ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 2008 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а более точно к топкам, и наиболее успешно может быть использовано при проектировании и строительстве топок для сжигания мусора, отходов, бурых, молодых каменных углей, различных древесных отходов и других высокореакционных топлив с повышенным содержанием летучих укрупненного фракционного состава.

Обычно перед сжиганием топливо проходит предварительную подготовку. Подготовка топлива при использовании традиционных способов сжигания топлива осуществляется в несколько этапов. Сырое топливо поступает на электростанцию в виде кусков топлива различных размеров от долей миллиметра до 100-200 мм и выше. Вначале сырое топливо поступает в дробилки, где измельчается до определенного фракционного состава. В зависимости от вида дробилок принятой на электростанции системы подготовки топлива и характеристик угля максимальный размер кусков угля составляет 15-30 мм. Затем топливо поступает в специальные пылеприготовительные установки, где размалывается до установленных размеров. В процессе размола топлива используется горячий воздух или смесь воздуха и горячих топочных газов, которые облегчают размол топлива, обеспечивают подсушивание и транспортировку топлива. При подготовке топлива в пылеприготовительных устройствах достаточно жестко нормируется температура пылегазовой смеси, поскольку витающая в воздухе мелкая топливная пыль представляет собой взрывоопасную субстанцию. Это обстоятельство препятствует полноценной сушке относительно крупных частиц топлива, которые всегда присутствуют в единичных количествах в подготовленном пылевидном топливе (как правило, R₁₀₀₀ не превышает 1...3%) и снижают эффективность работы топки.

Классические топки, использующие угольное топливо в виде пыли, требуют существенных расходов энергии и воздуха на пылеприготовление. Кроме того, в процессе сжигания мелкомолотого топлива температура ядра факела достигает таких высоких значений, что инициируется процесс образования шлака, оседающего на тепловых экранах. Шлаковая «шуба» препятствует передаче тепла от факела к экранам и ведет к еще большему повышению температуры факела. Вместе это приводит к значительному ухудшению эффективности тепловосприятия экранов и требует дорогостоящих работ по их очистке.

Известна вихревая топка, описанная в а.с. СССР №974034, предназначенная для сжигания грубоизмельченного угольного топлива, содержащая вихревую камеру сгорания с наклонными скатами, образующими устье. На стенке камеры сгорания расположена двухярусная наклоненная вниз горелка для подачи топлива, а под устьем холодной воронки расположено устройство нижнего дутья в виде шлакового комода с размещенным в его нижней части соплом нижнего дутья и расположенным над ним средством для обработки крупных фракций топлива, выполненным в виде колосниковой решетки. Один из наклонных скатов холодной воронки снабжен выступом, образующим с противоположным скатом сопло, ориентированное вдоль наклонного ската в сторону наклонной вниз горелки, размещенной над скатом.

Сжигание грубоизмельченного твердого топлива в указанной вихревой топке осуществляют путем подачи в вихревую камеру топлива, первичного и вторичного потоков воздуха, при этом вторичный поток воздуха подают со скоростями меньше скорости витания наиболее крупной частицы топлива и направляют его через камеру обработки крупной фракции топлива (устройство нижнего дутья), соединенную с устьем вихревой камеры, вдоль наклонного ската под первичный поток воздуха.

При работе этой топки крупная фракция топлива, выпадающая в устье холодной воронки, встречает вторичный поток воздуха со скоростью, меньшей скорости витания наиболее крупной частицы топлива. При этом наиболее крупные частицы выпадают в камеру обработки крупной фракции топлива (шлаковый комод, устройство нижнего дутья), а средние частицы, скорость витания которых меньше скорости потока вторичного воздуха, отвеиваются последним и направляются к корню горелочного потока.

Наиболее крупные частицы топлива, выпадающие в камеру обработки крупной фракции, под действием гравитационных сил попадают на колосниковую решетку, где накапливаются в виде слоя частиц. Через воздушное сопло нижнего дутья, расположенное под колосниковой решеткой, подается вторичный поток воздуха, который распределяется решеткой и проходит через слой накопившихся частиц крупных фракций топлива. При этом происходят прогрев, сушка и выгорание крупных частиц.

Преимуществом такой вихревой топки является подвод к корню горелочного потока мощного источника тепла: смеси вторичного потока воздуха с горящими частицами топлива, так как средние фракции топлива, проходя через вихревую зону факела, успевают прогреться и воспламениться. Это обеспечивает быстрый прогрев горелочного потока и устойчивое воспламенение мелкой фракции и полное ее выгорание в прямоточной зоне факела. При этом средняя фракция свежего топлива, поступающего в вихревую камеру, при прохождении ее через прямоточную зону успевает эффективно прогреваться и воспламеняется в вихревой зоне факела.

Недостатками работы данной вихревой топки является, во-первых, сжигание крупной фракции топлива в слое. Поскольку в слое частицы располагаются друг над другом, и воздух проходит последовательно через слой частиц топлива снизу вверх, то горение частиц осуществляется только в нижней части слоя. При этом концентрация кислорода и, соответственно, температура газов по высоте слоя резко падает, что приводит к резкому уменьшению интенсивности термической обработки частиц по высоте слоя. При горении частиц в нижней части слоя в верхних частицах происходят только процессы прогрева и сушки. Интенсивность процесса горения нижних частиц в слое зависит от скорости подвода вторичного потока воздуха и удельной поверхности частиц. Увеличить скорость потока вторичного воздуха не представляется возможным, так как при увеличении последней может произойти локальное псевдоожижение части слоя и перераспределение потока воздуха в нем. Появляется кратерное горение в этом месте, а через остальную часть слоя подача воздуха прекращается. Увеличение удельной поверхности зависит только от скорости горения углерода на поверхности частиц, а повышение интенсивности тепломассообменных процессов на поверхности не представляется возможным, так как скорость воздушного потока через слой ограничена условием выноса частиц из слоя и кратерным горением.

Во-вторых, расход горячего воздуха через слой зависит от равномерности распределения топлива на решетке. Поскольку равномерного распределения частиц на решетке при сепарации их из топочного объема практически невозможно добиться, то происходит неравномерное распределение воздушного потока под решеткой, зависящее от сопротивления слоя. При этом появляется локальное кратерное горение слоя и вследствие выгорания топлива в этом месте уменьшается сопротивление слоя, куда устремляется весь поток воздуха. Это приводит к уносу части несгоревших частиц из топочной камеры и к завалу топливом остальной части решетки и лавинообразному завалу всей камеры обработки крупных фракций топлива.

Следует отметить, что стационарная (неподвижная) решетка всегда по мере эксплуатации забивается золой, шлаком. Это не только повышает ее воздушное сопротивление и требует дополнительной подачи воздуха, но и приводит к периодической остановке топки для очистки решетки.

Как следует из сказанного выше, в таких топках расход воздуха практически всегда оказывается выше оптимального с точки зрения обеспечения процесса горения, а именно обеспечения полувосстановительной среды в зоне горения топлива. Избыток воздуха ведет к повышению содержания NO_x в топочных газах, ухудшению экологических характеристик топки.

Следует отметить еще один существенный недостаток такой конструкции: при относительно большом содержании крупных высоковлажных частиц топлива требуется значительное увеличение расхода воздуха, подаваемого через колосниковую решетку, для подсушивания крупных частиц. Однако при этом мелкие, особенно пылевидные, частицы выносятся воздушным потоком из топки, не успевая догореть, ухудшая экономические показатели работы топки. Значительная часть воздуха из-за неравномерности распределения топлива на решетке и появления кратеров не используется в процессе горения и расходуется впустую. Это также ведет к ухудшению экономических характеристик топки, а поскольку известно, что при увеличении избытка воздуха в зоне горения повышается содержание окислов азота в продуктах горения, то и экологические характеристики такой топки оказываются относительно низкими.

Задачей настоящего изобретения является создание вихревой топки, конструкция которой обеспечивала бы возможность сжигания относительно крупных частиц топлива при обеспечении оптимального с точки зрения процесса горения и создания полувосстановительной зоны расхода воздуха нижнего дутья, и одновременного снижения недожога с уносом мелких частиц топлива и выбросов оксидов азота в выхлопных газах.

Поставленная задача решается тем, что в вихревой топке, содержащей камеру сгорания, холодную воронку, образованную скатами нижней части стенок камеры сгорания, по меньшей мере, одну наклоненную вниз горелку, установленную на стенке камеры сгорания, устройство нижнего дутья, расположенное под устьем холодной воронки, средство для обработки топлива, в соответствии с изобретением средство для обработки топлива выполнено в виде предтопка, установленного между бункером сырого топлива и камерой сгорания. Указанный предтопок включает камеру с перфорированными стенками, снабженную средством для розжига топлива. Внутреннее пространство этой камеры сообщается с бункером сырого угля и с внутренним пространством камеры сгорания. Указанную камеру охватывает кожух, так что между наружными поверхностями стенок камеры с перфорированными стенками и внутренними поверхностями стенок кожуха образован изолированный от внешнего пространства промежуток. Внутри указанной камеры с перфорированными стенками установлено средство для перемещения топлива от выхода из бункера до входа в топку и средство для подачи под давлением регулируемого количества воздуха в промежуток между указанными наружными поверхностями стенок камеры и внутренними поверхностями стенок кожуха, а также средство для отвода летучих из внутреннего пространства камеры с перфорированными стенками в зону дожигания топочной камеры.

При работе такой топки крупные частицы топлива подсушиваются и растрескиваются. Образующийся горящий кокс, потерявший влагу и практически все летучие, с помощью толкателя поступает непосредственно в камеру сжигания, где обеспечивается его полное сгорание. Поскольку частицы топлива теряют не меньше половины своего веса за счет удаления влаги и летучих еще до поступления в камеру сгорания, для обеспечения циркуляции крупных частиц топлива в вихревой зоне требуется относительно небольшой расход воздуха, что в конечном итоге обеспечивает снижение содержания NO_x в топочных газах. Летучие через средство для отвода летучих попадают в зону дожигания топочной камеры, где и догорают. Благодаря подаче воздуха под давлением и в регулируемом количестве обеспечивается оптимальный режим обработки топлива. Мелкие частицы даже при существенном увеличении воздушного дутья не выносятся из общей массы топлива, задерживаются в лабиринтовых каналах между частицами топлива и выгорают полностью.

Даже в том случае, если отдельные мелкие частицы не сгорают в предтопке, а выносятся вместе с потоком летучих, они оказываются прогретыми и подготовленными к сжиганию, что практически исключает недожог с уносом. Благодаря этому появляется возможность при необходимости обеспечить форсированный режим работы топки, обеспечивая повышенные тепловые нагрузки.

Целесообразно, чтобы средство для отвода летучих было выполнено в виде сбросной трубы, входное отверстие которой сообщено с внутренним пространством камеры предтопка, а выходное - с внутренним пространством камеры сгорания.

Выходное отверстие сбросной трубы может быть совмещено с горелкой.

Целесообразно, чтобы средство для отвода летучих было дополнительно снабжено средством для создания тяги.

Предпочтительно, чтобы камера предтопка имела горизонтальный корпус, а средство для перемещения топлива было выполнено в виде гидротолкателя.

Благодаря тому что толкатель постоянно поддерживает необходимую плотность слоя топлива, происходит контактный и кондуктивный теплообмен между частицами, что обеспечивает интенсивный процесс сушки, выход летучих и начало горения всей массы топлива еще до поступления его в камеру сгорания.

Средство для перемещения топлива может быть выполнено в виде подвижной бесконечной колосниковой решетки.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображена вихревая топка, выполненная в соответствии с изобретением.

Как показано на чертеже, вихревая топка содержит камеру 1 сгорания с холодной воронкой 2, образованной скатами нижней части стенок камеры 1 сгорания. На стенке камеры 1 сгорания установлена наклоненная вниз горелка 3. Под устьем холодной воронки 2 размещено устройство 4 нижнего дутья с соплом 5 для подачи воздуха нижнего дутья.

Средство для обработки топлива выполнено в виде горизонтального предтопка 6, установленного между бункером 7 сырого топлива и камерой 1 сгорания.

Предтопок 6 включает камеру 8 с перфорированными стенками, снабженную средством для розжига топлива (не показано). Внутреннее пространство камеры 8 сообщается с бункером 7 сырого угля и с внутренним пространством камеры 1 сгорания. Кожух 9 охватывает камеру 8 с образованием изолированного от внешнего пространства промежутка 10 между наружными поверхностями стенок камеры 8 с перфорированными стенками и внутренними поверхностями стенок кожуха 9.

Средство для перемещения топлива внутри камеры 8 от выхода из бункера 7 до входа в камеру 1 сгорания выполнено в виде гидротолкателя 11. В другом варианте реализации изобретения средство для перемещения топлива может быть выполнено, например, в виде бесконечной колосниковой решетки. Трубопровод 12 является средством для подачи под давлением регулируемого количества воздуха в промежуток 10 между наружными поверхностями стенок камеры 8 и внутренними поверхностями стенок кожуха 9.

Средство для отвода летучих из внутреннего пространства камеры 8 в зону дожигания камеры 1 сгорания выполнено в виде сбросной трубы 13, входное отверстие которой сообщается с внутренним пространством камеры 8, а выходное - с внутренним пространством камеры 1 сгорания и совмещено с горелкой 3. Сбросная труба 13 снабжена вентилятором 14.

Топка работает следующим образом.

Порция сырого топлива из бункера 7 поступает внутрь камеры 8 и с помощью устройства для розжига поджигается. Одновременно через трубопровод 12 подают под давлением воздух в расчетном количестве, обеспечивающем горение топлива. Гидротолкатель 11 передвигает горящее топливо в сторону выходного отверстия предтопка 6, затем возвращается в исходное положение. Операции подачи и перемещения топлива повторяются до тех пор, пока камера 8 не заполнится топливом. По мере выгорания, удаления влаги и летучих объем топлива уменьшается, гидротолкателем 11 поддерживается постоянная плотность топлива в камере 8, т.е. обеспечивается так называемый двойной зажатый слой топлива - топливо с одной стороны зажимается толкателем, а с другой стороны - корпусом камеры 8. При увеличении подачи регулируемого количества воздуха в промежуток 10 можно форсировать режим работы топки, не увеличивая недожог с уносом.

Горящий кокс из предтопка 6 сбрасывается в камеру 1 сгорания. Относительно мелкие частицы сгорают вблизи выходного отверстия, а крупные частицы под действием силы тяжести опускаются в нижнюю часть топки и подхватываются воздухом нижнего дутья. При взаимодействии топливовоздушной струи из горелки 3 и потока воздуха нижнего дутья из щелевого устья холодной воронки 2 образуется вихревая зона, где при многократной циркуляции частицы топлива догорают.

Поскольку в вихревую зону попадают уже подсушенные частицы топлива, без летучих (а влага и летучие увеличивают вес частиц топлива вдвое), для поддержания этих частиц в вихревой зоне требуется относительно небольшой поток воздуха, что позволяет поддерживать полувосстановительную зону в нижней части топки и тем самым обеспечивать уменьшение выбросов NO_x в выхлопных газах.

Поскольку новые порции топлива прижимаются к предыдущим, уже горящим порциям топлива, обеспечивается контактный и кондуктивный теплообмен между частицами, происходит интенсивный процесс сушки, выход летучих и начало горения всей массы топлива еще до поступления его в камеру сгорания. Процесс интенсифицируется благодаря подаче воздуха под давлением в промежуток между камерой 8 и кожухом 9 предтопка. Летучие удаляются через сбросную трубу 13, в которой обеспечивается необходимая тяга с помощью вентилятора 14, и через горелку 3 сбрасываются в зону дожигания камеры 1 сгорания.

Таким образом, конструкция заявляемой вихревой топки обеспечивает возможность сжигания относительно крупных частиц топлива при обеспечении оптимального режима с точки зрения процесса горения. Конструкция обеспечивает поддержание полувосстановительной зоны в нижней части топки и, следовательно, снижение вредных оксидов азота в выхлопных газах. Кроме того, эта конструкция позволяет использовать форсированный режим работы топки, поскольку при использовании предтопка указанной конструкции практически исключен недожог с уносом мелких частиц топлива.

Изобретение относится к теплотехнике, а более точно к топкам для сжигания мусора, отходов, бурых, молодых каменных углей, различных древесных отходов и других высокореакционных топлив с повышенным содержанием летучих укрупненного фракционного состава. Технический результат заключается в обеспечении сжигания относительно крупных частиц топлива при оптимальном процессе горения и создании полувосстановительной зоны расхода воздуха нижнего дутья с одновременным снижением недожога и выбросов оксидов азота. Указанный технический результат достигается тем, что в вихревой топке, содержащей камеру сгорания, холодную воронку, наклоненную вниз горелку, установленную на стенке камеры сгорания, и устройство нижнего дутья, согласно изобретению между бункером сырого топлива и камерой сгорания установлен предтопок. Предтопок включает камеру с перфорированными стенками и кожух, причем между наружными поверхностями стенок камеры с перфорированными стенками и внутренними поверхностями стенок кожуха образован изолированный от внешнего пространства промежуток. Внутри указанной камеры с перфорированными стенками установлено средство для перемещения топлива от выхода из бункера до входа в топку и средство для подачи под давлением регулируемого количества воздуха в промежуток между стенками камеры и кожуха, а также сбросная труба для отвода летучих. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Вихревая топка, содержащая камеру сгорания, холодную воронку, образованную скатами нижней части стенок камеры сгорания, по меньшей мере, одну наклоненную вниз горелку, установленную на стенке камеры сгорания, устройство нижнего дутья, расположенное под устьем холодной воронки, средство для обработки топлива, отличающаяся тем, что средство для обработки топлива выполнено в виде предтопка, установленного между бункером сырого топлива и камерой сгорания, указанный предтопок включает камеру с перфорированными стенками, снабженную средством для розжига топлива, внутреннее пространство которой сообщается с бункером сырого угля и с внутренним пространством камеры сгорания, кожух, охватывающий указанную камеру с образованием изолированного от внешнего пространства промежутка между наружными поверхностями стенок камеры с перфорированными стенками и внутренними поверхностями стенок кожуха, средство для перемещения топлива внутри указанной камеры с перфорированными стенками от выхода из бункера до входа в топку, средство для подачи под давлением регулируемого количества воздуха в промежуток между указанными наружными поверхностями стенок камеры и внутренними поверхностями стенок кожуха и средство для отвода летучих из внутреннего пространства указанной камеры с перфорированными стенками в зону дожигания камеры сгорания.2. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что средство для отвода летучих выполнено в виде сбросной трубы, входное отверстие которой сообщено с внутренним пространством камеры предтопка, а выходное отверстие - с внутренним пространством камеры сгорания.3. Вихревая топка по п.2, отличающаяся тем, что выходное отверстие сбросной трубы совмещено с горелкой.4. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что средство для отвода летучих дополнительно снабжено средством для создания тяги.5. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что камера предтопка имеет горизонтальный корпус, а средство для перемещения топлива выполнено в виде гидротолкателя.6. Вихревая топка по п.1, отличающаяся тем, что средство для перемещения топлива выполнено в виде подвижной бесконечной колосниковой решетки.