ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 2007 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам для сжигания грубоизмельченного топлива, и наиболее успешно может применяться для сжигания дробленого угольного топлива и сланца.

Основными параметрами промышленных топок являются их экономические и экологические характеристики, первые из которых определяются прежде всего полнотой сжигания топлива и затратами на подготовку топлива, а вторые - в основном с качеством сбрасываемых в атмосферу дымовых газов.

С точки зрения полноты сжигания немолотого топлива и по экологическим характеристикам хорошие результаты показывают топки с циркулирующим кипящим слоем.

Известна топка (патент РФ №2094700) с размещенным в ее нижней части плотным кипящим слоем.

Топка работает следующим образом.

Топливо подается в течку возврата уноса и вместе с дисперсматериалом поступает в топку на решетку кипящего слоя. Подогретый в воздухоподогревателе воздух под давлением подается под решетку кипящего слоя, образуя кипящий слой смеси топлива и дисперсного материала. Скорость воздуха в сечении топки выбирается такой, чтобы обеспечить пневмотранспорт мелких частиц дисперсного материала и выгорающих частиц топлива к выходному окну топки, откуда они попадают в высокотемпературный циклон. Отсепарированная в циклоне твердая фаза дымовых газов через немеханический клапан по течке возврата уноса возвращается в топку, в область границы кипящего слоя, а очищенные дымовые газы направляются в переходный газоход, конвективную шахту, воздухоподогреватель и далее в дымовую трубу. Возврат в кипящий слой недогоревших частиц топлива позволяет обеспечить достаточно полное его сжигание.

Однако применение таких или сходных технических решений возможно только при строительстве новых тепловых станций, а на действующих использование циркулирующего кипящего слоя невозможно.

Значительная часть существующих топок может быть реконструирована таким образом, чтобы в них было возможно организовать вихревое сжигание топлива.

Вихревые топки являются достаточно перспективными с точки зрения и экологических и экономических характеристик.

Известна топка (SU А 483559), содержащая камеру сгорания с горелкой для подачи топливовоздушной смеси, установленной на ее стенке. Скаты стенок нижней части камеры сгорания образуют холодную воронку призматической формы со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки размещено устройство нижнего дутья, выполненное, например, в виде воздушного сопла.

При работе такой топки через горелку подают топливовоздушную смесь, а снизу через щелевое устье с помощью устройства нижнего дутья - воздух. В результате взаимодействия двух встречно направленных потоков в нижней части топки образуется вихревая зона, а в верхней - прямоточная. Вблизи горелок и в прямоточной зоне сгорают мелкие частицы топлива, а средние и крупные сепарируются в вихревую зону. В вихревой зоне эти частицы выгорают в процессе многократной циркуляции. После выгорания до определенного размера они выносятся за пределы вихревой зоны и догорают в верхней прямоточной части факела. Интенсивная внутритопочная рециркуляция смеси воздуха продуктов сгорания и топлива приводит к значительному снижению и выравниванию температур по всему объему вихревой зоны.

Для предотвращения сгорания основной массы частиц вблизи горелок и наилучшего использования преимуществ вихревых топок в таких топках применяют разные приемы: используют топливо угрубленного фракционного состава с относительно небольшим содержанием мелких частиц, наклоняют вниз горелки и увеличивают в них скорость воздуха для улучшения сепарации в вихревую зону топливных частиц. Уменьшенная скорость горения топлива, вызванная снижением максимальных температур горения и угрублением фракционного состава топлива, компенсируется увеличением времени пребывания топлива в зоне низких температур, т.е. в вихревой зоне. В то же время значительная часть вихревой зоны представляет собой восстановительную зону, характеризующуюся недостатком кислорода. Это позволяет снизить выбросы оксидов азота за счет их восстановления.

Промышленные испытания котла с такой топкой подтвердили существенное снижение температурного уровня и резкое снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах. Однако при сжигании в такой топке топлива угрубленного фракционного состава может увеличиваться провал в шлаковый бункер крупных топливных частиц.

Это связано, например, с тем, что экранные поверхности нагрева большинства типов топочных камер представляют панели из вертикально расположенных труб. Между этими трубами получаются своего рода желоба, в которых могут скапливаться топливные частицы. Такие частицы выстраиваются друг за другом, образуя цепочки. Достигнув некоторой "критической" массы, данные конгломераты, преодолевая сопротивление встречного потока воздуха, выходящего из сопл нижнего дутья, проваливаются в шлаковый комод.

Для борьбы с провалом несгоревшего топлива приходится увеличивать скорость нижнего дутья, что приводит к повышению затрат на тяго-дутьевые машины и интенсификации эрозионного износа экранных труб. Кроме того, чрезмерные скорости потока нижнего дутья могут вызвать нарушение оптимальной аэродинамики вихревого топочного процесса, что приведет к повышению выноса из топки недогоревших частиц.

Потери топлива от механического недожога превышают нормативные значения, поэтому экономические характеристики являются относительно невысокими. Кроме того, эта топка может относительно эффективно сжигать только измельченное топливо в виде пыли, и, соответственно, требует высоких затрат на его подготовку.

Для снижения потерь топлива с уносом используются различные приемы. Наиболее часто используют конструктивные элементы, препятствующие выносу недогоревших частиц топлива с топливными газами.

Известна вихревая топка (а.с. СССР № 974034), включающая камеру сгорания с холодной воронкой, наклоненную вниз горелку, установленную на стенке камеры сгорания и устройство нижнего дутья, размещенное под устьем холодной воронки. Задний скат холодной воронки снабжен выступом, расположенным над устройством нижнего дутья. Топка содержит средство для возврата в зону горения недогоревших частиц топлива, выполненное в виде аэродинамического козырька, установленного над горелкой и дополнительного сопла третичного дутья. Под устьем холодной воронки установлена дожигательная решетка, а под ней сопло нижнего дутья.

Грубодисперсное топливо вместе с первичным воздухом через горелку подается в камеру сгорания. За счет инерционных и гравитационных сил средние и крупные частицы топлива сепарируются в нижнюю часть топки, а мелкие частицы вместе с потоком газов выносятся в верхнюю часть и догорают в прямоточной части факела.

Крупные частицы под действие своего веса опускаются на скат холодной воронки и по нему сползают на дожигательную решетку. Средние частицы подхватываются потоком воздуха нижнего дутья и возвращаются в вохревую зону, где догорают в результате многократной циркуляции.

Некоторые частицы под действием нижнего дутья приобретают относительно высокую скорость и, пронизав вихревую зону, устремляются в верхнюю часть топки. Часть таких частиц наталкивается на козырек, теряет скорость и возвращается в зону многократной циркуляции. Для еще большего снижения уноса недогоревших частиц используют поток воздуха из сопла третичного дутья.

Таким образом, эта топка обеспечивает некоторое уменьшение мехнедожога с уносом недогоревших частиц благодаря наличию козырька и сопла третичного дутья, однако не решает полностью эту проблему, особенно при использовании крупнодисперсного топлива. Поскольку в процессе циркуляции частиц топлива в вихревой зоне происходит их подсушивание, уменьшается скорость витания этих частиц, и при увеличении скорости нижнего дутья они выносятся в верхнюю часть топки, не успев догореть. Этот процесс усугубляется тем, что в верхней части (в зоне дожигания) количество кислорода относительно невелико, а температура - низкая, поэтому такие частицы практически неизменными выносятся вместе с дымовыми газами.

Хотя применение дожигательной решетки и снижает мехнедожог с провалом, существенно повышаются издержки на обслуживание топки, поскольку решетки со временем забиваются частицами топлива, возникает кратерное горение и прочие недостатки, свойственные слоевому горению.

Кроме того, процесс слоевого горения накладывает определенные ограничения на воздушные потоки: при увеличении скорости потока нижнего дутья увеличивается мехнедожог с уносом, при уменьшении скорости потока замедляется процесс горения топлива на решетке и увеличивается количество частиц топлива, выпадающих на на решетку, что может привести даже к завалу топки.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать вихревую топку с повышенной полнотой сжигания твердого топлива путем возврата в вихревую зону недогоревших частиц топлива.

Поставленная задача решается тем, что в вихревой топке, включающей камеру сгорания с холодной воронкой, образованной скатами нижних частей стенок камеры сгорания, устройство нижнего дутья, установленное под устьем холодной воронки, наклоненную вниз горелку для подачи топливо-воздушной смеси, установленную на стенке камеры сгорания, в соответствии с изобретением топка снабжена золоуловителем, установленным между камерой сгорания и конвективной шахтой, циркуляционным золовым каналом, один конец которого сообщается с указанным золоуловителем, а другой - с внутренним пространством камеры сгорания, при этом выходное отверстие указанного канала размещено между устьем холодной воронки и горелкой для подачи топлива, а золоуловитель выбирается из условия улова частиц более 0,5 мм.

Целесообразно, чтобы циркуляционный золовый канал был снабжен средствами для транспортировки золы.

При использовании некоторых видов топлива золовый канал может быть снабжен средством для подачи сорбента.

Изобретение поясняется чертежом, на котором

схематически изображена вихревая топка, выполненная согласно изобретению.

Как видно из чертежа, вихревая топка включает призматическую камеру сгорания 1 с холодной воронкой 2. Холодная воронка 2 образована скатами стенок камеры сгорания 1.

