ТОПКА КОТЛА Российский патент 2005 года по МПК F23B1/16 

Изобретение относится к топочным устройствам, а именно к топкам для котлов со слоевым сжиганием твердого топлива на колосниковых решетках, в том числе кускового, гранулированного и пылевидного.

Известна топка котла, оборудованная устройством подачи топлива, колосниковой решеткой с подводом первичного воздуха и соплами вторичного воздуха, расположенными на лобовой и задней стенках, друг против друга, направленными навстречу друг другу в одном уровне (см. з-ку Германии №19648639, 1998).

Недостаток этого решения в том, что сопла, установленные навстречу друг другу в одном уровне, создают воздушный заслон на пути перемещения твердых частиц топлива в замкнутом топочном объеме и дымовых газов в газоходе, который ограничивает траекторию движения и ухудшает их перемешивание, тем самым препятствуя полному сгоранию топлива и газа, увеличивая механический и химический недожог.

Известна также топка котла, содержащая узел подачи топлива, колосниковую решетку с подводом первичного воздуха, ярусы сопел вторичного воздуха, расположенные на лобовой и задней стенках (см. пат. РФ №2202068, кл. F 23 В 1/16, кл. F 23 С 7/00, 2003).

Однако в этом техническом решении мелкие частицы, выходящие из узла подачи топлива, сразу подхватываются восходящим потоком газов и уносятся из топки, не попадая в зону циркуляции топлива. При компоновке верхних сопел на задней стене топки выше и напротив устройства подачи топлива скорость газового потока вблизи фронтовой стены даже возрастает, при этом восходящим газовым потоком улавливаются и выносятся из топки достаточно крупные частицы, что приводит к росту механического недожога и снижению экономичности процесса горения. Это особенно проявляется в связи с тем, что обычно на котельные поступает несортированный рядовой уголь с содержанием мелких фракций до 60% (тогда как оптимальное для слоевого сжигания угля содержание мелочи размером 0-6 мм не должно превышать 40%).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение выгорания мелких фракций.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении продолжительности пребывания летучих мелких фракций в топочной камере за счет увеличения протяженности траектории их перемещения в топочном объеме и более рациональном распределении кислорода в объеме топочной камеры и, как следствие этого, повышении эффективности теплообмена в топочной камере, увеличении КПД сгорания топлива за счет снижения химического и механического недожога, улучшении экологических показателей за счет уменьшения выбросов топливной пыли, окислов азота и углерода в атмосферу.

Поставленная задача решается тем, что топка котла, содержащая узел подачи топлива, колосниковую решетку с подводом первичного воздуха, ярусы сопел вторичного воздуха, расположенные на лобовой и задней стенках, отличается тем, что на лобовой стенке расположены два яруса сопел вторичного воздуха, при этом сопла вторичного воздуха нижнего яруса расположены ниже узла подачи топлива, выше колосниковой решетки и направлены в одной плоскости вдоль ее поверхности, а сопла вторичного воздуха верхнего яруса расположены над узлом подачи топлива и направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол, относительно лобовой стенки, причем на задней стенке расположен ярус сопел вторичного воздуха, направленных в одной плоскости на узел подачи топлива. Кроме того, колосниковая решетка выполнена неподвижной. Кроме того, колосниковая решетка выполнена подвижной обратного хода. Кроме того, колосниковая решетка выполнена подвижной прямого хода. Кроме того, ярус сопел вторичного воздуха, расположенный на задней стенке, размещен выше узла подачи топлива. Кроме того, сопла вторичного воздуха, расположенные на задней стенке, выполнены поворотными, с возможностью поворота их продольной оси от направления, соответствующего уровню расположения узла подачи топлива, до направления, соответствующего уровню расположения нижнего яруса сопел вторичного воздуха, размещенных на лобовой стенке топки. Кроме того, ярус сопел вторичного воздуха, расположенный на задней стенке, размещен выше линии пересечения задней стенки топки с продольными осями сопел вторичного воздуха нижнего яруса, расположенного на лобовой стенке, и ниже верхнего яруса сопел вторичного воздуха, расположенного на лобовой стенке. Кроме того, в каждом ярусе размещено не менее двух сопел вторичного воздуха.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "на лобовой стенке расположены два яруса сопел вторичного воздуха" во взаимодействии с нижеупомянутыми признаками обеспечивает увеличение траектории движения газов и мелких частиц топлива в топочной камере и позволяет организовать динамический защитный экран, исключающий вынос мелких фракций топлива без их участия в процессе горения.

