ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПРИЗМАТИЧЕСКАЯ ТОПКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 2009 года по МПК F23C5/32 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, отопительных котельных и парогенерирующих установках металлургических предприятий при комбинированном факельном сжигании природного и промышленных доменного и коксового газов во вращающемся вертикально восходящем потоке.

Известна вертикальная призматическая топка, включающая вертикальную ось симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные и вертикально-щелевые газовыводящие насадки, а также вертикально-щелевые воздуховыводящие насадки, причем многотрубные газовыводящие насадки скомпонованы в вертикальные ряды (Осинцев В.В. и др. Сжигание челябинского угля, природного, коксового и доменного газов в котлах ПК-14 ТЭЦ металлургического комбината // Журнал "Промышленная энергетика". 1989. №12. С.35-39). Недостаток устройства - незначительный межремонтный срок службы горелок и существенные ремонтные затраты.

Известен способ работы такого топочного устройства, осуществляемый путем подачи в многотрубные газовыводящие насадки природного и коксового газов, через вертикально-щелевые газовыводящие насадки - доменного газа, а через вертикально-щелевые воздуховыводящие насадки - воздуха с образованием восходящего факельного потока (Осинцев В.В. и др. Сжигание челябинского угля, природного, коксового и доменного газов в котлах ПК-14 ТЭЦ металлургического комбината // Журнал "Промышленная энергетика". 1989. №12. С.35-39). К недостатку способа относится повышенный уровень концентрации оксидов азота в отводимых из топки продуктах сгорания.

Известна вертикальная призматическая топка, содержащая камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные газовыводящие насадки, скомпонованные по крайней мере в один вертикальный ряд, а также вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие насадки, причем воздуховыводящие и газовыводящие насадки разделены экранирующими трубами, а горизонтальные оси газовыводящих и воздуховыводящих насадок ориентированы по касательным к собственным условным цилиндрическим поверхностям, соосным с вертикальной осью камеры сгорания (Осинцев В.В. и др. Перевод котла БКЗ-160 на технологию ступенчатого сжигания топлива // Журнал "Электрические станции". 1993. №3. С.25-29). Недостаток устройства - снижение межремонтного срока службы горелок при подаче в топку вместе с природным газом промышленных коксового и доменного газов.

Известен способ работы такой топки, осуществляемый путем подачи в газовыводящие насадки природного газа, а в воздуховыводящие насадки воздуха с организацией восходящего закрученного в горизонтальной плоскости факельного потока (Осинцев В.В. и др. Перевод котла БКЗ-160 на технологию ступенчатого сжигания топлива // Журнал "Электрические станции". 1993. №3. С.25-29). К недостатку способа можно отнести повышение уровня выхода оксидов азота при сжигании вместе с природным доменного и коксового газов.

Известна вертикальная призматическая топка, содержащая камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки с собственными боковыми стенами, топливовыводящими и воздуховыводящими сопловыми насадками, имеющими горизонтальные оси, направленные по касательным к условным цилиндрическим поверхностям факела, причем топливовыводящие насадки выполнены многотрубными, воздуховыводящие - вертикально-щелевыми (Руководящий технический материал. Горелки прямоточные пылеугольные, пылегазовые и их компоновка с топками. Методы расчета и проектирования. РТМ 108.030.120-78. Издание официальное, с.6-12, с.29). Недостаток устройства - невысокий срок службы горелок при сжигании доменного и коксового газов.

Известен способ работы такого устройства, осуществляемый путем подачи в топливовыводящие насадки топливных потоков, а в воздуховыводящие насадки - воздушных потоков с образованием вращающегося вокруг вертикальной оси камеры сгорания восходящего факельного потока. (Руководящий технический материал. Горелки прямоточные пылеугольные, пылегазовые и их компоновка с топками. Методы расчета и проектирования. РТМ 108.030.120-78. Издание официальное, с.6-12, с.29). Недостаток способа - повышенный уровень выхода оксидов азота при сжигании в топке коксового и доменного газов.

Наиболее близкой по технической сущности является вертикальная призматическая топка, содержащая камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные и вертикально-щелевые газовыводящие насадки, а также отделенные от них экранирующими трубами вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие насадки с горизонтальными осями, образующими касательные к собственным, соосным с вертикальной осью камеры сгорания, условным цилиндрическим поверхностям (авторское свидетельство СССР №1695036, МПК F23С 1/12 от 01.09.89 г.; БИ №44 от 1991 г.). Недостаток устройства - незначительный межремонтный срок службы горелок и повышенный уровень выхода оксидов азота.

