Вихревая топка - RU2253800C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к области сжигания топлива, в частности к вихревым топкам, и может быть использовано для сжигания твердого органического топлива, например, на электростанциях.

В настоящее время возросла потребность в топках энергетических котлов, способных надежно работать при существенном изменении качественных характеристик твердого топлива, с приемлемой экономичностью сжигания, которая, прежде всего, характеризуется пониженной величиной потерь от механического недожога q₄, и улучшенными экологическими показателями: пониженной генерацией окислов азота NO_х и повышенным связыванием окислов серы SO_x.

Известна вихревая топка с установленной в верхней части горелкой и в нижней части соплом для подачи воздуха, SU 483559 А1.

Недостатком этого устройства является высокая степень эрозионного износа стенки топки вследствие воздействия на нее потока воздуха, выходящего из сопла и содержащего мелкие, наиболее эрозионноопасные частицы топлива и золы. Кроме того, при сжигании топлива грубого помола возможен провал несгоревших крупных частиц топлива из топки вследствие прохода этих частиц поперек потока воздуха из сопла, что обусловливает снижение полноты выгорания топлива в вихревой топке, и тем самым снижает ее коэффициент полезного действия.

Известна также вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки в ее средней части, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, см. RU 2154234.

Данное техническое решение, принятое за прототип настоящего изобретения, обеспечивает повышение полноты сгорания топлива и тем самым повышает коэффициент полезного действия вихревой топки, а также обеспечивает проход шлака из камеры сгорания через дополнительную камеру в шлаковый комод, что повышает надежность работы вихревой топки.

Однако поток воздуха, поступающий из дополнительного устройства в камеру сгорания, направлен на внутреннюю поверхность воронки и содержит значительное количество мелких, наиболее эрозионно опасных частиц золы и топлива, которые взаимодействуют со стенкой камеры сгорания, что обусловливает ее износ. Кроме того, ввиду высокой концентрации топлива в потоке воздуха, поступающем из дополнительного устройства в камеру сгорания, при сжигании топлива тонкого помола или с высокой удельной теплотой сгорания, может произойти чрезмерно высокое повышение температуры в отдельных зонах камеры сгорания, что обусловливает чрезмерный уровень образования окислов азота, снижение в этих зонах степени связывания окислов серы, а также возникновение активных отложений на стенках камеры сгорания соединений типа легкоплавких эвтектик, получающихся в результате пиропластических превращений в золовых частицах.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи уменьшения эрозионного воздействия на стенку камеры сгорания, а также выравнивание температурного поля в камере сгорания, что обусловливает снижение интенсивности отложений на стенках камеры сгорания, снижение генерации окислов азота и повышение степени связывания окислов серы.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в вихревой топке, содержащей камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, установлено дополнительное сопло для подачи воздуха, вмонтированное в зоне соединения воронки и дополнительной камеры, при этом продольная ось дополнительного сопла расположена под углом 1...45° к воображаемой плоскости, являющейся продолжением вогнутой стенки; по меньшей мере, одно сопло может быть выполнено секционным; сопла могут быть снабжены регуляторами расхода.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию “новизна”.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает весьма важное новое свойство, которое состоит в том, что потоки воздуха, выходящие из сопел (сопла, вмонтированного в стенку дополнительной камеры, и дополнительного сопла, вмонтированного в зоне соединения воронки и дополнительной камеры), практически не взаимодействуют друг с другом в нижней части камеры сгорания, что предотвращает попадание эрозионно опасных частиц на ее стенку. Кроме того, обеспечивается более равномерное распределение топлива в нижней части камеры сгорания, что обеспечивает выравнивание температурного поля (резкое уменьшение зон высокотемпературных максимумов), что значительно снижает образование окислов азота, повышает степень связывания окислов серы, а также предотвращает отложение легкоплавких эвтектик на стенках камеры сгорания.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема вихревой топки (продольный разрез), на фиг.2 - разрез по А-А в увеличенном масштабе.

