МНОГОКАМЕРНОЕ ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК F23C1/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ.

Известно многокамерное топочное устройство, содержащее вертикальную четырехгранную камеру сгорания с фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным окном выпуска продуктов сгорания, подом, имеющим внутреннюю со стороны камеры сгорания и внешнюю поверхности и оснащенным вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен щелевыми амбразурами с вертикальными плоскостями симметрии, подключенные к амбразурам газозажигающие предтопки, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии амбразур фронтовые и задние стены, а также примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания боковые стены, подовые перекрытия с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен камеры сгорания щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха, окна подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков разделительные стены, газоподводящие трубы с горизонтальными плоскостями симметрии, оснащенные осесимметричными газовыпускными соплами (Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. М., Энергия, 1976, с.458-473). Недостатком многокамерного топочного устройства является высокая концентрация оксидов азота в отводимых продуктах сгорания, а также высокий уровень температуры факела в газозажигающих предтопках, их короткий межремонтный эксплуатационный период.

Известно многокамерное топочное устройство, содержащее вертикальную четырехгранную камеру сгорания с фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным окном выпуска продуктов сгорания, подом, имеющим внутреннюю со стороны камеры сгорания и внешнюю поверхности и оснащенным вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен щелевыми амбразурами с вертикальными плоскостями симметрии, подключенные к амбразурам газозажигающие предтопки, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии амбразур фронтовые и задние стены, а также примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания боковые стены, подовые перекрытия с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен камеры сгорания щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха, окна подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков разделительные стены, газоподводящие трубы с горизонтальными плоскостями симметрии, оснащенные осесимметричными газовыпускными соплами (авторское свидетельство СССР № 879142, МПК F23C 5/28 от 30.01.80 г.; Б.И. № 41 от 07.11.81 г.). Недостатком многокамерного топочного устройства является высокая концентрация оксидов азота в отводимых продуктах сгорания, а также высокий уровень температуры факела в газозажигающих предтопках, их короткий межремонтный эксплуатационный период.

Известно наиболее близкое многокамерное топочное устройство, содержащее вертикальную четырехгранную камеру сгорания с фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным окном выпуска продуктов сгорания, подом, имеющим внутреннюю со стороны камеры сгорания и внешнюю поверхности и оснащенным вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен щелевыми амбразурами с вертикальными плоскостями симметрии, подключенные к амбразурам газозажигающие предтопки, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии амбразур фронтовые и задние стены, а также примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания боковые стены, подовые перекрытия с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен камеры сгорания щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха, окна подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков разделительные стены и вытянутые над щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха газоподводящие трубы с горизонтальными плоскостями симметрии, оснащенные осесимметричными газовыпускными соплами с осями симметрии, развернутыми в сторону щелевых амбразур пода камеры сгорания (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36). Недостатки данного устройства - те же, что и вышеописанных устройств, а именно высокая концентрация оксидов азота в отводимых продуктах сгорания, а также высокий уровень температуры факела в газозажигающих предтопках, их короткий межремонтный эксплуатационный период.

Задачей изобретения является снижение температуры в газозажигательных предтопках и продление периода их эксплуатации между ремонтами, а также уменьшение концентрации оксидов азота в отводимых из многокамерного топочного устройства продуктах сгорания.

Для решения поставленной задачи предлагается в многокамерном топочном устройстве, содержащем вертикальную четырехгранную камеру сгорания с фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным окном выпуска продуктов сгорания, подом, имеющим внутреннюю со стороны камеры сгорания и внешнюю поверхности и оснащенным вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен щелевыми амбразурами с вертикальными плоскостями симметрии, подключенные к амбразурам газозажигающие предтопки, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии амбразур фронтовые и задние стены, а также примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания боковые стены, подовые перекрытия с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен камеры сгорания щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха, окна подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков разделительные стены и вытянутые над щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха газоподводящие трубы с горизонтальными плоскостями симметрии, оснащенные осесимметричными газовыпускными соплами с осями симметрии, развернутыми в сторону щелевых амбразур пода камеры сгорания, окна подачи дожигающего воздуха также выполнить щелевыми, разместить в подовых перекрытиях предтопков параллельно щелевым окнам подачи зажигающего воздуха и разделить их перегородками шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, разделительные стены установить над перегородками и ограничить их высоту Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, газоподводящие трубы поднять над подовыми перекрытиями предтопков на высоту Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка}, а оси газовыпускных сопл развернуть относительно горизонтальных плоскостей симметрии газоподводящих труб на угол γ=10-40°, где В_{предтопка} и Н_{предтопка} - соответственно внутренние размеры ширины и высоты предтопка, м.

