Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой Российский патент 2017 года по МПК F23C10/12 F23C5/32 

Изобретение относится к промышленной энергетике, касается разработки слоевых котлов, универсальных по типам сжигаемых топлив и отходов при условии их минимальной подготовки, с организацией экономичного вихревого сжигания с повышенными экологическими показателями.

На сегодня наиболее универсальными являются применяемые в электроэнергетике пылеугольные котлы, оборудованные пылеугольными горелками и системой пылеприготовления, обеспечивающей получение пылевидного топлива, которое интенсивно горит в факеле вне зависимости от качества исходного угля, а также котлы с циркулирующим кипящим слоем.

В промышленной энергетике наиболее распространены слоевые котлы. Среди аналогов известны пылеугольные котлы с вихревой камерой сгорания и пылеугольными горелками, имеющие дополнительное слоевое топочное устройство [1. Патент РФ №86705 на полезную модель], которое повышает эффективность горения.

Известен слоевой котел [2. А.с. СССР 343114] с вертикальной вихревой камерой сгорания, которая образована стенами из обмуровки и топочных экранов и имеет газоотводящее окно (горловина), расположенное сверху. При этом слоевое топочное устройство выполнено в виде пневматического эжектора с дозатором топлива, включает тракт выгрузки золы и колосник, в простейшем случае роль которого выполняет под топки. Топливовоздушная струя ориентирована тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря и создает в камере сгорания вихревые течения, что обеспечивает интенсивное перемешивание топлива с дутьем и возможность сжигания высокореакционных измельченных топ лив: опилок, лузги и других во взвешенном состоянии и частично в слое, на колоснике и поде топки.

Отметим, что в обеих топках импульс горелок, топливовоздушных и воздушных струй используется для создания вихревой аэродинамики.

Недостатком обоих аналогов, использующих слоевое дожигание крупных частиц совместно с пылеугольным сжиганием, является плохое удержание частиц в камере сгорания и значительный недожог с уносом, особенно при ограниченной высоте камеры сгорания, а также высокие концентрации оксидов азота и других загрязняющих выбросов.

Наиболее стабильным слоевым топочным процессом обладают слоевые котлы с кипящим слоем [3. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов В.И. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. Рис. 5.12]. Большая масса кипящего слоя из горячей золы располагается на воздухораспределительной (колосниковой) решетке, позволяет сжигать бурые и другие низкосортные угли, торф, древесные отходы типа щепы и углесодержащие отходы при содержании в слое не более 1-5% горючего. Соответственно, при удалении избытка золы из слоя почти нет потерь с недожогом, и котлы сравнительно универсальны по типам топлива. Но, с другой стороны, работа данного типа котлов характеризуется повышенным уносом, недожог топлива составляет до 30%, и, соответственно, котлы имеют низкую экономичность.

Развитие этих устройств привело к разработке слоевых котлов с циркулирующим кипящим слоем, которые имеют вынесенные уловители циркулирующих частиц и вынесенные теплообменники циркулирующих частиц. [4. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов В.И. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. Рис. 5.32]. Эти котлы имеют высокие показатели по экономичности и экологии, не требовательны к подготовке топлива и наиболее универсальны по применяемым топливам и отходам.

Недостатками этих котлов является высокая стоимость эксплуатации и заметно большие капитальные затраты на их строительство. Поэтому практически по данной схеме, как и по схеме пылеугольного сжигания, создаются только мощные котлы, применяемые в электроэнергетике. В промышленной энергетике наряду с указанными выше [1-3] типично применяются слоевые котлы малой и средней мощности с механизированными слоевыми топками, которые также рассмотрены в качестве аналогов ниже. Слоевые котлы имеют слоевое топочное устройство, включающее, как правило, питатели топлива, механизированную колосниковую (воздухораспределительную) решетку с каналами подачи первичного дутья, тракт выгрузки золы и установленную над ним образованную стенами из обмуровки и топочных экранов камеру сгорания с соплами вторичного дутья. Конкретно оптимальная конструкция слоевого топочного устройства определяется типом сжигаемых топлив.

