Топка Советский патент 1992 года по МПК F23C5/32 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано е мощных паровых котлах тепловых электрических станций для сжигания преимущественно бурых шлакующих углей.

Известна конструкция топки (1), содержащая вертикальную призматическую экранированную камеру сгорания, оснащенную щелевыми горелками с высотой 1-3 ширины, установленными поя русно с ориентацией тангенциально к условной окружности. Как показали экспериментальные исследования, проведенные в топке котла Е-500 Красноярской ТЭЦ-2 (2 и 3), где реализовано указанное устройство, аэродинамика факела отличается устойчивостью. При этом обеспечиваются хорошее воспламенение топлива и низкие значения потерь тепла с

механическим недожогом. Однако имеются следующие недостатки: шлакование экранных поверхностей нагрева/особенно в зоне активного горения, что вызвано высокими значениями теплового напряжения лучеаоспринимающей поверхности в этой зоне, и несмотря на меры, направленные на снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах, а именно, газовая сушка топлива, прямое вдувание пыли, низкотемпературное сжигание и др., величина Смох ™ 0,4-0,5 г/м3 и превышает предельно допустимую. Необходимо отметить, что использование для снижения температурного уровня в топке газов рециркуляции приводит к уменьшению КПД котла.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является

з

О)

о

конструкция топки (4), содержащая вертикальную призматическую экранированную квадратного сечения камеру сгорания с установленными поярусно, тангенциально к условной окружности прямоточными горелками, которые смонтированы на каждой стороне топки двумя вертикальными рядами с расстоянием в свету между соседними в ряду горелками.

Проведенный комплекс экспериментальных измерений температур скоростей, концентраций пыли и газов в объеме топки котла П-67 Березовской ГРЭС-1 (5), где внедрено устройство прототипа, показал, что основным недостатком указанного устройства является неустойчивая аэродинамика факела, а именно отсутствие вихревого тангенциального движения газов. Это вызвано тем, что при больших размерах топки топливовоздушныё струи не взаимодействуют друг с другом, а, отклоняясь от заданных траекторий, движутся в разряженную область между ярусами горелок. Отмеченное несовершенство конструкции топки приводит к недостаточному заполнению объема топки высокотемпературными газами, локальному шлакованию экранов, высокой температурной неравномерности, к низкой величине коэффициента эффективности экранов 0,3-0,35, росту температуры газов на выходе из топки. Необходимо отметить, что указанные недостатки значительно усиливаются при отключении одного из торелочных блоков. Кроме того, проведенные исследования выявили высокое содержание оксидов азота в продуктах сгорания Смох - НЗ.4-0,45 г/м3

Цель изобретения - повышение эффективности сжигания и надежности путем уве- личения устойчивости аэродинамики факела, снижения выбросов оксидов азота и предотвращения шлакования поверхностей нагрева.:

Указанная цель достигается тем, что горелки следующего по ходу движения газов вертикального ряда на всех стенах топки смещены по высоте вверх относительно горелок предыдущего вертикального ряда на 0,76-3.2 высоты горелки. Причем посредине стен топки и в ее углах расположены дополнительные воздушные сопла, ориентированные в направлении горелок тангенциально к условным окружностям с диаметрами dN и dN , которые для серединных и угловых воздушных сопл, смонтированных соответственно на уровне горизонтальных осей горелок следующего по ходу движения газов и предыдущего вертикальных рядов, вычисляются по формулам

dN - Т ,414 ат sin 45 br(9- N)sin(g , 8rCtS 0,25aT + br(9-NjCOSa : (1 j

10

dN ат sin 90 -arctg

for (9-N) sin i« 0,25aT-br(9-N)cosa

., (2)

где ат - глубина топки, м;

b - ширина горелки, м; «, а - углы наклона горелок соответствующего вертикального ряда;

N - номер яруса, начиная снизу.

Кроме того, дополнительные воздушные сопла выполнены поворотными в горизонтальной плоскости.

Известно, что устойчивое вихревое тангенциальное движение газов в объеме топочной камеры при многоярусной компоновке горелок обеспечивается взаимодействием топливовоздушных струй, образованных горелками как одного яруса, так и всех ярусов в целом. При этом необходимо соблюдать

условия по обеспечению хорошего воспламенения и полного выгорания топлива, безопасности экранов по шлакованию, предотвращению возникновения эффекта Коандра, т.е. прилипания горелочных

струй к стенам топки. Последнее является причиной образования очагов шлакования и пережога парообразующих труб. Перечисленные условия в основном выполняются за счет выбора оптимального ежярусного

расстояния и компановкой горелочных устройств.

Как уже отмечалось, опыт эксплуатации топки котла П-67 Березовской ГРЭС-t (5), где внедрено устройство прототипа, показал, что топяивовоздушные струи разориен- тированы в пространстве и уходят от взаимодействия как в пределах одного яруса, так и других ярусов, направляясь в разряженную область межярусных простенков.

При этом прилипание струй к стенкам топочной камеры не наблюдалось. Вместе с тем, данные экспериментов свидетельствуют, что значение Цп.т. 0,75 Гкал/(м2 -ч) (6). установленное для данного агрегата, явно

завышено, так как экраны толок шлаковались, несмотря на низкую нагрузку котла О - 0,75-0,80 н.

Необходимо отметить, что увеличение межярусного расстояния, которое позволит

снизить теплонапряженность зоны активного горения и предотвратить прилипание горелочных струй к стенкам толки, может ухудшить воспламенение топлива, затянуть его горение и тем самым привести к повышению температуры газов на выходе из топки.

Указанные противоречия позволяет устранить предлагаемая ступенчато-тангенциальная установка горелок. Так как в этом случае в пределах каждого яруса струи аэросмеси находятся в двух горизонтальных плоскостях, что позволяет рассредоточить восемь вводов топлива по высоте. Причем струи, образованные горелками следующего по ходу движения газов вертикального ряда, размещаются в верхней плоскости. При этом нижняя струя, раскрываясь (угол раскрытия 14-16°) и двигаясь в заданном направлении, взаимодействует за счет эжекционной способности с соседней вышерасположенной струей, имеющей тот же угол раскрытия. Отмеченное взаимодействие усиливает не только тангенци альное вихревое движение топочных газов в пределах яруса, но и поступательное их движение по спирали вверх. Кроме того, в указанных горизонтальных плоскостях каждого яруса размещаются четыре тангенциально направленные к условной окружности струи. Это количество наиболее оптимально с точки зрения создания устойчивой аэродинамики, что подтверждают исследования, проведенные на изотермических моделях и действующих топках. Важно и то, что путем взаимного проникновения в зоны воспламенения создается более интенсивное зажигание горелочных струй.

Повышению устойчивости аэродинамики факела способствует установка дополнительных воздушных сопл на горизонтальных осях горелок посредине стен тот ки и ее углах с ориентацией в направлении горелок тангенциально условной окружности. Струи воздуха придают дополнительный импульс вихревому тангенциальному движению топочных газов, взаимодействуя со струями аэросмеси,

Таким образом предлагаемая ступенчато-тангенциальная компановка горелой позволяет придать аэродинамике факела устойчивость за счет обеспечения взаимодействия струй аэросмеси и третичного воздуха, образованных горелками и дополнительными воздушными соплами, как в пределах ярусов, так и во всем топочном объеме, сохраняя при этом межярусное рас стояние прежним, однако увеличивая расстояние между соседними в вертикальных рядах горелками, что позволяет предотвратить прилипание к стенкам топки, так как чем больше размеры простенка, тем меньше возможность возникновения эффекта Коанда (7). Кроме того, в этом случае удается

улучшить условия зажигания и выгорания топлива.

