СПОСОБ РАБОТЫ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ И 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 качеством сбрасываемых в атмосферу дымовых газов.

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

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

Недостатком таких топок является слабый температурный напор из-за низких температур в топочной камере, что не позволяет вырабатывать пар высоких параметров, необходимых по условиям экономичности котельной установки.

Значительная часть существующих топок имеют высокотемпературные режимы горения, но для этого приходится предварительно тонко измельчать топливо. Это приводит к большим затратам, вызывает опасность шлакования и повышения содержания NO_x в топочных газах.

Известны вихревые топки, которые сочетают низкие и высокие температуры при организации горения.

Известна вихревая низкоэмиссионная топка (пат. РФ № 2067724), содержащая камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной наклоненной вниз горелкой для подачи топливовоздушной смеси, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, и размещенным под устьем холодной воронки устройством ввода нижнего дутья. Горелка выполнена в виде по меньшей мере двух расположенных друг над другом каналов для подачи топливовоздушной смеси. Каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух", причем указанные устройства выбраны такими, что отношение количества воздуха к количеству топлива для вышерасположенного канала всегда оказывается больше, чем для нижерасположенного канала.

Способ работы этой топки включает подачу молотого топлива в смеси с воздухом через оба канала горелки и подачу воздуха через устройство ввода нижнего дутья. В верхнюю часть камеры сгорания подают избыточное количество кислорода при достаточно высокой загрузке этой зоны частицами топлива, поступающими из вышерасположенного канала горелки. Этим обуславливается относительно высокая температура горения при избыточном количестве кислорода в этой зоне и достаточно эффективное дожигание топлива. Загрузка средней части топки осуществляется преимущественно из нижерасположенного канала при недостаточном количестве кислорода.

В результате взаимодействия вытекающего из этого канала потока топливовоздушной смеси и воздуха, поступающего из устройства ввода нижнего дутья, образуется вихревая зона, основная часть которой характеризуется недостаточным содержанием кислорода и относительно невысокой максимальной температурой и выполняет роль зоны восстановления.

В каждый канал подают топливо заданного фракционного состава, что обеспечивается, например, использованием пылеконцентратора. В этом случае в вышерасположенный канал подают мелкодисперсное топливо, которое успевает сгореть вблизи этого канала, создавая требуемый температурный уровень, а в нижерасположенный относительно крупнодисперсное топливо, которое успешно сгорает в вихревой зоне.

Таким образом, в известной топке происходит многократная циркуляция частиц топлива в низкотемпературной восстановительной зоне и одновременно - дожигание выносимых из вихревой зоны мелкодисперсных частиц в высокотемпературной, обогащенной кислородом зоне.

Такая топка успешно функционирует при использовании систем пылеприготовления, т.е. при условии предварительного измельчения топлива с помощью, например, мельниц-сепараторов. Существующие в настоящее время системы приготовления обычно обеспечивают тонкость пыли (остаток на сите R₉₀) для бурых углей и сланца 40-60%, для каменного угля 15-40%. Очевидно, что для получения такого мелкофракционного топлива требуются значительные затраты энергии, использование специального дорогостоящего оборудования. Кроме того, пылевидное топливо представляет собой взрывоопасную субстанцию.

В том случае, если при работе известной топки в горелки подают дробленое топливо (обычно максимальный размер куска топлива после дробилки составляет 15 мм, а для высоковлажных топлив - до 25 мм), последнее под действием сил гравитации опускается в нижнюю часть топки, при этом верхняя часть топки оказывается практически незагруженной топливом, а температура в этой верхней части оказывается недостаточно высокой для дожигания выносимых из вихревой зоны частиц топлива. Для обеспечения многократной циркуляции крупных частиц топлива и создания вихревой зоны требуется значительное увеличение скорости потока воздуха нижнего дутья. Это не только вызывает снижение экономических характеристик, но и ведет к резкому увеличению потерь тепла с механическим недожогом, поскольку частицы топлива в процессе циркуляции подсушиваются, некоторые разрушаются и выносятся (выстреливаются) мощным потоком нижнего дутья в верхнюю часть топки. Поскольку в верхней части топки температура снижена, эти частицы остывают и прекращают горение. Стандартная, наиболее распространенная, конструкция топки предполагает расположение пароперегревателей в верхней части топки, а поскольку в результате описанного выше конвективные поверхности оказываются недогруженными, возникают сложности с обеспечением номинальной температуры перегретого пара, подаваемого на турбину.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать способ работы вихревой топки, обеспечивающий повышение температуры в зоне дожигания при увеличении загрузки топливом указанной зоны топочной камеры путем сжигания дробленого топлива и возврата в зону дожигания угольно-золовой смеси, при одновременном увеличении полноты сжигания топлива, и вихревую топку, реализующую этот способ.