Для сжигания углей широко распространены слоевые котлы с цепными подвижными решетками и неподвижными механизированными колосниками. Котлы с цепными решетками могу выполняться с питателями топлива в виде пневмомеханических забрасывателей и решетками обратного хода. [5. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. Рис. 6-10]. В них топливо частично воспламеняется в полете горячими продуктами горения. Но, с другой стороны, мелкие частицы легко увлекаются горячими продуктами горения и уносятся из топки, не успевая сгореть. Не успевают полностью сгореть и крупные куски угля в слое. В итоге работа этих котлов имеет низкую экономичность и повышенные выбросы загрязняющих веществ.

Котлы с цепными решетками прямого хода имеют загрузку слоя угля из бункера непосредственно на движущуюся решетку. [6. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. Рис. 6-22]. Соответственно, вынос мелочи в них меньший. Однако неравномерность горения по длине слоя, не полное догорание крупных кусков угля и слабое перемешивание потоков также не дают хорошего выжигания горючих. Работа этих котлов также характеризуется низкой экономичностью, дымлением и повышенными выбросами.

Известны котлы с узкой цепной решеткой, устанавливаемой наклонно, с образованием в нижней части зоны высокотемпературного кипящего слоя [7. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов В.И. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. Рис. 5.50]. В зону высокотемпературного кипящего слоя при высокой форсировке процесса подается до 50% дутья. Работа котлов сопровождается большой неравномерностью горения по длине слоя, интенсивными выбросами из кипящего слоя и характеризуется низкой экономичностью, дымлением и повышенными выбросами загрязнений.

В менее мощных слоевых котлах для сжигания углей также часто применяются топки с шурующей планкой. [8. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. Рис. 6-3]. Шурующая планка возвратно-поступательными движениями загружает и перемещает топливо, причем также вдоль оси топки перемешивает горящий слой, выгружает шлак, обеспечивая сжигание угля при минимальном участии персонала. Эти котлы также характеризуются низкой экономичностью и повышенными выбросами загрязняющих и вредных веществ, особенно в период ходов планки.

Котлы с топками ретортного типа имеют нижнюю подачу топлива, типично они используются для сжигания древесных отходов и других биотоплив. [9. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой и средней мощности. Энергия, 1968. Рис. 2-1в, рис. 2-9]. При этом топливо выдвигается на колосники в горящем виде. Однако из-за сложности организации распределения дожигающего дутья и дожигания коксового остатка слоевые котлы с ретортными топками также характеризуется низкой экономичностью, дымлением и повышенными выбросами загрязняющих веществ.

Для сжигания торфа, кородревесных типа щепы и влажных растительных отходов широкое применение нашли котлы с простыми топками шахтного типа и наклонным колосником. Наклонный колосник обеспечивает спонтанное продвижение горящего слоя в тракт выгрузки золы и длительное пребывание сырого топлива в топке, необходимое для его сушки и воспламенения. [10. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. Рис. 3-4]. Недостатками этих котлов является низкая стабильность и интенсивность горения, соответственно, малая мощность, большой недожог, дымление и повышенные выбросы загрязняющих и вредных веществ.

В развитие этой идеи для стабилизации и интенсификации горения, а также механизации на влажных топливах в качестве слоевого топочного устройства нашла применение комбинированная топка, включающая цепную механическую решетку прямого хода, предвключенный наклонный колосник и пылеугольные горелки. При этом топливо, по меньшей мере его часть, подается через вихревые горелки и стабилизирует топочный процесс [11. Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. М.: Энергия, 1972. Рис. 1-9]. Отметим, что по аналогии в качестве аналогов можно предложить и рассмотреть такие комбинации известных топочных устройств:

- Топки, в которых топливо, по меньшей мере его часть, подается через пылеугольные горелки, и это стабилизирует горение в слое;

- Топка с шурующей планкой и предвключенный наклонный колосник;

- Топка с шурующей планкой и предвключенная ретортная топка.