Увеличение размеров зоны активного горения при ступенчато-тангенциальной установке горелок, как показывают расчеты

0 ВТИ (8), способствует резкому снижению уровня температур в зоне, а следовательно, уменьшается возможность шлакования экранных поверхностей нагрева, в этом случае температура газов на выходе

5 из топки повышается незначительно (на несколько градусов). Снижение при помощи конструктивных изменений топки величин qn.r. от нормативного позволяет уменьшить подачу рецир кулирующих газов

0 в ядро горения, которая достигает на котлах Е-500 и П-67 40-50%. что начинает сказываться на горении топлива и приводит к значительному снижению КПД котла на 0,4- 0,5%.

5 Установка дополнительных сопл воздуха кроме придания аэродинамике факела большей устойчивости предназначена для осуществления ступенчатого сжигания топлива. При ступенчатом сжигании уменьша0 ется избыток воздуха в горелке, тем самым снижается концентрация кислорода в факеле, s результате чего тормозят окислительные реакции с образованием МОХ и интенсифицируются реакции, приводящие

5 к переходу азотсодержащих радикалов NHi и CN в молекулярный азот N2. Наличие в определенных зонах факела газов восстановителей СО. И2, СН4 обуславливает восстановление уже образовавшегося окси0 да азота и тем самым концентрация оксидов азота в уходящих газах снижается,

В отличие от известной вертикальной установки сопл третичного воздуха в предлагаемой конструкции топки удается избе5 жать воздействия восходящего потока топочных газов, который будет отклонять воздушные струи от заданных траекторий, и кроме того, установка сопл между ярусами горелок может привести к подсосу воздуха

0 в устье топливовоздушных струй-, образованных горелками вышерасположенных ярусов. Эффективность предлагаемой установки воздушных сопл будет обуславливаться не только тем, что они способны

5 снижать концентрацию оксидов азота, но и защищать стены от шлакования, так как воздушные струи, отклоняясь к стенам топки, создают возле экранов, где как прэвило концентрируются за счет центробежного эффекта наиболее крупные частицы угля,

окислительную среду, способствующую уменьшению шлакования экранов.

Предотвращению шлакования способствует расположение дополнительных воздушных сопл посредине, стен топочной камеры, так как их установка позволяет уменьшить величины падающих радиационных потоков, максимум которых отмечен в центральных яючках топки (5) на всех по высоте уровнях. Расположение сопл в углах топки позволяет ликвидировать там застойные зоны за счет циркуляции, вызванной эжекцней топочных газов к устью воздушных струй, что позволяет повысить интенсивность теплообмена.

Проведенные экспериментальные исследования (3) позволили выявить, что при многоярусной компановке горелок максимум образования оксидов азы а смещается у горелок верхних ярусов к устью топливо- воздушной струи.

Не фиг.1 представлены данные, которые показывают изменение концентрации МОх по длине факела горелок нижнего (а), среднего (б) и верхнего (в) ярусов.

Таким овродом, доставку окислителя в виде воздухе из сопя к топливной струе необходимо осуществлять в место, где образование оксидов авота уже закончилось для того, чтобы ив увеличить их концентрацию. Вместе с тем, подача третичного воздуха ближе к абразурв горелки позволяет избежать затягивание процессов горения.

Отмеченные особенности топочных процессов приняты во внимание при выводе формуя (1) и (2). Так, выражение (9 - N) br полученное путем обработки данных экспериментов, представленных на фиг.1, позволяет установить место подачи трагичного воздуха в топливную струю в зависимости от номера яруса горелок, поэтому величины диаметров условных окружностей, к которым направлены дополнительные воздушные сопла, будут переменными по высоте топки.

На фиг.2 и 3 представлены схемы для определения диаметров условных окружностей, к которым направлены серединные и угловые дополнительные воздушные сопла одного яруса, смонтированные соответственно на горизонтальных осях горелок следующего по ходу движения газов (фиг.З) и предыдущего вертикальных рядов (фиг.2).f

Так величина dw устанавливается согласно

dN - ат sin в: ft - 90 - f- f- 45 - ft1и1pr (9 - N).s|n a

P9 0,25 a, + br (9 - N) COS a

в окончательном виде

ON -1.414 ат sin {45 br(9-N)slr a i afCt9 0.25 эт - br (9 - .

ц

Значение dw (фиг. З) выводится согласно dft aTsln/3 при Ј 90-/3

/M9-N)sin a

р- arctg Q 25 -. br CQSа„

В окончательном виде

dM aTsln{9025

„«

bf (9 - N) sin a arCt9 0,25 ar br ;9 - N)COS a

Поворотность сопя в горизонтальной плоскости дает возможность регулировать процессы горения и корректировать траектории движения струй воздуха с учетом изменения диаметров условных окружностей, тангенциально к которым направлены горелки и дополнительные сопла.

Указанное смещение по высоте между

вертикальными соседними рядами выбрано из следующих соображений. Как уже отмечалось значение Ол.г. - 0,75 Г«ал/|м -ч), не обеспечивает бесшлаковочную работу даже в условиях пониженной нагрузки. Снижение

о.я.г. легко осуществляется путем увеличения высоты пояса горелок. Однако, при этом для котлов большой мощности ухудшаются условия воспламенения иэгза снижения температурного уровня в топке, большей

удаленности факелов & пределах ярусов, раздвоения аэросмеси и воздуха в верхних ярусах за счет винтообразного сносящего потоке. Все вышеперечисленные недостатки, кроме снижения температурного уровня

в топке, при применении предлагаемого изобретения исключаются, так как величина простенков между ярусами горелок принимается равной аналогичной величине, установленной нормами {6}. При этом

безопасным по шлакованию устанавливается значение q«.r.ш 0,47-0,55 Гкая/{м2 -ч), которое на 16-25% больше величины q.r, - 0,41-0,438 Гкал/(м2 -ч), полученной в топке с фронтальным расположением горелок,

при сжигании в которой шлакующего угля поверхности нагрева оставались эксплуатационно чистыми (9).

Так как скоростные параметры у горелок в новой топке устанавливаются такими же, как в прототипе, а значение qn.r. не влияет на выбор количества горелок и их конструктивные размеры, то для горелок новой топки можно воспользоваться готовыми параметрами горелок топки-прототипа, рассчитанных и внедренных на котле П-67 Березовской ГРЭС-1 и котла меньшей паро- производительности Е-690.

Для топки котла П-67 размер тангенциальной топки в плане 22,4x22,4 м (4,6), котел имеет 32 горелки, размеры которых hxb 1,2x1,1 м и расположены в 4 яруса, меж- ярусное расстояние пя 5 м (6).

Основные результаты конструктивных расчетов приведены в табл.1. При вычислении смещения горелок одного вертикального ряда относительно другого принимали Ья 5 м и расстояние от горизонтальной оси нижней (верхней) горелки до границы зоны активного горения, равное пя/2.

Котел Е-690 имеет призматическую вертикальную камеру сгорания с размерами в плане 13,2x13,2 м, имеет 24 горелки, размеры которых 2,4x0,8 м и расположены в 3 яруса. Высота зоны активного горения

tv

)-Щ-«м «е-«.ол)

2(3,2 + 13S)

12 а. м.

12.2 3

4,1 м.

При определении смещения принимали пя 4 м и расстояние от горизонтальной оси нижней (верхней) горелки до границы зоны активного горения, равное Ъя 2. Результаты расчетов приведены в табл.1.

Таким образом граничные оптимальные соотношения расположения горелок в новой топке, в зависимости от габаритов топочной камеры и горелки b:h 1:3 будут находиться в пределах ьг 0,76-3,2. Широкий диапазон предельных соотношений обусловлен не только всем спектром конструктивных зависимостей топок паровых котлов, но и выбором определенной величины дл.г.. Поэтому при расчете новых топок следует руководствоваться правилом, что нижний предел дл.г.. берется, когда в топке сжигается сильношлзкующее топливо, а верхний - слабошлакующее. Дальнейший выбор предельных значений будет обуславливаться величиной ширины b горелки, которая рассчитывается в соответствии с

нормами и однозначно зависит от глубины топки.

Необходимо отметить, что предлагаемое изобретение может быть использовано только на котлах большой мощностью, поскольку при монтаже указанной конструкции на котле малой мощности верхний ярус горелок может оказаться вблизи выходного окна, а это приведет к повышению темпера0 туры газов на выходе из топки. Кроме того, в топках малой мощности нет необходимости размещения большого количества горелок.

Сопоставительный анализ с прототи5 пом позволяет сделать вывод, что заявляемая ступенчато-тангенциальная топка отличается тем, что горелки следующего по ходу движения газов вертикального ряда на всех стенках топки смещены по высоте

0 вверх относительно горелок предыдущего вертикального ряда на 0,76-3,2 высоты горелки. Причем посредине стен топки и в ее углах расположёны дополнительные воздушные сопла, выполненные пово5 ротными в горизонтальной плоскости, ориентированные в направлении горелок тангенциально к условным окружностям с диаметрами им и dw , которые для серединных и угловых воздушных сопл, смонти0 рованных соответственно на уровне горизонтальных осей горелок следующего по ходу движения газов и предыдущего вертикальных рядов, вычисляются по формулам (1)и(2).

5 Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна. Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутстаии в них призна0 ков, сходных с существенными признаками в заявляемой топке, и признать заявляемое решение соответствующим критерию существенные отличия.

На фиг.4 изображена ступенчато-тан5 генциальная топка, продольный разрез; на фиг.5 - разрез по А-А на фиг.4; на фиг,6 - разрез Б-Б на фиг.4.

Топка 1 содержит прямоточные щелевые горелки 2, расположенные на стенках

0 топки двумя вертикальными рядами с расстоянием в свету между соседними в ряду горелками, причем горелки следующего по ходу движения газов вертикального ряда смещены вверх относительно горелок

5 предыдущего вертикального ряда hr 0,76- -3,2 высоты горелки, и дополнительные воздушные сопла 3, смонтированные на уровне горизонтальных осей горелок разных вертикальных рядов посредине стен топки в ее углах. Сопла 3 ориентированы в

направлении горелок тангенциально условным окружностям, диаметры которых определяются по формулам (1) и (2) и изменяются по высоте топки. Кроме того, сопла 3 выполнены поворотными в горизонтальной пло- скости.

Топка работает следующим образом.

Попадая в топку через горелки 2, топли- во воз душные струи нижерасположенных горелок я руса начинают взаимодействовать с аналогичными струями вышерасположенных горелок за счет раскрытия факелов и их эжекционных способностей. Образуется устойчивое тангенциальное вихревое движение факела, повышение устойчивости, которую способствуют струи воздуха, образованные соплами 3 и направленные касательно к условным окружностям с диаметрами dN и dN. При этом подача третичного воздуха позволяет снизить гене- рацию оксидов азота, особенно на начальном участке факела, предотвратить образование очагов шлакования в наиболее теплонапряженных местах топочной камеры и повысить интенсивность теплооб- мена в ее углах.

Пример. Котел большой мощностью, например П-67 (паропроизводительность 2650 т/ч}, предназначен для сжигания сильношлакующихся березовских углей, обору- довзн вертикальной призматической камерой сгорания с размерами в плане 22,4x22,4 м. Горелки с размерами 3x1 м установлены в четыре яруса на каждой стене топки с двумя вертикальными рядами с меж- ярусным расстоянием пя 5 м. Горелки направлены тангенциально к условной окружности с диаметром 0,1 ат ш 2,240 м и имеют углы наклона а 58° и а « 69°. Меж- горелочное расстояние пг устанавливается в зависимости- от величины q/i.r., которая в этом случае составляет 0,47 Гкал/{м2 ч). Тогда высота зоны активного горения рассчитывается

%1Н|+ЕЯб)-и «-«-4+юО)

2-(Й,4+2,1

tw

36м.

В этом случае (при ия 5 м) пг 4 м или hr/h - 4/3 -1,3.

Посредине стен топки и в ее углах рас- положены дополнительные воздушные сопла, ориентированные в направлении горелок и тангенциально к условным окружностям, с диаметрами oW и dis/. которые для серединных и угловых воздушных сопл, смонтированных соответственно на уровне горизонтальных осей горелок следующего по ходу движения газов и предыдущего вертикального ряда, вычисляются для 1-4 ярусов горелок

5,7 м 6,8м 8,1 м 9,7м

d , d$

ей Л

7,7м 9,6 м 11,8 м 14.1 м

Кроме того, воздушные сопла выполнены поворотными в горизонтальной плоскости с углом поворота / 10-30°.

Распределение воздуха в горелки а г «1,0-1,1 и остаток в соплах с тем, чтобы избыток воздуха в топке оставался о. т -1,2.

Расчет экономического эффекта.

Внедрение предлагаемого изобретения позволяет за счет ступенчатого сжигания уменьшить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания с 0,4 до 0,25 г/м3 по сравнению с традиционным сжиганием, например, березовского угля в топке котла П-67 Березовской ГРЭС-1 (см. табл.2).

Годовой экономический эффект на котел от снижения концентрации оксидов азота

3NOX Н В K cnfCNOx-CNO , Vo

5034-484-103-0,776 (0,4-0,25}-10 6х

О7Ч 4- 14е х 6,05 273 2СЮ 5254 тыс.руб/год.

Таким образом экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения на котле П-67 Березовской ГРЭС-1 составляет 525,4 тыс. руб./год.

Формула изо б р е т е н и я Топка, содержащая вертикальную квадратную камеру сгорания с прямоточными горелками, установленными на каждой стенке в двух вертикальных рядах симметрично относительно осей камеры сгорания и тангенциально к условной окружности, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества сжигания, снижения выбросов оксидов азота и предотвращения шлакования стенок, горелки следующего по ходу движения газов вертикального ряда на всех стенах камеры сгорания смещены вверх относительно горелок предыдущего вертикального ряда на 0,78-3,2 hr, -а перед каждой горелкой соответственно в углах и на осях камеры сгорания установлены воздушные сопла, размещенные наклонно в сторону своих горелок и тангенциально к условным окружностям, с диаметрами dt и da, равными соответственно

br - ширина горелки, м; hr - высота горелки, м; «1 - угол наклона горелки, расположенной до оси камеры сгорания; 5 с& -угол наклона горелки, расположенной после оси камеры сгорания;

NI - номер яруса горелки, начиная снизу;

di - диаметр условной окружности воз- 10 душных сопл, расположенных в углах камеры сгорания;

d2 - диаметр условной окружности возгде ат - расстояние между стенками камеры душных сопл, расположенных по осям каме- сгорания, м;ры сгорания.

15

di-1,414 ат sin 45- arcta -br(9-N)slnai

а 0,25 ат br (9-N)) COS «i

d2 aTsln 90br(9-N)sin an

- arctg

0,25ai-br (9-Ni)COSoa

J:

1.

Изобретение относится к сжиганию топлива и позволяет повысить качество сжигания, снизить выбросы оксида азота и предотвратить шлакование стенок. Горелки расположены со смещением по высоте, что обеспечивает взаимодействие вышерасположённых горелок с нижерасположенными, чем достигается устойчивое вихревое движение факела. Повышению устойчивости факела и устранению шлакования способствует воздух, подаваемый через тангенциальные сопла, размещенные перед каждой горелкой, бил., 2 табл. (Л С

Таблица 1

Таблица 2

,.

0,5

О,

0,3

0,2

W

0

8

Фиг.1

Con/iff боздуМу

V

16 1/8г

вж/

Сопло воздуха

L L

0,5аг

Горела

Фиг.З

Фиг А

19

9иъ.5

Фиг.6