КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР Российский патент 2009 года по МПК F23G7/06 F23G5/46 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, включающий горелочное устройство, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности теплообменников (см. авт.свидетельство СССР №1572145, МПК F22B 1/18, опубл. 27.12.1995).

Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, что приводит к налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности теплообменников. Известный котел-утилизатор не позволяет полностью дожечь примеси, содержащиеся в дымовых газах, что снижает эффективность работы теплообменных поверхностей.

Известен котел-утилизатор, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов (см. авт.свидетельство СССР №1188454, МПК F23G 7/06, опубл. 30.10.1985). Система утилизации тепла содержит радиационный теплообменник, который примыкает к камере сгорания, а также конвективный теплообменник.

Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, обусловленная тем, что радиационный теплообменник примыкает к камере сгорания, что приводит к резкому падению температуры на выходе из реактора, а также приводит к интенсивному налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности радиационного и конвективного теплообменников. Также недостатком котла-утилизатора является низкая эффективность смешивания горючих компонентов, содержащихся в дымовых газах, с воздухом и топливом, которые подаются через горелочное устройство в реактор, что, в свою очередь, приводит к нестабильному температурному полю и к неполному сгоранию примесей, содержащихся в дымовых газах. Наличие в дымовых газах несгоревших примесей приводит к недостаточной степени обезвреживания дымовых газов, с одной стороны, а, с другой стороны, к загрязнению теплообменных поверхностей радиационного и конвективного теплообменников смолами и углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях теплообменников, что приводит к низкой степени утилизации тепла и снижению надежности работы котла-утилизатора.

Интенсивное образование отложений на теплообменных поверхностях приводит к их быстрому загрязнению, что снижает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла (КПД) котла-утилизатора.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание котла-утилизатора с высокой степенью очистки дымовых газов от примесей, а также повышение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, например коксовых печей.

Поставленная задача решается тем, что в известном котле-утилизаторе, содержащем патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, согласно заявляемому изобретению котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:

где:

V₁ - объем камеры дожига, м³;

V₂ - рабочий объем реактора, м³.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которой связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется следующей зависимостью:

где:

S₁ - площадь выходного отверстия диафрагмы, м²;

S₂ - площадь основания камеры дожига, м².

В частном варианте исполнения котла-утилизатора к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней поверхности камеры дожига и имеющий следующие размеры:

где:

а - высота выступа, м;

b - длина выступа, м;

d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;

α - угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена решетка.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.

В частном варианте исполнения котла-утилизатора каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:

где:

S₃ - площадь отверстия, м²;

S₄ - площадь основания циклонной камеры сгорания, м².

Предложенное техническое решение позволяет повысить степень очистки дымовых газов от примесей, а также надежность котла-утилизатора за счет введения дополнительной системы обогащения дымовых газов топливом и воздухом перед подачей дымовых газов в реактор. Это способствует эффективному смесеобразованию и приводит к интенсификации процесса горения в рабочем объеме реактора, что обеспечивает эффективную очистку дымовых газов от примесей. Оснащение реактора камерой дожига позволяет увеличить время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора, а также позволяет стабилизировать температурное поле в рабочем объеме реактора, в котором происходит процесс горения и очистка дымовых газов от примесей. Введение в реактор дополнительной циклонной камеры сгорания приводит к образованию в камере дожига встречных вихревых потоков дымовых газов, которые выходят из циклонных камер сгорания, что обеспечивает увеличение эффективности обезвреживания дымовых газов за счет интенсивного перемешивания дымовых газов с топливом и воздухом, а также за счет эффективного дожигания смолистых и углеродистых примесей в рабочем объеме реактора. Это уменьшает загрязнение теплообменных поверхностей системы утилизации тепла смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях, и повышает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла, а также снижает «чувствительность» котла-утилизатора к загрязненным дымовым газам, которые имеют значительное содержание смолистых и углеродистых примесей.