Вихревая топка содержит камеру 1 сгорания, которая включает стенки 2, переходящие в нижней части в воронку 3. В одну из стенок 2 вмонтирована горелка 4, имеющая в конкретном примере наклон в сторону воронки 3. Под воронкой 3 размещена дополнительная камера 5, при этом верхняя часть дополнительной камеры 5 по периметру соединена с нижней частью воронки 3. Дополнительная камера 5 содержит стенку 6, расположенную со стороны горелки 4, и стенку 7, расположенную напротив стенки 6. В стенку 6 дополнительной камеры 5 в зоне ее нижней части со стороны горелки 4 вмонтировано сопло 8 для подачи воздуха, стенка 7 дополнительной камеры 5, расположенная напротив сопла 8 для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла 8 и расположена таким образом, что воображаемая плоскость 9, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки 3, в конкретном примере, в ее средней части. Продольная ось сопла 8 для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке 7 дополнительной камеры 5. Камера 1 сгорания снабжена дополнительным соплом 10 для подачи воздуха, вмонтированным в зоне соединения воронки 3 с дополнительной камерой 5, при этом продольная ось дополнительного сопла 10 расположена под углом 1° ≤α≤45° к воображаемой плоскости 9, являющейся продолжением вогнутой стенки 7 дополнительной камеры 5.

При α< 1° заявленный технический результат не достигается, и устройству будут свойственны недостатки, отмеченные у прототипа. При α>45° не происходит образования вихря в центральной зоне нижней части камеры 1 сгорания. Дополнительное сопло 10 будет работать в так называемом “фонтанирующем” режиме.

В конкретном примере сопла 8 и 10 снабжены регуляторами расхода в виде шиберов 11.

Сопла 8 и 10 могут быть секционными (например, цилиндрическими или щелевыми).

При сжигании топлив с высоким содержанием серы и высокой удельной теплотой сгорания возможна дополнительная подача в дополнительное сопло 10 продуктов сгорания (например, уходящих из топки газов) для повышения эффективности регулирования процессов горения, снижения вероятности образования легкоплавких эвтектик из частиц золы, снижения генерации окислов азота и повышения связывания окислов серы в нижней части камеры 1 сгорания.

Вихревая топка работает следующим образом:

Топливно-воздушная смесь, состоящая из измельченного топлива и воздуха, подается посредством горелки 4 во внутреннее пространство камеры 1 сгорания, при этом количество движения (расход, скорость) воздуха выбирается таким, чтобы обеспечить сепарацию и распределение частиц топлива разных размеров (фракций) по объему (высоте) камеры 1 сгорания. Топливно-воздушная смесь внутри камеры 1 сгорания воспламеняется и образует горящий факел 12, в котором сгорают самые мелкие частицы топлива. В процессе горения частиц топлива образуются газообразные продукты сгорания и зола. Часть несгоревших частиц топлива и часть золовых частиц под действием сил гравитации и инерции сепарируются в нижнюю часть камеры 1 сгорания, а именно в ее вихревую зону 13 горения. Воздух в нижнюю часть камеры 1 сгорания подается двумя потоками: через дополнительную камеру 5, посредством сопла 8, и дополнительное сопло 10.

Подача воздуха нижнего дутья двумя соплами 8, 10 под различными углами ввода в нижнюю часть камеры 1 сгорания обусловливает формирование двух независимых потоков. Ближний к внутренней поверхности воронки 3 поток из дополнительной камеры 5 направлен вдоль воображаемой плоскости 9, являющейся продолжением вогнутой стенки 7 дополнительной камеры 5, в среднюю часть внутренней поверхности воронки 3 со стороны горелки 4. Поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 10, создает циркуляцию мелких частиц топлива и золы во внутренней области вихревой зоны 13 горения.

Находящиеся в нижней части камеры 1 сгорания частицы топлива и золы попадают в потоки воздуха, выходящие из дополнительного сопла 10 и дополнительной камеры 5, и разделяются по размерам (классам крупности, фракциям) за счет воздействия на них последовательно этих потоков, при этом наиболее крупные (массивные) частицы топлива проходят эти потоки воздуха поперек и поступают в дополнительную камеру 5, а мелкие частицы топлива и золовые поступают в поток воздуха из дополнительного сопла 10. Расход потока дополнительного сопла 10 должен обеспечить отвеивание мелких частиц топлива и золы от крупных частиц топлива и транспортировку их в центральную область вихревой зоны 13 горения.