Поставленная задача решается тем, что в способе работы вихревой топки, включающей камеру сгорания с вихревой зоной и зоной дожигания, устройство нижнего дутья и средство для улавливания угольно-золовой смеси из отходящих газов, включающем подачу в топку топливовоздушной смеси и воздуха нижнего дутья, в соответствии с изобретением в вихревую зону камеры сгорания подают дробленое топливо, а в зону дожигания возвращают регулируемое количество угольно-золовой смеси из указанного средства для ее улавливания.

Благодаря наличию операции возврата недогоревших, но прогретых, подсушенных и частично разрушенных частиц топлива в зону дожигания, обеспечивается повышение тепловой загрузки соответствующих конвективных поверхностей.

Вторая поставленная задача решается тем, что вихревая топка включает 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, дополнительную горелку, установленную на стенке камеры сгорания в зоне дожигания, золоуловитель, установленный за камерой сгорания, циркуляционный золовый канал, один конец которого сообщается с указанным золоуловителем, а другой с указанной дополнительной горелкой, причем указанный циркуляционный золовый канал снабжен регулятором расхода угольно-золовой смеси.

Изобретение поясняется чертежом, который схематически изображает вихревую топку, выполненную согласно изобретению и реализующую указанный способ.

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 установлен золоуловитель 7. Золоуловитель 7 может быть выполнен любым известным способом, например может быть выполнен в виде циклона или иметь жалюзийную конструкцию.

Между золоуловителем 7 и камерой сгорания 1 установлен золовый канал 8, входное отверстие 9 которого сообщается с золоуловителем 7, а выходное отверстие 10 совмещено с дополнительной горелкой 11, расположенной на стенке камеры сгорания 1.

Золовый канал 8 снабжен регулятором 12 подачи угольно-золовой смеси. Регулятор 12 может быть выполнен любым известным способом, например в виде шибера.

Местоположение дополнительной горелки выбирается в зависимости от расположения зоны дожигания, предпочтительно в наиболее высокотемпературной ее части.

В случае реализации изобретения так, как это показано на фиг.1, дополнительная горелка 11 для подачи угольно-золовой смеси размещена в верхней части топочной камеры 1, поскольку при таком конструктивной решении топочной камеры зона дожигания находится в верхней части топки.

В других случаях, например в инвертных топках, зона дожигания может быть расположена и в нижней части топки.

При необходимости, золовый канал может быть снабжен средством для подачи сорбента (не показано).

Топка работает следующим образом.

Дробленое крупнодисперсное топливо подается в камеру сгорания 1 через горелку 6.

Размер частиц топлива ограничивается только геометрическими параметрами горелки для подачи топливовоздушной смеси.

Мелкие частицы сгорают в прямотоке, более крупные направляются вместе с воздухом в нижнюю часть камеры сгорания. В результате взаимодействия топливовоздушного потока из горелки 6 и потока нижнего дутья, выходящего из устья 3 холодной воронки 2, образуется вихревая зона, в которой, в результате многократной циркуляции, сгорают крупные частицы топлива.

