КОТЕЛ С ВИХРЕВЫМ ДОЖИГАНИЕМ Российский патент 2021 года по МПК F23B10/02 

Изобретение относится к энергетике, касается разработки имеющих повышенные эксплуатационные показатели котлов с вихревым дожиганием, универсальных по типам сжигаемых топлив и отходов при условии их минимальной подготовки, с организацией экономичного, экологически эффективного сжигания, включая внутрицикловую переработку и подготовку топлива.

Известен [Патент РФ №2272218] котел с вихревым дожиганием, содержащий образованные топочными экранами и стенами вихревую камеру дожигания (ВКД) со встречно направленными соплами дожигающего дутья, расположенным сверху газоотводящим окном (ГОО) и конвективным газоходом, а также установленную под ней топочную камеру со слоевой топкой, имеющей системы подачи топлива, топочного дутья и выгрузки золы. Встречно направленные сопла дожигающего дутья создают в объёме ВКД над топочной камерой вихревую аэродинамическую обстановку, которая повышает экономичность сжигания и экологические показатели.

Недостатками этого котла являются низкие экономические, экологические и эксплуатационные показатели, так как частицы уноса плохо удерживаются в ВКД проточного типа и выносятся из котла с соответствующими потерями тепла и загрязнениями, а процессы горения в слоевой топке и дожигание в ВКД объединены, не оптимальны и не обеспечивают внутрицикловую переработку и подготовку топлива.

Известен выбранный прототипом [Патент РФ №2591070] котел с вихревым дожиганием, содержащий образованную топочными экранами и стенами объединенную с топочной камерой ВКД с тангенциальными и выхлопными соплами дожигающего дутья, соединенную с конвективным газоходом через по меньшей мере одно ГОО с установленным в нем выхлопным соплом дожигающего дутья. В топочной камере установлена слоевая топка с системами подачи топлива, топочного дутья и выгрузки золы, и благодаря возможности использования различных слоевых топочных устройств, оптимальных для каждого рассматриваемого вида топлива, прототип является универсальным по типам сжигаемых твердых топлив. При работе этого котла продукты неполного сгорания и унос из слоевой топки поступают в ВКД. От импульса струй, истекающих из тангенциальных и выхлопных сопл дожигающего дутья, потоки закручиваются в низкотемпературный, так как охлаждается топочными экранами, горящий вихрь. За счет циклонного эффекта частицы уноса удерживаются в ВКД, частично выпадают обратно в слоевую топку и благодаря длительному удержанию в вихре полностью сгорают даже при низкотемпературном топочном процессе. Далее дымовые газы через ГОО поступают в конвективные газоходы и там охлаждаются конвективными поверхностями нагрева котла.

Недостатками прототипа являются низкие экономические, экологические и эксплуатационные показатели, так как процессы горения в слоевой топке и дожигание в ВКД объединены, не оптимальны, не обеспечивается внутрицикловая переработка и подготовка топлива.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание котлов экономичных, обладающих повышенными экологическими и эксплуатационными показателями, универсальных по типам сжигаемых твердых топлив и отходов.

При решении этой задачи предлагается не только применять используемые в прототипе оптимальные топочные устройства, способные эффективно сжигать различные типы топлив и отходов при условии их минимальной подготовки, но также использовать внутрицикловую подготовку и переработку топлив: углей, торфа, щепы, лузги, опилок, биотоплив, коро-древесных и других отходов, включая углесодержащие, с получением из них сухой или коксозольной массы с мало зависящими от сырья свойствами.

Конкретно поставленная задача решается путем применения котла с вихревым дожиганием, который содержит, образованные топочными экранами и стенами, вихревые камеры дожигания (ВКД) с горизонтальной осью вращения, тангенциальными и выхлопными соплами дожигающего дутья, по меньшей мере одну, соединенные через газоотводящие окна (ГОО), в которых установлены выхлопные сопла дожигающего дутья, с конвективными газоходами, по меньшей мере одним, и топочную камеру, которая имеет слоевую топку (оптимальную по применяемому топливу) с системами подачи топлива, топочного дутья и выгрузки золы, при этом в котле с вихревым дожиганием предлагается использовать ВКД радиального типа, а топочную камеру расположить под ВКД и соединить с ВКД через подъёмный газоход и установленные в верхней части ВКД, причем тангенциально к горизонтальной оси ВКД, входные сопла и расположенные в нижней части ВКД бункеры с каналами возврата уноса и регулирующими клапанами.