ЧЕРТЕЖИ

Заявляемый котел-утилизатор изображен на следующих чертежах:

Фиг.1 - общий вид котла-утилизатора;

Фиг.2 - вид спереди фиг.1;

Фиг.3 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;

Фиг.4 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;

Фиг.5 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;

Фиг.6 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;

Фиг.7 - сечение А-А фиг.2;

Фиг.8 - сечение В-В фиг.2;

Фиг.9 - вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания;

Фиг.10 - вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Котел-утилизатор содержит патрубки подвода дымовых газов 1₁, 1₂, патрубок отвода дымовых газов 2, реактор 3, снабженный циклонными камерами сгорания 4₁, 4₂, каждая из которых включает аксиально установленное горелочное устройство 5. Котел-утилизатор содержит систему утилизации тепла 6, включающую теплообменные поверхности 7 и соединенную с реактором 3 и патрубком отвода дымовых газов 2.

Котел-утилизатор также снабжен системой обогащения 8 дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубками подвода дымовых газов 1₁, 1₂. Реактор 3 снабжен камерой дожига 9, примыкающей к циклонным камерам сгорания 4₁, 4₂ и образующей совместно с ними рабочий объем реактора 3. На выходе из реактора 3 установлена диафрагма 10, в которой выполнено выходное отверстие 11, которое связывает реактор 3 с системой утилизации тепла 6 (см. фиг.1, 2).

В нижеприведенных вариантах исполнения котла-утилизатора, которые изображены на фиг.3-6, 9, 10, представлены частные варианты выполнения котла-утилизатора.

Площадь выходного отверстия 11 диафрагмы 10 определяется в соответствии с зависимостью (2).

Объем камеры дожига 9 определяется в соответствии с зависимостью (1).

В каждом патрубке подвода дымовых газов 1₁, 1₂ установлена заслонка 12. На выходе из реактора 3 установлена решетка 14.

Внутренняя поверхность камеры дожига 9 и камер сгорания 4₁, 4₂ выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а именно шамотного кирпича, огнеупорной глины и др.

В патрубке отвода дымовых газов 2 установлена дополнительная система утилизации тепла 15, включающая теплообменные поверхности 7.

К патрубку отвода дымовых газов 2 примыкает принудительная система отвода дымовых газов 16, включающая тягодутьевое устройство.

В каждом патрубке подвода дымовых газов 1₁, 1₂ установлена турбулизирующая решетка 17.

Каждая циклонная камера сгорания 4₁, 4₂ имеет дополнительную диафрагму 18, отверстие 19 которой связывает циклонную камеру сгорания 4₁, 4₂ с камерой дожига 9.

Площадь отверстия 19 каждой циклонной камеры сгорания 4₁, 4₂ определяется в соответствии с зависимостью (6).

На фиг.3 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13₁ параллельно основанию камеры дожига 9.

На фиг.4 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13₂ перпендикулярно к основанию камеры дожига 9.

На фиг.5 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13₃ под углом α к основанию камеры дожига 9.

На фиг.6 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13₁, 13₂.

На фиг.9 показан вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания 4₁, 4₂, к которым тангенциально подведены патрубки подвода дымовых газов 1₁, 1₂, а также подведены дополнительные патрубки подвода дымовых газов 1₁₁, 1₂₁ соответственно. К каждому патрубку подвода дымовых газов 1₁, 1₁₁, 1₂, 1₂₁ примыкает система обогащения дымовых газов топливом и воздухом, а также в каждом патрубке подвода дымовых газов 1₁, 1₁₁, 1₂, 1₂₁ установлена турбулизирующая решетка 17 и заслонка 12.

На фиг.10 показан вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ соответственно.

Котел-утилизатор работает следующим образом.

