Низкоэмиссионная вихревая топка Российский патент 2023 года по МПК F23C5/32 

Изобретение относится к организации камерного сжигания измельченного топлива, может использоваться при создании новых и реконструкции существующих промышленных и энергетических котлов, обеспечивает повышение экологической и экономической эффективности с поддержанием низкотемпературного, низкоэмиссионного топочного процесса.

Известна низкоэмиссионная вихревая топка - НВТ топка [Патент РФ № 2132016]. НВТ топка содержит две прямоточные V-горелки, расположенные в ряд на фронтовом экране с наклоном вниз, каждая с двумя V-образно расположенными каналами топливовоздушной смеси, и сопла нижнего дутья, установленные на заднем экране в нижней части холодной воронки (ХВ). Сопла нижнего дутья и V каналы топливовоздушной смеси направлены встречно и тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения, и за счёт взаимодействия в камере горения, включающей нижнюю часть топки и ХВ, формируется горящий вихрь.

Активная вихревая аэродинамика обеспечивает интенсивное горение, теплообмен и эффективный топочный процесс в камере горения, низкотемпературный и соответственно с пониженной эмиссией вредных выбросов. При этом поток, образующийся после слияния топливовоздушных струй из соседних V-горелок, из ХВ с нижним дутьем (НД) восходит по фронтовому экрану между V-горелок и зажигает их факелы от корня при пониженном выносе частиц топлива из топливовоздушных струй, и это обеспечивает стабильное и равномерное по ширине НВТ горение с понижением потерь. Далее факел, постепенно затухая, поднимается через камеру дожигания, уходит в конвективный газоход котла и там быстро охлаждается.

К числу недостатков этой НВТ топки относятся следующие:

- большая эмиссия топливных оксидов азота, так как нет подавления топливных NOx, низкотемпературный топочный процесс подавляет только эмиссию высокотемпературных NOx;

- низкая экономичность из-за большого недожога топлива, уходящего в провал q_4пр через ХВ и с уносом q_4ун из-за вялой аэродинамики, плохого перемешивания и догорания топлива в камере дожигания;

- набегающие на экраны горящие топливовоздушные струи являются восстановительной средой, и в этой зоне возможно шлакование экранов, что снижает надежность работы топки;

- мощность топки ограничена, есть большие неравномерности распределения параметров в топке, так как имеется только две горелки.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранному в качестве прототипа является НВТ топка [Патент РФ № 2067724]. НВТ топка содержит расположенные на фронтовом экране, по меньшей мере одну пару горелок, верхние дожигающие горелки и нижние прямоточные горелки с обогащенной топливовоздушной смесью, установленные с наклоном вниз, и направленные встречно нижним горелкам, установленные в ХВ сопла нижнего дутья, которые совместно ориентированы тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения, причём в ХВ установлена система удержания и дожигания провала.

Нижние прямоточные горелки и сопла нижнего дутья за счёт взаимодействия в камере горения также формируют горящий вихрь. Активная вихревая аэродинамика обеспечивает интенсивные горение, теплообмен и эффективный топочный процесс в камере горения, причём с некоторым недостатком воздуха, с созданием восстановительной среды. Этот топочный процесс низкотемпературный и соответственно низкоэмиссионный, причем с дополнительно пониженной эмиссией NOx за счет восстановления части топливных NOx до молекулярного азота N₂ в восстановительной среде, которая поддерживается за счёт подачи обогащенной топливовоздушной смеси. На выходе из камеры горения продукты неполного сгорания (ПНС) горят совместно с дожигающим топливом и избыточным дутьём, которые поступают через верхние дожигающие горелки. Далее факел, постепенно затухая, через камеру дожигания уходит и охлаждается в конвективном газоходе котла.

К числу недостатков прототипа относятся следующие:

- набегающие на экраны горящие топливовоздушные струи являются восстановительной средой, и в этой зоне возможно шлакование экранов, что снижает надежность работы топки и существенно ограничивает возможность восстановления топливных NOx;

- большая эмиссия топливных оксидов азота, так как нет подавления топливных NOx, низкотемпературный топочный процесс подавляет только эмиссию высокотемпературных NOx;

- низкая экономичность из-за большого недожога топлива, уходящего в провал q_4пр через ХВ и с уносом q_4ун из-за вялой аэродинамики, плохого перемешивания и догорания топлива в камере догорания;