Таким образом, над топочной камерой может быть установлена одна или несколько ВКД радиального типа с горизонтальной осью вращения, которые, в свою очередь, могут иметь одно или два ГОО, расположенных по оси вращения вихрей на боковых стенах вихревых камер дожигания. Продукты неполного сгорания с уносом по подъёмному газоходу и дожигающее дутье через установленные тангенциально (не радиально) по отношению к оси ВКД входные сопла и сопла дожигающего дутья втекают и формируют в ВКД охлаждаемые топочными экранами низкотемпературные и экологически эффективно горящие вихри. При этом, например, как и в батарейных циклонах, чем больше количество ВКД и ГОО, тем меньше габариты и суммарный объём ВКД, что повышает эксплуатационные показатели котла. К тому же, чем выше степень радиальности, отношении радиуса вихревых камер дожигания к их ширине, тем длиннее путь частиц до ГОО, и в итоге увеличиваются улавливание, удержание и дожигание уноса с соответствующим повышением экономической и экологической эффективности котла.

Расположение в нижней части ВКД соединяющих каждую ВКД с топочной камерой бункеров с каналами возврата уноса и регулирующими клапанами принципиально меняет топочный процесс. Частицы, уловленные в ВКД, собираются в бункере и по каналам возврата уноса через регулирующие клапаны с управляемым расходом подаются в топочную камеру. Эти циркулирующие частицы (ЦЧ) – раскалённые частицы золы и горящие частицы топлива – управляемо циркулируют через топочную камеру, подъёмный газоход, ВКД, их бункеры и каналы возврата уноса, подобно применяемой в котлах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) технологии. При этом, как и в котлах ЦКС это обеспечивает независимое управление процессами отвода тепла в ВКД с поддержанием изотермического, низкотемпературного, экономически и экологически эффективного режима горения в топочной камере и ВКД с повышенными эксплуатационными показателями котла.

Кроме этих, основных, в предлагаемом изобретении даны уточняющие и дополнительные технические решения, повышающие его эффективность.

В дополнительном п.2 предлагается бункер в нижней части ВКД выделить закрывающим его негазоплотным экраном. При этом вращающиеся в вихре в ВКД ЦЧ отбрасываются центробежными силами в бункер через щели между трубами негазоплотного экрана, а поток вихря не проникает вглубь бункера, не выносит из него ЦЧ, повышая эффективность работы котла.

В дополнительных пп.3-6 предлагается подъёмный газоход подключить к топочной камере через наклонный участок, что обеспечивает сепарацию на наклонном участке и возврат значительной части ЦЧ. При этом в варианте п.3 простой возврат горящих ЦЧ в топочную камеру с перемешиванием ЦЧ со свежим топливом обеспечивает его быстрое воспламенение и стабильное горение, что позволяет более эффективно сжигать угли, различные типы топлив и в том числе различные горючие отходы.

В варианте п.4 установка под наклонным участком канала слива с дозатором ЦЧ соединенного с расположенным ниже вынесенным теплообменником, который подключен снизу через дозатор ЦЧ к топочной камере, позволяет управлять отводом тепла к установленным в кипящем слое поверхностям нагрева котла, соответственно охлаждением и температурой в топочной камере, что существенно повышает эксплуатационные показатели котла.

Соответственно в варианте п.5 при подобной п.4 установке под наклонным участком камеры термоконтактной обработки топлива, которая подключена сверху к системам подачи топлива и переработки влаги и летучих продуктов обработки топлива, а снизу через дозатор топлива и ЦЧ к топочной камере, позволяет получить ряд важных дополнительных эффектов.

- При термоконтактной сушке влажных топлив физическим теплом ЦЧ выделить концентрированно пары влаги топлива без их разбавления сушильным агентом в обычных схемах. Далее эти пары могут конденсироваться в теплофикационном подогревателе системы переработки влаги топлива при высокой температуре с полезным использованием теплоты конденсации. Отведенные пары не балластируют конвективный газоход котла и дымосос, дополнительно повышая экономичность и эксплуатационные показатели котла;

- При термоконтактном пиролизе топлива физическим теплом ЦЧ выделяются неразбавленные продукты пиролиза. Далее продукты пиролиза конденсируются и перерабатываются в системе переработки летучих продуктов обработки топлива с полезным использованием тепла и передаются в виде жидкого топлива и горючих газов для использования внешним потребителям. При этом расход дымовых газов также уменьшается, дополнительно повышая экономичность и эксплуатационные показатели котла.