Под устьем 3 холодной воронки 2 установлено устройство нижнего дутья 4 с воздушным соплом 5. На стенке камеры 1 установлена наклоненная вниз горелка 6. За камерой сгорания 1 по ходу дымовых газов размещена конвективная шахта 7, а между шахтой 7 и камерой сгорания 1 установлен золоуловитель 8. Золоуловитель 8 может быть выполнен любым известным способом, например, может быть выполнен в виде циклона или иметь жалюзийную конструкцию. Единственное требование, чтобы выбранный золоуловитель улавливал частицы размером более 0,5 мм. Между золоуловителем 8 и камерой сгорания 1 установлен золовый канал 9, входное отверстие 10 которого сообщается с золоуловителем 8, а выходное отверстие 11 расположено между устьем 3 холодной воронки 2 и горелкой 6 для подачи топлива.

Местоположение выходного отверстия эолового канала 9 выбирается в зависимости от требуемого режима и качества используемого топлива.

Золовый канал 9 снабжен средством 12 для транспортировки уноса. Средство 12 может быть выполнено любым подходящим способом, например, оно может быть пневматическим. Зола также может идти самотеком.

Эоловый канал 9 снабжен также средством 13 для подачи сорбента. Это средство 13 может быть выполнено, например, в виде дополнительного канала.

Топка работает следующим образом.

Дробленое крупнодисперсное топливо подается в камеру сгорания 1 через горелку 6. Мелкие частицы сгорают в прямотоке, более крупные направляются вместе с воздухом в нижнюю часть камеры сгорания. В результате взаимодействия топливо-воздушного потока из горелки и потока нижнего дутья, выходящего из устья холодной воронки, образуется вихревая зона, в которой, в результате многократной циркуляции, сгорают более крупные частицы топлива. По мере выгорания и растрескивания частицы топлива становятся более легкими, повышается их парусность, снижается скорость витания и часть из них, не успев догореть, выносится в верхнюю часть топки. На выходе из топочной камеры дымовые газы попадают в золоуловитель, который отделяет относительно крупные частицы топлива, и направляет их в золовый канал, а очищенные дымовые газы направляются в конвективную шахту. Отсепарированные частицы под подействием силы тяжести или средства для транспортировки уноса направляются в золовый канал. Из эолового канала частицы топлива попадают непосредственно в вихревую зону и догорают в результате повторной циркуляции. Такой процесс может успешно и непрерывно проходить при условии возврата в вихревую зону 5-10% уноса, который и составляют крупные частицы размером более 0,5 мм. Эти частицы практически полностью являются частицами угля.

В том случае, если при сжигании твердого топлива необходимо использовать сорбент, то последний может подаваться и вместе с топливом, как это делается обычно, так и вместе с возвращаемым уносом через золовый канал, для чего используется средство для подачи сорбента. При использовании сорбента заявляемая топка имеет еще одно преимущество, поскольку, как известно, далеко не весь сорбент, подаваемый в топочную камеру, успевает прореагировать полностью, непрореагировавшие его частицы улавливаются золоуловителем и вместе с уносом возвращаются в топочную камеру. Таким образом сорбент используется многократно.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет реконструировать существующие топочные агрегаты, повышая при этом экологические и экономические их характеристики.

Как показали проведенные опыты, эта конструкция может работать на различных видах твердого топлива, в том числе и на сланце.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться при конструировании и реконструкции топок промышленных котлов. Наиболее успешно топка может применяться при сжигании крупнодисперсного дробленого топва, угля и сланца. Вихревая топка включает камеру сгорания с холодной воронкой, образованной скатами нижних частей ее стенок, устройство нижнего дутья, установленное под устьем холодной воронки и наклоненную вниз горелку для подачи топливо-воздушной смеси, установленную на стенке камеры сгорания. Топка снабжена золоуловителем, установленным между камерой сгорания и конвективной шахтой и циркуляционным золовым каналом. Один конец указанного канала сообщается с золоуловителем, а другой - с внутренним пространством камеры сгорания. Выходное отверстие указанного канала размещено между устьем холодной воронки и горелкой для подачи топлива, а золоуловитель выбирается из условия улова частиц более 0,5 мм. Золовый канал может быть снабжен средством для транспортировки уноса и средством для подачи сорбента. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Вихревая топка, включающая камеру сгорания с холодной воронкой, образованной скатами нижних частей стенок камеры сгорания, устройство нижнего дутья, установленное под устьем холодной воронки, наклоненную вниз горелку для подачи топливовоздушной смеси, установленную на стенке камеры сгорания, причем топка снабжена золоуловителем, установленным за камерой сгорания, циркуляционным золовым каналом, снабженным средством для транспортировки и возврата уноса, и один конец канала сообщен с указанным золоуловителем, а другой - с внутренним пространством камеры сгорания, при этом выходное отверстие указанного канала размещено между устьем холодной воронки и горелкой для подачи топлива, а золоуловитель выбирается из условия улова частиц более 0,5 мм.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что золовый канал снабжен средством для подачи сорбента.