Известен способ работы такого устройства, включающий тангенциальную подачу в камеру сгорания через горелки реагентных потоков доменного газа, выпускаемого из газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок, природного и коксового газов, выпускаемых из газовыводящих многотрубных насадок, и воздуха, выпускаемого из моносопловых воздуховыводящих насадок, образующих восходящий горизонтально-вращающийся факел с тангенциальными фронтом и следом перед горелками (авторское свидетельство СССР №1695036, МПК F23С 1/12 от 01.09.89 г.; БИ №44 от 1991 г.). Недостаток способа - повышенный уровень выхода оксидов азота при подаче в горелки доменного и коксового газов, незначительный межремонтный срок службы горелок.

Задача настоящего изобретения - увеличение межремонтного срока службы горелок и снижение уровня выхода оксидов азота с продуктами сгорания.

Для решения этой задачи в заявляемой вертикальной призматической топке, содержащей камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные и вертикально-щелевые газовыводящие насадки, а также отделенные от них экранирующими трубами вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие насадки с горизонтальными осями, образующими касательные к собственным, соосным с вертикальной осью камеры сгорания, условным цилиндрическим поверхностям, согласно изобретению в каждой горелке газовыводящая вертикально-щелевая насадка выполнена моносопловой, многотрубная газовыводящая насадка размещена между вертикально-щелевыми газовыводящей и воздуховыводящей насадками, а между газовыводящими вертикально-щелевой и многотрубной насадками установлены дополнительные экранирующие трубы, при этом воздуховыводящая моносопловая насадка установлена у боковой стены, обращенной к моносопловой газовыводящей насадке соседней горелки, диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок составляет (1,05-2,0)Д_в, а газовыводящих многотрубных насадок (1,5-2,5)Д_в, где Д_в - диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей воздуховыводящих моносопловых насадок.

Выполнением в каждой горелке газовыводящей вертикально-щелевой насадки моносопловой, размещением многотрубной газовыводящей насадки между вертикально-щелевыми газовыводящей и воздуховыводящей насадками, а также установкой дополнительных экранирующих труб между многотрубной и вертикально-щелевой газовыводящими насадками, а воздуховыводящей моносопловой насадки у боковой стены, обращенной к моносопловой газовыводящей насадке соседней горелки, достигаются существенное снижение облучаемости амбразур факелом (уменьшение падающих лучистых потоков тепла) и повышение надежности элементов горелок и амбразур, увеличение срока их службы, снижение ремонтных затрат. Ориентацией горизонтальных осей газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок по касательным к условной цилиндрической поверхности с диаметром окружности Д₁=(1,05-2,0)Д_в, а многотрубных по касательным к условной цилиндрической поверхности с диаметром окружности Д₂=(1,5-2,5)Д_в, где Д_в - диаметр цилиндрической окружности касания горизонтальных осей воздуховыводящих моносопловых насадок, достигается минимизация выхода вредных оксидов азота с отводимыми продуктами сгорания.

Описанный выше положительный эффект реализуется одновременно со способом работы предлагаемого топочного устройства, включающего тангенциальную подачу в камеру сгорания через горелки реагентных потоков доменного газа, выпускаемого из газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок, природного и коксового газов, выпускаемых из газовыводящих многотрубных насадок, и воздуха, выпускаемого из моносопловых воздуховыводящих насадок, образующих восходящий горизонтально-вращающийся факел с тангенциальными фронтом и следом перед горелками, согласно изобретению подачу потоков газов при этом осуществляют в тангенциальный фронт набегающего на горелки факела, а потоки воздуха направляют в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела.