- Твердые продукты после внутрицикловой подготовки (сушки) и переработки различных топлив: углей, торфа, щепы, лузги, опилок, биотоплив, коро-древесных и других отходов, включая углесодержащие отходы, дают сухую или коксозольную горючую массу с похожими свойствами, мало зависящими от исходного сырья. Соответственно, это дополнительно облегчает разработку котлов с вихревым дожиганием, универсальных по типам сжигаемых топлив и отходов.

Техническое предложение п.6 выполнения по меньшей мере нижней части нижней стороны наклонного участка подъёмного газохода в виде наклонного колосника, подключенного сверху к системе подачи топлива позволяет перемешивать потоки раскалённых ЦЧ и влажного топлива на наклонном колоснике, обеспечивая его быструю сушку, воспламенение и сгорание с минимальными эксплуатационными затратами.

Технические предложения по пп.7-9 касаются применения конкретных конструкций и выбора топочных устройств по характеристикам топлив.

Выполнение системы подачи топлива в виде твердотопливных горелок с дозаторами топлива, п.7, применимо для сухих малозольных топлив, состоящих из мелких частиц: лузга подсолнечника, опилки, пыль шлифования древесины и других. Эти высокореакционные измельченные топлива и отходы при подаче через вихревые или прямоточные твердотопливные горелки быстро воспламеняются и быстро сгорают с дожиганием в ВКД при минимальных эксплуатационных затратах, в то время как сжигание легких парусных частиц в типовых топках составляет существенную проблему.

Применение топок, п.8, с цепной механической колосниковой решеткой прямого или обратного хода хорошо освоено, в том числе на узких наклонных решетках с высокотемпературным кипящим слоем. Эти топки эффективны на подготовленных с минимальными затратим дробленых углях и кусковых видах топлива. В совокупности с механизацией труда кочегаров их применение заметно снижает эксплуатационные затраты.

Применение топок кипящего слоя, п.9, характеризуется низкой температурой горения, возможностью поглощения оксидов серы и минимальным содержанием топлива в массе кипящего слоя, от долей до нескольких процентов, поэтому они экологически эффективны и пригодны для экономичного сжигания дроблёных углей и высокозольных горючих отходов.

Технические предложения по п.10 касаются подачи охлажденных в котле дымовых газов совместно с топочным дутьём и через тангенциальные и выхлопные сопла дожигающего дутья путём их подключения к тракту циркуляции дымовых газов, что обеспечивает снижение уровня температур топочного процесса в ВКД и топочной камере с соответствующим улучшением экологических характеристик котла.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фигуре схемой вертикального продольного разреза котла с вихревым дожиганием.

Котёл 1 с вихревым дожиганием содержит, образованные топочными экранами 2 и стенами 3, вихревые камеры дожигания (ВКД) 4 (по меньшей мере одну) с тангенциальными соплами 5 дожигающего дутья, соединенные через газоотводящие окна (ГОО) 6, в которых установлены выхлопные сопла 7 дожигающего дутья, с конвективными газоходами 8 и расположенную под ВКД 4 топочную камеру 9 со слоевой топкой 10. В данном случае ГОО 6 образовано щелевым выхлопным соплом 7 дожигающего дутья кольцевой формы, и используется слоевая топка 10 с цепной механической колосниковой решеткой прямого хода.

Слоевая топка 10 имеет систему 11 подачи топлива с бункером топлива 12, систему подачи топочного дутья с дутьевыми зонами 13 под слой 14 горящего топлива, соплами 15 вторичного дутья и каналами 16 подачи дутья с дутьевым вентилятором 17 и шиберами 18, а также систему 19 выгрузки золы. При этом тангенциальные сопла 5 дожигающего дутья и выхлопные сопла 7 дожигающего дутья каналами 16 подачи дутья с дутьевым вентилятором 17 и шиберами 18, как и система подачи топочного дутья, подключены к тракту 20 циркуляции дымовых газов.

Топочная камера 9 соединена с ВКД 4 через наклонный участок 21 и примыкающий к ВКД 4 подъёмный газоход 22 и установленное в верхней части ВКД 4, причем тангенциально по отношению к горизонтальной оси 23 ВКД 4, входное сопло 24, в данном случае выполненное фестонированием труб. Потоки из входного сопла 24 и из тангенциальных сопл 5 дожигающего дутья формируют в ВКД 4 вихрь 25, условно показанный стрелками, под которым в ВКД 4 расположены негазоплотный экран 26, бункер 27 с каналами 28 возврата уноса и регулирующими клапанами 29 потока ЦЧ. При этом используется конструкция ВКД 4 радиального типа.

Наклонный участок 21 создает гравитационную сепарацию и возврат по нему значительной части ЦЧ в топочную камеру 9. Для использования этого эффекта под наклонным участком 21 установлен типично применяемый в котлах ЦКС вынесенный теплообменник 30 с поверхностью нагрева 31 котла, расположенной в объёме кипящего слоя. Вынесенный теплообменник 30 подключен сверху каналом слива с дозатором 32 ЦЧ и патрубком 33 сброса псевдоожижающего агента к наклонному участку 21, а снизу соединен через дозатор ЦЧ 34 с топочной камерой 9.

Котёл 1 с вихревым дожиганием имеет также различные вспомогательные элементы и оборудование, включая конвективные поверхности нагрева 35, расположенные в конвективном газоходе 8, золоуловитель 36, дымосос 37 и дымовую трубу 38.

Котел 1 с вихревым дожиганием работает следующим образом. Топливо с требуемым расходом из бункера топлива 12 подается системой 11 подачи топлива в слоевую топку 10 и на её подвижном колоснике формируется слой 14 горящего топлива. Горение поддерживается подачей части топочного дутья через дутьевые зоны 13 под слой 14 горящего топлива и через сопла 15 вторичного дутья с его подводом по каналам 16 подачи дутья дутьевым вентилятором 17 при регулировке шиберами 18. При повышении температуры в слое 14 горящего топлива или в топочной камере 9 по тракту 20 циркуляции подводятся охлажденные дымовые газы, поддерживается низкотемпературный, экологически эффективный топочный процесс. После выгорания топлива шлак и зола выводятся из топочной камеры 9 системой 19 выгрузки золы.

Образующиеся дымовые газы увлекают частицы и через наклонный участок 21, подъёмный газоход 22, которые образованы стенами 3 и экранами 2, и входное сопло 24 из топочной камеры 9 поднимаются в ВКД 4. При этом дымовые газы с продуктами неполного сгорания и дутьё из тангенциальных сопл 5 дожигающего дутья поступают тангенциально по отношению к горизонтальной оси 23 ВКД 4, и импульсы этих струй, действуя в паре, формируют в ВКД 4 вихрь 25, показанный стрелками. Вихрь 25 интенсивно горит, причем его температура также контролируется подмешиванием через тракт 20 циркуляции охлажденных дымовых газов.

Встречный поток дожигающего дутья из выхлопного сопла 7 и центробежные силы удерживают частицы в ВКД 4, и они через негазоплотный экран 26 ссыпаются в бункер 27 и далее по каналам 28 возврата уноса с регулирующими клапанами 29 в виде потока ЦЧ дозируются обратно в топочную камеру 9. При этом конструкция ВКД 4 радиального типа существенно увеличивает эффективность улавливания ЦЧ и площадь интенсивно омываемых вихрем 25 охлаждающих экранов 2. В итоге организуется экологически эффективный низкотемпературный топочный процесс со ступенчатым подводом дутья и рециркуляцией дымовых газов. Циркулирующие через топочную камеру 9 и ВКД 4 ЦЧ, как и в технологии котлов ЦКС, обеспечивают управление процессами отвода тепла и поддержание изотермического, низкотемпературного, экономически и экологически эффективного режима горения с повышенными эксплуатационными показателями.

Наклонный участок 21 выполнен обмуровкой, он обеспечивает возврат значительной части горящих и горячих ЦЧ в топочную камеру 9 и поддерживает быстрое воспламенение и стабильное горение свежего топлива, что позволяет более эффективно сжигать угли, различные топлива, включая горючие отходы. Для более глубокого управления горением в топочной камере 9 часть потока ЦЧ с наклонного участка 21 по каналу слива, причем регулируемо дозатором 32 ЦЧ, подается через вынесенный теплообменник 30 с поверхностью нагрева 31 котла и в охлажденном виде через дозатор ЦЧ 34 сбрасывается в топочную камеру 9, охлаждая её. Это важно для поддержания низкотемпературного режима горения при переходе на высококалорийное либо более сухое топливо, а также для снижения подачи через тракт 20 циркуляции охлажденных дымовых газов в топочную камеру 9. Псевдоожижающий в вынесенном теплообменнике 30 кипящий слой псевдоожижающий агент, дутье высокого давления, сбрасывается по патрубку 33 в наклонный участок 21.

