Циклонный предтопок

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована для сжигания природного газа или жидкого топлива в различных котельных установках.
Известен циклонный предтопок, содержащий камеру сгорания, снабженную осевой форсункой с периферийным завихрителем, короба торцового и тангенциального подвода воздуха, тангенциальные сопла подачи воздуха, размещенные по образующей камеры сгорания, узел тангенциального ввода газа, сопла-насадки в виде дозвуковых эжекторов, расположенные симметрично относительно продольной оси камеры, подключенные к газовому коллектору и кольцевую газовую камеру, снабженную радиальными отверстиями и размещенную за периферийным завихрителем, отличающийся тем, что тангенциальные сопла подачи воздуха расположены не менее чем двумя рядами, на равных расстояниях по периметру друг от друга, при этом узел тангенциального ввода газа выполнен в виде газораздаточного коллектора, выпускные сопла которого размещены в полости тангенциальных сопел подачи воздуха, на равных расстояниях по периметру друг от друга, кроме того, газовый коллектор, кольцевая газовая камера и газораздаточный коллектор связаны с источником газа отдельными газопроводами, снабженными регулируемыми задвижками (см. патент РФ № 46558, МПК F23C 5/32, дата публикации 10.07.2005).
Однако в режиме работы этого циклонного предтопка при сжигании газообразного топлива происходит нагревание тепловым излучением факела наружной стенки короба тангенциального подвода воздуха, что вызывает ее выгорание.
Кроме того, подача как газа, так и воздуха происходит в тангенциальном направлении, из-за чего их смешивание происходит недостаточно эффективно. То есть при режимах работы более 70% от номинальной нагрузки предтопка не обеспечиваются заявленные экологические и технические показатели работы.
В качестве ближайшего аналога принят циклонный предтопок, содержащий камеру сгорания, выполненную в форме цилиндрического стакана, футерованного огнеупорным материалом, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть, узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания, включающий торцевую вихревую камеру, установленную снаружи камеры сгорания на ее торцевой части, узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, включающий короб циклонного типа, установленный снаружи камеры сгорания на ее цилиндрической части, и тангенциальные воздушные сопла, выполненные в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания, узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания, включающий форсунку, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания по ее центральной оси, узлы осевой и торцевой подачи газа в камеру сгорания, которые включают осевые и торцевые сопла соответственно, смонтированные в распределительном осевом газовом коллекторе, установленном с торцевой стороны камеры сгорания, узел тангенциальной подачи газа в камеру сгорания, включающий распределительный тангенциальный газовый коллектор, смонтированный снаружи предтопка и соединенный с внешним источником газа, и трубки тангенциальной подачи газа, которые проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, при этом первый конец каждой из трубок тангенциальной подачи газа соединен с распределительным тангенциальным газовым коллектором, а второй конец выполнен открытым в виде сопла тангенциальной подачи газа, расположенного внутри полости тангенциального воздушного сопла, и отогнут под острым углом от направления тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, обеспечиваемого тангенциальным воздушным соплом так, чтобы отогнутый участок трубки тангенциальной подачи газа исключал внутренний визуальный просвет трубки тангенциальной подачи газа в направлении от одного ее конца к другому концу (см. патент РФ № 2443940, МПК F23C 1/08, F23C 5/32, F23C 7/02, дата публикации 27.02.2012).
Недостатком ближайшего аналога является неэффективное использование объема камеры сгорания при нагрузках, близких к номинальным, что напрямую влияет на экологические показатели работы и значение коэффициента полезного действия (КПД) котельной установки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка конструкции циклонного предтопка, позволяющего максимально эффективно использовать объем камеры сгорания при номинальных нагрузках котла, обеспечивая улучшенное сгорание топлива и более высокий КПД котельной установки.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении надежного, эффективного и экономичного сжигания природного газа во всем диапазоне нагрузок котельной установки за счет следующих факторов:
- более эффективное использование объема камеры сгорания при увеличении нагрузки котельной установки;
- увеличение доли сжигаемого топлива при надежном охлаждении внутренней футеровки;
- улучшение условий теплообмена в топке;
- увеличение мощности котла;
- снижение эмиссии оксидов азота;
- повышение КПД котельной установки.
