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 недостаточно интенсивное взаимодействие потоков, поступающих в топку из горелки и сопла для подачи воздуха, что снижает возможность регулирования распределением топлива по объему топки, а также наличие восстановительных зон в нижней части топки, что повышает вероятность отложений на ее стенах.

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 сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки и его продольная ось направлена в сторону горелки, а другое - на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, SU 1588986 А2.

Данное техническое решение, принятое за прототип настоящего изобретения, обеспечивает повышение полноты сгорания топлива и тем самым повышает коэффициент полезного действия топки, а также уменьшение отложений (шлакования) на стенках топки, что повышает надежность ее работы.

Однако поток воздуха, поступающий из сопла, вмонтированного в стенку камеры сгорания, противоположную горелке, на уровне по высоте ниже горелки, направлен параллельно внутренней поверхности воронки, недостаточно прижат к ней и из-за эффекта "всплытия" слабо взаимодействует с потоком воздуха, поступающим из сопла, установленного в нижней части воронки, что не обеспечивает интенсивного вихревого движения топочной среды в нижней части камеры сгорания. Это обстоятельство сужает диапазон регулирования распределения топлива по объему камеры сгорания, что затрудняет выравнивание поля температуры в топке. В результате возможно чрезмерно высокое повышение температуры в отдельных зонах камеры сгорания, что обусловливает чрезмерный уровень образования окислов азота, снижение в этих зонах связывания окислов серы, а также возникновение активных отложений на стенках камеры сгорания легкоплавких эвтектик, получающихся в результате пиропластических превращений в золовых частицах.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения степени выгорания топлива, 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 сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки, а другое - на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, сопло установлено на стенке камеры сгорания так, что его продольная ось пересекает стенку воронки, расположенную со стороны сопла.

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, установленного в нижней части воронки, и сопла, вмонтированного в стенку камеры сгорания, противоположной горелке на уровне по высоте ниже горелки), интенсивно взаимодействуют друг с другом в нижней части камеры сгорания, что обусловливает в ней устойчивое и интенсивное вихревое движение топочной среды. Это обстоятельство обеспечивает более равномерное распределение топлива в объеме камеры сгорания в широком диапазоне нагрузок, что обусловливает более полное выгорание топлива в топке, а также выравнивание в камере сгорания температурного поля (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 чертежом, где изображена принципиальная схема вихревой топки (продольный разрез).

Вихревая топка содержит камеру 1 сгорания, которая включает стенки 2, переходящие в нижней части в воронку 3. В одну из стенок 2 камеры 1 сгорания вмонтирована горелка 4, имеющая в конкретном примере наклон в сторону воронки 3. В нижней части воронки 3 установлено сопло 5 для подачи воздуха в нижнюю часть камеры 1 сгорания. На стенке 2 камеры 1 сгорания, противоположной горелке 4, на уровне по высоте ниже горелки 4 вмонтировано сопло 6, продольная ось 10 которого пересекает стенку воронки 3.

Кроме того, камера 1 сгорания может быть снабжена дополнительным соплом 7 для подачи воздуха, вмонтированным на стенке 2 камеры 1 сгорания, противоположной горелке 4; продольная ось дополнительного сопла 7 составляет угол 30°≤α≤135° относительно стенки 2 камеры 1 сгорания.

При α<30° поток из дополнительного сопла 7 направлен практически навстречу потоку частиц, находящихся в факеле 8, и сепарация несгоревших частиц топлива к противоположной дополнительному соплу 7 стенке 2 камеры 1 сгорания весьма затруднена.

При α>135° частицы топлива, получая ускорение, очень быстро покидают камеру 1 сгорания, что обусловливает неполное сгорание топлива и, соответственно, снижение коэффициента полезного действия устройства.

Вихревая топка работает следующим образом:

Топливно-воздушная смесь, состоящая из измельченного топлива и воздуха, подается посредством горелки 4 во внутреннее пространство камеры 1 сгорания. Воздух, необходимый для горения топлива, подается в нижнюю часть камеры 1 сгорания двумя потоками: через сопло 5, установленное в нижней части воронки 3, и сопло 6, вмонтированное на стенке 2 камеры 1 сгорания, противоположной горелке 4, на уровне по высоте ниже горелки 4, а в верхнюю часть камеры 1 сгорания - через дополнительное сопло 7, вмонтированное на стенке 2 камеры 1 сгорания, противоположной горелке 4, на уровне по высоте выше горелки 4. При этом количество движения (расход, скорость) воздуха из горелки 4, сопел 5, 6 и дополнительного сопла 7 выбираются такими, 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. Часть несгоревших частиц топлива под действием сил гравитации и инерции сепарируется в нижнюю часть камеры 1 сгорания, а именно, в ее вихревую зону 9 горения.

Поток воздуха из сопла 6 прижат к стенке воронки 3 благодаря тому, что продольная ось 10 этого сопла пересекает стенку воронки 3 и взаимодействует с потоком воздуха из сопла 5, что обусловливает формирование устойчивого и интенсивного контура циркуляции горящих частиц топлива в вихревой зоне 9 горения и, соответственно, способствует повышению доли топлива, поступающего в нижнюю часть камеры 1 сгорания, что обусловливает повышение устойчивости воспламенения и интенсивность сгорания топлива в нижней части камеры 1 сгорания.

Поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 7, придает импульс в направлении продольной оси этого сопла достаточно крупным частицам топлива, еще не успевшим сгореть в факеле 8, и способствует их сепарации из факела 8 к противоположной от дополнительного сопла 7 стенке 2 камеры 1 сгорания; эти частицы под действием сил гравитации и подсасывающего эффекта поступают в поток топливно-воздушной смеси, подаваемый в камеру 1 сгорания из горелки 4, что обусловливает повышение степени выгорания топлива в факеле 8 и тем самым повышает коэффициент полезного действия устройства.

С другой стороны, поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 7, обогащает факел 8 кислородом, что обеспечивает более интенсивное догорание частиц топлива, а также газообразных продуктов неполного горения в этой части камеры 1 сгорания, создает окислительную зону, способствующую уменьшению вероятности образования отложений на стенках 2 камеры 1 сгорания, что повышает надежность ее работы.

Регулирование расходов воздуха из горелочно-сопловых устройств (горелки 4, сопел 5, 6 и дополнительного сопла 7) позволяет в рабочем диапазоне нагрузок рационально распределить частицы топлива разных размеров (фракций) по объему (высоте) камеры 1 сгорания таким образом, чтобы выровнять тепловыделение и тем самым поле температуры по объему камеры 1 сгорания. Это обстоятельство позволяет снизить интенсивность пиропластических превращений в золовых частицах с образованием легкоплавких эвтектик и, как результат, уменьшить отложения на стенках камеры 1 сгорания, что повышает надежность ее работы.

Кроме того, пониженный в целом уровень температуры в объеме камеры 1 сгорания снижает образование окислов азота. Это же обстоятельство в сочетании с многократной циркуляцией золовых частиц в вихревой зоне 9 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 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 камеры сгорания, а также сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки, а другое - на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, сопло установлено на стенке камеры сгорания так, что его продольная ось пересекает смежную стенку воронки, расположенную со стороны сопла. На стенке камеры сгорания, противоположной горелке, установлено дополнительное сопло на уровне выше горелки. Продольная ось дополнительного сопла составляет угол 30...135° относительно стенки камеры сгорания. Изобретение позволяет повысить степень выгорания топлива, 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. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку камеры сгорания, а также сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки, а другое - на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, отличающаяся тем, что сопло установлено на стенке камеры сгорания так, что его продольная ось пересекает смежную стенку воронки, расположенную со стороны сопла.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, установлено дополнительное сопло на уровне выше горелки.3. Вихревая топка по п.2, отличающаяся тем, что продольная ось дополнительного сопла составляет угол 30-135° относительно стенки камеры сгорания.