Дымовые газы выводятся из ВКД 4 через ГОО 6, охлаждаются конвективными поверхностями нагрева 35, которые расположены в конвективном газоходе 8, очищаются в золоуловителе 36 и дымососом 37 через дымовую трубу 38 рассеиваются в атмосфере.

Изобретение относится к энергетике. Котел с вихревым дожиганием содержит образованные топочными экранами и стенами вихревые камеры дожигания с горизонтальной осью вращения, тангенциальными и выхлопными соплами дожигающего дутья, соединенные через газоотводящие окна, в которых установлены выхлопные сопла дожигающего дутья, с конвективными газоходами. Топочную камеру, которая имеет слоевую топку с системами подачи топлива, топочного дутья и выгрузки золы. Используются вихревые камеры дожигания радиального типа, а топочная камера расположена под ними и сообщается с ними через подъёмный газоход и установленные в их верхней части, причем тангенциально к их горизонтальной оси, входные сопла и расположенные в их нижней части бункеры с каналами возврата уноса и регулирующими клапанами. Бункер в нижней части вихревой камеры дожигания выделен закрывающим его негазоплотным экраном. Техническим результатом является создание котлов экономичных, обладающих повышенными экологическими и эксплуатационными показателями, универсальных по типам сжигаемых твердых топлив и отходов. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Котел с вихревым дожиганием, содержащий образованные топочными экранами и стенами вихревые камеры дожигания с горизонтальной осью вращения, тангенциальными и выхлопными соплами дожигающего дутья, по меньшей мере одну, соединенные через газоотводящие окна, в которых установлены выхлопные сопла дожигающего дутья, с конвективными газоходами, по меньшей мере одним, и топочную камеру, которая имеет слоевую топку с системами подачи топлива, топочного дутья и выгрузки золы, отличающийся тем, что используются вихревые камеры дожигания радиального типа, а топочная камера расположена под ними и сообщается с ними через подъёмный газоход и установленные в их верхней части, причем тангенциально к их горизонтальной оси, входные сопла и расположенные в их нижней части бункеры с каналами возврата уноса и регулирующими клапанами.

2. Котел с вихревым дожиганием по п. 1, отличающийся тем, что бункер в нижней части вихревой камеры дожигания выделен закрывающим его негазоплотным экраном.

3. Котел с вихревым дожиганием по п. 1, отличающийся тем, что подъёмный газоход подключен к топочной камере через наклонный участок.

4. Котел с вихревым дожиганием по п.3, отличающийся тем, что под наклонным участком установлен канал слива с дозатором циркулирующих частиц, соединенный с расположенным ниже вынесенным теплообменником, который подключен снизу через дозатор циркулирующих частиц к топочной камере.

5. Котел с вихревым дожиганием по п.3, отличающийся тем, что под наклонным участком установлен канал слива с дозатором циркулирующих частиц, соединенный с расположенной ниже камерой термоконтактной обработки топлива, которая подключена сверху к системам подачи топлива и переработки летучих продуктов обработки топлива, а снизу через дозатор топлива и циркулирующих частиц к топочной камере.

6. Котел с вихревым дожиганием по п.3, отличающийся тем, что нижняя сторона наклонного участка подъёмного газохода, по меньшей мере в нижней его части, выполнена в виде наклонного колосника, который вверху подключен к системе подачи топлива.

7. Котел с вихревым дожиганием по п.1, отличающийся тем, что система подачи топлива выполнена в виде твердотопливных горелок с дозаторами топлива.

8. Котел с вихревым дожиганием по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве слоевой топки используется топка с цепной механической колосниковой решеткой.

9. Котел с вихревым дожиганием по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве слоевой топки используется топка кипящего слоя.

10. Котел с вихревым дожиганием по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что тангенциальные и выхлопные сопла дожигающего дутья и система подачи топочного дутья подключены к тракту циркуляции дымовых газов.