При истечении из сопл газы и воздух прогреваются до температуры, необходимой для вспышки - начала химического реагирования газов с кислородом воздуха и образования оксидов, главным образом окислов углерода, с выделением тепла. Истечение потоков доменного газа с низким содержанием горючих веществ из вертикально-щелевых моносопловых насадок со стороны тангенциально набегающего на горелки реагирующего высокотемпературного потока (тангенциального фронта факела), а воздуха в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела обеспечивает их интенсивный лучистый и конвективный прогрев, устойчивое воспламенение и последующее горение. Содержание большого количества балластирующих веществ в доменном газе и растянутый характер его воспламенения в топочной камере с незначительным градиентом температуры в момент вспышки обеспечивают невысокий уровень активности вторичных реакций окисления азота в топливе и воздухе, незначительное содержание оксидов азота в факельном следе на выходе из топки и в отводимых в атмосферу продуктах сгорания. При подаче доменного газа вдоль горизонтальных осей насадок, ориентированных по касательным к цилиндрическим поверхностям с Д₁=(1,05-2,0)Д_в формируется минимальный уровень концентрации оксидов азота NO_x1 ^min. Как только Д₁≤1,045Д_в или Д₁≥2,01Д_в, уровень концентрации оксидов азота увеличивается скачкообразно до NO_x1≥(1,5÷2,0)NO_x1 ^min. Выход низкоактивного доменного газа в топку из вертикально-щелевых моносопловых насадок формирует завесу от лучистых потоков тепла в направлении амбразур и совместно с экранирующими трубами рабочей среды последних существенно уменьшает разогрев последних, высокотемпературное разрушение и продлевает срок службы горелок. Подача потоков природного и коксового газов из многотрубных насадок раздельно с воздухом также снижает активность реагирования на участке воспламенения, уменьшает градиент температуры в момент вспышки и количество падающего на амбразуры лучистого тепла. Как в случае сжигания доменного газа при подаче топливных потоков в тангенциальный фронт набегающего на горелки факела, а воздуха в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела уменьшается разогрев амбразур, увеличивается срок их службы между ремонтами. При подаче природного и коксового газов вдоль горизонтальных осей сопл, ориентированных по касательным к цилиндрическим поверхностям с диаметром Д₂=(1,5-2,5)Д_в, устанавливается минимальный уровень концентрации оксидов азота NO_x2 ^min. Как только Д₂≤1,49Д_в или Д₂≥2,51Д_в, уровень концентрации оксидов азота увеличивается скачкообразно до NO_х2≥(1,5÷2,0)NO_x2 ^min. При комбинировании ввода различных газов и в различных соотношениях по горелкам тенденция выхода оксидов азота сохраняется, откуда заявленные диапазоны Д₁=(1,05-2,0)Д_в и Д₂=(1,5-2,5)Д_в принимаются за оптимальные.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема вертикальной призматической топки прямоугольного сечения с настенным размещением горелок, поперечный разрез; на фиг.2 - схема вертикальной топки прямоугольного сечения, вид в плане, разрез А-А; на фиг.3 - схема амбразуры горелки, узел 1; на фиг.4 - схема амбразуры горелки, узел 2; на фиг.5 - схема амбразуры горелки, вид Б; на фиг.6 - схема вертикальной призматической топки квадратного сечения с размещением горелок на угловых простенках, вид в плане; на фиг.7 - схема восьмигранной вертикальной призматической топки, вид в плане.

Вертикальная призматическая топка на фиг.1, 2, 3, 4, 5 содержит камеру сгорания 1 с осью симметрии 2, совпадающей с осью горизонтального вращения 3 факела 4, стены 5 с горелками 6 и 7 и стены 8 без горелок; горелки 6 и 7 имеют выведенные соответственно в амбразуры 10 и 11 многотрубные 16, 17 и 18, 19 и вертикально-щелевые 20 и 21 газовыводящие насадки, а также отделенные от них экранирующими трубами 22 и 23 вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие 24 и 25 насадки с соответствующими горизонтальными осями 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31, образующими касательные к соответствующим условным цилиндрическим поверхностям 32, 33, 34 вращения факела 4. Особенностями вертикальной призматической топки являются выполнение газовыводящих вертикально-щелевых насадок 20 и 21 моносопловыми и их размещение на обращенных к фронту факела 4 боковых стенах 12 и 13 соответственно горелок 6 и 7, размещение многотрубных насадок 16, 17 и 18, 19 между вертикально-щелевыми газовыводящими 20 и 21 и воздуховыводящими 24 и 25 насадками, установка между газовыводящими и вертикально-щелевыми 20 и 21 и многотрубными 16, 17 и 18, 19 насадками дополнительных экранирующих труб 35 и 36, при этом воздуховыводящая насадка в каждой горелке, в частности насадка 24 горелки 6, обращена к газовыводящей моносопловой насадке соседней горелки, в частности насадке 21 горелки 7.

Диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания 32 горизонтальных осей 28 и 29 вертикально-щелевых моносопловых газовыводящих насадок 20 и 21 соответственно горелок 6 и 7 равен Д₁=(1,05-2,0)Д_в, а диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания 33 горизонтальных осей 26 и 27 многотрубных насадок 16, 17 и 18, 19 для тех же горелок - Д₂=(1,5-2,5)Д_в, где Д_в - диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания 34 горизонтальных осей 30 и 31 воздуховыводящих моносопловых насадок 24 и 25 соответственно.

Работа вертикальной призматической топки по фиг.1, 2, 3, 4, 5 осуществляется путем подачи доменного газа в моносопловые насадки 20 и 21, природного и коксового - в многотрубные насадки 16, 17 и 18, 19, воздуха - в моносопловые насадки 24 и 25. Истекающие из сопловых насадок газы и воздух образуют вращение топочной среды с центром 3 на оси 2 камеры сгорания 1. При истечении из сопл газы и воздух прогреваются до температуры, необходимой для вспышки - начала химического реагирования газов с кислородом воздуха и образования оксидов, главным образом окислов углерода, с выделением тепла. Истечение потоков доменного газа с низким содержанием горючих веществ из вертикально-щелевых моносопловых насадок со стороны тангенциально набегающего на горелки реагирующего высокотемпературного потока (тангенциального фронта факела), а воздуха в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела обеспечивает их интенсивный лучистый и конвективный прогрев, устойчивое воспламенение и последующее горение. Содержание большого количества балластирующих веществ в доменном газе и растянутый характер его воспламенения в топочной камере с незначительным градиентом температуры в момент вспышки обеспечивают невысокий уровень активности вторичных реакций окисления азота в топливе и воздухе, незначительное содержание оксидов азота в факельном следе на выходе из топки и в отводимых в атмосферу продуктах сгорания. При подаче доменного газа вдоль горизонтальных осей 28 и 29 насадок 20 и 21 соответственно, ориентированных по касательным к цилиндрическим поверхностям с Д₁=(1,05-2,0)Д_в, формируется минимальный уровень концентрации оксидов азота NO_x1 ^min. Как только Д₁≤1,045Д_в или Д₁≥2,01Д_в, уровень концентрации оксидов азота увеличивается скачкообразно до NO_x1≥(1,5÷2,0)NO_x1 ^min. Выход низкоактивного доменного газа в топку из вертикально-щелевых моносопловых насадок 20 и 21 формирует завесу от лучистых потоков тепла в направлении амбразур 10 и 11 и совместно с экранирующими трубами 22, 23 и 35, 36 рабочей среды последних существенно уменьшает разогрев последних, высокотемпературное разрушение и продлевает срок службы горелок. Подача потоков природного и коксового газов из многотрубных насадок 16, 17 и 18, 19 раздельно с воздухом также снижает активность реагирования на участке воспламенения, уменьшает градиент температуры в момент вспышки и количество падающего на амбразуры лучистого тепла. Как в случае сжигания доменного газа при подаче топливных потоков в тангенциальный фронт набегающего на горелки факела, а воздуха в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела уменьшается разогрев амбразур, увеличивается срок их службы между ремонтами. При подаче природного и коксового газов вдоль горизонтальных осей 26, 27 сопл 16, 17, 18, 19, ориентированных по касательным к цилиндрическим поверхностям с диаметром Д₂=(1,5-2,5)Д_в, устанавливается минимальный уровень концентрации оксидов азота

NO_х2 ^min. Как только Д₂≤1,49Д_в или Д₂≥2,51Д_в, уровень концентрации оксидов азота увеличивается скачкообразно до NO_х2≥(1,5÷2,0)NО_х2 ^min. При комбинировании ввода различных газов и в различных соотношениях по горелкам 6, 7 тенденция выхода оксидов азота сохраняется, откуда заявленные диапазоны Д₁=(1,05-2,0)Д_в и Д₂=(1,5-2,5)Д_в принимаются за оптимальные. Параметр Д_в обычно связывают с размером меньшей из сторон топочной камеры, который принимают равным Д_в=(0,05-0,2)А_т, где А_т - меньшая сторона камеры. В частности, на фиг.1,2 А_т<В_т; А_т и В_т - размеры сторон камеры.

Опыт сжигания разнородных топлив на котлах металлургических предприятий показывает, что коксовый газ поступает на сжигание ограниченное время и в ограниченном количестве, в связи с чем при реализации заявляемого изобретения коксовый газ вводят через многотрубные насадки 17 и 19 с пропускной способностью в 3-4 раза меньше того же показателя насадок 16 и 18, используемых для подачи природного газа. Многотрубные насадки 17 и 19 для ввода коксового газа, как и насадки 16 и 18 для ввода природного газа, могут компоноваться в один или несколько вертикальных рядов. Необходимость выполнения 2^х типов амбразур 10 и 11 и соответственно горелок 6 и 7 на фиг.3, 4 связана с различными углами установки газовыводящих и воздуховыводящих сопл на стенах 5 топки по фиг.1, 2.