Дымовые газы, отходящие от топливосжигающего агрегата (на чертежах не показан), поступают в патрубки подвода дымовых газов 1₁, 1₂, в каждом из которых размещена заслонка 12 для регулирования подачи дымовых газов в циклонные камеры сгорания 4₁, 4₂ реактора 3 котла-утилизатора. В патрубках подвода дымовых газов 1₁, 1₂ дымовые газы обогащаются топливом и воздухом с помощью системы обогащения 8, которая примыкает к патрубкам подвода дымовых газов 1₁, 1₂. В каждом патрубке подвода дымовых газов 1₁, 1₂ установлена турбулизирующая решетка 17 для турбулизации потока дымовых газов, поступающих в циклонные камеры сгорания 4₁, 4₂. Турбулизация дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, способствует их лучшему перемешиванию.

Введение дымовых газов в циклонную камеру сгорания 4₁, 4₂ посредством тангенциально подведенных патрубков 1₁, 1₂ обеспечивает активизацию перемешивания дымовых газов в циклонных камерах сгорания 4₁, 4₂.

Аксиальное размещение горелочного устройства 5, к которому подводится воздух и топливо в каждой циклонной камере сгорания 4₁, 4₂, обеспечивает увеличение длины факела в рабочем объеме реактора 3 и способствует стабилизации температурного поля в реакторе 3. Поток дымовых газов из циклонной камеры сгорания 4₁ перемещается в камеру дожига 9, в которой встречается с другим потоком дымовых газов, выходящим из циклонной камеры сгорания 4₂. Это обеспечивает интенсивное перемешивание дымовых газов и способствует снижению концентрации оксидов азота (NO_x) и оксида углерода (СО) в дымовых газах. Соотношение (V₁/V₂) объема камеры дожита 9 к общему объему реактора 3, выбранное в соответствии с зависимостью (1), позволяет оптимизировать процесс горения, время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора 3 и обеспечивает повышение эффективности очистки дымовых газов от примесей.

Наличие в реакторе 3 диафрагмы 10, а также наличие в камере дожига 9 выступов

13₁, 13₂ и наличие в каждой циклонной камере сгорания 4₁, 4₂ дополнительной диафрагмы 18, в которой выполнено отверстие свода 19, предотвращает проскок смолистых и углеродистых частиц вдоль стенок камеры дожига 9 в систему утилизации тепла 6 через выходное отверстие 11 диафрагмы 10.

Установленная на выходе из реактора 3 решетка 14 способствует турбулизации потока дымовых газов, что обеспечивает эффективную теплопередачу, а также способствует уменьшению концентрации оксидов азота (NO_x). После реактора 3 дымовые газы поступают в систему утилизации тепла 6. В системе утилизации тепла 6 и в дополнительной системе утилизации тепла 15 установлены теплообменные поверхности 7, например: пароперегреватели, испарители, экономайзеры и т.д., которые позволяют эффективно утилизировать тепло дымовых газов. После системы утилизации тепла 6 дымовые газы поступают в патрубок отвода дымовых газов 2, в котором установлена дополнительная система утилизации тепла 15, предназначенная для дополнительной утилизации тепла дымовых газов. Затем дымовые газы отводятся в окружающую среду посредством принудительной системы отвода дымовых газов 16.

В частном варианте выполнения котла-утилизатора в реакторе 3 установлены две циклонные камеры сгорания 4₁, 4₂ (см. фиг.9), к которым тангенциально подведены два патрубка подвода дымовых газов 1₁, 1₂, а также два дополнительных патрубка подвода дымовых газов 1₁₁, 1₂₁ соответственно. Подвод к циклонным камерам сгорания 4₁, 4₂ дополнительных патрубков подвода дымовых газов 1₁₁, 1₂₁ обеспечивает эффективное перемешивание дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, в циклонных камерах сгорания 4₁, 4₂.

В частном варианте выполнения котла-утилизатора (см. фиг.10) в реакторе 3 установлены четыре циклонных камеры сгорания 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ соответственно. При этом обеспечивается эффективная работа котла-утилизатора за счет повышения стабилизации температурного поля в рабочем объеме реактора 3.