Шурующая планка позволяет механизировать и автоматизировать работу котла. Возвратно-поступательными движениями она перемещает и перемешивает горящий слой и выгружает шлак в тракт выгрузки золы. Однако и в этих случаях имеются отмеченные выше недостатки. Из-за слабого удержания в топке уноса и особенностей работы шурующей планки котлы имеют низкую экономичность, дымление и повышенные выбросы загрязняющих и вредных веществ, особенно в период ходов планки.

Сравнительно универсальными являются слоевые котлы с переталкивающими решетками, обеспечивающими интенсивную сушку, воспламенение, перемешивание и продвижение горящего слоя в тракт выгрузки золы [12. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой и средней мощности. Энергия, 1968. Рис. 2-6]. Эти слоевые котлы пригодны для сжигания торфа, кородревесных, растительных и других отходов. Их недостатками также является большой недожог с уносом топлива, дымление и повышенные выбросы вредных веществ, особенно при ворошении слоя.

На основе анализа описаний аналогов [1-12] установлено, что в котлах промышленной энергетики имеется большой класс слоевых топочных устройств. Они приспособлены к сжиганию разных типов топлив и отходов, углей, торфа, опилок, лузги, щепы и других, как по отдельности, так и совместно, например, с подачей части топлива в горелки [11].

Как указано выше, все эти слоевые топочные устройства и котлы имеют общие недостатки:

- низкая экономичность из-за большого недожога и уноса мелочи из топки и неполного сгорания в слое крупных кусков топлива;

- низкие экологические характеристики из-за слабого перемешивания потоков над слоем и, соответственно, недожога топлива и повышенная эмиссия продуктов неполного сгорания и вредных веществ.

Известен выбранный в качестве прототипа [13. Патент РФ №RU 2230980] слоевой котел, имеющий слоевое топочное устройство с кипящим слоем, включающее питатели топлива, колосниковую решетку и тракт выгрузки золы, установленное в камере сгорания, образованной стенами из обмуровки и топочных экранов, с газоотводящим окном. Конструктивно газоотводящее окно выполнено в виде конфузора с полууглом раскрытия от 0 (цилиндр) до 35 градусов с установленными тангенциально и направленными встречно выходящему вихрю соплами дожигающего дутья. Сопла дожигающего дутья создают перед газоотводящим окном локальный вихрь, через который проходит поток продуктов сгорания, истекающий из вихревой топки.

Недостатками прототипа является отмеченная в аналогах низкая эффективность. Вихрь дожигающего дутья не воздействует на весь топочный объем камеры сгорания, не сопряжен с работой слоевого топочного устройства и не улучшает горения в слое, не разрешается и проблема дожигания уноса. В итоге прототип также характеризуется низкой экономичностью, высокими выбросами загрязняющих веществ. Кроме того, газоотводящее окно в виде конфузора не использует кинетическую энергию струи и создает повышенный перепад давления. Кирпичная кладка газоотводящего окна из-за высокотемпературных воздействий топочной среды быстро разрушается.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание для промышленной теплоэнергетики экономичных, имеющих повышенные экологические показатели, универсальных по типам сжигаемых топлив и отходов слоевых котлов с вертикальными вихревыми топками.

Поставленную задачу предлагается решить путем использования слоевых котлов с вертикальной вихревой топкой, имеющей слоевое топочное устройство (оптимальное по применяемому топливу), включающее питатели топлива, колосниковую решетку и тракт выгрузки золы, установленные под вихревой камерой сгорания, образованной стенами из обмуровки и топочных экранов, с газоотводящим окном, расположенным на потолочном экране и соплами вторичного дутья, причем часть этих сопл установлена на стенах, ориентирована тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с осью, проходящей через газоотводящее окно, направлена по ходу вращения вихря и вниз, в сторону колосниковой решетки, а часть сопл вторичного дутья установлена в углах камеры сгорания, и они направлены вниз, причем газоотводящее окно выполнено в виде защищенного обмуровкой и трубами выступающего в вихревую камеру сгорания отрезка воздуховода в форме полого конуса с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов, на торцевой и боковых поверхностях которого установлены ориентированные тангенциально и направленные в топку сопла дожигающего дутья.

В основе изобретения лежит идея применения вихревой топки со встроенным в нее оптимальным по виду применяемого топлива слоевым топочным устройством. Этим обеспечивается следующий технический результат. Проходящее через слой первичное дутье обеспечивает сгорание крупных частиц топлива в слое, а также вынос из слоя мелочи и летучих в расположенный над слоем вихрь. В свою очередь вертикальный вихрь удерживает и выжигает при интенсивном перемешивании унос и летучие над слоем, зажигает слой искрами и активизирует (раздувает) его горение. В итоге создается экономичный, взаимно поддерживающийся стабильный топочный процесс с интенсивным перемешиванием и горением как над слоем, так и в слое по экологически эффективной схеме со ступенчатым дутьем.

Наличие сужения в виде газоотводящего окна и его конструкция также важны. Газоотводящее окно диафрагмирует выход, что, как известно [14. Алексеенко C.B. и др. Введение в теорию концентрированных вихрей. - Новосибирск: Институт теплофизики, 2003 г, стр. 402], обеспечивает стабильность вихревых образований. Пережим ускоряет вращение вихря и очистку потока от витающих частиц при входе вихря в газоотводящее окно и их удержание в камере сгорания. Конкретное выполнение газоотводящего окна на экране в виде защищенного обмуровкой и трубами выступающего в вихревую камеру сгорания отрезка воздуховода в форме полого конуса с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов, на торцевой и боковых поверхностях которого установлены направленные в топку сопла дожигающего дутья, обеспечивает следующий технический результат:

- надежную работу газоотводящих окон в отличие от прототипа, благодаря установке их на экранах и защите конструкции окна от воздействия топочной среды не только обмуровкой, но и трубами;

- повышенную эффективность удержания частиц в камере сгорания, благодаря выдвижению в ее объем и подаче дутья через направленные в топку, ориентированные тангенциально и отбрасывающие частицы обратно в топку одиночные и кольцевые сопла дожигающего дутья, установленные с возможностью создания в топке вихревого течения;

- регулируемую (на стадии проектирования) эффективность удержания частиц в камере сгорания с учетом реакционной способности топлива за счет возможности исполнения газоотводящего окна в форме конуса с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов.

Здесь предлагается, в отличие от прототипа [13. Патент РФ №RU 2230980], не ограничивать форму газоотводящего окна цилиндром и конфузором, а выполнять его с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов, то есть с возможностью в конструкции диффузора использовать кинетическую энергию торможения исходящей из камеры сгорания вихревой струи. Полуугол раскрытия свыше 35 градусов не представляет интереса, он не обеспечивает безотрывного течения и использования энергии торможения в диффузоре и эффективного взаимодействия вихрей в конфузоре [13]. Касаясь влияния топлива, укажем, что расширяющееся в виде диффузора окно с малым диаметром входа позволяет использовать энергию крутки и удержать в камере сгорания более мелкие частицы, что рекомендуется для антрацита и других низкореакционных топлив. Применение сужающегося окна, конфузора, позволяет дожечь быстро сгорающие частицы и рекомендуется для высокореакционных топлив: бурые угли, торф, лузга, древесные отходы.

Безусловно, на геометрию камеры сгорания будет влиять и конструкция собственно котла. Типично используются вертикальные топки с близким к квадратному сечением, и при формировании вихря с вертикальной осью, проходящей через газоотводящее окно, расположенное на потолочном экране, в угловых зонах будут формироваться вторичные вихри, заполняемые частицами. Поэтому установка в углах камеры сгорания сопл вторичного дутья, направленных вниз, позволит вовлечь в активный топочный процесс угловые зоны, дожечь и возвратить витающие частицы в слой.

Кроме этих, основных, в изобретении приведены конкретизирующие технические решения, отраженные в дополнительных пунктах формулы.

В дополнительном п.ф.и. 2 предлагается конкретизировать расположение сопл вторичного дутья по высоте топки, установить их ярусами. При этом за счет симметричной подачи вторичного дутья формируется более устойчивый вихрь и упрощается конструкция подводящих воздуховодов.

В дополнительных п.ф.и. 3-5 конкретизируется схема газоотводящих окон с соплами подачи дожигающего дутья в топочный объем с целью формирования в нем циркуляции, поддерживающей вихрь, а также дожигания и удержания (отбрасывания) уносимых частиц в топку. Предлагаются наиболее простые и эффективные устройства из числа известных. Использовать улиточный подвод дутья и закручивающие лопатки с кольцевыми соплами и ориентировать тангенциально (не радиально) сопла дожигающего дутья.

Последующие дополнительные признаки касаются выбора оптимального типа слоевых топочных устройств из числа рассмотренных аналогов.

В простейших случаях, п.ф.и. 6-8, топочное устройство может состоять из пневматических эжекторов с дозаторами топлива или горелок. Слой лежит на колоснике или на поду топки, а на формирование вихря используется почти вся энергия импульса топливовоздушных струй, обеспечивая высокую его интенсивность. Эти схемы применимы для высокореакционных топлив и отходов с высоким выходом летучих, состоящих из мелких частиц типа: лузга подсолнечника, опилки, пыль шлифования древесины. Легкие парусные частицы, сжигание которых в типовых топках составляет существенную проблему, удерживаются и сгорают в объеме вихревой камеры. Применение горелок обеспечивает закрутку топливовоздушной струи и лучшие условия воспламенения частиц топлива, особенно, п.ф.и. 8, при установке горелок в центре газоотводящих окон по реверсивной схеме, пригодной также и для сжигания измельченных углей.

В п.ф.и. 9 и 10 предлагается в качестве слоевого топочного устройства использовать топку кипящего слоя, которая расположена на воздухораспределительной решетке, а также топка кипящего слоя со сборным бункером частиц кипящего слоя, которые объединены между собой через выносной теплообменник кипящего слоя стояками с регулирующими клапанами потока частиц, причем топка кипящего слоя и сборный бункер смещены от оси вихря в противоположные стороны. Совмещение кипящего слоя и вертикальной вихревой камеры сгорания позволит более эффективно удерживать частицы в топке и выжигать горючие из уноса. Установка напротив топки кипящего слоя сборного бункера частиц кипящего слоя, подключенного к нему через вынесенный теплообменник, позволяет перераспределять теплосъем котла регулированием работы теплообменника. В итоге техническим результатом п.ф.и. 10 является возможность создания простых котлов с циркулирующим кипящим слоем без громоздких вынесенных циклонов с удержанием частиц непосредственно в вихревой камере сгорания [15. Баскаков А.П. и др. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. Рис. 5.32].

В п.ф.и. 11-21 предлагаются известные механизированные слоевые топочные устройства, сопряженные с расположенным над слоем вертикальным вихрем, выходящим через установленное на потолочном экране газоотводящее окно. В частности, в качестве слоевого топочного устройства используется топка или с цепной механической колосниковой решеткой прямого хода, или обратного хода и забрасывателями топлива, или топка с высокотемпературным кипящем слоем, или топка с шурующей планкой, или топка с наклонно- переталкивающими колосниками, или топка с горизонтально- переталкивающими колосниками, или топка с наклонным колосником, или топка с цепной механической решеткой прямого хода и предвключенный наклонный колосник, или топка с шурующей планкой и предвключенный наклонный колосник, или в качестве слоевого топочного устройства используется ретортная топка, или топка с шурующей планкой и предвключенная ретортная топка.

Вихрь раздувает и стабилизирует горение в слое, обеспечивает удержание и глубокое выжигание горючих из витающих частиц при высоких экологических характеристиках за счет ступенчатой схемы подачи дутья. В итоге предлагаемое изобретение позволяет создать широкий типоразмерный ряд слоевых котлов с повышенными экономическими и экологическими показателями, универсальных по топливам, с оптимальными для конкретного топлива слоевыми топочными устройствами.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемами:

- продольного разреза котла с топкой кипящего слоя, на фигуре 1;

- котла с подачей топлива пневматическим эжектором и горелками, закрутка потока топливовоздушными струями, на фигуре 2;

- с применением горелки, установленной в центре газоотводящего окна по реверсивной схеме, на фигуре 3.

Слоевой котел 1 с вертикальной вихревой топкой имеет вихревую камеру сгорания 2, образованную стенами, выполненными внизу из обмуровки 3 и из расположенных выше топочных экранов боковых экранов 4 и потолочного экрана 5 с газоотводящим окном 6. В нижней части вихревой камеры сгорания 2 установлено слоевое топочное устройство, выполненное в виде кипящего слоя 7 золы с горящими в нем частицами угля, поддерживаемое воздухораспределительной решеткой 8. Воздухораспределительная решетка 8 служит для распределения и подачи первичного дутья, которое поступает от вентилятора 9 в воздушный короб 10 по воздуховодам 11 первичного дутья. Слоевое топочное устройство подключено с одной стороны к питателю топлива (системе подачи топлива), который включает дозатор 12 топлива с расходным бункером 13 топлива, а с другой к тракту 14 выгрузки золы.

Вихревая камера сгорания 2 имеет сопла вторичного дутья: ориентированные вниз угловые сопла 15 и сопла 16, которые направлены также вниз и ориентированы по ходу вихря с вертикальной осью 17, проходящей через газоотводящее окно 6. Причем сопла 16 вторичного дутья установлены тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, условно показанного стрелками 18, 19. Сопла 15, 16 установлены ярусами и воздуховодами 20 подключены к вентилятору 21 вторичного дутья.

Газоотводящее окно 6 выполнено в виде отрезка воздуховода в форме полого конуса, выступающего в топку и защищенного от воздействия топочной среды трубами 22 разводки потолочного экрана 5. На его торцевой и боковых поверхностях установлены ориентированные тангенциально и направленные в топку сопла 23 дожигающего дутья. Газоотводящее окно 6 по потоку продуктов сгорания подключено к конвективному газоходу 24, который служит для съема тепла и охлаждения дымовых газов.

Для легких парусных частиц, фигура 2, в слоевом котле 1 устанавливается питатель топлива (система подачи топлива), который включает расходный бункер 13 и дозатор 12 топлива, подключенный к вихревой камере сгорания 2 через пневматический эжектор 25. Через эжектор 25 топливо вдувается в виде топливовоздушного потока, подаваемого вентилятором 9 первичного дутья. При этом важно, чтобы конечный участок эжектора 25 был направлен тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, показанного стрелками 18, по ходу его вращения и наклонен в сторону слоя, так как это обеспечивает передачу импульса топливовоздушной смеси вихрю и подачу топлива в слой.

В варианте необходимости сжигания топлива в измельченном виде, фигуры 2 и 3, питатель топлива (система подачи топлива) включает расходный бункер 13 и дозатор 12 топлива, подключенный к горелкам 26 через мельницу (дробилку) 27. При этом для обеспечения передачи импульса топливовоздушной смеси вихрю и подачи топлива в слой важно, чтобы горелки 26, через которые топливо вдувается в виде топливовоздушных потоков с первичным воздухом, были направлены тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, причем по ходу его вращения и наклонены в сторону слоя. Горелки могут иметь разное исполнение и расположение, в том числе они могут быть расположены в центре газоотводящего окна 6, фиг. 3. При этом устанавливают горелки 28 вихревого типа, причем с направлением крутки, совпадающим с направлением вращения вихря. Это обеспечивает передачу импульса топливовоздушной смеси вихрю и подачу топлива в слой.

Слоевой котел 1 с вертикальной вихревой топкой в варианте, показанном на фигуре 1, работает следующим образом. Топливо дозируется питателем 12 топлива из расходного бункера угля 13 в кипящий слой 7, ограниченный стенами из обмуровки 3, и сгорает в потоке первичного дутья. Дутье подается вентилятором 9 через воздуховоды 11 в воздушный короб 10 и распределяется воздухораспределительной решеткой 8. Образующаяся от горения угля зола выводится по тракту 14 выгрузки золы.