Поставленная задача решается тем, что циклонный предтопок, содержащий камеру сгорания, выполненную в форме цилиндрического стакана, футерованного огнеупорным материалом, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть, узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания, включающий торцевую вихревую камеру, установленную снаружи камеры сгорания на ее торцевой части, узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, включающий короб циклонного типа, установленный снаружи камеры сгорания на ее цилиндрической части, и тангенциальные воздушные сопла, выполненные в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания, узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания, включающий форсунку, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания по ее центральной оси, узлы осевой и торцевой подачи газа в камеру сгорания, которые включают осевые и торцевые сопла соответственно, смонтированные в распределительном осевом газовом коллекторе, установленном с торцевой стороны камеры сгорания, узел тангенциальной подачи газа в камеру сгорания, включающий распределительный тангенциальный газовый коллектор, смонтированный снаружи предтопка и соединенный с внешним источником газа, и трубки тангенциальной подачи газа, которые проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, при этом первый конец каждой из трубок тангенциальной подачи газа соединен с распределительным тангенциальным газовым коллектором, а второй конец выполнен открытым в виде сопла тангенциальной подачи газа, расположенного внутри полости тангенциального воздушного сопла, и отогнут под острым углом от направления тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, обеспечиваемого тангенциальным воздушным соплом так, чтобы отогнутый участок трубки тангенциальной подачи газа исключал внутренний визуальный просвет трубки тангенциальной подачи газа в направлении от одного ее конца к другому концу, отличается тем, что содержит дополнительный продольный ряд параллельных трубок тангенциальной подачи газа, которые проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, причем один из концов каждой трубки дополнительного продольного ряда выполнен открытым в виде прямолинейного сопла тангенциальной подачи газа, расположенного внутри полости тангенциального воздушного сопла, при этом каждый из продольных рядов подключен к отдельному распределительному тангенциальному газовому коллектору, причем сопла трубок тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда расположены глубже в полостях тангенциальных воздушных сопел относительно сопел трубок тангенциальной подачи газа основного продольного ряда.
Кроме того, трубки тангенциальной подачи газа основного продольного ряда ориентированы под углом 9 градусов относительно оси тангенциального воздушного сопла.
Кроме того, сопла трубок тангенциальной подачи газа основного продольного ряда отогнуты под углом 12 градусов относительно трубок тангенциальной подачи газа основного продольного ряда.
Кроме того, трубки тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда ориентированы под углом до 3 градусов относительно трубок тангенциальной подачи газа основного продольного ряда в сторону внутренней стенки тангенциальных воздушных сопел.
Кроме того, открытый конец каждой трубки тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда в виде сопла расположен в области начала внешней стенки тангенциального воздушного сопла.
Кроме того, в полости одного тангенциального воздушного сопла расположено не более двух сопел тангенциальной подачи газа.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие что циклонный предтопок «содержит дополнительный продольный ряд параллельных трубок тангенциальной подачи газа, которые проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, причем один из концов каждой трубки дополнительного продольного ряда выполнен открытым в виде прямолинейного сопла тангенциальной подачи газа, расположенного внутри полости тангенциального воздушного сопла» позволяют увеличить долю сжигаемого топлива в циклонном предтопке при нагрузках более 70% от номинальной нагрузки котельной установки и тем самым более эффективно использовать объем камеры сгорания.
Признак «каждый из продольных рядов подключен к отдельному распределительному тангенциальному газовому коллектору» обеспечивает независимую подачу газа для каждого из продольных рядов трубок тангенциальной подачи газа.
Признаки «сопла трубок тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда расположены глубже в полостях тангенциальных воздушных сопел относительно сопел трубок тангенциальной подачи газа основного продольного ряда» и признаки четвертого зависимого пункта формулы способствуют увеличению заполнения объема камеры сгорания циклонного предтопка горящей топливно-воздушной смесью.
Признаки зависимых пунктов формулы описывают расположение и ориентацию трубок тангенциальной подачи газа и их сопел для обоих рядов в полости тангенциального воздушного сопла.
На фиг.1 изображен поперечный разрез циклонного предтопка.
На фиг.2 изображен продольный разрез циклонного предтопка.
На фиг.3 изображено тангенциальное воздушное сопло с размещенными в его полости трубками тангенциальной подачи газа с соплами.
