Топка Советский патент 1992 года по МПК F23C5/08 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может быть использовано на тепловых электростанциях.

Известны топки, содержащие вертикальную призматическую экранированную камеру сгорания с подовыми горелками.

Недостатками таких устройств являются повышенное содержание оксидов азота в газах на выходе из топки и ограниченные возможности для регулирования температуры этих газов, особенно при переходе с одного вида топлива на другой, например с мазута на газ.

Наиболее близкой к предлагаемой является топка, содержащая вертикальную призматическую экранированную камеру сгорания, расположенный над ней поворотный газоход, ряды подовых горелок, параллельные большой плоскости симметрии камеры сгорания, и пары сопл вторичного воздуха, размещенных больших вертикальных стенах и направленных тангенциально относительно вертикальных условных тел вращения, оси которых расположены в большой плоскости симметрии камеры сгорания.

Использование в этой топке сопл вторичного воздуха для осуществления ступенчатого сжигания топлива позволяет снизить образование топливных оксидов азота в корне факелов вследствие локаль- ной нехватки кислорода,

Недостатком этой топки (особенно ее газомазутного варианта) является высокий уровень генерации термических оксидов азота, образуемых за счет окисления азота воздуха. Это обусловлено тем, что ввод струй вторичного воздуха из-за низкого рас- положения сопл осуществляется в высокотемпературную зону факела с температурой продуктов горения более 1550°С. Кроме то- го, в данной топке горизонтально направленные струи вторичного воздуха легко увлекаются вверх еще не потерявшим кинетическую энергию факелом, в результате чего перемешивание реагентов затягивается, так как оно осуществляется, по существу, в спутных потоках. По этой же причине не удается осуществить регулирование температуры на выходе из топки за счет перерас- пределения расхода воздуха между горелками и соплами.

Цель изобретения - уменьшение образования оксидов азота в топке при повышении эффективности сжигания топлива.

Поставленная цель достигается тем, что в топке содержащей вертикальную призматическую экранированную камеру сгорания, расположенный над ней поворотный газоход, по крайней мере один ряд подовых горелок, параллельный большой плоскости симметрии камеры сгорания, и пары сопл вторичного воздуха, размещенных на ее больших вертикальных стенах и направленных тангенциально относительно вертикальных условных тел вращения, оси которых расположены в большой плоскости симметрии камеры сгорания, сопла вторичного воздуха установлены в верхней части камеры сгорания под поворотным газоходом и направлены с наклоном вниз на угол 25-50° по отношению к горизонтальной плоскости, причем количество пар сопл равно числу горелок в одном ряду, а диаметр условных тел вращения составляет не более 0,5 шага размещения горелок в ряду.

Центры выходных сечений сопл размещены в плоскостях, проходящих через оси горелок и перпендикулярных большой плоскости симмеТрий кҐм е ры сгбрания

Кроме того, оси сопл размещены в пло- скостях, проходящих через оси горелок под непрямым углом к большой плоскости симметрии камеры сгорания.

Благодаря указанным отличительным признакам в предлагаемой топке процесс

перемешивания вторичного воздуха с недогоревшим топливом перенесен из нижней в верхнюю часть вертикальной призматической экранированной камеры сгорания, где за счет отданного тепла экраном температура газов существенно меньше 1550°С, т.е. отсутствует одно из двух необходимых условий (Т 1550°С, ,0) для образования термических оксидов азота. Сам процесс перемешивания интенсифицирован за счет лучшего использования кинетической энергии существенно наклоненных вниз свежих струй вторичного воздуха. Ввод этих струй в хвостовую часть факела, когда последний практически расширился на все горизонтальное сечение камеры сгорания, а его мак- симальная скорость (вблизи большой плоскости симметрии камеры) значительно уменьшилась, позволяет практически исключить выход продуктов горения в поворот- ный газоход через центральную зону камеры, обеспечив его через пространства между свежими струями вторичного воздуха. В результате такой аэродинамики происходит значительная (принудительная) рециркуляция продуктов горения в свежие струи вторичного воздуха, направленные с наклоном вниз. Это увеличивает время пребывания реагентов в верхней части камеры сгорания, причем покидающие ее топочные газы оказываются сильно турбулизирован- ными. Исключению проскока вверх недогоревшего топлива в приосевых зонах условных тел вращения, где указанный проскок наиболее вероятен, способствует диаметр условных тел вращения не более 0,5 шага размещения горелок в ряду или количество пар сопл вторичного воздуха, равное числу горелок в ряду. Все это обеспечивает более полный выжиг топлива. При переводе предлагаемой топки с мазута на газ и возникновении потребности снижения температуры продуктов горения на выходе из топки это можно осуществить, увеличив скорость вторичного воздуха и, соответственно, уменьшив расход (скорость) воздуха на выходе из подовых горелок. В этом случае за счет увеличения эжекционной способности направленных с наклоном вниз струй вторичного воздуха дополнительно увеличивается время пребывания недогоревшего топлива в камере сгорания, что приводит к снижению температуры газов на выходе из топки за счет увеличения теплоотдачи из факела в зоне дожигания.как излучением, так и за счет конвективной составляющей передачи тепла. Конвективная составляющая тепла воспринимается экранными трубами больших вертикальных стен в районе размещения сопл, вследствие увеличения

скорости движения продуктов горения в пристенной зоне.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходима совокупность отличительных признаков. Сохранение только одного из признаков этой совокупности не позволяет обеспечить указанные положительные особенности аэродинамики в верхней части камеры сгорания.

На фиг. 1 изображен вариант предлагаемой топки с однорядным размещением четырех подовых горелок с четырьмя парами сопл вторичного воздуха, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг

3- вариант топки с двухрядным размещением восьми подовых горелок и с четырьмя парами сопл вторичного воздуха, продольный разрез; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.

Топка содержит вертикальную призматическую экранированную камеру 1 сгорания, расположенный над ней поворотный газоход 2, подовые горелки 3 (на фиг. 1,2- в одном ряду, а на фиг 3, 4 - в двух рядах, параллельные плоскости симметрии камеры 1 сгорания) и пары сопл 4 вторичного воздуха, размещенные на больших вертикальных стенах 5 камеры 1 сгорания. Сопла

4направлены тангенциально относительно четырех вертикальных условных тел вращения, оси которых расположены в большой плоскости симметрии камеры 1 сгорания и на фиг. 1 и 2 совпадают с осями подовых горелок 3. Сопла 4 вторичного воздуха (центры их выходных сечений) установлены на расстоянии от нижней границы поворотного газохода, равном 0,15Ь(на фиг. 1)и 0,26h (на фиг. 3), где h - высота камеры 1 сгорания относительно среза подовых горелок 3. Сопла 4 вторичного воздуха наклонены вниз относительно горизонтальной плоскости на угол 45° (на фиг. 1) и на угол 35° (на фиг. 3).

Компоновка сопл 4 в горизонтальном сечении представленных вариантов топки различна. На фиг. 2 центры выходных сечений сопл 4 расположены в плоскостях, проходящих через оси горелок 3 и перпендикулярных большой плоскости симметрии камеры 1 сгорания. На фиг. 4 оси сопл 4 размещены в плоскостях, проходящих через оси горелок 3 под непрямым углом к большой плоскости симметрии камеры 1 сгорания. Диаметры условных тел вращения составляют 0,35 S (на фиг. 2) и 0,5

5(на фиг. 4), где S - шаг размещения горелок в ряду.

Топка работает следующим образом.

Топливо в смеси с первичным воздухом (или дополнительно с газами рециркуляции) подается через подовые горелки 3 в камеру

1 сгорания и загорается в ней при недостатке воздуха (а перв 0,6-0,8). Факелы горелок 3 поднимаются в центральной части камеры 1 сгорания и отдают посредством излучения

тепло ее настенным экранным трубам. По мере продвижения вверх они охлаждаются, гася максимальную скорость и расширяясь в горизонтальном сечении. Несмотря н а высокую температуру, в нижней половине камеры 1 сгорания образование здесь оксидов азота сдерживается существенной нехваткой кислорода. Недостающий до полного выгорания топлива воздух подается в камеру 1 сгорания через сопла 4 вторичного воздуха. Перемешивание вторичного воздуха с недогоревшим топливом осуществляется в верхней части камеры 1 сгорания благодаря высокому размещению сопл 4 на больших вертикальных стенах 5. При этом исключается процесс генерации термических оксидов азота из азота воздуха, так как температура факела в верхней части камеры сгорания, где происходит дожигание топлива, существенно меньше 1550°С. Благодаря

наклону сопл 4 вторичного воздуха происходит запирание центральной зоны топки и транспортировка хвостовых частей факела из этой зоны к большим вертикальным стенкам 5 под свежие струи вторичного воздуха.

Таким образом, выход догорающего факела в поворотный газоход 2 топки осуществляется через пространства между свежими струями вторичного воздуха, вытекающими из сопл 4. При этом происходит турбулизация догорающего факела свежими струями и значительная (принудительная) рециркуляция в них продуктов горения. В результате увеличивается время пребывания газов в зоне дожигания, что способствует тому, что

в поворотный газоход 2 топки топочные газы поступают практически с полностью сгоревшим топливом.

Как показали проведенные исследования, оптимальное размещение сопл соответствует их расположению в верхней части камеры сгорания на расстоянии не более 0,3 h от поворотного газохода, где h - расстояние между ним и срезом подовых горелок (высота призматической камеры сгорания).

В этом случае исключается попадание вторичного воздуха в локальные зоны топочного объема с температурой более 1550°С, что исключает образование термических оксидов азота в процессе дожигания топлива.