Выполнением окон подачи дожигающего воздуха щелевыми с размещением в подовых перекрытиях предтопков параллельно щелевым окнам подачи зажигающего воздуха и установкой между окнами подачи зажигающего и дожигающего воздуха перегородок шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, где В_{предтопка} - внутренний размер ширины предтопка, м, достигается минимизация выхода оксидов азота в продуктах сгорания. Диапазон параметра В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка} является оптимальным: так при В_{перегородки}=0,2·В_{предтопка} относительная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания составляет , где - значение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания ближайшего аналога, мг/нм³ (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36). При незначительном отклонении величины В_{перегородки} в большую или меньшую стороны параметр . При достижении В_{перегородки}=0,05·В_{предтопка} и В_{перегородки}=0,35·В_{предтопка} параметр , то есть незначительно увеличивается. Как только В_{перегородки}<0,05·В_{предтопка} и В_{перегородки}>0,35·В_{предтопка} (например, В_{перегородки}=0,04·В_{предтопка} и В_{перегородки}=0,36·В_{предтопка}), контролируемый параметр NO_x резко скачкообразно увеличивается, принимая значения , то есть эффект снижения концентрации оксидов азота в отводимых продуктах сгорания пропадает.

Установкой разделительных стен непосредственно над оконными перегородками с ограничением высоты стен Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка} и установкой газоподводящих труб на высоте Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка} с разворотом осей газовыпускных сопл относительно горизонтальных осей газоподводящих труб на угол γ=10-40° достигается минимизация температурного уровня факела в газозажигающих предтопках, обуславливающая повышение межремонтного срока службы. Обозначенные диапазоны параметров Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка}, γ=10-40° являются оптимальными. Так, если Н_стен=0,3·Н_{предтопка}, Н_газ=0,7·Н_{предтопка}, γ=20°, относительная температура факела в газозажигающем предтопке имеет значения , где - температура факела в газозажигающем предтопке ближайшего аналога (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36). При незначительном отклонении параметров Н_стен, Н_газ, γ в большую или меньшую стороны . При выходе на граничные значения Н_стен=0,05·Н_{предтопка}, Н_стен=0,45·Н_{предтопка}, Н_газ=0,50·Н_{предтопка}, Н_газ=0,85·Н_{предтопка}, γ=10°, γ=40° величина , незначительно начинает увеличиваться. Но, как только происходит выход хотя бы незначительно и хотя бы одного из параметров за обозначенные границы, например, Н_стен=0,04·Н_{предтопка}, Н_стен=0,46·Н_{предтопка}, Н_газ=0,49·Н_{предтопка}, Н_газ=0,86·Н_{предтопка}, γ=9°, γ=41°, резко скачкообразно увеличивается относительная температура , то есть эффект снижения температуры факела в газозажигающих предтопках пропадает.

Сущность изобретения показана на чертежах, где на фиг.1 представлена схема многокамерного топочного устройства с экранированной призматической квадратной камерой сгорания и двумя газозажигающими предтопками, продольный разрез; на фиг.2 - то же, разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.3 - то же, разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 представлен продольный профиль многокамерного топочного устройства с частично экранированной камерой сгорания сложной конфигурации и четырьмя газозажигающими предтопками; на фиг.5 - то же, разрез по В-В на фиг.4.

Многокамерное топочное устройство на фиг.1-3 имеет вертикальную четырехгранную камеру сгорания 1 с фронтовой и задней стенами 2, 3 соответственно, боковыми стенами 4, 5, потолочным окном 6 выпуска продуктов сгорания, подом 7 с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен 2, 3 щелевыми амбразурами 8, 9 соответственно, подключенные к амбразурам 8, 9 газозажигающие предтопки 10, 11, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности 12 пода 7 камеры сгорания 1 и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии 13, 14 амбразур 8, 9 фронтовые и задние стены 15, 16 и 17, 18 соответственно, а также примыкающие к внешней поверхности 12 пода 7 камеры сгорания 1 боковые стены 19, 20 и 21, 22, подовые перекрытия 23, 24 с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен 2, 3 камеры сгорания 1 щелевыми окнами 25, 26 подачи зажигающего воздуха, окна 27, 28 подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков 10, 11 разделительные стены 29, 30 и вытянутые над щелевыми окнами 25, 26 подачи зажигающего воздуха газоподводящие трубы 31, 32 с горизонтальными плоскостями симметрии 33, 34 и осесимметричными газовыпускными соплами 35, 36 с осями симметрии 37, 38, развернутыми в сторону амбразур 8, 9. Особенностью многокамерного топочного устройства является выполнение окон 27, 28 подачи дожигающего воздуха щелевыми, их размещение в подовых перекрытиях 23, 24 предтопков 10, 11 параллельно щелевым окнам 25, 26 подачи зажигающего воздуха с разделением окон 25, 26 и 27, 28 перегородками 39, 40 шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, а также установка разделительных стен 29, 30 над перегородками 39, 40, ограничение их высоты Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, поднятие газоподводящих труб 31, 32 над подовыми перекрытиями 23, 24 предтопков 10, 11 на высоту Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка} с разворотом осей 37, 38 газовыпускных сопл 35, 36 относительно горизонтальных плоскостей симметрии 33, 34 газоподводящих труб 31, 32 на угол γ=10-40°, где В_{предтопка} и Н_{предтопка} - соответственно внутренние размеры ширины и высоты предтопка, м.