Изобретение может быть реализовано также в вертикальной призматической топке квадратного сечения с размещением однотипных горелок на угловых простенках. Схема такой топки с горизонтальным сечением в плане представлена на фиг.6. В сглаженных углах, выполненных в виде простенков 37, установлены однотипные горелки 6. Остальные обозначения, введенные на фиг.6, те же, что и на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

Работа топочного устройства на фиг.6 осуществляется так же, как и топочного устройства на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

Изобретение может быть реализовано и вертикальной восьмигранной топке на фиг.7. Здесь также используются однотипные горелки 6, обозначения - те же, что и на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

Работа топочного устройства на фиг.7 осуществляется так же, как и топочного устройства на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

Практическое использование вертикальной призматической топки связано с котлами типа ПК-14 и ПК-10, устанавливаемыми на современных ТЭЦ металлургических предприятий. На эти котлы подают помимо основного топлива, в частности природного газа, промышленные доменный и коксовый газы. Переход к тангенциальной технологии ввода с горелками, оснащенными охлаждаемыми амбразурами и отделенными друг от друга насадками для ввода газа и воздуха, а также ориентация горизонтальных осей насадок к условным поверхностям с заявленными диапазонами диаметров цилиндрического вращения факела Д₁ и Д₂ в зависимости от Д_в обеспечивают повышение межремонтного срока службы горелок и амбразур до 16-20 лет против исходных 2-3 лет и снижение вредных выбросов оксидов азота в атмосферу вдвое.

Вертикальная призматическая топка относится к энергетике и может быть использована в топочной технике на котлах тепловых электростанций, отопительных котельных и парогенерирующих установках металлургических предприятий при комбинированном факельном сжигании природного и промышленных доменного и коксового газов во вращающемся вертикально-восходящем потоке. Вертикальная призматическая топка содержит камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные и вертикально-щелевые газовыводящие насадки, а также отделенные от них экранирующими трубами вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие насадки с горизонтальными осями, образующими касательные к собственным, соосным с вертикальной осью камеры сгорания, условным цилиндрическим поверхностям. В каждой горелке газовыводящая вертикально-щелевая насадка выполнена моносопловой, многотрубная газовыводящая насадка размещена между вертикально-щелевыми газовыводящей и воздуховыводящей насадками, а между газовыводящими вертикально-щелевой и многотрубной насадками установлены дополнительные экранирующие трубы, при этом воздуховыводящая моносопловая насадка установлена у боковой стены, обращенной к моносопловой газовыводящей насадке соседней горелки, диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок составляет (1,05-2,0)Д_в, а газовыводящих многотрубных насадок (1,5-2,5)Д_в, где Д_в - диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей воздуховыводящих моносопловых насадок. Изобретение позволяет достичь увеличения межремонтного срока службы горелок и снизить уровень выхода оксидов азота с продуктами сгорания. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Вертикальная призматическая топка, содержащая камеру сгорания с вертикальной осью симметрии, экранированные трубами стены с амбразурами и встроенные в них горелки, имеющие собственные боковые стены, многотрубные и вертикально-щелевые газовыводящие насадки, а также отделенные от них экранирующими трубами вертикально-щелевые моносопловые воздуховыводящие насадки с горизонтальными осями, образующими касательные к собственным, соосным с вертикальной осью камеры сгорания, условным цилиндрическим поверхностям, отличающаяся тем, что в каждой горелке газовыводящая вертикально-щелевая насадка выполнена моносопловой, многотрубная газовыводящая насадка размещена между вертикально-щелевыми газовыводящей и воздуховыводящей насадками, а между газовыводящими вертикально-щелевой и многотрубной насадками установлены дополнительные экранирующие трубы, при этом воздуховыводящая моносопловая насадка установлена у боковой стены, обращенной к моносопловой газовыводящей насадке соседней горелки, диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок составляет (1,05-2,0)Д_в, а газовыводящих многотрубных насадок (1,5-2,5)Д_в, где Д_в - диаметр окружности условной цилиндрической поверхности касания горизонтальных осей воздуховыводящих моносопловых насадок.

2. Способ работы вертикальной призматической топки, включающий тангенциальную подачу в камеру сгорания через горелки реагентных потоков доменного газа, выпускаемого из газовыводящих вертикально-щелевых моносопловых насадок, природного и коксового газов, выпускаемых из газовыводящих многотрубных насадок, и воздуха, выпускаемого из моносопловых воздуховыводящих насадок, образующих восходящий горизонтально-вращающийся факел с тангенциальными фронтом и следом перед горелками, отличающийся тем, что потоки газов подают в тангенциальный фронт набегающего на горелки факела, а потоки воздуха направляют в тангенциальный след удаляющегося от горелок факела.