На чертежах показаны камера сгорания 1, торцевая вихревая камера 2, короб 3, тангенциальные воздушные сопла 4, форсунка 5, осевые 6 и торцевые 7 сопла подачи газа соответственно, распределительный осевой газовый коллектор 8, распределительные тангенциальные газовые коллекторы 9 и 10, трубки 11 и 12 тангенциальной подачи газа основного и дополнительного продольных рядов с соплами 13 и 14 тангенциальной подачи газа соответственно, аксиальный лопаточный завихритель 15, круглое окно 16, трубки 17 торцевой подачи газа, кольцевая воздушная камера «улитка» 18, футеровка 19 камеры сгорания 1, перегородки 20 тангенциальных воздушных сопел 4, внешняя 21 и внутренняя 22 стенки тангенциального воздушного сопла 4, ось 23 тангенциального воздушного сопла 4, оси 24 и 25 трубок 11 и 12 тангенциальной подачи газа основного и дополнительного продольных рядов соответственно.
Камера сгорания 1 выполнена в форме цилиндрического стакана из огнеупорного материала, например стали, с футеровкой 19 из огнеупорного кирпича, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть.
Узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания 1 включает форсунку 5, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания 1 по ее центральной оси.
Узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания 1 включает торцевую вихревую камеру 2, установленную снаружи камеры сгорания 1 на ее торцевой части, аксиальный лопаточный завихритель 15, установленный вокруг форсунки 5 в круглом окне 16.
Узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания 1 включает короб 3 и кольцевую воздушную камеру «улитка» 18 циклонного типа, установленную снаружи камеры сгорания 1 на ее цилиндрической части, и тангенциальные воздушные сопла 4, выполненные в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания 1.
Узел торцевой подачи газа в камеру сгорания 1 включает распределительный осевой газовый коллектор 8, выполненный вокруг аксиального лопаточного завихрителя 15, и трубки 17 торцевой подачи газа, расположенные вокруг круглого окна 16.
При этом один конец каждой из трубок 17 торцевой подачи газа соединен с внешним источником газа (на чертежах не показан) через распределительный осевой газовый коллектор 8, а другие концы выполнены открытыми в виде торцевых сопел 7 подачи газа и расположены перпендикулярно торцевой части камеры сгорания 1.
Узел осевой подачи газа в камеру сгорания 1 включает распределительный осевой газовый коллектор 8, расположенный непосредственно вокруг аксиального лопаточного завихрителя 15, а также осевые сопла 6 подачи газа, расположенные в круглом окне 16, которое является образующей стороной распределительного осевого газового коллектора 8.
Узел тангенциальной подачи газа в камеру сгорания 1 содержит распределительные тангенциальные газовые коллекторы 9 и 10, смонтированные снаружи предтопка и соединенные с внешним источником газа (на чертежах не показан), и трубки 11 и 12 тангенциальной подачи газа основного и дополнительного продольных рядов соответственно, которые проходят сквозь кольцевую воздушную камеру «улитка» 18 в тангенциальном направлении.
При этом первый конец каждой из трубок 11 и 12 тангенциальной подачи газа основного и дополнительного продольных рядов подключен к распределительным тангенциальным газовым коллекторам 9 и 10 соответственно, а второй конец выполнен открытым в виде сопла 13 и 14 тангенциальной подачи газа соответственно, расположенного внутри полости тангенциального воздушного сопла 4, в которой расположено не более двух сопел 13, 14 тангенциальной подачи газа.
Трубки 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда ориентированы под углом 9 градусов относительно оси 23 тангенциального воздушного сопла 4.
Сопла 13 трубок 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда отогнуты под углом 12 градусов относительно трубок 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда так, чтобы отогнутый участок этой трубки 11 исключал внутренний визуальный просвет трубки 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда в направлении от одного ее конца к другому концу.
Трубки 12 тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда ориентированы под углом до 3 градусов относительно трубок 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда в сторону внутренней стенки 22 тангенциальных воздушных сопел 4.
Сопла 14 трубок 12 тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда расположены глубже в полостях тангенциальных воздушных сопел 4 относительно сопел 13 трубок 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда, при этом открытый конец каждой трубки 12 тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда в виде сопла 14 расположен в области начала внешней стенки 21 тангенциального воздушного сопла 4.
Циклонный предтопок предназначен для работы котельной установки в диапазоне нагрузок от 10 до 100% при сжигании газа.
При пуске котла и циклонного предтопка в работу, а также при нагрузках котельной установки ≤15% от номинальной, газ от внешнего источника (на чертежах не показан) подается в камеру сгорания 1 из распределительного осевого газового коллектора 8 по трубкам 17 торцевой подачи через торцевые сопла 7 и через осевые сопла 6.
В режиме сжигания природного газа, при нагрузках котельной установки ≤70% от номинальной, газ от внешнего источника (на чертежах не показан) подается в распределительный осевой газовый коллектор 8 и распределительный тангенциальный газовый коллектор 9.