Далее продукты горения проходят вихревую камеру сгорания 2, ограниченную боковыми экранами 4 и потолочным экраном 5 сверху, и покидают ее через газоотводящее окно 6. Здесь, в вертикальной вихревой камере сгорания 2, за счет тангенциальных струй, истекающих из установленных ярусами сопл 16 вторичного дутья, а также из сопл 23 дожигающего дутья, которые направлены по ходу вихря и вниз, формируется вихрь с вертикальной осью вращения 17, условно показанный стрелками 18, 19. Поток продуктов неполного горения, исходящий из кипящего слоя 7, по мере подъема перемешивается со струями свежего дутья, горит, закручивается и очищается от частиц уноса центробежными силами, причем наиболее интенсивно при сужении вихря 19 на входе в газоотводящее окно 6. При этом в газоотводящем окне 6 осуществляется и экологически эффективное дожигание уноса во встречном потоке дожигающего дутья, которое поступает из сопл 23. Далее часть потока и задержанные частицы отклоняются к боковым экранам 4 за счет направленной вниз составляющей импульса струй, истекающих из сопл 16, 23 и особенно из угловых сопл 15. Этот поток опускается обратно вниз, в слой, поддерживает горение и обеспечивает экономичность за счет глубокого выжигания горючих частиц при минимальных избытках воздуха.

Вторичное и дожигающее дутье к соплам 15, 16 и 23 подается вентилятором 21 вторичного дутья по воздуховодам 20, и при этом установка сопл 15, 16 ярусами упрощает их подключение. Разводка труб 22 потолочного экрана 5 вокруг отрезка воздуховода в форме выступающего в топку полого конуса, который образует газоотводящее окно 6, защищает его от высокотемпературного воздействия топочной среды. Выделяющееся от сгорания топлива тепло воспринимается экранами 4, 5 и поверхностями нагрева, размещенными в конвективном газоходе 24, и нагревает теплоноситель.

В другом варианте слоевого котла 1, работающего на легких парусных частицах и измельченном топливе, топливо в вихревую топку 2 подают пневматически, в виде топливовоздушных потоков через пневматический эжектор 25 и горелки 26, фиг. 2. При этом топливо, в том числе измельчаемое в мельнице 27, вдувается с первичным воздухом, подаваемым вентиляторами 9 первичного дутья. Благодаря тому, что горелки 26 и конечный участок эжектора направлены тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, показанного стрелками 18 и по ходу его вращения, импульс топливовоздушных струй полезно используется на поддержание вращения вихря. Причем, за счет наклона горелок 26 и конечного участка пневматического эжектора 25 в сторону слоя топливо непрерывно подается в горящий слой и поддерживает его стабильное горение в слое и вихревой камере сгорания 2.

В варианте установки вихревой горелки 28 в центре газоотводящего окна, фигура 3, причем с направлением крутки, показанным стрелками 18, вихрь в топке поддерживается импульсом вращающейся топливовоздушной струи, истекающей из вихревой горелки 28 и проникающей через газоотводящее окно 6 в вихревую камеру сгорания 2. В итоге легкие парусные частицы, сжигание которых в типовых топках составляет существенную проблему, удерживаются и сгорают в объеме вихревой камеры сгорания 2. Далее раскаленный поток продуктов сгорания выходит из вихревой камеры сгорания 2 по периферии газоотводящего окна 6 встречно (по реверсивной схеме) вращающейся топливовоздушной струе, истекающей из вихревой горелки 28, зажигает ее непосредственно в корне факела и поддерживает его горение.

Применение предлагаемого слоевого котла с вертикальной вихревой топкой для варианта токи с кипящим слоем, фиг. 1, в сравнении с прототипом [13. Патент РФ №RU 2230980] позволяет увеличить экономичность и экологические характеристики котла за счет того, что вихрь обеспечивает удержание витающих частиц и глубокое выгорание из них горючих, причем благодаря ступенчатой схеме подачи дутья при минимуме эмиссии вредных выбросов. Эти преимущества предлагаемого изобретения имеют место при его применении для других схем слоевого котла с вертикальной вихревой топкой, например, проиллюстрированных на фигурах 2 и 3.