Работа многокамерного топочного устройства осуществляется путем подачи в щелевые окна 25, 26 потоков зажигающего воздуха, а в сопла 35, 36 газа; в щелевые окна 27, 28 подают потоки дожигающего воздуха. Первоначально воспламеняется смесь реагентов из окон 25, 26 и сопл 35, 36, которая поступает в амбразуры 8, 9. Туда же поступает поток свежего воздуха из окон 27, 28. В амбразурах 8, 9 начинается турбулентное взаимодействие воспламенившегося факела и свежего воздуха. Последние, истекая из амбразур 8, 9 в камеру сгорания 1, доокисляют остатки горючих веществ газа с выделением тепла, которое передается настенным экранам 41. Нагреваемая в экранах 41 вода превращается в пар, подаваемый на турбины для выработки электроэнергии. Последние на фиг.1, 2, 3 не показаны. В процессе работы многокамерного топочного устройства регулируют расходы зажигающего и дожигающего воздуха регуляторами расхода 42, 43, 44, 45, установленными на подводящих воздуховодах 46, 47, 48, 49. На этих же подводящих воздуховодах для выравнивания профиля скорости установлены выравнивающие решетки, которые на фиг.1, 2, 3 не показаны.

Выполнением окон подачи дожигающего воздуха щелевыми с размещением в подовых перекрытиях предтопков параллельно щелевым окнам подачи зажигающего воздуха и установкой между окнами подачи зажигающего и дожигающего воздуха перегородок шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, где В_{предтопка} - внутренний размер ширины предтопка, м, достигается минимизация выхода оксидов азота в продуктах сгорания. Диапазон параметра В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка} является оптимальным: так при В_{перегородки}=0,2·В_{предтопка} относительная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания составляет , где - значение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания ближайшего аналога, мг/нм³ (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36). При незначительном отклонении величины В_{перегородки} в большую или меньшую стороны параметр . При достижении В_{перегородки}=0,05·В_{предтопка} и В_{перегородки}=0,35·В_{предтопка} параметр , то есть незначительно увеличивается. Как только В_{перегородки}<0,05·В_{предтопка} и В_{перегородки}>0,35·В_{предтопка} (например, В_{перегородки}=0,04·В_{предтопка} и В_{перегородки}=0,36·В_{предтопка}), контролируемый параметр NO_x резко скачкообразно увеличивается, принимая значения то есть эффект снижения концентрации оксидов азота в отводимых продуктах сгорания пропадает.

Установкой разделительных стен непосредственно над оконными перегородками с ограничением высоты стен Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка} и установкой газоподводящих труб на высоте Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка} с разворотом осей газовыпускных сопл относительно горизонтальных осей газоподводящих труб на угол γ=10-40° достигается минимизация температурного уровня факела в газозажигающих предтопках, обуславливающая повышение межремонтного срока службы. Обозначенные диапазоны параметров Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка}, γ=10-40° являются оптимальными. Так, если Н_стен=0,3·Н_{предтопка}, Н_газ=0,7·Н_{предтопка}, γ=20°, относительная температура факела в газозажигающем предтопке имеет значения , где - температура факела в газозажигающем предтопке ближайшего аналога (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36). При незначительном отклонении параметров Н_стен, Н_газ, γ в большую или меньшую стороны . При выходе на граничные значения Н_стен=0,05·Н_{предтопка}, Н_стен=0,45·Н_{предтопка}, Н_газ=0,50·Н_{предтопка}, Н_газ=0,85·Н_{предтопка}, γ=10°, γ=40° величина , незначительно начинает увеличиваться. Но, как только происходит выход хотя бы незначительно и хотя бы одного из параметров за обозначенные границы, например, Н_стен=0,04·Н_{предтопка}, Н_стен=0,46·Н_{предтопка}, Н_газ=0,49·Н_{предтопка}, Н_газ=0,86·Н_{предтопка}, γ=9°, γ=41°, резко скачкообразно увеличивается относительная температура , то есть эффект снижения температуры факела в газозажигающих предтопках пропадает.

Многокамерное топочное устройство может в деталях отличаться от устройства на фиг.1, 2, 3. В частности, на фиг.4, 5 представлено многокамерное топочное устройство с камерой сгорания сложного профиля и четырьмя газозажигающими предтопками. Здесь камера сгорания 1 также имеет фронтовую, заднюю и боковые стены 2, 3, 4, 5 соответственно, окно выпуска продуктов сгорания 6 и под 7 с щелевыми амбразурами. К четырем амбразурам 51, 52, 53, 54 подключены четыре газозажигающих предтопка 55, 56, 57, 58. Внутреннее содержание предтопков 55, 56, 57, 58 и работа многокамерного топочного устройства на фиг.4, 5 соответствуют описанию многокамерного топочного устройства на фиг.1, 2, 3 и его работе.

Возможны иные варианты форм камер сгорания и количества предтопков.

Практическая применимость многокамерного топочного устройства связана с котлами ТЭС, работающими на газе и оборудованными подовой системой подачи в топку реагентов. Конструктивное оформление амбразур и их размеры напрямую связаны со скоростными и тепловыми режимами работы камеры сгорания многокамерного топочного устройства и котла. В объем настоящего изобретения они не входят, являются предметом отдельных изучения и анализа. При выполнении многокамерного топочного устройства по заявленному предложению на котлах паропроизводительностью 50 т/ч Челябинской ГРЭС достигнуто снижение температурного уровня амбразур и концентрации оксидов азота более чем вдвое по сравнению с ближайшим аналогом (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. Издательство литературы по строительству, М., 1968, с.151, рис.36).

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ, и обеспечивает при его использовании снижение температуры в газозажигательных предтопках и продление периода их эксплуатации между ремонтами при снижении концентрации оксидов азота в продуктах сгорания. Указанный технический результат достигается в многокамерном топочном устройстве тем, что окна подачи дожигающего воздуха выполнены щелевыми, размещены в подовых перекрытиях предтопков параллельно щелевым окнам подачи зажигающего воздуха и разделены с ними перегородками шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, разделительные стены установлены над перегородками и ограничены высотой Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, газоподводящие трубы подняты над подовыми перекрытиями предтопков на высоту Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка}, а оси газовыпускных сопл развернуты относительно горизонтальных плоскостей симметрии газоподводящих труб на угол γ=10-40°, где В_{предтопка} и Н_{предтопка} - соответственно внутренние размеры ширины и высоты предтопка, м. 5 ил.

Многокамерное топочное устройство, содержащее вертикальную четырехгранную камеру сгорания с фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным окном выпуска продуктов сгорания, подом, имеющим внутреннюю со стороны камеры сгорания и внешнюю поверхности и оснащенным вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен щелевыми амбразурами с вертикальными плоскостями симметрии, подключенные к амбразурам газозажигающие предтопки, имеющие собственные примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания и симметрично размещенные относительно вертикальных плоскостей симметрии амбразур фронтовые и задние стены, а также примыкающие к внешней поверхности пода камеры сгорания боковые стены, подовые перекрытия с вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен камеры сгорания щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха, окна подачи дожигающего воздуха, размещенные внутри предтопков разделительные стены и вытянутые над щелевыми окнами подачи зажигающего воздуха газоподводящие трубы с горизонтальными плоскостями симметрии, оснащенные осесимметричными газовыпускными соплами с осями симметрии, развернутыми в сторону щелевых амбразур пода камеры сгорания, отличающееся тем, что окна подачи дожигающего воздуха также выполнены щелевыми, размещены в подовых перекрытиях предтопков параллельно щелевым окнам подачи зажигающего воздуха и разделены с ними перегородками шириной В_{перегородки}=(0,05-0,35)·В_{предтопка}, разделительные стены установлены над перегородками и ограничены высотой Н_стен=(0,05-0,45)·Н_{предтопка}, газоподводящие трубы подняты над подовыми перекрытиями предтопков на высоту Н_газ=(0,50-0,85)·Н_{предтопка}, а оси газовыпускных сопл развернуты относительно горизонтальных плоскостей симметрии газоподводящих труб на угол γ=10°-40°, где В_{предтопка} и Н_{предтопка} - соответственно внутренние размеры ширины и высоты предтопка, м.