Признаки "сопла вторичного воздуха нижнего яруса расположены ниже узла подачи топлива, выше колосниковой решетки и направлены в одной плоскости вдоль ее поверхности" формируют горизонтальную составляющую траектории движения частиц топлива и газов (ее нижнюю ветвь), а также исключают "выпадение" на колосниковую решетку мелких фракций, поступающих из узла подачи топлива, и (или) выдувание мелких фракций с колосниковой решетки (на участке контактирования с ней струи вторичного воздуха, подаваемой из яруса сопел, расположенного над узлом подачи топлива).

Признаки "сопла вторичного воздуха верхнего яруса расположены над узлом подачи топлива и направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол, относительно лобовой стенки" создают динамический защитный экран со стороны лобовой стенки, исключающий вынос мелких фракций топлива без их участия в процессе горения, позволяют повысить содержание кислорода в зоне начального взаимодействия подаваемых мелких фракций с раскаленными частицами топлива и топочными газами, а также формируют нисходящую составляющую траектории движения частиц топлива и газов (ее ветвь вдоль лобовой стенки)

Признаки "на задней стенке расположен ярус сопел вторичного воздуха, направленных в одной плоскости на устройство подачи топлива" формируют горизонтальную (несколько нисходящую) составляющую траектории движения частиц топлива и газов (ее верхнюю ветвь), создают динамический защитный экран со стороны задней стенки, исключающий вынос мелких фракций топлива без их участия в процессе горения, позволяют повысить содержание кислорода в зоне начального взаимодействия подаваемых мелких фракций с раскаленными частицами топлива и топочными газами.

Признаки второго - четвертого пунктов формулы изобретения конкретезируют возможные варианты выполнения колосниковой решетки.

Признаки пятого пункта формулы позволяют оптимизировать циркуляцию пылегазового потока в топочной камере при выполнении колосниковой решетки неподвижной или подвижной обратного хода.

Признаки шестого пункта формулы позволяют оптимизировать циркуляцию пылегазового потока в топочной камере при выполнении колосниковой решетки неподвижной или подвижной обратного хода в зависимости от длины топочной камеры.

Признаки седьмого пункта формулы позволяют оптимизировать циркуляцию пылегазового потока в топочной камере при выполнении колосниковой решетки неподвижной или подвижной прямого хода.

Признаки восьмого пункта формулы позволяют оптимизировать число сопел в ярусе в зависимости от ширины топочной камеры.

Изобретение поясняется чертежами, при этом на фиг.1 показан разрез топки с неподвижной колосниковой решеткой (сопла вторичного воздуха, расположенные на задней стенке, направлены на узел подачи топлива); на фиг.2 - разрез топки с подвижной колосниковой решеткой обратного хода, имеющей наклон (сопла вторичного воздуха, расположенные на задней стенке, направлены на нижний ярус сопел вторичного воздуха); на фиг.3 - разрез топки с подвижной колосниковой решеткой прямого хода.

Изобретение поясняется примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Топка с неподвижной колосниковой решеткой.

Топка 1 оборудована узлом 2 подачи топлива, представляющим собой бункер, соединенный питателем с разбрасывателем, а также неподвижную колосниковую решетку 3 с подводом первичного воздуха. Кроме того, показаны расположенные на лобовой стенке 4 нижний ярус 5 и верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха, а также расположенный на задней 7 стенке ярус 8 сопел вторичного воздуха. Нижний ярус 5 сопел вторичного воздуха расположен ниже узла 2 подачи топлива и выше колосниковой решетки 3, при этом его сопла направлены в одной плоскости вдоль поверхности колосниковой решетки 3. Верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха расположен над узлом 2 подачи топлива, при этом его сопла направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол, относительно лобовой стенки 4 (оптимально он должен быть направлен на кромку выпускного отверстия, на чертежах не показано, узла 2 подачи топлива). Сопла вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7 (выше узла 2 подачи топлива), направлены в одной плоскости на уровень узла 2 подачи топлива. Целесообразно, чтобы сопла вторичного воздуха яруса 8 были выполнены поворотными, по крайней мере, в пределах угла, вершину которого составляет линия размещения яруса 8, один из лучей составляет направление от этого яруса на соответствующего уровню расположения устройства подачи топлива до направления соответствующего уровню расположения нижнего яруса сопел вторичного воздуха, размещенных на лобовой стенке топки, что позволяет, при необходимости, изменять местоположение вихревой зоны горения 9 в зависимости от длины топочной камеры (расстояния между лобовой и задней стенками). В данном примере показан вариант с ориентировкой сопел яруса 8 на уровень расположения устройства подачи топлива 2.

Устройство работает следующим образом. Топливо 12 подается в топку 1 через узел 2 подачи топлива. Достаточно крупные фракции топлива под действием сил тяжести падают вниз, где сгорают на неподвижной колосниковой решетке 3 в потоке первичного воздуха 10, поступающего снизу. Попадающие в топку мелкие фракции топлива под действием струй 11 из сопел вторичного воздуха верхнего яруса 6 направляются вниз, где попадают на "динамическую воздушную подушку", образованную работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха. Летучие мелкие фракции увлекаются воздушными струями 11, формируемыми работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха в виде воздушно-пылевого потока. Более массивные из мелких фракций топлива пробивают эту подушку и выпадают из нее вниз, где сгорают на неподвижной колосниковой решетке 3 в потоке первичного воздуха, поступающего снизу (либо выгорают до частиц, которые потоком первичного воздуха, поступающего снизу, могут возвратиться в воздушно-пылевой поток, формируемый работой струй 11 нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха). В зоне топочной камеры, прилегающей к задней стенке 7, когда ослабевают силы инерции воздушно-пылевого потока, сформированного работой струй 11 нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха, под действием первичного воздуха 10 твердые горючие частицы с дымовыми газами возносятся к соплам вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7, и под действием поступающих через них струй 11 вторичного воздуха направляются к узлу 2 подачи топлива (или при соответствующей ориентировке сопел вторичного воздуха яруса 8 - к нижнему ярусу 5 сопел вторичного воздуха). При этом в зону "работы" узла 2 подачи топлива подводятся и раскаленные частицы топлива, и дополнительные объемы воздуха (благодаря "работе" сопел вторичного воздуха ярусов 6 и 8), что интенсифицирует процесс воспламенения поступающих в топку мелких фракций топлива. Тем самым образуется вихревая зона горения 9, в которой мелкие фракции, перемещаясь по протяженной траектории, полностью выгорают. Направление действия воздушных струй, формируемых ярусами 5, 6 и 8 сопел вторичного воздуха, полностью совпадают с направлением движения (траекторией) горящих частиц топлива и дымовых газов в вихревой зоне 9, на участках взаимодействия с ней, что повышает эффективность вихреобразования и стабильность вихревой зоны.

Пример 2. Топка с подвижной колосниковой решеткой обратного хода.

Топка 1 оборудована узлом 2 подачи топлива, представляющим собой бункер, соединенный питателем с разбрасывателем, а также подвижную колосниковую решетку 13 обратного хода с подводом первичного воздуха. Кроме того, показаны расположенные на лобовой стенке 4 нижний ярус 5 и верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха, а также расположенный на задней 7 стенке ярус 8 сопел вторичного воздуха. Нижний ярус 5 сопел вторичного воздуха расположен ниже узла 2 подачи топлива и выше колосниковой решетки 13, при этом его сопла направлены в одной плоскости вдоль поверхности колосниковой решетки 13. Верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха расположен над узлом 2 подачи топлива, при этом его сопла направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол относительно лобовой стенки 4 (оптимально он должен быть направлен на кромку выпускного отверстия узла 2 подачи топлива, которое на чертежах не показано). Сопла вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7 (выше узла 2 подачи топлива), направлены в одной плоскости на нижний ярус 5 сопел вторичного воздуха. Целесообразно, чтобы сопла вторичного воздуха яруса 8 были выполнены поворотными.

Устройство работает следующим образом. Топливо подается в топку 1 через узел 2 подачи топлива. Достаточно крупные фракции топлива под действием сил тяжести падают вниз, где сгорают на подвижной колосниковой решетке 13 обратного хода в потоке первичного воздуха 10, поступающего снизу. Попадающие в топку мелкие фракции топлива под действием струй 11 сопел вторичного воздуха верхнего яруса 6 направляются вниз, где попадают на "динамическую воздушную подушку", образованную работой струй 11 нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха. Летучие мелкие фракции увлекаются воздушными струями 11, формируемыми работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха в виде воздушно-пылевого потока. Более массивные из мелких фракций топлива пробивают эту подушку и выпадают из нее вниз, где сгорают на подвижной колосниковой решетке 13 обратного хода в потоке первичного воздуха 10, поступающего снизу (либо выгорают до частиц, которые потоком первичного воздуха, поступающего снизу, могут возвратиться в воздушно-пылевой поток, формируемый работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха). В зоне топочной камеры, прилегающей к задней стенке 7, когда ослабевают силы инерции воздушно-пылевого потока, сформированного работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха, под действием первичного воздуха твердые горючие частицы с дымовыми газами возносятся к соплам вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7, и под действием поступающих через них струй 11 вторичного воздуха направляются к нижнему ярусу 5 сопел вторичного воздуха (или при соответствующей ориентировке сопел вторичного воздуха яруса 8 - к узлу 2 подачи топлива). При этом в зону "работы" узла 2 подачи топлива подводятся и раскаленные частицы топлива, и дополнительные объемы воздуха (благодаря "работе" сопел вторичного воздуха ярусов 6 и 8), что интенсифицирует процесс воспламенения поступающих с топливом его мелких фракций. Тем самым образуется вихревая зона горения 9, в которой мелкие фракции, перемещаясь по протяженной траектории, полностью выгорают. Направление действия воздушных струй 11, формируемых ярусами 5, 6 и 8 сопел вторичного воздуха, полностью совпадают с направлением движения (траекторией) горящих частиц топлива и дымовых газов в вихревой зоне 9, на участках взаимодействия с ней, что повышает эффективность вихреобразования и стабильность вихревой зоны.

Пример 3. Топка с подвижной колосниковой решеткой прямого хода.

Топка 1 оборудована узлом 2 подачи топлива, представляющим собой бункер, соединенный питателем с разбрасывателем, а также подвижной колосниковой решеткой 14 прямого хода с подводом первичного воздуха. Кроме того, показаны расположенные на лобовой стенке 4 нижний ярус 5 и верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха, а также расположенный на задней 7 стенке ярус 8 сопел вторичного воздуха. Нижний ярус 5 сопел вторичного воздуха расположен ниже узла 2 подачи топлива и выше колосниковой решетки 14, при этом его сопла направлены в одной плоскости вдоль поверхности колосниковой решетки 14. Верхний ярус 6 сопел вторичного воздуха расположен над узлом 2 подачи топлива, при этом его сопла направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол, относительно лобовой стенки 4 (оптимально он должен быть направлен на кромку выпускного отверстия узла 2 подачи топлива, которое на чертежах не показано). Сопла вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7 (выше линии 15 пересечения задней стенки 7 топки с продольными осями сопел вторичного воздуха нижнего яруса 5, расположенного на лобовой стенке 4, и ниже верхнего яруса 6 сопел вторичного воздуха, также расположенного на лобовой стенке), направлены в одной плоскости на уровень узла 2 подачи топлива. Целесообразно, чтобы сопла вторичного воздуха яруса 8 были выполнены поворотными.

Устройство работает следующим образом. Топливо подается в топку 1 через узел 2 подачи топлива. Достаточно крупные фракции топлива под действием сил тяжести падают вниз, где сгорают на подвижной колосниковой решетке прямого хода 14 в потоке первичного воздуха, поступающего снизу. Попадающие в топку мелкие фракции топлива под действием струй 11 сопел вторичного воздуха верхнего яруса 6 направляются вниз, где попадают на "динамическую воздушную подушку", образованную работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха. Летучие мелкие фракции увлекаются воздушными струями 11, формируемыми работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха, в виде воздушно-пылевого потока. Более массивные из мелких фракций топлива пробивают эту подушку и выпадают из нее вниз, где сгорают на подвижной колосниковой решетке 14 прямого хода в потоке первичного воздуха, поступающего снизу (либо выгорают до частиц, которые потоком первичного воздуха, поступающего снизу, могут возвратиться в воздушно-пылевой поток, формируемый работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха). В зоне топочной камеры, прилегающей к задней стенке 7 (когда ослабевают силы инерции воздушно-пылевого потока, сформированного работой нижнего яруса 5 сопел вторичного воздуха), под действием первичного воздуха 10 твердые горючие частицы с дымовыми газами возносятся к соплам вторичного воздуха яруса 8, расположенного на задней стенке 7, и под действием поступающих через них струй 11 вторичного воздуха направляются к узлу 2 подачи топлива. При этом в зону "работы" узла 2 подачи топлива подводятся и раскаленные частицы топлива и дополнительные объемы воздуха (благодаря "работе" сопел вторичного воздуха ярусов 6 и 8), что интенсифицирует процесс воспламенения поступающих с топливом его мелких фракций. Тем самым образуется вихревая зона горения 9, в которой мелкие фракции, перемещаясь по протяженной траектории, полностью выгорают. Направление действия воздушных струй 11, формируемых ярусами 5, 6 и 8 сопел вторичного воздуха, полностью совпадают с направлением движения (траекторией) горящих частиц топлива и дымовых газов в вихревой зоне 9, на участках взаимодействия с ней, что повышает эффективность вихреобразования и стабильность вихревой зоны.

Изобретение может быть использовано в конструкциях котлов со слоевым сжиганием твердого топлива на колосниковых решетках и решает задачу улучшения выгорания мелких фракций. Это достигается тем, что в топке котла, содержащей узел подачи топлива, колосниковую решетку с подводом первичного воздуха, ярусы сопел вторичного воздуха, расположенные на лобовой и задней стенках, согласно изобретению на лобовой стенке расположены два яруса сопел вторичного воздуха, при этом сопла вторичного воздуха нижнего яруса расположены ниже узла подачи топлива, выше колосниковой решетки и направлены в одной плоскости вдоль ее поверхности, а сопла вторичного воздуха верхнего яруса расположены над узлом подачи топлива и направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол относительно лобовой стенки, причем на задней стенке расположен ярус сопел вторичного воздуха, направленных в одной плоскости на узел подачи топлива. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Топка котла, содержащая узел подачи топлива, колосниковую решетку с подводом первичного воздуха, ярусы сопел вторичного воздуха, расположенные на лобовой и задней стенках, отличающаяся тем, что на лобовой стенке расположены два яруса сопел вторичного воздуха, при этом сопла вторичного воздуха нижнего яруса расположены ниже узла подачи топлива, выше колосниковой решетки и направлены в одной плоскости вдоль ее поверхности, а сопла вторичного воздуха верхнего яруса расположены над узлом подачи топлива и направлены вниз в одной плоскости, составляющей острый угол относительно лобовой стенки, причем на задней стенке расположен ярус сопел вторичного воздуха, направленных в одной плоскости на узел подачи топлива.2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что колосниковая решетка выполнена неподвижной.3. Топка по п.1, отличающаяся тем, что колосниковая решетка выполнена подвижной обратного хода.4. Топка по п.1, отличающаяся тем, что колосниковая решетка выполнена подвижной прямого хода.5. Топка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ярус сопел вторичного воздуха, расположенный на задней стенке, размещен выше узла подачи топлива.6. Топка по п.2, или 3, или 5, отличающаяся тем, что сопла вторичного воздуха, расположенные на задней стенке, выполнены поворотными с возможностью поворота их продольной оси от направления, соответствующего уровню расположения узла подачи топлива, до направления, соответствующего уровню расположения нижнего яруса сопел вторичного воздуха, размещенных на лобовой стенке топки.7. Топка по п.2 или 4, отличающаяся тем, что ярус сопел вторичного воздуха, расположенный на задней стенке, размещен выше линии пересечения задней стенки топки с продольными осями сопел вторичного воздуха нижнего яруса, расположенного на лобовой стенке, и ниже верхнего яруса сопел вторичного воздуха, расположенного на лобовой стенке.8. Топка по п.1, или 5, или 7, отличающаяся тем, что в каждом ярусе размещено не менее двух сопел вторичного воздуха.