СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВ НА ВЫХОДЕ ИЗ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ И ВИХРЕВАЯ ТОПКА Российский патент 2013 года по МПК F23C5/28 F23N1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более точно, к способам регулирования температуры газов на выходе из вихревой топки и вихревым топкам.

Тепловая эффективность топки может определяться путем измерения температуры газов на выходе из топки. Так, повышение этой температуры свидетельствует о плохом тепловосприятии топочных экранов, а снижение этой температуры при том же количестве сжигаемого топлива - о повышении эффективности работы топки.

Наиболее распространенным способом увеличения тепловой эффективности топки является использование пылеугольного сжигания. В этом случае топливо подвергается предварительной сушке и измельчению с полностью включенными сепараторами, т.е. возвратом крупных частиц топлива на домол, а также тщательным смешиванием в горелках топлива и воздуха.

Такие топочные устройства работают крайне неэффективно, не обеспечивая эффективного теплообмена, особенно с топливами с неблагоприятными характеристиками золы (сланец, канско-ачинский уголь), из-за шлакования и высоких концентраций NO_x и SО₂. Температура газов постоянно растет, и ее регулирование может происходить только в узком диапазоне низких нагрузок.

Известен способ повышения теплообмена и регулирования температуры газов на выходе из топки путем повышения концентрации твердых частиц в топочном объеме многократным возвращением из котла вновь в котел. Это топки с циркулирующим кипящим слоем.

Недостатком таких топок являются относительно небольшие мощности (до 200-300 МГВт) и низкая экономичность за счет больших затрат на собственные нужды. Их применение носит ограниченный характер. Кроме того, применение таких или сходных технических решений возможно только при строительстве новых тепловых станций, а на действующих котлах использование циркулирующего кипящего слоя невозможно или возможно только после осуществления дорогостоящей сложной реконструкции.

Известен способ работы вихревой топки и вихревая топка, описанные в патенте РФ №2309328, при работе которой в вихревую зону камеры сгорания подают дробленое топливо, а в зону дожигания возвращают регулируемое количество угольно-золовой смеси из специального средства для ее улавливания. Это средство представляет собой золоуловитель, установленный за камерой сгорания, и циркуляционный золовый канал, через который золоуловитель сообщается с дополнительной горелкой. Золовый канал снабжен регулятором расхода угольно-золовой смеси.

Благодаря наличию операции возврата недогоревших, но прогретых, подсушенных и частично разрушенных частиц топлива в зону дожигания обеспечивается повышение тепловой загрузки соответствующих конвективных поверхностей и снижение температуры газов на выходе из топки. Однако конструкция не позволяет регулировать температуру газов на выходе.

Известна вихревая топка, описанная в патенте РФ №2067724, в которой имеется устройство регулирования фракционного состава топлива. Конструкция топки предусматривает подачу в верхнюю часть топочной камеры мелкоизмельченного топлива, а в нижнюю часть - крупнодисперсного топлива.

Это обеспечивается тем, что горелка выполнена в виде по меньшей мере двух расположенных друг над другом каналов для подачи топливовоздушной смеси. Каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух". Топка снабжена устройством для подачи в каждый канал топлива заданного фракционного состава, например, путем использования пылеконцентратора. В этом случае в вышерасположенный канал подают преимущественно мелкодисперсное топливо, которое успевает сгореть вблизи этого канала, создавая требуемый температурный уровень, а в нижерасположенный - относительно крупнодисперсное топливо, которое успешно сгорает в вихревой зоне.

Продольные оси каналов наклонены так, что угол наклона относительно стенки топочной камеры нижерасположенного канала меньше угла наклона относительно этой же стенки вышерасположенного канала, т.е. их оси внутри топочной камеры не пересекаются.

Поскольку описанная конструкция предполагает возможность регулирования соотношения топливо-воздух для каждого из каналов, для верхнего канала обеспечивают образование пылеугольной смеси до поступления в топку, подавая избыточное количество воздуха (внешнее смесеобразование), а для нижнего канала, подавая меньшее количество воздуха, обеспечивают внутреннее смесеобразование, поскольку горючая смесь образуется в результате многократной циркуляции крупнодисперсного топлива в вихревой (нижней) зоне топочной камеры.

При работе такой топки через оба канала горелки подают топливовоздушную смесь с указанными характеристиками, а снизу, через устройство ввода нижнего дутья, воздух. В верхней части камеры сгорания оказывается избыточное количество кислорода при достаточно высокой загрузке этой зоны частицами топлива, поступающими из вышерасположенного канала горелки. Этим обуславливается относительно высокая температура горения при избыточном количестве кислорода в этой зоне и, следовательно, эффективное дожигание топлива. Загрузка средней части топки осуществляется преимущественно из нижерасположенного канала при недостаточном количестве кислорода.