При нагрузках котельной установки ≤70% от номинальной газ поступает в камеру сгорания 1 тремя путями: из распределительного осевого газового коллектора 8 по трубкам 17 торцевой подачи через торцевые сопла 7 и через осевые сопла 6, а также из распределительного тангенциального газового коллектора 9 по трубкам 11 тангенциальной подачи газа основного продольного ряда через сопла 13.
При сжигании природного газа при нагрузках котельной установки ≥70% от номинальной, газ от внешнего источника (на чертежах не показан) подается в распределительный осевой газовый коллектор 8, распределительный тангенциальный газовый коллектор 9 и распределительный тангенциальный газовый коллектор 10.
При нагрузках котельной установки ≥70% от номинальной газ дополнительно подается в распределительный газовый коллектор 10, откуда по трубкам 12 тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда через сопла 14 поступает в камеру сгорания 1. При этом соотношение расходов газа между соплами 13 и 14 тангенциальной подачи газа основного и дополнительного продольных рядов составляет 70%/30%.
Воздух подается через короб 3 в торцевую вихревую камеру 2 и в кольцевую воздушную камеру «улитка» 18 при соотношении расходов 25%/75%, такая комбинированная подача позволяет снизить аэродинамическое сопротивление циклонного предтопка в 6 раз.
Воздух из торцевой вихревой камеры 2 поступает на аксиальный лопаточный завихритель 15, проходит через него, смешиваясь с газом, поступающим из осевых сопел 6, и поступает в камеру сгорания 1 для сжигания.
При прохождении в кольцевой воздушной камере «улитка» 18 воздух нагревается в среднем на 40° за счет отвода тепла от внешней поверхности футеровки 19 камеры сгорания 1. Поступая в камеру сгорания 1 через тангенциальные воздушные сопла 4, воздух создает пристенную завесу, предохраняющую футеровку 19 из огнеупорного кирпича от перегрева и разрушения.
При сжигании жидкого топлива (например мазут, нефть, дизтопливо) в качестве резервного, от внешнего источника (на чертежах не показан) подается топливо на форсунку 5 для его дальнейшего распыла в камеру сгорания 1.
Авторы провели испытания циклонного предтопка со следующими характеристиками:
мощность 65 МВт;
на базе котельного агрегата КВГМ-100-150;
номинальная нагрузка котельной установки Qном=116 МВт (100 Гкал/ч);
13 осевых сопел подачи газа в виде отверстий диаметром 4 мм;
24 трубки торцевой подачи газа с соплами диаметром 10 мм;
16 трубок тангенциальной подачи газа основного ряда с соплами диаметром 32 мм и 12 трубок тангенциальной подачи газа дополнительного ряда с соплами диаметром 25 мм;
длина внешней стенки тангенциального воздушного сопла 256 мм;
основной ряд трубок тангенциальной подачи газа занимает 2/3 (т.е. 160 мм) длины внешней стенки тангенциального воздушного сопла;
дополнительный ряд трубок тангенциальной подачи газа располагается на входе в тангенциальное воздушное сопло и занимает 4 мм длины внешней стенки тангенциального воздушного сопла.
Футеровка циклонного предтопка при нагрузках котельной установки ≥70% от номинальной за счет увеличения скорости газовоздушного потока и снижения времени пребывания факела в камере сгорания охлаждается быстрее, чем при нагрузках котельной установки ≤70%, и ее температура не превышает в среднем 170°.
Температура газовоздушного потока в пристенной области камеры сгорания (на расстоянии ≤100 мм от футеровки) при нагрузке котельной установки 50-70% от номинальной составляет 300-400°, а с ростом нагрузки снижается и составляет 100-200°. Это происходит потому, что на нагрузках котельной установки ≤70% от номинальной тангенциальная составляющая вектора полной скорости газовоздушного потока в пристенной области составляет 20-30 м/с, а с ростом нагрузки котельной установки скорость возрастает до 70-90 м/с.
Таким образом, при нагрузках котельной установки ≥70% от номинальной подключение трубок тангенциальной подачи газа дополнительного продольного ряда позволит эффективнее использовать объем камеры сгорания (≥80%), увеличить долю сжигаемого топлива с возможностью регулирования эффективности смесеобразования, снижения эмиссии оксидов азота, при надежном охлаждении внутренней футеровки, улучшить условия теплообмена в топке и увеличить мощность котла.
Благодаря этому КПД брутто котельной установки увеличится до 93,5%, что на 0,8% больше нормативного КПД, заводское значение которого составляет 92,7%.