Изобретение относится к энергетике и касается разработки слоевых котлов, универсальных по типам сжигаемых топлив и отходов при условии их минимальной подготовки и с организацией экономичного вихревого сжигания с повышенными экологическими показателями, причем как отдельно, так и при совместном сжигании разных топлив. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой содержит слоевое топочное устройство, включающее питатели топлива, колосниковую решетку и тракт выгрузки золы, установленные под вихревой камерой сгорания, образованной стенами из обмуровки и топочных экранов, с газоотводящим окном, расположенным на потолочном экране, и соплами вторичного дутья, причем часть этих сопл установлена на стенах, ориентирована тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с осью, проходящей через газоотводящее окно, и направлена по ходу вращения вихря и вниз, в сторону колосниковой решетки, а часть сопл вторичного дутья установлена в углах камеры сгорания, и они направлены вниз, причем газоотводящее окно выполнено в виде защищенного обмуровкой и трубами выступающего в вихревую камеру сгорания отрезка воздуховода в форме полого конуса с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов, на торцевой и боковых поверхностях которого установлены ориентированные тангенциально и направленные в топку сопла дожигающего дутья. В итоге обеспечивается глубокое выжигание горючих из слоя, уноса и летучих, причем благодаря ступенчатой подаче дутья по экологически эффективной схеме с оптимальным по применяемому топливу слоевым топочным устройством. 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой, имеющей слоевое топочное устройство, включающее питатели топлива, колосниковую решетку и тракт выгрузки золы, установленные под вихревой камерой сгорания, образованной стенами из обмуровки и топочных экранов, с газоотводящим окном, расположенным на потолочном экране и соплами вторичного дутья, причем часть этих сопл установлена на стенах, ориентирована тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с осью, проходящей через газоотводящее окно, и направлена по ходу вращения вихря и вниз, в сторону колосниковой решетки, а часть сопл вторичного дутья установлена в углах камеры сгорания, и они направлены вниз, причем газоотводящее окно выполнено в виде защищенного обмуровкой и трубами выступающего в вихревую камеру сгорания отрезка воздуховода в форме полого конуса с полууглом раскрытия от +35 до -35 градусов, на торцевой и боковых поверхностях которого установлены ориентированные тангенциально и направленные в топку сопла дожигающего дутья.

2. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что сопла вторичного дутья расположены по высоте топки ярусами.

3. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что газоотводящее окно имеет кольцевые сопла дожигающего дутья, причем воздуховод в форме полого конуса выполнен с улиточным подводом дутья.

4. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что газоотводящее окно выполнено с кольцевыми соплами дожигающего дутья, в которых установлены закручивающие лопатки.

5. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что газоотводящее окно выполнено с одиночными соплами дожигающего дутья, которые ориентированы тангенциально по отношению к оси вихря.

6. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что питатели топлива выполнены в виде по меньшей мере одного пневматического эжектора с дозатором топлива, причем конечный участок эжектора направлен тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, по ходу его вращения и наклонен в сторону слоя.

7. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что питатели топлива выполнены в виде горелочных устройств, которые направлены в сторону слоя, причем тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря и по ходу его вращения.

8. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что топливо, по меньшей мере его часть, подается через вихревую горелку, установленную в центре газоотводящего окна, причем направление ее крутки совпадает с направлением вращения вихря.

9. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка кипящего слоя, которая располагается на воздухораспределительной решетке.

10. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка кипящего слоя со сборным бункером частиц кипящего слоя, которые объединены между собой через вынесенный теплообменник кипящего слоя стояками с регулирующими клапанами потока частиц, причем топка кипящего слоя и сборный бункер смещены от оси вихря в противоположные стороны.

11. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с цепной механической колосниковой решеткой прямого хода.

12. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с цепной механической колосниковой решеткой обратного хода и забрасывателями топлива.

13. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с высокотемпературным кипящим слоем.

14. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с шурующей планкой.

15. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с наклонно-переталкивающими колосниками.

16. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с горизонтально-переталкивающими колосниками.

17. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с наклонным колосником.

18. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с цепной механической решеткой прямого хода и предвключенный наклонный колосник.

19. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с шурующей планкой и предвключенный наклонный колосник.

20. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется ретортная топка.

21. Слоевой котел с вертикальной вихревой топкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоевого топочного устройства используется топка с шурующей планкой и предвключенная ретортная топка.