- мощность топки ограничена, и возможны большие неравномерности распределения параметров в топке, так как заявляется возможность работы топки только на одной паре горелок.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения экономичности и экологической эффективности с поддержанием низкотемпературного, низкоэмиссионного топочного процесса.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в НВТ, содержащей расположенные в ряд на фронтовом экране верхние дожигающие и нижние прямоточные горелки с обогащенной топливовоздушной смесью, направленные с наклоном вниз, и установленные встречно нижним горелкам в ХВ сопла нижнего дутья, которые совместно ориентированы тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения, причём под ХВ расположена система удержания и дожигания провала, предлагается разделить топку пережимом на камеру горения с ХВ и расположенную над ней камеру дожигания, при этом пережим предлагается выполнить из двух выступов, образованных вогнутыми внутрь топки трубами фронтового и заднего экранов, причем в выступе фронтового экрана снизу установить нижние прямоточные горелки, сверху направленные в сторону заднего экрана с наклоном вверх дожигающие горелки, а с другой стороны, в выступе заднего экрана, установить направленные вверх и вниз вдоль заднего экрана сопла защитного дутья, также в верхней части заднего экрана расположить аэродинамический выступ.

При работе топки нижние прямоточные горелки с обогащенной топливовоздушной смесью, направленные с наклоном вниз, и установленные встречно им в ХВ сопла нижнего дутья за счёт взаимодействия формируют в камере горения, включая и ХВ, горящий вихрь с горизонтальной осью вращения, заполненный ПНС, восстановительной средой. Соответственно, выделяющиеся при горении топливные NOx в топке будут интенсивно восстанавливаться до молекулярного азота N₂.

Затем горящий поток поднимается по фронтовому экрану, налетает на топливовоздушные струи, истекающие из нижних прямоточных горелок, и зажигает их. Далее горящий поток ударяется об выступ фронтового экрана, отражается им на задний экран, попадает в камеру дожигания, устремляется по заднему экрану вверх и после отражения от аэродинамического выступа плавно входит через ширмы пароперегревателя в газоотводящее окно и покидает топку. При этом экраны отделены от воздействия восстановительной среды и горящего потока за счёт подачи воздуха через сопла нижнего дутья, установленные в ХВ, и сопла защитного дутья, которые установлены в выступе заднего экрана и направлены вверх и вниз вдоль него, поэтому топка работает надежно, без зашлаковывания.

Дожигающие горелки также подают в камеру дожигания дутье, причем не в балансе с дожигающим топливом, а с большим избытком воздуха, необходимым для дожигания совместно с защитным дутьем газообразных ПНС и пыли, вынесенных из камеры горения. При этом активные аэродинамика и перемешивание, горение распространяются в камеру дожигания, и интенсивный топочный процесс заполняет весь топочный объём, что позволяет поддерживать на выходе из топки минимальный общий избыток воздуха и соответственно высокую экономичность топки.

В итоге в камерах горения и догорания за счёт ступенчатого распределения дутья и трёх выступов поддерживаются активная аэродинамика, интенсивные низкотемпературные процессы перемешивания, горения и теплообмена, обеспечивающие полноту выгорания горючего при малых избытках воздуха и соответственно высокая экономичность. Кроме того, обеспечивается безопасное по шлакованию и коррозии экранов глубокое восстановление образующихся при горении топлива NOx и соответственно поддерживается низкая эмиссия вредных выбросов.

В дополнительном п.2 предлагается выполнить нижние прямоточные горелки с двумя V-образно расположенными каналами топливовоздушной смеси, а количество принимается не менее двух, соответственно количество струй топливовоздушной смеси оказывается не менее четырёх, что обеспечивает более равномерное распределение параметров по ширине топки. Кроме того, при расположении в ряд множества верхних дожигающих и нижних прямоточных V-горелок применение НВТ топок возможно распространить на котлы любой мощности, причём с равномерным распределением параметров топочного процесса по ширине топки.

В дополнительном п.3 предлагается дожигающие горелки расположить между нижними прямоточными горелками в зоне прохода сливающихся струй от соседних V-горелок и выполнить дожигающие горелки также прямоточными, с возможностью по крайней мере части из них менять своё направление в пределах от направления на выступ заднего экрана до направления на расположенный в верхней части заднего экрана аэродинамический выступ. При этом возможно менять положение зоны встречи струй дожигающих горелок с потоком ПНС, то есть зоны, в которой идет наиболее интенсивное догорание с повышением температуры. Соответственно, перемещая эту зону вверх или вниз, можно экономично регулировать перегрев пара.

В дополнительных пп.4, 5 и 6 предложено использовать в качестве дожигающего топлива следующие виды высокореакционных топлив: уголь тонкого помола, природный газ и жидкое топливо. Высокореакционные дожигающие топлива обеспечивают быстрый разогрев и глубокое дожигание ПНС при минимальных избытках воздуха, соответственно экономично, с минимальной эмиссией NOx.