По мере выгорания и растрескивания частицы топлива измельчаются, 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 1 дымовые газы попадают в золоуловитель 7, который улавливает частицы золы и недогоревшего топлива. Уловленные частицы накапливаются в бункере золоуловителя 7, а затем транспортным воздушным потоком через золовый канал 8 и дополнительную горелку 11 подаются в зону дожигания. Количество воздуха в горелке 11 и скорость воздушного потока, необходимые для дожигания подаваемой золово-угольной смеси и предотвращения выноса ее потоком воздуха нижнего дутья, регулируются обычным образом.

В зону дожигания возвращается регулируемое количество угольно-золовой смеси (продукта), уловленной золоуловителем 7.

Количество возвращаемого в зону дожигания продукта определяется характеристиками топлива (зольность, выход летучих и т.п) и продукта (содержание недогоревшего углерода).

Чем больше недогоревшего углерода остается в продукте, тем больше доля возвращаемого в зону дожигания продукта.

При использовании топлива с низкой зольностью в зону дожигания возвращают большую часть уловленной золоуловителем угольно-золовой смеси, а при использовании высокозольного топлива доля возвращаемой в зону дожигания смеси уменьшается.

В том случае, если используется топливо с высоким содержанием летучих, возврат продукта в топку может быть уменьшен.

Количество возвращаемой смеси регулируется с помощью регулятора 13 расхода.

Обеспечение высокой скорости воздушного потока нижнего дутья для предотвращения провала и поддержания в вихревой зоне крупных частиц не представляет особых трудностей, а поскольку заявленный способ и описываемая конструкция топки обеспечивают возврат в зону дожигания практически всех недогоревших частиц и их последующее полное дожигание, обеспечивается высокая полнота сгорания топлива.

Возвращаемые частицы представляют собой смесь золы и недогоревших частиц топлива (кокса), причем топливо практически не содержит ни летучих, ни водяных паров, т.е. поступает в зону дожигания топки таким, как если бы оно прошло тщательную подготовку в пылеприготовительных устройствах.

Таким образом, заявляемый способ работы вихревой топки и вихревая топка позволяют сжигать дробленое топливо без использования пылеприготовительных устройств, с высокой полнотой сжигания, обеспечивая при этом получение пара требуемых высоких параметров.

В том случае, если необходимо использовать сорбент, 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.

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 способам работы вихревых топок и вихревым топкам. Заявленный способ включает подачу дробленого топлива в смеси с воздухом в зону дожигания и возврат недогоревшего топливозолового продукта в зону дожигания. Количество возвращаемого в зону дожигания продукта регулируется в зависимости от качества топлива и продукта. Этот способ реализуется в вихревой топке, включающей камеру сгорания с холодной воронкой, образованной скатами нижних частей стенок камеры сгорания, и устройство нижнего дутья, установленное под устьем холодной воронки. На стенке камеры сгорания установлена наклоненная вниз горелка для подачи топливовоздушной смеси. На стенке камеры сгорания в зоне дожигания размещена дополнительная горелка. Золоуловитель, установленный за камерой сгорания, с помощью циркуляционного золового канала сообщается с указанной дополнительной горелкой. Циркуляционный золовый канал снабжен регулятором расхода угольно-золовой смеси. Изобретение позволяет сжигать дробленое топливо без использования пылеприготовительных устройств с высокой полнотой сжигания, обеспечивая при этом получение пара требуемых высоких параметров. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы вихревой топки, включающей камеру сгорания с вихревой зоной и зоной дожигания, устройство нижнего дутья и средство для улавливания угольно-золовой смеси из отходящих газов, включающий подачу в топку топливовоздушной смеси и воздуха нижнего дутья, отличающийся тем, что в вихревую зону камеры сгорания подают дробленое топливо, а регулируемое количество угольно-золовой смеси из указанного средства для ее улавливания возвращают в зону дожигания через дополнительную горелку.2. 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, дополнительную горелку, установленную на стенке камеры сгорания в зоне дожигания, золоуловитель, установленный за камерой сгорания, циркуляционный золовый канал, один конец которого сообщается с указанным золоуловителем, а другой с указанной дополнительной горелкой, причем указанный циркуляционный золовый канал снабжен регулятором расхода угольно-золовой смеси.