Благодаря модельным исследованиям топок выявлено, что степень неперемешанно- сти потоков на входе в поворотный газоход резко возрастает при невыполнении угла наклона сопл в пределах 25-50°. Так, при

продувках модели топки, изображенной на фиг. 1 и 2, при расходе вторичного воздуха 40 % от общегб его количества и углах наклона сопл 15, 25, 35, 45 и 55° степень непере- мешанности потоков на входе в поворотный газоход составила соответственно 9,3,2,2 и 6%. В случае угла наклона 15° ( и менее) струи вторичного воздуха подходят к противоположной стене топки в основном выше ввода в нее свежих струй вторичного воздуха этой стены, что существенно уменьшает долю рециркуляции и время пребывания газов в верхней части камеры сгорания. Чрезмерный угол наклона сопл вниз (на 55° и более) способствует тому, что центральная часть топки является местом увеличенного прямого проскока в поворотный газоход газов с недогоревшим топливом, тогда как в периферийных зонах (ближе к большим стенам) в поворотный газоход поступает поток газов с повышенной долей неперемешанного вторичного воздуха. На основании изло- жёнУГого предлагаемую топку следует выполнять с углами наклона сопл в пределах 25-50°, когда степень неперемешанности потоков на входе в поворотный газоход, а следовательно, и пропорциональный ей недожог топлива относительно невысоки.

Для достижения наибольшего эффекта сопла вторичного воздуха целесообразно размещать равномерно по ширине больших стен камеры сгорания. Эффект перемешивания вторичного воздуха с недогоревшим топливом может быть увеличен, когда центры выходных сечений сопл установлены в плоскостях, проходящих через оси горелок и перпендикулярных большой плоскости симметрии. В этом случае горизонтальный шаг размещения сопл соответствует шагу размещения горелок, что исключает проскок факелов горелок без взаимодействия с соответствующей тангенциальной парой воздушных струй (см. фиг.2). ПрРГдҐуХряд- ном размещении горелок целесообразно осуществить принцип: одна струя вторичного воздуха взаимодействует с факелом одной подовой горелки. В этом случ аё оси сопл следует разместить в плоскостях, проходящих через оси горелок под непрямым углом к большой плоскости симметрии камеры сгорания, причем каждая такая плоскость должна проходить через ось только одной горелки (см. фиг. 4). В этом случае кинетическая энергия каждой свежей струи вторичного воздуха расходуется для перемешивания его с нёдогоревшйм топливом факела одной горелки, причем наибольшая равномерность перемешивания (фиг.4) достигается принятием диаметра услбвного

тела вращения 0,5 S, где S - шаг размещения горелок в ряду. В этом случае в проекции на горизонтальное сечение топки движение струй вторичного воздуха, проходящих через оси горелок, т.е. через места наиболее вероятного проскока недогоревшего топлива в горизонтальный газоход, напоминает аэродинамику встречно смещенных струй, которая характеризуется наибольшей равномерностью и интенсивностью перемешивания потоков. При однорядном размещении горелок (фиг.2) следует идти на меньший диаметр условного тела вращения, чем 0,5 S, особенно при относительно

низком расположении сопл. В этом случае струи вторичного воздуха проходят ближе, чем на расстоянии 0,25 S от осей подовых горелок, что надежно предотвращает проскок недогоревшего топлива в поворотный

газоход.

Предлагаемая топка позволяет уменьшить образование оксидов азота в ее объеме при повышении эффективности сжигания топлива.

Формула изобретения

1.Топка, содержащая вертикальную призматическую экранированную камеру

сгорания, расположенный над ней поворотный газоход, по крайней мере один ряд под- овых горелок, параллельный большой плоскости симметрии камеры сгорания, и пары сопл вторичного воздуха, размещенных на ее больших вертикальных стенах и направленных тангенциально относительно вертикальных условных тел вращения, оси которых расположены в большой плоскости симметрии камеры сгорания, отличаю ща я с я тем, что, с целью уменьшения образования оксидов азота при повышении эффективности сжигания топлива, сопла вторичного воздуха установлены в верхней части камеры сгорания под поворотным газоходом и направлены с наклоном вниз на угол 25-50° по отношению к горизонтальной плоскости, причем количество пар сопл равно числу горелок в одном ряду, а диаметр условных тел вращения составляет не более

0,5 шага размещения горелок в ряду.

2.Топка поп.1,отличающаяс ятем, что центры выходных сечений сопл размещены в плоскостях, проходящих через оси горелок и перпендикулярных большой плоскости симметрии камеры сгорания.

3.Топка по п.1, отл ича ющ,ая с ятем, что оси сопл размещены в плоскостях, проходящих через оси горелок под непрямым углом к большой плоскости симметрии камеры сгорания.

4

Ы

л

4

4

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может быть использовано на тепловых электростанциях с целью уменьшения образования оксидов азота в топке при повышении эффективности сжигания топлива. Топка содержит вертикальную призматическую экранированную камеру сгорания, расположенный над ней поворотный газоход, по крайней мере один ряд подовых горелок, параллельный большой плоскости симметрии камеры сгорания, и пары сопл вторичного воздуха, размещенных на ее больших вертикальных стенках и направленных тангенциально относительно вертикальных условных тел вра- щения, оси которых расположены в большой плоскости симметрии камеры. Сопла вторичного воздуха установлены в верхней части камеры сгорания под поворотным газоходом и направлены с наклоном вниз на угол 25-50°, причем количе ство пар сопл равно числу горелок в одном ряду, а диаметр условных тел вращения составляет не более 0,5 шага размещения горелок в ряду, 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

V)

rii

M

to

rf)

o i

Фиг. 2

Б-6

Фиг.Ь