В дополнительном п.7 предложено систему удержания и дожигания провала выполнить в виде дожигающей колосниковой решетки. При этом провал будет дожигаться в слое, повышая экономичность НВТ, и не потребуется подача мощного нижнего дутья, а освободившуюся часть нижнего дутья можно перераспределить в топке для более экономичной и экологически эффективной её работы.

На фиг.1 показано вертикальное продольное сечение НВТ топки и на фиг.2 условно показано её горизонтальное сечение.

НВТ топка 1, фиг.1 и фиг.2 образована фронтовым 2, задним 3 и боковыми 4 экранами котла. На фронтовом экране 2 имеется выступ 5, в котором расположены в ряд сверху дожигающие горелки 6, а снизу прямоточные горелки 7. В данном варианте это V-горелки, выполненные с двумя V-образно разведенными каналами 8 топливовоздушной смеси, которые направлены с наклоном вниз в камеру 9 горения.

На заднем экране 3 по ходу сверху вниз располагаются аэродинамический выступ 10, выступ 11 с соплами 12 и 13 защитного дутья, которые направлены соответственно вверх и вниз вдоль заднего экрана 3, а также сопла 14 нижнего дутья, расположенные в ХВ 15. Сопла 12, 13 и 14 образуют на экранах воздушные слои 16, защищающие экраны от их прямого контакта с топочной средой, их коррозии и шлакования.

Выступы 5 и 11, расположенные на фронтовом 2 и заднем 3 экранах, частично перекрывают сечение топки 1, образуют пережим, который разделяет топку 1 на камеру 9 горения внизу и камеру 17 дожигания. В камере 9 горения за счёт встречных потоков из каналов 8 и сопл 14 формируется горящий вихрь 18 с горизонтальной осью вращения, и в ней под ХВ 15 расположена дожигающая колосниковая решетка 19.

Камера 17 оснащена дожигающими горелками 6, которые совместно с прямоточными V-горелками 7 подсоединены к пылесистемам с прямым вдуванием, здесь не показаны, через делители 20 пыли (циклоны): V-горелки 7 к уловленному потоку более крупных частиц, а дожигающие горелки 6 к пропущенному потоку тонких частиц. При этом дожигающие горелки 6 выполнены с возможностью менять своё направление, фиг. 1, в пределах от направления на выступ 11 заднего экрана 3 до направления на расположенный в верхней части заднего экрана аэродинамический выступ 10, так что имеется возможность перемещения зоны 21 встречи потоков из дожигающих горелок 6 с потоком ПНС по высоте топки 1.

На выходе из топки 1 установлен ширмовый пароперегреватель 22, имеются и другие элементы, агрегаты и устройства, необходимые для организации работы топки и котла в целом.

При работе НВТ 1, которая образована фронтовым 2, задним 3 и боковыми 4 экранами котла, фиг.1 и фиг.2, организуется низкотемпературный, низкоэмиссионный вихревой топочный процесс. Основная масса измельченного топлива в виде обогащенной топливовоздушной смеси, то есть с недостатком кислорода - восстановительная среда, подается прямоточными V-горелками 7 через V-образно разведенные каналы 8 вниз в камеру горения 9, причём встречно потоку нижнего дутья, который вылетает из сопл 14 нижнего дутья. Поэтому за счёт взаимодействия эти потоки формируют в камере горения 9, включая и ХВ 15, горящий вихрь 18 с горизонтальной осью вращения, заполненный ПНС. Соответственно, выделяющиеся при горении топливные NOx здесь будут восстанавливаться до молекулярного азота N₂. Наиболее крупные частицы могут проваливаться из камеры горения 9 через ХВ 15, но при этом они попадают на дожигающую колосниковую решетку 19 и там сгорают в слое экономично, без потерь тепла.

Из камеры горения 9 горящий поток поднимается по фронтовому экрану 2 под выступ 5 и отражается им в сторону заднего экрана 3. Затем горящий поток обтекает топливовоздушные струи, истекающие из нижних прямоточных горелок 7, и зажигает их от корня факела, обеспечивая стабильность топочного процесса. Далее в камере догорания 17 поток ПНС поднимается по заднему экрану 3. При этом на всём пути ПНС отделяется от прямого контакта с экранами воздушными слоями 16, которые формируются подачей дутья из сопл 12 и 13 защитного дутья вверх и вниз вдоль заднего экрана 3 из выступа 11 и из сопл 14 нижнего дутья в камере горения 9 вдоль фронтового экрана 2.

На участке между выступами 11 и 10, поток ПНС активно перемешивается с воздушным слоем 16 с одной стороны, а с другой стороны с обедненным потоком топливовоздушных струй, который поступает из дожигающих горелок 6, поэтому ПНС быстро догорят совместно с дожигающим топливом, причём это возможно при малых избытках воздуха на выходе из топки и соответственно с высокой экономичностью. Так как основная масса топливных NOx уже восстановлена до N₂, а топочный процесс является низкотемпературным, то здесь будет поддерживаться низкая эмиссия NOx.

В качестве дожигающего топлива используются высокореакционные топлива: природный газ, жидкое топливо или тонкая пыль. На фиг.2 показано, что при использовании пылесистемы с прямым вдуванием, пылеугольный поток перед горелками 7 и 6 делится делителем 20 пыли, циклоном: грубая пыль 80-90% и 15-30% дутья, обогащенная топливовоздушная смесь, идет через V-горелки 7, а тонкая пыль с избыточным дутьем идет через дожигающие горелки 6.

При дожигании дожигающие горелки 6 могут менять своё направление с перемещением вверх или вниз зоны встречи струй дожигающих горелок 6 с потоком ПНС, то есть зоны 21, в которой идет наиболее интенсивное догорание и повышение температуры. Соответственно, перемещая зону 21, можно экономично, без получения конденсата для впрыска и т.д., регулировать перегрев пара. При перемещении зоны 21 вверх увеличивается температура газов перед ширмовым пароперегревателем 22, перегрева пара увеличивается и наоборот.

В итоге предлагаемые технические решения обеспечивают заявленные характеристики: повышение экономичности и экологической эффективности с поддержанием низкотемпературного, низкоэмиссионного топочного процесса.

Изобретение относится к области энергетики. Низкоэмиссионная вихревая топка содержит расположенные в ряд на фронтовом экране верхние дожигающие и нижние прямоточные горелки с обогащенной топливовоздушной смесью, направленные с наклоном вниз, и установленные встречно нижним горелкам в холодной воронке сопла нижнего дутья, которые совместно ориентированы тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения. Под холодной воронкой расположена система удержания и дожигания провала. Топка разделена пережимом на камеру горения с холодной воронкой и расположенную над ней камеру дожигания, при этом пережим состоит из двух выступов, образованных вогнутыми внутрь топки трубами фронтового и заднего экранов. В выступе фронтового экрана снизу установлены нижние прямоточные горелки, сверху - направленные в сторону заднего экрана с наклоном вверх дожигающие горелки, а с другой стороны, в выступе заднего экрана, установлены направленные вверх и вниз вдоль заднего экрана сопла защитного дутья, кроме того, в верхней части заднего экрана располагается аэродинамический выступ. Изобретение позволяет повысить экологическую и экономическую эффективность с поддержанием низкотемпературного, низкоэмиссионного топочного процесса. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Низкоэмиссионная вихревая топка, содержащая расположенные в ряд на фронтовом экране верхние дожигающие и нижние прямоточные горелки с обогащенной топливовоздушной смесью, направленные с наклоном вниз, и установленные встречно нижним горелкам в холодной воронке сопла нижнего дутья, которые совместно ориентированы тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения, причём под холодной воронкой расположена система удержания и дожигания провала, отличающаяся тем, что топка разделена пережимом на камеру горения с холодной воронкой и расположенную над ней камеру дожигания, при этом пережим состоит из двух выступов, образованных вогнутыми внутрь топки трубами фронтового и заднего экранов, причем в выступе фронтового экрана снизу установлены нижние прямоточные горелки, сверху - направленные в сторону заднего экрана с наклоном вверх дожигающие горелки, а с другой стороны, в выступе заднего экрана, установлены направленные вверх и вниз вдоль заднего экрана сопла защитного дутья, кроме того, в верхней части заднего экрана располагается аэродинамический выступ.

2. Низкоэмиссионная вихревая топка по п. 1, отличающаяся тем, что количество нижних прямоточных горелок не менее двух, и они выполнены с двумя V-образно расположенными каналами топливовоздушной смеси.

3. Низкоэмиссионная вихревая топка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дожигающие горелки расположены в плане между нижними прямоточными горелками и также выполнены прямоточными, причём по крайней мере часть из них выполнена с возможностью менять своё направление в пределах от направления на выступ заднего экрана до направления на расположенный в верхней части заднего экрана аэродинамический выступ.

4. Низкоэмиссионная вихревая топка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что нижние и дожигающие горелки попарно подключены к пылесистемам через циклон, причём нижняя горелка подключена к патрубку выгрузки уловленной пыли, а верхняя горелка подключена к выхлопному патрубку циклона.

5. Низкоэмиссионная вихревая топка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что дожигающие горелки по дожигающему топливу подключены к газопроводу.

6. Низкоэмиссионная вихревая топка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что дожигающие горелки по дожигающему топливу подключены к трубопроводу жидкого топлива.

7. Низкоэмиссионная вихревая топка по п. 1, отличающаяся тем, что система удержания и дожигания провала выполнена в виде дожигающей колосниковой решетки.