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_х 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. Кроме того, при сжигании топлива грубого помола возможен провал несгоревших крупных частиц топлива из топки вследствие прохода этих частиц поперек потока воздуха из сопла, что обусловливает снижение полноты выгорания топлива в вихревой топке, и тем самым снижает ее коэффициент полезного действия.

Известна также вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки в ее средней части, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, см. RU 2154234.

Данное техническое решение, принятое за прототип настоящего изобретения, обеспечивает повышение полноты сгорания топлива и тем самым повышает коэффициент полезного действия вихревой топки, а также обеспечивает проход шлака из камеры сгорания через дополнительную камеру в шлаковый комод, что повышает надежность работы вихревой топки.

Однако поток воздуха, поступающий из дополнительного устройства в камеру сгорания, направлен на внутреннюю поверхность воронки и содержит значительное количество мелких, наиболее эрозионно опасных частиц золы и топлива, которые взаимодействуют со стенкой камеры сгорания, что обусловливает ее износ. Кроме того, ввиду высокой концентрации топлива в потоке воздуха, поступающем из дополнительного устройства в камеру 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, снижение в этих зонах степени связывания окислов серы, а также возникновение активных отложений на стенках камеры сгорания соединений типа легкоплавких эвтектик, получающихся в результате пиропластических превращений в золовых частицах.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи уменьшения эрозионного воздействия на стенку камеры сгорания, а также выравнивание температурного поля в камере сгорания, что обусловливает снижение интенсивности отложений на стенках камеры сгорания, снижение генерации окислов азота и повышение степени связывания окислов серы.

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, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, установлено дополнительное сопло для подачи воздуха, вмонтированное в зоне соединения воронки и дополнительной камеры, при этом продольная ось дополнительного сопла расположена под углом 1...45° к воображаемой плоскости, являющейся продолжением вогнутой стенки; 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 (сопла, вмонтированного в стенку дополнительной камеры, и дополнительного сопла, вмонтированного в зоне соединения воронки и дополнительной камеры), практически не взаимодействуют друг с другом в нижней части камеры сгорания, что предотвращает попадание эрозионно опасных 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, повышает степень связывания окислов серы, 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. Под воронкой 3 размещена дополнительная камера 5, при этом верхняя часть дополнительной камеры 5 по периметру соединена с нижней частью воронки 3. Дополнительная камера 5 содержит стенку 6, расположенную со стороны горелки 4, и стенку 7, расположенную напротив стенки 6. В стенку 6 дополнительной камеры 5 в зоне ее нижней части со стороны горелки 4 вмонтировано сопло 8 для подачи воздуха, стенка 7 дополнительной камеры 5, расположенная напротив сопла 8 для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла 8 и расположена таким образом, что воображаемая плоскость 9, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки 3, в конкретном примере, в ее средней части. Продольная ось сопла 8 для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке 7 дополнительной камеры 5. Камера 1 сгорания снабжена дополнительным соплом 10 для подачи воздуха, вмонтированным в зоне соединения воронки 3 с дополнительной камерой 5, при этом продольная ось дополнительного сопла 10 расположена под углом 1°≤α≤45° к воображаемой плоскости 9, являющейся продолжением вогнутой стенки 7 дополнительной камеры 5.

При α<1° заявленный технический результат не достигается, и устройству будут свойственны недостатки, отмеченные у прототипа. При α>45° не происходит образования вихря в центральной зоне нижней части камеры 1 сгорания. Дополнительное сопло 10 будет работать в так называемом “фонтанирующем” режиме.

В конкретном примере сопла 8 и 10 снабжены регуляторами расхода в виде шиберов 11.

Сопла 8 и 10 могут быть секционными (например, цилиндрическими или щелевыми).

При сжигании топлив с высоким содержанием серы и высокой удельной теплотой сгорания возможна дополнительная подача в дополнительное сопло 10 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 12, 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, а именно в ее вихревую зону 13 горения. Воздух в нижнюю часть камеры 1 сгорания подается двумя потоками: через дополнительную камеру 5, посредством сопла 8, и дополнительное сопло 10.

Подача воздуха нижнего дутья двумя соплами 8, 10 под различными углами ввода в нижнюю часть камеры 1 сгорания обусловливает формирование двух независимых потоков. Ближний к внутренней поверхности воронки 3 поток из дополнительной камеры 5 направлен вдоль воображаемой плоскости 9, являющейся продолжением вогнутой стенки 7 дополнительной камеры 5, в среднюю часть внутренней поверхности воронки 3 со стороны горелки 4. Поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 10, создает циркуляцию мелких частиц топлива и золы во внутренней области вихревой зоны 13 горения.

Находящиеся в нижней части камеры 1 сгорания частицы топлива и золы попадают в потоки воздуха, выходящие из дополнительного сопла 10 и дополнительной камеры 5, и разделяются по размерам (классам крупности, фракциям) за счет воздействия на них последовательно этих потоков, при этом наиболее крупные (массивные) частицы топлива проходят эти потоки воздуха поперек и поступают в дополнительную камеру 5, а мелкие частицы топлива и золовые поступают в поток воздуха из дополнительного сопла 10. Расход потока дополнительного сопла 10 должен обеспечить отвеивание мелких частиц топлива и золы от крупных частиц топлива и транспортировку их в центральную область вихревой зоны 13 горения.

Расход потока воздуха из сопла 8 должен обеспечить удержание крупных частиц топлива в дополнительной камере 5. Конфигурация конструкции дополнительной камеры 5 и поток воздуха из сопла 8 обеспечивают многократную циркуляцию и выгорание крупных частиц топлива в объеме дополнительной камеры 5 и, по мере выгорания, вынос этих частиц в нижнюю часть камеры 1 сгорания. При этом обеспечивается более полное выгорание топлива в устройстве. 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 в нижнюю часть камеры 1 сгорания из дополнительной камеры 5 и дополнительным соплом 10, поток из дополнительной камеры 5, непосредственно омывающий стенку воронки 3, на которой установлена горелка 4, содержит минимальное количество мелких наиболее эрозионно опасных частиц золы и топлива. Это уменьшает эрозионный износ омываемых потоком из дополнительной камеры 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 13 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 за счет исключения локальных температурных максимумов. 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 в целом 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, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, снабжена дополнительным соплом для подачи воздуха, вмонтированным в зоне соединения воронки и дополнительной камеры, при этом продольная ось дополнительного сопла расположена под углом 1...45° к воображаемой плоскости, являющейся продолжением вогнутой стенки; при этом в вихревой топке может быть, по меньшей мере, одно из сопел выполнено секционным; при этом в вихревой топке могут быть сопла снабжены регуляторами расхода. Изобретение позволяет уменьшить эрозионное воздействие на стенку камеры сгорания, а также выравнить температурное поле в камере сгорания, что обусловливает снижение вероятности (интенсивности) отложений на стенках камеры сгорания, снижение генерации окислов азота и повышение степени связывания окислов серы. 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, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, отличающаяся тем, что снабжена дополнительным соплом для подачи воздуха, вмонтированным в зоне соединения воронки и дополнительной камеры, при этом продольная ось дополнительного сопла расположена под углом 1÷45° к воображаемой плоскости, являющейся продолжением вогнутой стенки.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из сопел выполнено секционным.3. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что сопла снабжены регуляторами расхода.