Расход потока воздуха из сопла 8 должен обеспечить удержание крупных частиц топлива в дополнительной камере 5. Конфигурация конструкции дополнительной камеры 5 и поток воздуха из сопла 8 обеспечивают многократную циркуляцию и выгорание крупных частиц топлива в объеме дополнительной камеры 5 и, по мере выгорания, вынос этих частиц в нижнюю часть камеры 1 сгорания. При этом обеспечивается более полное выгорание топлива в устройстве. Это обстоятельство снижает потери с механическим недожогом q₄, вследствие чего повышается экономичность работы камеры 1 сгорания, то есть ее коэффициент полезного действия.

Из двух потоков, подаваемых в нижнюю часть камеры 1 сгорания из дополнительной камеры 5 и дополнительным соплом 10, поток из дополнительной камеры 5, непосредственно омывающий стенку воронки 3, на которой установлена горелка 4, содержит минимальное количество мелких наиболее эрозионно опасных частиц золы и топлива. Это уменьшает эрозионный износ омываемых потоком из дополнительной камеры 5 стенки воронки 3 и стенки 2 камеры 1 сгорания, что повышает надежность работы вихревой камеры 1 сгорания.

Отвеивание части топлива в центральную область вихревой зоны 13 горения факела способствует выравниванию концентрации топлива и воздуха в объеме нижней - вихревой - части камеры 1 сгорания, что приводит к выравниванию в ней тепловыделения и, как результат, выравниванию поля температуры за счет исключения локальных температурных максимумов. Это обстоятельство снижает интенсивность пиропластических превращений в золовых частицах с образованием легкоплавких эвтектик и, вместе с вышеуказанным уменьшением воздействия золовых частиц на стенку камеры сгорания, снижает отложения на стенках камеры 1 сгорания, что повышает надежность ее работы.

Кроме того, пониженный в целом уровень температуры снижает образование окислов азота. Это же обстоятельство, в сочетании с многократной циркуляцией золовых частиц в вихревой зоне, приводит к значительному повышению связывания окислов серы. Таким образом, улучшаются экологические показатели устройства.

Изобретение может быть использовано, практически, для всей гаммы твердого органического топлива в широком диапазоне изменения его качественных характеристик и гранулометрического состава, позволяет повысить коэффициент полезного действия, надежность и безопасность работы топки за счет снижения вероятности эрозионного износа ее стен и отложений на ее стенах (их шлакования), а также снизить образование окислов азота за счет снижения и выравнивания общего уровня температуры в топке, и повысить связывание окислов серы основными окислами минеральной части топлива за счет увеличения скорости этих химических реакций при снижении уровня температуры.

Реферат

Настоящее изобретение относится к области сжигания топлива, в частности к вихревым топкам, и может быть использовано для сжигания твердого органического топлива, например, на электростанциях. Вихревая топка содержит камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, а также размещенную под воронкой дополнительную камеру, при этом верхняя часть дополнительной камеры по периметру соединена с нижней частью воронки, в стенку дополнительной камеры в зоне ее нижней части со стороны горелки вмонтировано сопло для подачи воздуха, стенка дополнительной камеры, расположенная напротив сопла для подачи воздуха, выполнена вогнутой относительно этого сопла и расположена таким образом, что воображаемая плоскость, являющаяся ее продолжением, пересекает противолежащую стенку воронки, а продольная ось сопла для подачи воздуха направлена под углом к вогнутой стенке дополнительной камеры, снабжена дополнительным соплом для подачи воздуха, вмонтированным в зоне соединения воронки и дополнительной камеры, при этом продольная ось дополнительного сопла расположена под углом 1...45° к воображаемой плоскости, являющейся продолжением вогнутой стенки; при этом в вихревой топке может быть, по меньшей мере, одно из сопел выполнено секционным; при этом в вихревой топке могут быть сопла снабжены регуляторами расхода. Изобретение позволяет уменьшить эрозионное воздействие на стенку камеры сгорания, а также выравнить температурное поле в камере сгорания, что обусловливает снижение вероятности (интенсивности) отложений на стенках камеры сгорания, снижение генерации окислов азота и повышение степени связывания окислов серы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула