ТОПКА БОЙЛЕРА, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ИЗБЕЖАТЬ ТЕРМИЧЕСКОГО NO Российский патент 2009 года по МПК F23C3/00 F24H1/24 

Область техники

Изобретение относится к топке бойлера для производства электроэнергии.

Предшествующий уровень техники

Существует два вида топок бойлеров. Один бойлер является бойлером домашнего типа, а второй служит для производства электроэнергии. Домашний бойлер производит горячую воду низкого давления. Бойлер, производящий электроэнергию, производит пар высокого давления. Исходя из указанных потребностей, конструкция и система каждого из них являются несколько различными. В домашнем бойлере одна топливная форсунка устанавливается снизу по направлению вверх или сверху по направлению вниз в топке, окруженной стенками в виде водяной рубашки. В бойлере, производящем электроэнергию, несколько форсунок устанавливается в центробежных направлениях в топке, окруженной стенками в виде водяной рубашки. Как показано на фиг.1, в обычной центробежной топке бойлера камера 108 действует как камера сгорания топлива, поскольку топливо, впрыскиваемое из топливных форсунок, сгорает в пределах камеры 108, окруженной водяной рубашкой 104. Пламя от сгорания топлива, впрыскиваемого из каждой топливной форсунки, собирается в камере 108, и затем оно формируется в большой цилиндрический факел 110, а центральная часть факела 110 превращается в ядро пламени 112 с высокой температурой. Температура ядра пламени превышает 1000°С. Под этой высокой температурой азот и кислород воздуха реагируют и производится большое количество оксидов азота (называется «термический NO_Х»), который является токсичным веществом для окружающей среды. Конструкции высокорасположенного пароперегревателя, экономайзера, подогревателя входящего воздуха, пылеуловителя, размещаемых в верхней части топки, а также дополнительных средств снижения термического NO_Х, размещаемых в нижней части топки, требуют высоких затрат производства. Существует и другая проблема, связанная с золой, в случае использования твердого топлива типа угля в обычной топке бойлера. Зола, образующаяся при сгорании, расплавляется от ядра факела 112 и превращается в липкий клинкер, который прилипает к водяным трубкам и снижает теплопроводность.

Раскрытие изобретения

Соответственно настоящее изобретение было сделано во избежание образования термического NO_Х. Другой целью настоящего изобретения является создание более меньшего бойлера с более высокой теплоотдачей. Для достижения вышеуказанных целей топка бойлера по настоящему изобретению, содержащая внешнюю водяную рубашку с форсунками для впрыска топлива и воздуха с каждого угла водяной рубашки, характеризуется дополнительной водяной рубашкой, которая размещена в пространстве, окруженном внешней водяной рубашкой, и расположена в принятом месте нахождения ядра факела 13.

Небольшое пространство, окруженное стенками дополнительной водяной рубашки, может использоваться как полезное пространство, например как предварительный воздухоподогреватель, экономайзер. Поэтому топка бойлера по настоящему изобретению позволяет избежать возникновения ядра факела и создает более низкую температуру факела, за счет чего можно избежать генерации термического NO_Х и передачи к воде большего количества теплоты, благодаря созданию большей площади контакта, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия бойлера с небольшими размерами.

Факел, направленный к центру пространства, окруженного стенками внутренней водяной рубашки, отражается стенками внутренней водяной рубашки и возвращается к стенкам внешней водяной рубашки, нагревая воду во внешней водяной рубашке. Во время отражения факела стенками внутренней водяной рубашки тепловая энергия факела передается воде во внутренней водяной рубашке. Большее количество теплоты, передаваемой водяным рубашкам, достигается уменьшением расстояния от факела до внешней водяной рубашки и дополнительным нагревом внутренней водяной рубашки. Термический NO_Х не образуется из-за предотвращения образования ядра факела и снижения температуры пламени факела даже при максимальной полноте сгорания топлива.

Краткое описание фигур чертежей

Фиг.1 - вид с горизонтальным поперечным разрезом, иллюстрирующий одну из существующих топок бойлера.

Фиг.2 - вид в перспективе с разрезами, иллюстрирующий настоящее изобретение.

Фиг.3 - упрощенный вид, иллюстрирующий расположение внешней водяной рубашки и внутренней водяной рубашки, установленных в топке бойлера по первому варианту осуществления.

Фиг.4 - упрощенный вид, иллюстрирующий расположение внешней водяной рубашки и внутренней водяной рубашки, установленных в топке бойлера по второму варианту осуществления.

Фиг.5 - вид в перспективе, иллюстрирующий внутреннюю водяную рубашку, где показаны отверстия подачи воздуха, выполненные в мембранах между водяными трубками.

Фиг.6 - вид в поперечном разрезе внутренней водяной рубашки, иллюстрирующий отверстия подачи воздуха, выполненные в мембране.

Фиг.7 - вид в поперечном разрезе устройства внутренней водяной рубашки, установленных в топке бойлера по второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

Настоящее изобретение поясняется подробно с использованием сопровождающих чертежей.

На фиг.2 представлен вид в перспективе с разрезами топки бойлера по настоящему изобретению. Топка бойлера по настоящему изобретению включает внешнюю и внутреннюю водяные рубашки 6, 10 и камеру сгорания S между внешней водяной рубашкой 6 и внутренней водяной рубашкой 10, как показано на фиг.2. Названная внешняя водяная рубашка 6 состоит из множества параллельных водяных трубок и мембран, которые соединяют и уплотняют эти водяные трубки параллельно друг другу, и эта внешняя водяная рубашка расположена вдоль внешней границы топки бойлера, а теплоизоляция 8 вставлена между внешней водяной рубашкой 6 и стенкой 4 топки. Названная внутренняя водяная рубашка 10, состоящая из множества параллельных водяных трубок и мембран, которые соединяют и уплотняют эти водяные трубки параллельно друг другу, размещена внутри внешней водяной рубашки. Названная камера сгорания S выполнена за счет пространства между внешней водяной рубашкой 6 и внутренней водяной рубашкой 10.

Водяные трубки, составляющие водяные рубашки, содержат протекающую по ним воду. Вода из коллекторов подачи воды 6а, 10а, расположенных снизу, течет через водяные трубки к коллекторам приема пара 6b, 10b, расположенных сверху водяных рубашек. Трубки пароперегревателя (не показаны) установлены выше коллекторов приема пара 6b, 10b.

Желательно делать стенки внешней водяной рубашки 6 с наклоном внутрь с уменьшением диаметра с возрастанием высоты, и делать стенки внутренней водяной рубашки 10 с наклоном наружу с увеличением диаметра по высоте подобно раструбу, потому что такое устройство делает широкой камеру сгорания в нижней части и узкой в ее верхней части, что приводит к более полному сгоранию с более высоким излучением теплоты на нижнем уровне и к более высокому теплопоглощению за счет увеличения площади поверхности внешней водяной рубашки и внутренней водяной рубашки на нижнем уровне, а выполнение верхней части водяных рубашек 6, 10 с наклонными стенками на верхнем уровне приводит к большему теплопоглощению в топке и, в результате, к уменьшению пароперегревателя со снижением издержек производства. Форма поперечного сечения внешней водяной рубашки 6 может варьироваться соответственно форме камеры сгорания 2 и быть прямоугольной, в форме многоугольника, как показано на фиг.3, и окружности, как показано на фиг.4. Несколько топливных форсунок 12 устроены на определенном расстоянии друг от друга у внешней водяной рубашки 6 и направлены в тангенциальном направлении к внутренней водяной рубашке. Вышеуказанное размещение и направление топливных форсунок 12 обеспечивает достаточно большой факел F в камере сгорания S между внешней водяной рубашкой 6 и внутренней водяной рубашкой 10, который нагревает воду, текущую во внутренней и внешней водяных рубашках.

С другой стороны, желательно выполнять внутреннюю водяную рубашку 10 с поперечным сечением в форме окружности, как показано на фиг.3 и фиг.4, насколько это возможно, т.к. форма окружности улучшает факел F и повышает эффективность теплопоглощения в камере сгорания S, благодаря лучшему вращательному контакту факела по длине стенки внутренней водяной рубашки.

Множество отверстий подачи воздуха 14 имеется на внутренней водяной рубашке, как показано на фиг.5 и фиг.6, которые выполнены в мембранах 10d, соединяющих и уплотняющих каждую из водяных трубок 10с, устроенных параллельно друг другу, и герметизирующих параллельные зазоры между водяными трубками, причем отверстия подачи воздуха 14 выполнены под наклоном к мембране, как показано на фиг.6.

Названное отверстие подачи воздуха 14 подает предварительно подогретый сжатый воздух, пришедший из воздухоподогревателя и воздушного компрессора, в камеру сгорания S между внешней водяной рубашкой и внутренней водяной рубашкой, который помогает смешиванию смеси воздуха и топлива, снижает температуру пламени и предотвращает перегрев до образования термического NO_X, формирующегося при более высоких температурах, поддерживая условия наилучшей теплоотдачи. На фиг.7 представлено поперечное сечение другого варианта осуществления внутренней водяной рубашки 10, которая составлена из множества изогнутых водяных рубашек, центробежно расходящихся с определенным шагом.

Отверстия подачи воздуха 14 в мембране между водяными трубками исключаются автоматически для внутренней водяной рубашки 10, показанной на фиг.7, т.к. зазоры 10f между каждой водяной рубашкой 10е играют роль отверстий подачи воздуха 14.