В результате взаимодействия вытекающего из этого канала потока топливовоздушной смеси и воздуха, поступающего из устройства ввода нижнего дутья, образуется вихревая зона, основная часть которой характеризуется недостаточным содержанием кислорода и относительно невысокой максимальной температурой и выполняет роль зоны восстановления, а периферийная часть (расположенная вблизи стенки, на которую поступает воздух нижнего дутья) характеризуется избытком кислорода и выполняет роль зоны окисления.

В результате многократной циркуляции в вихревой зоне сгорает основная масса средних частиц топлива, причем из-за недостатка кислорода в вихревой зоне одновременно происходит и процесс восстановления оксидов азота. Крупные частицы топлива из обоих каналов горелки сепарируются в нижнюю часть топки, подхватываются восходящим потоком воздуха и вновь поступают в вихревую зону к горелке и так вплоть до полного выгорания топливных частиц.

В такой топке концентрация топлива в объеме регулируют только через подачу крупных частиц через нижнюю горелку, куда подача воздуха ограничена, а верхняя служит для дожигания частиц топлива.

Однако при увеличении загрузки холодным крупнодисперсным топливом нижней части топки горение ухудшается и даже может полностью прекратиться. Возможность регулирования температуры нижней части камеры сгорания в такой топке отсутствует, между высокотемпературной верхней пылевой горелкой и низкотемпературной нижней горелкой (каналами) взаимодействие отсутствует, поскольку, как уже упоминалось выше, оси этих горелок не пересекаются.

При конструировании такой топки требуется предусмотреть возможность подготовки топлива с разной концентрацией, т.е. необходимо использовать две мельницы.

Как уже упоминалось, в такой топке отсутствует взаимодействие (зажигание и поддержание горения топлива) между потоками из верхнего канала, через который подают мелкое пылевидное топливо, и нижнего канала, через который поступает более крупное топливо, из-за указанного наклона осей, т.к. эти потоки не пересекаются.

Воздух нижнего дутья не способствует поддержанию горения, а гасит, т.к. на практике оператор не может уловить момент, когда нужно снизить количество воздуха нижнего дутья. Это определяет неустойчивый режим работы такой топки. Хотя в такой топке теплообмен может достигать 0,4-0,5 (хороший теплообмен), за счет неустойчивого режима температура на выходе из топки может резко возрастать или, наоборот, снижаться, что создает трудности в регулировании температуры перегретого пара.

Недостатком такой топки является совмещение в одной горелке двух каналов с разделением тонкодисперсного и грубодисперсного потоков с помощью делителей, эффективность которых очень низкая. Грубая пыль при попадании в верхний канал снижает концентрацию топлива в объеме за счет его плохого сгорания, увеличивая мех. недожог.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать способ регулирования температуры газа на выходе из вихревой топки и вихревую топку, конструкция которой обеспечивала бы повышение тепловой эффективности работы топки путем регулирования температуры газов на выходе из топки.

Первая поставленная задача решается тем, что в способе регулирования температуры газов на выходе из камеры сгорания вихревой топки, включающей средства для подачи в камеру сгорания потока грубоизмельченного топлива и потока тонкоизмельченного топлива, с использованием в процессе работы контроля температуры газов на выходе из камеры сгорания, потоки топлива направляют с обеспечением взаимодействия потока горящего тонкоизмельченного топлива с потоком грубоизмельченного топлива, при этом соотношение количества подаваемого тонкоизмельченного и грубоизмельченного топлива изменяют в зависимости от температуры газов путем увеличения относительного количества подаваемого грубоизмельченного топлива при повышении температуры газов на выходе из камеры сгорания.

Благодаря подаче в горелку или группу горелок пылеугольной смеси с предварительным измельчением и включенными сепарационными устройствами до выхода в топку и подачи части топлива через другую горелку или группу горелок, минуя сепарационные устройства в системе пылеприготовления, увеличивают концентрацию грубодисперсного топлива с подачей воздуха, необходимого для удержания отсепарированных крупных частиц и полного горения в топку ниже этих двух потоков.

Топливовоздушным потоком с предварительным смесеобразованием и тонким измельчением достигают практически мгновенного воспламенения на срезе горелок и быстрого выгорания почти около 2/3 всего подаваемого топлива, что снижает его концентрацию, но приводит к быстрому росту температур, достигающих 0,7-0,8 от теоретически возможной, и осуществляют передачу тепла от этого источника излучения (факела) к топочным экранам. Вторым потоком без предварительного смесеобразования грубодисперсного топлива, для чего топливо подают, минуя сепарационные устройства, осуществляют сепарацию, преимущественно грубых частиц, размером более 1 мм (10000 мкм), в нижнюю часть топки, в которую подают оставшийся воздух, где происходит повышение концентрации топлива с понижением температуры топочной среды.

Воспламенение крупных частиц происходит контактом между ними и за счет излучения первого потока, направленного на низкотемпературный второй поток. Высокая концентрация топлива и отсутствие загрязнений позволяют увеличить суммарный теплообмен и тепловую эффективность и обеспечить заданную температуру газов на выходе из топки, регулируя соотношение подаваемого топлива между первым и вторым потоком.

Целесообразно поддерживать диапазон температуры газов в интервале 900-1150°С.

Способ реализуется в вихревой топке, включающей камеру сгорания с холодной воронкой и размещенным под ней устройством нижнего дутья, с установленными на противоположных стенках камеры сгорания пылеугольными горелками с каналом для подачи топлива разного фракционного состава, подключенными пылепроводами к сепараторам домола системы пылеприготовления. Оси каналов для подачи топлива наклонены вниз относительно друг друга и направлены с пересечением потоков топлива в объеме камеры сгорания, на выходе из которой установлен датчик контроля температуры газов, сепараторы домола выполнены с возможностью подачи фракции грубоизмельченного топлива по меньшей мере в одну горелку регулятором открытия, минуя сепараторы домола, и подачи фракции тонкоизмельченного топлива по меньшей мере в одну противоположную горелку регулятором закрытия, а указанные регуляторы электрически связаны с датчиком контроля температуры газов.

При работе такой топки потоки крупнодисперсного и мелкодисперсного топлива пересекаются, причем благодаря указанному выполнению каналов для подачи топлива потоки топлива перемешиваются и горящее мелкодисперсное топливо поддерживает горение крупнодисперсного топлива. При этом возможно увеличение концентрации топлива в топке без опасности погасания. Увеличение количества крупных частиц обеспечивает снижение температуры и таким образом предотвращает образование шкала загрязнение экранов, а также снижение NO_x и SО₂.

Благодаря наличию датчика температуры газов на выходе из топки и электрической связи между датчиком и регуляторами сепараторов изменение соотношения мелкоизмельченного топлива и крупноизмельченного топлива может осуществляться непрерывно и автоматически, что позволяет регулировать температуру газов на выходе и тем самым контролировать эффективность работы топки. Целесообразно датчик контроля температуры устанавливать в зоне температур 900-1150°С.

Горелки могут быть объединены в пары и расположены по высоте соответствующих стен камеры сгорания с образованием горизонтальных ярусов.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображена топка, выполненная согласно изобретению, в вертикальном разрезе.

Как показано на чертеже, топка включает камеру 1 сгорания с холодной воронкой 2 и размещенным под ней устройством 3 нижнего дутья, с установленными на стенке камеры 1 сгорания средствами 4 для подачи топлива, выполненными с возможностью подачи топлива разного фракционного состава. Расположение осей Х каналов 5 средств 4 для подачи топлива относительно друг друга обеспечивает пересечение потоков топлива в топочной камере 1. Топка включает датчик 6 контроля температуры газов на выходе из топочной камеры 1. Средства 4 для подачи топлива разного фракционного состава включают сепараторы 7 и 8 домола, выполненные с возможностью подачи топлива по меньшей мере в одну горелку 9 грубого измельчения регулятором 10 открытия, минуя сепаратор 7, и по меньшей мере в одну другую горелку 11 регулятором 12 закрытия тонкоизмельченного топлива, причем указанные регуляторы 10, 12 электрически связаны с указанным датчиком 6.

Топка работает следующим образом.

В горелку 11 или группу горелок 11 пылеугольной смеси с предварительным измельчением и включенными сепарационными устройствами 8 подают мелкодисперсное топливо. Часть топлива подают через другую горелку 9 или группу горелок 9, минуя сепарационные устройства в системе пылеприготовления (сепаратор 7). Таким образом, через горелку (группу горелок) 9 подают грубоизмельченное топливо, увеличивая при необходимости его концентрацию в топочной камере. Через устройство 3 нижнего дутья ниже топливных потоков подают воздух, необходимый для удержания крупных частиц и полного горения.

Первым потоком с предварительным смесеобразованием и тонким измельчением достигают практически мгновенного воспламенения на срезе горелок 11 и быстрого выгорания почти около 2/3 всего подаваемого топлива, что снижает его концентрацию, но приводит к быстрому росту температур, достигающих 0,7-0,8 от теоретически возможной. Грубые частицы, размером более 1 мм (10000 мкм), сепарируются в нижнюю часть топки, в которую подают оставшийся воздух, где происходит повышение концентрации топлива с понижением температуры топочной среды и происходит образование горючей смеси.

