерно высокое повышение температуры в отдельных зонах камеры сгорания, что обусловливает чрезмерный уровень образования окислов азота, а также возникновение активных отложений на стенках камеры сгорания соединений типа легкоплавких эвтектик, получающихся в результате пиропластических превращений в золовых частицах топлива.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи уменьшения эрозионного воздействия на стенку камеры сгорания, а также выравнивание температурного поля в камере сгорания.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в вихревой топке, содержащей камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, и установленное в нижней части воронки сопловое устройство для подачи воздуха в топку, содержащее два сопла, одно из сопел направлено на внутреннюю поверхность воронки, расположенную со стороны горелки под углом 65°≥α≥1°, а второе сопло ориентировано так, что угол между продольными осями обоих сопел составляет 75°≥β≥5° в плоскости, перпендикулярной внутренней поверхности воронки со стороны горелки; по меньшей мере, одно сопло может быть выполнено секционным; сопла могут быть снабжены регуляторами расхода.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию “новизна”.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает весьма важное новое свойство, которое состоит в том, что потоки воздуха, выходящие из сопел, практически, не взаимодействуют друг с другом в нижней части камеры сгорания, что предотвращает попадание эрозионноопасных частиц на ее стенку. Кроме того, обеспечивается более равномерное распределение топлива в нижней части камеры сгорания, что обеспечивает выравнивание температурного поля (резкое уменьшение зон высокотемпературных максимумов), что значительно снижает образование окислов азота, а также предотвращает отложение легкоплавких эвтектик на стенках камеры сгорания.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема вихревой топки (продольный разрез), на фиг.2 - разрез по А-А в увеличенном масштабе.

Вихревая топка содержит камеру 1 сгорания, которая включает стенки 2, переходящие в нижней части в воронку 3. В одну из стенок 2 вмонтирована горелка 4, имеющая в конкретном примере наклон в сторону воронки 3. В нижней части воронки 3 установлено сопловое устройство для подачи в камеру сгорания воздуха, содержащее сопло 5 и сопло 6. Сопло 5 направлено на внутреннюю поверхность воронки 3, расположенную со стороны горелки 4, под углом 65°≥α≥1°. При углах α<1° поток воздуха из сопла 5 идет, практически, вдоль стенки воронки 3 и недостаточно к ней прижат, что приводит к провалу из камеры 1 сгорания крупных несгоревших частиц топлива. При углах α>65° возникает эффект разделения потока на отдельные струи, часть которых имеет направление в сторону нижнего выходного отверстия камеры 1 сгорания. Сопло 6 ориентировано таким образом, что угол между продольными осями сопел 5 и 6 составляет 75°≥β≥5° в плоскости, перпендикулярной наклонной стенке воронки 3 со стороны горелки 4. При β<5° заявленный технический результат не достигается, и устройству будут свойственны недостатки, отмеченные у прототипа. При β>75° не происходит образования вихря в центральной зоне нижней части камеры 1 сгорания. Сопло 6 будет работать в так называемом “фонтанирующем” режиме.

В конкретном примере сопла 5 и 6 снабжены регуляторами расхода в виде шиберов 7.

Сопла 5 и 6 могут быть секционными (например, цилиндрическими или щелевыми).

При сжигании топлив с высоким содержанием серы и высокой удельной теплотой сгорания возможна дополнительная подача в сопло 6 продуктов сгорания (например, уходящих из топки газов) для повышения эффективности регулирования процессов горения, снижения вероятности образования легкоплавких эвтектик из частиц золы, снижения генерации окислов азота и повышения связывания окислов серы в нижней части камеры 1 сгорания.

Вихревая топка работает следующим образом:

Топливно-воздушная смесь, состоящая из измельченного топлива и воздуха, подается посредством горелки 4 во внутреннее пространство камеры 1 сгорания, при этом количество движения (расход, скорость) воздуха выбирается таким, чтобы обеспечить сепарацию и распределение частиц топлива разных размеров (фракций) по объему (высоте) камеры 1 сгорания. Топливно-воздушная смесь внутри камеры 1 сгорания воспламеняется и образует горящий факел 8, в котором сгорают самые мелкие частицы топлива. В процессе горения частиц топлива образуются газообразные продукты сгорания и зола. Часть несгоревших частиц топлива и часть золовых частиц под действием сил гравитации и инерции сепарируются в нижнюю часть камеры 1 сгорания в вихревую зону 9 горения. Воздух нижнего дутья через сопла 5 и 6 подается двумя потоками в нижнюю часть камеры 1 сгорания.

Подача воздуха нижнего дутья двумя соплами 5, 6 под различными углами ввода в нижнюю часть камеры 1 сгорания обусловливает формирование двух независимых потоков. Ближний к внутренней поверхности воронки 3 поток прижат к ней за счет установки сопла 5 под углом 65°≥α≥1° к воронке. Поток воздуха, выходящий из сопла 6, создает циркуляцию мелких частиц во внутренней области вихревой зоны 9 горения.

Находящиеся в нижней части камеры 1 сгорания частицы топлива и золы попадают в потоки воздуха нижнего дутья и разделяются по размерам (классам крупности, фракциям) за счет воздействия на них последовательно этих потоков, при этом крупные (наиболее массивные) частицы топлива попадают в поток, выходящий из сопла 5, а мелкие частицы топлива и золовые - в поток из сопла 6. Расход потока сопла 6 должен обеспечить отвеивание мелких частиц топлива и золы от крупных частиц топлива и транспортировку их в центральную область вихревой зоны 9 горения. Расход потока из сопла 5 должен обеспечить удержание крупных частиц топлива в камере 1 сгорания, сократив их провал из камеры 1 сгорания. При этом обеспечивается их транспортировка в корневую часть факела 8. Уменьшению провала топлива из камеры 1 сгорания способствует также прижатие потока сопла 5 к стенке воронки 3, что исключает формирование на этой стенке конгломератов топливных частиц, способных "пробивать" этот поток и уходить в провал. Это обстоятельство снижает потери с механическим недожогом q₄, вследствие чего повышается экономичность работы камеры 1 сгорания, то есть ее коэффициент полезного действия.

Из двух потоков, подаваемых соплами 5, 6, поток сопла 5, непосредственно омывающий стенку воронки 3, на которой установлена горелка 4, содержит минимальное количество мелких наиболее эрозионноопасных частиц золы и топлива. Это уменьшает эрозионный износ омывающих потоком сопла 5 стенки воронки 3 и стенки 2 камеры 1 сгорания, что повышает надежность работы вихревой камеры 1 сгорания.

Отвеивание части топлива в центральную область вихревой зоны 9 горения факела способствует выравниванию концентрации топлива и воздуха в объеме нижней - вихревой - части камеры 1 сгорания, что приводит к выравниванию в ней тепловыделения и, как результат, выравниванию поля температуры и снижению температурного максимума. Это обстоятельство снижает интенсивность пиропластических превращений в золовых частицах с образованием легкоплавких эвтектик и, вместе с вышеуказанным уменьшением воздействия золовых частиц на стенку камеры сгорания, снижает отложения на стенках камеры 1 сгорания, что повышает надежность ее работы.

Кроме того, пониженный уровень температуры снижает образование окислов азота. Это же обстоятельство, в сочетании с многократной циркуляцией золовых частиц в вихревой зоне, приводит к значительному повышению связывания окислов серы. Таким образом, улучшаются экологические показатели устройства.

Изобретение может быть использовано, практически, для всей гаммы твердого органического топлива в широком диапазоне изменения его качественных характеристик и гранулометрического состава, позволяет повысить коэффициент полезного действия, надежность и безопасность работы топки за счет снижения вероятности эрозионного износа ее стен и отложений на ее стенах (их шлакования), а также снизить образование окислов азота за счет снижения и выравнивания общего уровня температуры в топке и повысить связывание окислов серы основными окислами минеральной части топлива за счет увеличения скорости этих химических реакций при снижении уровня температуры.

Настоящее изобретение относится к области сжигания топлива, в частности, к вихревым топкам и может быть использовано для сжигания твердого органического топлива, например, на электростанциях. Вихревая топка содержит камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, и установленное в нижней части воронки сопловое устройство для подачи воздуха в топку, содержащее два сопла, одно из сопел направлено на внутреннюю поверхность воронки, расположенную со стороны горелки под углом 65°≥α≥1°, а второе сопло ориентировано так, что угол между продольными осями обоих сопел составляет 75°≥β≥5° в плоскости, перпендикулярной внутренней поверхности воронки со стороны горелки. По меньшей мере, одно сопло может быть выполнено секционным. Сопла могут быть снабжены регуляторами расхода. Изобретение позволяет уменьшить эрозионные воздействия на стенку камеры сгорания, а также выравнивать температурное поле в камере сгорания. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, и установленное в нижней части воронки сопловое устройство для подачи воздуха в топку, содержащее два сопла, отличающаяся тем, что одно из сопел направлено на внутреннюю поверхность воронки, расположенную со стороны горелки под углом 65°≥α≥1°, а второе сопло ориентировано так, что угол между продольными осями обоих сопел составляет 75°≥β≥5° в плоскости, перпендикулярной внутренней поверхности воронки со стороны горелки.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно сопло выполнено секционным.3. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что сопла снабжены регуляторами расхода.