Были проведены испытания комплекса «коксовая печь - котел-утилизатор», который установлен в ОАО «Запорожкокс». При этом дымовые газы от коксовой печи поступали в котел-утилизатор, работающий при температуре 1095°С. Результаты проведенных испытаний с различными вариантами выполнения котла-утилизатора приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 Показатель Обозначение* Вариант 1 (фиг.1) Вариант 2 (фиг.4) Вариант 3 (фиг.6) Вариант 4 (фиг.10) 1. Площадь выходного отверстия диафрагмы, м² S₁ 11,1 11,1 11,1 11,1 2. Площадь основания камеры дожига, м² S₂ 12,33 12,33 12,33 12,33 3. Площадь отверстия дополнительной диафрагмы, м² S₃ - 4,15 4,15 1,90 4. Площадь основания циклонной камеры сгорания, м² S₄ 4,61 4,61 4,61 2,11 5. Объем камеры дожига, м³ V₁ 56,9 56,9 56,9 56,9 6. Объем реактора, м³ V₂ 87,53 87,53 87,53 87,53 7. Высота выступа, м a₁ - - 0,2 0,2 8. Длина выступа, м b₁ - - 14,7 14,7 9. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град. α₁ - - 0 0 10. Высота выступа, м a₂ - 0,2 0,2 0,2 11. Длина выступа, м b₂ - 5,2 5,2 5,28 12. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град. α₂ - 90 90 90 13. Наличие турбулизирующей решетки в патрубке подвода дымовых газов   - - + + 14. Наличие решетки в реакторе   - - - + 15. Количество циклонных камер сгорания, ед.   2 2 2 4 16. Количество патрубков подвода дымовых газов, которые подведены к каждой циклонной камере сгорания, ед.   1 1 2 1 ^* - в таблице 1 приведены следующие условные обозначения: a₁, a₂ - высота выступов 13₁, 13₂ соответственно, м; b₁, b₂ - длина выступов 13₁, 13₂ соответственно, м; α₁, α₂ - угол наклона выступов 13₁, 13₂ к основанию камеры дожига 9 соответственно, град.

Таблица 2 Показатель Вариант 1 (фиг.1) Вариант 2 (фиг.4) Вариант 3 (фиг.6) Вариант 4 (фиг.10) 1. Температура в реакторе котла-утилизатора, град 1095 2. Оксид углерода, мг/м³:   до котла-утилизатора 3250 3450 3400 3500 после котла-утилизатора 42 37 10 0 3. Оксиды азота, мг/м³:         до котла-утилизатора 540 567 563 570 после котла-утилизатора 365 343 324 312 4. Концентрация смолистых и углеродистых частиц, мг/м³   до котла-утилизатора 76 77 82 78 после котла-утилизатора 30,4 28,9 14,5 8,2 5. Надежность работы котла-утилизатора (период времени между очисткой теплообменных поверхностей теплообменников), ч 1100 1190 1620 1930 6. Степень утилизации тепла котла-утилизатора (КПД), % 87,7 88,0 88,5 89,1

Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности. Котел-утилизатор содержит патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов. Котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов. Реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью: 0,43<V₁/V₂≤0,85,

где: V₁ - объем камеры дожига, м³; V₂ - рабочий объем реактора, м³. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой степени очистки дымовых газов от примесей, а также увеличение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов. 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.

1. Котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, отличающийся тем, что котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
0,43<V₁/V₂≤0,85,
где V₁ - объем камеры дожига, м³;
V₂ - рабочий объем реактора, м³.

2. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которой связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется следующей зависимостью:
0,44<S₁/S₂≤0,9,
где S₁ - площадь выходного отверстия диафрагмы, м²;
S₂ - площадь основания камеры дожига, м².

3. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.

4. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.

5. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней стенке камеры дожига и имеющий следующие размеры:
0,05d<a≤0,5d,
0,5d<b≤25d,
0°≤α≤90°,
где a - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
α - угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.

6. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена решетка.

7. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

8. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.

9. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.

10. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.

11. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.

12. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
0,44<S₃/S₄≤0,9,
где S₃ - площадь отверстия, м²;
S₄ - площадь основания циклонной камеры сгорания, м².