Таким образом, в предлагаемой топке используется одновременно внешнее смесеобразование (пылеприготовление, т.е. измельчение топлива и смешивание с воздухом до подачи в топочную камеру), и внутреннее смесеобразование (смешивание холодных крупных частиц топлива с горящим потоком пылеугольной смеси). Горение крупных частиц, исходящих из горелок 9, поддерживается горящими частицами первого потока как контактом между ними, так и за счет излучения первого потока, направленного на низкотемпературный второй поток.

В случае излишнего повышения температуры газов, исходящих из топочной камеры, сигнал от датчика 6 поступает на регулятор 10, который ограничивает подачу мелкодисперсного топлива в топочную камеру. Температура газов на выходе из топки снижается.

При сверхнормативном снижении температуры газов на выходе из топки увеличивают соотношение мелкодисперсного и крупнодисперсного топлива в сторону увеличения доли мелкодисперсного топлива.

Снижение температуры в точной камере предотвращает шлакование и загрязнение топочных экранов.

Высокая концентрация топлива и отсутствие загрязнений позволяют увеличить суммарный теплообмен и тепловую эффективность и обеспечить заданную температуру газов на выходе из топки, регулируя соотношение подаваемого топлива между первым и вторым потоком.

Кроме повышения тепловой эффективности и возможности регулирования температуры газов на выходе из топки при сжигании, например, горючего сланца или кальцийсодержащих углей канско-ачинского бассейна без шлакования и ограничения мощности изобретение обеспечивает низкоэмиссионное горение с низкими концентрациями NO_x и SО₂.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более точно, к способам регулирования температуры газов на выходе из вихревой топки и вихревым топкам. Способ регулирования температуры газов на выходе из камеры сгорания вихревой топки, включающей средства для подачи в камеру сгорания потока грубоизмельченного топлива и потока тонкоизмельчениого топлива, причем в процессе работы контролируют температуру газов на выходе из камеры сгорания, потоки топлива направляют с обеспечением взаимодействия потока горящего тонкоизмельченного топлива с потоком грубоизмельченного топлива, при этом соотношение количества подаваемого тонкоизмельченного и грубоизмельченного топлива изменяют в зависимости от температуры газов путем увеличения относительного количества подаваемого грубоизмельченного топлива при повышении температуры газов на выходе из камеры сгорания. Диапазон температуры газов поддерживают в интервале 900-1150°С. Изобретение позволяет повысить эффективность работы топки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования температуры газов на выходе из камеры сгорания вихревой топки, включающей средства для подачи в камеру сгорания потока грубоизмельченного топлива и потока тонкоизмельченного топлива, причем в процессе работы контролируют температуру газов на выходе из камеры сгорания, потоки топлива направляют с обеспечением взаимодействия потока горящего тонкоизмельченного топлива с потоком грубоизмельченного топлива, при этом соотношение количества подаваемого тонкоизмельченного и грубоизмельченного топлива изменяют в зависимости от температуры газов путем увеличения относительного количества подаваемого грубоизмельченного топлива при повышении температуры газов на выходе из камеры сгорания.

2. Способ регулирования температуры по п.1, отличающийся тем, что диапазон температуры газов поддерживают в интервале 900-1150°С.

3. Вихревая топка, включающая камеру сгорания с холодной воронкой и размещенным под ней устройством нижнего дутья, с установленными на противоположных стенках камеры сгорания пылеугольными горелками с каналом для подачи топлива разного фракционного состава, подключенными пылепроводами к сепараторам домола системы пылеприготовления, причем оси каналов для подачи топлива наклонены вниз относительно друг друга и направлены с пересечением потоков топлива в объеме камеры сгорания, на выходе из которой установлен датчик контроля температуры газов, сепараторы домола выполнены с возможностью подачи фракции грубоизмельченного топлива, по меньшей мере, в одну горелку регулятором открытия, минуя сепараторы домола, и подачи фракции тонкоизмельченного топлива, по меньшей мере, в одну противоположную горелку регулятором закрытия, а указанные регуляторы электрически связаны с датчиком контроля температуры газов.

4. Вихревая топка по п.3, отличающаяся тем, что датчик контроля температуры установлен в зоне температур 900-1150°С.

5. Вихревая топка по п.3, отличающаяся тем, что горелки объединены в пары и расположены по высоте соответствующих стен камеры сгорания с образованием горизонтальных ярусов.