Далее следует пояснение действия топки бойлера по настоящему изобретению. Все водяные трубки заполняют водой и начинают впрыскивать топливо в камеру сгорания S через форсунки 12, расположенные у внешней водяной рубашки 6 и направленные тангенциально к внутренней водяной рубашке 10, зажигают пламя и ждут, пока оно разрастется, а затем открывают воздушные клапаны для подачи воздуха внутрь внутренней водяной рубашки 10 и регулируют подачу воздуха, подаваемого в камеру сгорания S из внутреннего пространства внутренней водяной рубашки 10. В соответствии с вышеуказанной последовательностью пламя разрастается, заполняет камеру сгорания и формируется в факел F благодаря ограничению обоими водяными рубашками 6, 10. Соответственно названный факел F вращается вдоль стенки внутренней водяной рубашки 10 в камере сгорания S между внешней и внутренней водяными рубашками 6, 10, при этом факел F в названной камере сгорания S не достигает высокой температуры благодаря тому, что избегается концентрация пламени и подача охлаждающего воздуха из отверстий подачи воздуха 14 внутренней водяной рубашки 10.

В связи с этим топка бойлера по настоящему изобретению не вызывает проблемы образования оксидов азота, которые возникают из-за окисления азота в горячем воздухе высокотемпературного пламени. С другой стороны, желательно нанести покрытие из износостойкого материала для предотвращения эрозии из-за отклонения факела и небольшого расстояния от факела до обоих водяных рубашек, сопровождающегося столкновением с частицами, поскольку факел включает твердые частицы типа золы. Как было описано выше, топка бойлера по настоящему изобретению создает факел, который вращается вдоль камеры сгорания между внешней и внутренней водяными рубашками 6, 10, а воздух подается из отверстий подачи воздуха 14, выполненных во внутренней водяной рубашке, создающих лучшее смешивание воздуха с топливом и максимизирующих полноту сгорания, а также предотвращает слишком высокую температуру, способствующую образованию оксидов азота, а факел трубчатой формы нагревает внутреннюю и внешнюю водяные рубашки с двух сторон и обеспечивает высокую температуру воды и более быстрое ее испарение в водяных трубках.

Таким образом топка бойлера по настоящему изобретению не только предотвращает образование термического NO_Х, но также создает соединение нескольких других эффектов, таких как более быстрое испарение воды, благодаря большей поверхности теплообмена, вращению факела трубчатой формы, более высокой плотности пламени в ограниченном пространстве и небольшому расстоянию между факелом и водяными рубашками, а также предотвращение аккумуляции теплоизолирующего клинкера на поверхностях водяных рубашек.

Промышленная применимость

В соответствии с настоящим изобретением образование термического NO_Х может быть значительно снижено, а также значительно снижены габаритные размеры, т.к. КПД бойлера увеличен с уменьшением размеров конструкции парообразователя.

Изобретение относится к области энергетики. Топка бойлера содержит стенку топки, внешнюю водяную рубашку внутри топки, внутреннюю водяную рубашку, установленную внутри внешней водяной рубашки и выполненную с наклоном наружу с увеличением диаметра по высоте подобно раструбу, камеру сгорания, расположенную между внешней и внутренней водяными рубашками, внешняя и/или внутренняя водяная рубашка состоит из множества параллельных, соединенных между собой трубок, и дополнительно включает множество мембран, соединяющих эти трубки друг с другом. Внешняя водяная рубашка выполнена с поперечным сечением либо в форме прямоугольника, либо многоугольника, либо окружности. Внешняя водяная рубашка выполнена с наклоном внутрь с уменьшением диаметра с возрастанием высоты. Внутренняя водяная рубашка выполнена с поперечным сечением в форме окружности. Внутренняя водяная рубашка выполнена с наклоном наружу на верхнем уровне. Топка содержит форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания, расположенные у внешней водяной рубашки и направленные тангенциально к внутренней водяной рубашке. Внутренняя водяная рубашка состоит из множества параллельных, соединенных между собой трубок, а в мембранах, соединяющих эти трубки, выполнены воздушные отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания. Изобретение позволяет избежать термического NO_X и увеличить теплоотдачу с уменьшением размеров бойлера. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Топка бойлера, содержащая стенку топки, внешнюю водяную рубашку внутри топки, внутреннюю водяную рубашку, установленную внутри внешней водяной рубашки и выполненную с наклоном наружу с увеличением диаметра по высоте подобно раструбу, камеру сгорания, расположенную между внешней и внутренней водяными рубашками, внешняя и/или внутренняя водяная рубашка состоит из множества параллельных, соединенных между собой трубок и дополнительно включает множество мембран, соединяющих эти трубки друг с другом.

2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что внешняя водяная рубашка выполнена с поперечным сечением либо в форме прямоугольника, либо многоугольника, либо окружности.

3. Топка по п.1, отличающаяся тем, что внешняя водяная рубашка выполнена с наклоном внутрь с уменьшением диаметра с возрастанием высоты.

4. Топка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя водяная рубашка выполнена с поперечным сечением в форме окружности.

5. Топка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя водяная рубашка выполнена с наклоном наружу на верхнем уровне.

6. Топка по п.1, отличающаяся тем, что содержит форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания, расположенные у внешней водяной рубашки и направленные тангенциально к внутренней водяной рубашке.

7. Топка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя водяная рубашка состоит из множества параллельных, соединенных между собой трубок, а в мембранах, соединяющих эти трубки, выполнены воздушные отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания.