СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2006 года по МПК F23B30/00 F23C7/00 

Изобретение относится к способам сжигания твердого топлива и может быть использовано в котлах, оборудованных колосниковыми решетками, при полидисперсном составе топлива.

Известен способ сжигания топлива, предусматривающий его сжигание во взвешенном состоянии на наклонной (под углом 10-15° к горизонту) подвижной колосниковой решетке, с шириной, меньшей (в 2-5 раз) ширины топки. Подача первичного воздуха производится под колосниковую решетку, вторичный воздух подается встречно, с боковых стен топки. Процесс сжигания организуется путем псевдоожижения топливно-золовой массы над решеткой, при подаче через последнюю первичного воздуха в количестве ˜50% от теоретически необходимого, со скоростью, превышающей скорость витания частиц. Наполнителем кипящего слоя служит зола, содержащаяся в топливе (см. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 350 с.).

Топка котла прямоугольная, при работе в пазухах между решеткой и боковыми стенами топки образуются откосы, состоящие из шлака, золы и недогоревшего угля. Резкое падение скорости газов при расширении потока в объеме топочной камеры приводит к тому, что основная часть топлива сепарируется из газового потока вниз и выгорает в относительно небольшом объеме кипящего слоя непосредственно над воздухораспределительной решеткой. Вследствие концентрации горения в небольшом объеме, при отсутствии теплоотвода, в этой зоне развиваются высокие температуры газов, что приводит к расплавлению частиц золы с последующим их слипанием и выпадением образующихся агломератов на решетку. Для ликвидации шлакования предлагается ограничивать подачу первичного воздуха под решетку величиной не более 65% от теоретически необходимого количества (см. там же, стр.264). Однако, при такой организации воздушного режима вследствие недостатка окислителя, подаваемого под решетку, над слоем образуется восстановительная среда с наличием СО, Н₂S и других продуктов неполного сжигания. Это приводит к возникновению высокотемпературной газовой коррозии экранных поверхностей нагрева, размещенных в топке (см. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. /Под ред. Э.Х.Вербовецкого, Н.Г.Жмерика. СПб.: АООТ ЦКТИ, 1996, с.82-83).

На решетку также выпадают наиболее крупные частицы топлива, имеющие скорость витания больше скорости газов, эти частицы выгорают в слоевом режиме. Так как для эвакуации образующегося шлака, во избежание перекрытия решетки, поддерживается высокая скорость движения колосникового полотна (в пределах 40-50 м/ч), недожог крупных частиц топлива может быть значителен.

Известен способ сжигания топлива, включающий его измельчение до крупности 10-15 мм и подачу в топку, оборудованную подвижной колосниковой решеткой, и ввод воздуха в полость топки через колосниковую решетку и непосредственно в полость топки через сопла, смонтированные на ее стенке (см. Шемякин В.Н., Карапетов А.Э. Котлы малой и средней мощности с кипящим и циркулирующим слоями // Новые технологии эффективного использования топлива, модернизации и ремонта котельных установок. СПб.: ПИПК, 2000. - С.21-37).

Недостаток этого способа - удорожание процесса подготовки топлива и необходимость решения проблемы эффективного сжигания пылевидной фракции, объем которой в составе топливной массы неизбежно увеличивается.

Известен также способ сжигания топлива, включающий его измельчение и подачу в топку, оборудованную подвижной колосниковой решеткой, и ввод воздуха в полость топки через колосниковую решетку и непосредственно в полость топки через сопла, смонтированные на ее стенке, с организацией в верхней зоне вихревого движения газового потока (см. пат. РФ №2202068, кл. F 23 В 1/16, кл. F 23 С 7/00, 2003).

Однако данное решение не устраняет шлакования топки и не решает проблему полноты сжигания полидисперсного дробленого твердого топлива.

Решаемая техническая задача - устранение шлакования топки и увеличение экономичности сжигания полидисперсного дробленого твердого топлива.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в формировании по высоте топки нескольких зон горения, в каждой из которых сжигается топливо с соответствующей крупностью частиц, при этом в каждой из зон горения кислородный баланс оптимален (с позиции минимизации выхода агрессивных окислов), кроме того, снижается тепловая нагрузка на нижнюю часть топки (за счет уменьшения доли топлива сжигаемого непосредственно здесь), что в комплексе с мероприятиями по дополнительному отводу тепла из этой зоны исключает шлакование топки и при существенно меньших скоростях движения колосниковой решетки. Тем самым обеспечивается продолжительность участия частиц топлива, лежащих на решетке, в процессе горения и, соответственно, полнота их выгорания.

Как следствие этого, повышается эффективность теплообмена в топочной камере, увеличивается КПД сгорания топлива за счет снижения химического и механического недожога, улучшаются экологические показатели за счет уменьшения выбросов топливной пыли, окислов азота и углерода в атмосферу.

Поставленная задача решается тем, что способ сжигания топлива, включающий его измельчение и подачу в топку, оборудованную подвижной колосниковой решеткой, и ввод воздуха в полость топки через колосниковую решетку и непосредственно в полость топки через сопла, смонтированные на ее стенке, отличается тем, что по высоте топки формируют по меньшей мере три зоны горения топлива, для чего скорость воздушного потока, подаваемого через подвижную колосниковую решетку, плавно уменьшают по высоте нижней части топки, а в ее верхней части организуют вихревое движение остального объема воздуха, подаваемого в топку, для чего площадь поперечного сечения нижней части топки увеличивают с высотой, при этом воздух в верхней части топки вводят по касательным к траектории вихревого движения в направлении циркуляции факела, кроме того, скорость движения колосниковой решетки принимают из условия

V_p=S_k/t_c,

где V_p - скорость движения колосниковой решетки; S_k - расстояние, на которое перемещается максимально крупная частица топлива от точки попадания на решетку до конца последней; t_c - время достаточного выгорания максимально крупной частицы топлива до объема, обеспечивающего ее летучесть.

Кроме того, температуру факела в нижней части топочного пространства поддерживают на уровне, исключающем расплавления шлакообразующих компонентов топлива, для чего нижнюю часть топки от колосниковой решетки до нижней границы зоны с вихревым движением факела охлаждают до температуры, меньшей температуры плавления шлака.

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 "по высоте топки формируют по меньшей мере три зоны горения топлива" позволяет уменьшить тепловую нагрузку (выделение тепла от сгорающих частиц топлива) на нижнюю часть топки за счет уменьшения доли топлива, сжигаемого непосредственно здесь, т.е. позволяет более равномерно распределить тепловую нагрузку по объему топки.

Признак "скорость воздушного потока, подаваемого через подвижную колосниковую решетку, плавно уменьшают по высоте нижней части топки, для чего площадь поперечного сечения нижней части топки увеличивают с высотой" позволяет более равномерно распределить топливную массу по высоте топки (крупные - тяжелые, частицы остаются на решетке, более мелкие, массогабаритные параметры которых обеспечивают их витание, локализуются в объеме между решеткой и нижней границей зоны с вихревым движением факела, а самые легкие выгорают в верхней части топки - зоне с вихревым движением факела. При этом по мере сгорания частицы переходят в вышележащие зоны топки.

Признаки "воздух в верхней части топки вводят по касательным к траектории вихревого движения в направлении циркуляции факела" обеспечивают формирование зоны с вихревым движением факела и, соответственно, полноту выгорания пылевой фракции топлива.

Признаки "скорость движения колосниковой решетки принимают из условия V_p=S_k/t_c, где V_p - скорость движения колосниковой решетки; S_k - расстояние, на которое перемещается максимально крупная частица топлива от точки попадания на решетку до конца последней; t_c - время достаточного выгорания максимально крупной частицы топлива до объема, обеспечивающего их летучесть" обеспечивают полноту выгорания крупной фракции топлива.

Признаки второго пункта формулы позволяют предотвратить переход шлака в размягченное состояние и тем самым шлакование решетки и нижней части топки, при легкоплавкости шлакообразующих компонентов топливной массы или же повышенной теплотворной способности топлива.

На фиг.1 показан вертикальный продольный разрез топки; на фиг.2 - ее вертикальный поперечный разрез.

Предлагаемый способ сжигания топлива реализован в устройстве, содержащем вертикальную экранированную топочную камеру 1, по крайней мере, один узел подачи топлива 2, размещенный на фронтовой 3 стене топки, по крайней мере, одно сопло вторичного воздуха 4, размещенное на задней стенке 5, по крайней мере, одно сопло вторичного воздуха 6, размещенное на фронтовой стенке 3, расположенную в нижней части топки наклонную колосниковую решетку 7, ширина которой меньшей ширины топочной камеры, и содержащей воздуховоды 8 подачи первичного воздуха. При этом нижняя часть топочной камеры 9 выполнена в поперечном сечении в виде трапеции, нижнее основание которой меньше верхнего, с полным углом раскрытия боковых сторон 20-60°, причем ширина верхнего участка (а) нижней части топочной камеры составляет (0,7...1) ширины топочной камеры (в). Кроме того, показаны теплоотводящий экран 10 стенок нижней части топочной камеры 9, три зоны горения топлива 11-13, из которых 11 - зона горения крупных кусков топлива (локализованная на поверхности колосниковой решетки 7), 12 - зона горения мелких кусков топлива в кипящем слое (сгорающих во взвешенном состоянии непосредственно над колосниковой решеткой) и 13 - зона с вихревым движением факела (в которой сгорают пылевые фракции топлива), направление циркуляции факела 14.

Конструкция узла 2 подачи топлива зависит от конструкции колосниковой решетки 7: если последняя является решеткой прямого хода, то узел 2 подачи топлива представляет собой бункер, с питателем (на чертежах не показан), обеспечивающим ввод топлива на участок, прилегающий к фронтовой 3 стене топлива; если последняя является решеткой обратного хода, то узел подачи дополнительно снабжают разбрасывателем (на чертежах не показан), обеспечивающим заброс топлива к задней стенке 5.

Сопла вторичного воздуха 4 и 6 ориентированы по касательным к траектории вихревого движения в направлении циркуляции факела 14, при этом сопло вторичного воздуха 6 размещено над узлом подачи топлива 2 и ниже сопла вторичного воздуха 4. Конструктивно каждое из сопел представляет из себя конструкцию, обеспечивающую подачу вторичного воздуха в виде тонкого, но широкого потока (ширина которого соответствует ширине топочной камеры).

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Топливо подается в топочную камеру 1 через узел 2 подачи топлива. Крупные фракции топлива под действием сил тяжести падают вниз, где самые крупные сгорают непосредственно на колосниковой решетке 7 в потоке первичного воздуха, поступающего снизу (образуя собой зону горения крупных кусков топлива 11). Попадающие в топку более мелкие фракции топлива под действием потока первичного воздуха, подаваемого через воздуховоды 8, формируют зону горения 12 - кипящий слой топлива (зону горения мелких кусков топлива, сгорающих во взвешенном состоянии непосредственно над колосниковой решеткой 7). При этом, поскольку площадь поперечного сечения нижней части топки увеличивается с высотой, соответственно падает скорость потока первичного воздуха, вследствие чего в пределах зоны горения 12 топливная масса дифференцированно распределяется по высоте топки (более крупные - тяжелые, частицы остаются вблизи колосниковой решетки, более мелкие поднимаются выше - к нижней границе зоны 13 с вихревым движением факела). При этом по мере сгорания частицы переходят в вышележащие зоны топки.

Летучие мелкие фракции (пылевидное топливо) увлекаются поднимающимся вверх воздушным потоком первичного воздуха, однако поток вторичного воздуха, подаваемый через сопла 6, "формирует аэродинамический козырек", исключающий прямой выброс пылевидных фракций из топки, задавая им движение в сторону задней стенки топочной камеры. По мере движения "свежепопавшие в топку" частицы топлива взаимодействуют с раскаленными продуктами горения (в том числе раскаленными частицами топлива, ставшими летучими после частичного выгорания в нижележащих зонах), в результате чего они воспламеняются и сгорают.

В зоне топочной камеры, прилегающей к задней стенке 5 (когда ослабевают силы инерции воздушного потока, сформированного работой сопел 6 вторичного воздуха (аэродинамического козырька"), под действием первичного воздуха, твердые горючие частицы с дымовыми газами возносятся к соплам вторичного воздуха 4, расположенным на задней стенке 5, и под действием поступающих через них струй вторичного воздуха, направляются к фронтовой 3 стенке). Тем самым образуется вихревая зона горения 13, в которой мелкие фракции, перемещаясь по протяженной траектории, полностью выгорают.

Выполнение нижней части топки полностью экранированной обеспечивает охлаждение ее стенок до температуры, меньшей температуры плавления шлака, что в совокупности с выполнением ее стенок наклонными (форма сечения трапеция с малым углом раскрытия 20-60°) исключает появление очагов шлакования (золовые откосы, неэкранированные стены, как это имеет место в известных конструкциях).

Растягивание зоны горения топлива по высоте топки и улучшение теплоотвода за счет экранирования поверхности стен приводят к снижению максимальной температуры факела, при этом зола топлива не расплавляется, выпадающий на решетку шлак имеет мелкодисперсную структуру с размерами частиц не более 2-5 мм. Уменьшение доли угля, выгорающего в слое, и перенос горения в надслоевое пространство, а затем в вихревой факел с горизонтальной осью вращения вызывают рост количества золы, уносимой из топки, и снижение доли золы, удаляемой со шлаком, до 50-60%. Отсутствие крупных шлаковых агломератов на решетке и уменьшение общего количества удаляемой золы позволяют снизить скорость движения колосникового полотна до 5-30 м/ч, что способствует созданию условий для полного выжигания даже очень крупных кусков угля, поступающих в топку, при сравнительно небольшой длине топочной камеры. Выносимые за пределы объема кипящего слоя мелкие частицы топлива эффективно дожигаются в вихревом факеле.

Изобретение может быть использовано в котлах, оборудованных колосниковыми решетками, при полидисперсном составе топлива и обеспечивает устранение шлакования топки и увеличение экономичности сжигания полидисперсного дробленого твердого топлива. Этот технический результат достигается тем, что в способе сжигания топлива, включающем его измельчение и подачу в топку, по высоте топки формируют по меньшей мере три зоны горения топлива, для чего скорость воздушного потока, подаваемого через подвижную колосниковую решетку, плавно уменьшают по высоте нижней части топки, а в ее верхней части организуют вихревое движение остального объема воздуха, подаваемого в топку, для чего площадь поперечного сечения нижней части топки увеличивают с высотой, при этом воздух в верхней части топки вводят по касательным к траектории вихревого движения в направлении циркуляции факела, кроме того, скорость движения колосниковой решетки принимают из условия V_p=S_k/t_c. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжигания топлива, включающий его измельчение и подачу в топку, оборудованную подвижной колосниковой решеткой, и ввод воздуха в полость топки через колосниковую решетку и непосредственно в полость топки через сопла, смонтированные на ее стенке, отличающийся тем, что по высоте топки формируют, по меньшей мере, три зоны горения топлива, для чего скорость воздушного потока, подаваемого через подвижную колосниковую решетку, плавно уменьшают по высоте нижней части топки, а в ее верхней части организуют вихревое движение остального объема воздуха, подаваемого в топку, для чего площадь поперечного сечения нижней части топки увеличивают с высотой, при этом воздух в верхней части топки вводят по касательным к траектории вихревого движения в направлении циркуляции факела, кроме того, скорость движения колосниковой решетки принимают из условия

V_p=S_k/t_c,

где V_p - скорость движения колосниковой решетки;

S_k - расстояние, на которое перемещается максимально крупная частица топлива от точки попадания на решетку до конца последней;

t_c - время достаточного выгорания максимально крупной частицы топлива до объема, обеспечивающего ее летучесть.