ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ТОПКА
PULVERISED COAL FURNACE

Заявляемая пылеугольная топка относится к области тепловой энергетики и может быть использована на паровых котлах с прямым вдуванием угольной пыли.
Известна топка, содержащая экранированные прямоугольную вертикальную камеру сгорания и двускатную холодную воронку, шлаковый комод, поярусные прямоточные пылеугольные горелки, установленные на противоположных стенах камеры сгорания и направленные тангенциально по отношению к вертикальной условной поверхности тела вращения с некоторым наклоном вниз (аналог: рис. 1, 2, стр. 124, 125 в сборнике: «Паровые котлы большой мощности», изд. НПО ЦКТИ, Л., 1982 г.). Недостаток топки-аналога заключается в стехиометрическом режиме сжигания и чрезмерной концентрации факелов горелок в приосевой зоне топки с увеличением в этой зоне температуры, в результате чего удельный выброс оксидов азота в 2-3 раза превышает нормативную величину. Кроме того, недостаточно эффективно используется объем холодной воронки, т.к. при увеличении угла наклона горелок вниз происходит шлакование скатов холодной воронки и возрастают потери с мехнедожогом из-за увеличения содержания горючих в шлаке.
Наиболее близкой к заявляемой пылеугольной топке является известная топка, содержащая экранированные прямоугольную вертикальную камеру сгорания и двускатную холодную воронку, две прямоточные пылеугольные горелки, установленные на противоположных стенах камеры сгорания по встречно-смещенной схеме и направленные тангенциально по отношению к вертикальной условной поверхности тела вращения с наклоном вниз, два воздушных сопла, установленные ниже узкого сечения холодной воронки по встречно-смещенной схеме и направленные наклонно вверх (прототип: патент на изобретение №:2087798 РФ. «Способ сжигания твердого топлива с твердым шлакоудалением и вихревая топка для его осуществления», опубл. 20.08.1997 г., фиг. 3, 4»). Недостаток топки-прототипа заключается в том, что она предназначена для котла сравнительно небольшой мощности, т.к. содержит всего две горелки. Кроме того, поскольку нижние стены воздушных сопл выполнены заподлицо со скатами холодной воронки, происходят сепарация и отложение золы и шлака на ее трубах и эрозионный износ экранных труб.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении надежности работы экранных труб холодной воронки, повышении тепловой мощности топки и повышении экологической эффективности топки. Технический эффект, состоящий в форсированном обеспечении холодной воронки и шлакового комода факелом и интенсификации процесса горения угольной пыли, достигается тем, что в известной пылеугольной топке, содержащей экранированные прямоугольную вертикальную камеру сгорания и двускатную холодную воронку, шлаковый комод, установленные по встречно-смещенной схеме на противоположных стенах камеры сгорания и наклоненные вниз прямоточные пылеугольные горелки с растопочными горелками, размещенными под ними, воздушные сопла, установленные ниже узкого сечения холодной воронки по встречно-смещенной схеме и направленные наклонно вверх, согласно изобретению на больших вертикальных стенах шлакового комода размещены рассредоточено воздушные сопла в количестве, превышающем число пылеугольных горелок, а оси этих сопл направлены под острым углом по отношению к вертикальным стенам шлакового комода, причем указанный угол меньше острого угла между скатами холодной воронки и вертикальными стенами шлакового комода.
Кроме того, пылеугольные горелки установлены в 2 ярусах в шахматном порядке на каждой стене, растопочные горелки размещены под пылеугольными горелками нижнего яруса, над пылеугольными горелками верхнего яруса установлены сопла третичного воздуха с наклоном вниз на угол, который больше угла наклона вниз пылеугольных горелок, а выходные участки горелок и сопл третичного воздуха выполнены в виде блоков из нескольких расположенных друг над другом труб.
Заявляемая топка иллюстрирована фиг. 1 и 2, где схематически представлены продольный и горизонтальный ее разрезы соответственно. В изображенном варианте топка содержит экранированные камеру сгорания 1, двускатную холодную воронку 2, шлаковый комод 3, размещенные на противоположных стенах камеры сгорания 1 по встречно-смещенной схеме и направленные с наклоном вниз прямоточные пылеугольные горелки 4-15 в первом ярусе и 16-27 - во втором. В отличие от прототипа на больших стенах шлакового комода 3 установлены рассредоточено воздушные сопла 40-90 в количестве, превышающем число пылеугольных горелок 4-27, а оси этих сопл направлены под острым углом γ по отношению к вертикальным стенам шлакового комода 3 с пересечением ими узкого горизонтального сечения холодной воронки 2, причем угол γ меньше острого угла δ между скатами холодной воронки 2 и вертикальными стенами шлакового комода 3. Кроме того, в варианте исполнения пылеугольной топки пылеугольные горелки 4-27 установлены в 2 ярусах в шахматном порядке на каждой стене, растопочные горелки 28-39 размещены под пылеугольными горелками нижнего яруса 4-15, над пылеугольными горелками верхнего яруса 16-27 установлены сопла третичного воздуха 91-102 с наклоном вниз на угол α, который больше угла наклона вниз β пылеугольных горелок 4-27, а выходные участки горелок 4-27 и сопл третичного воздуха 91-102 выполнены в виде блоков из нескольких расположенных друг над другом труб.
Пылеугольная топка работает следующим образом. Угольная пыль в смеси с первичным воздухом поступает в камеру сгорания 1 из пылеугольных горелок 4-27 наклонно вниз под углом β. В выходном сечении пылеугольных горелок 4-27 избыток организованного воздуха существенно меньше 1, т.к. помимо горелок 4-27 воздух подается в топку через сопла 40-90 шлакового комода 3 и сопла третичного воздуха 91-102. Поэтому угольная пыль быстро прогревается и загорается. Раннему загоранию угольной пыли способствует повышенный периметр непосредственного контакта высокотемпературных топочных газов и пылевоздушной смеси на выходе из горелок 4-27 и встречный характер движения взаимодействующих потоков. Выполнение выходных участков горелок 4-27 и сопл третичного воздуха 91-102 в виде блоков из расположенных друг над другом труб (в данном случае четырех труб вместо одной) существенно (в данном случае в два раза) увеличивает периметр непосредственного контакта топочных газов и корней струй горелок 4-27 и сопл третичного воздуха 91-102. Таким образом, в 2 раза интенсифицируется зажигание пыли и перемешивание продуктов сгорания с третичным воздухом. Примерно на уровне границы холодной воронки 2 и камеры сгорания 1 происходит перемешивание факела с вторичным воздухом, вытекающим из растопочных горелок 28-39. Благодаря инерционности движущегося наклонно вниз факела, содержащего значительную долю недогоревших угольных пылинок, часть факела поступает в среднюю и даже нижнюю части холодной воронки 2. Здесь продукты сгорания взаимодействуют с движущимися с повышенной скоростью наклонно вверх струями воздуха, вытекающими из большого количества рассредоточенных сопл 40-90 шлакового комода 3. Выполнение большого количества сопл 40-90 на неэкранированных вертикальных стенках шлакового комода 3 не может вызвать конструктивных затруднений. В результате указанного взаимодействия происходит дальнейшее выгорание угольных пылинок в процессе их многократного выталкивания из узкой части холодной воронки и обратного движения вниз пылинок большого размера и шлаковых конгломератов. Аэродинамически процесс горения в объеме холодной воронки 2 напоминает горение частиц в кипящем слое, но без использования традиционно устанавливаемой под ним колпачковой решетки, представляющей элемент пониженной надежности. В процессе наладки котла с заявляемой пылеугольной топкой может быть комплексно эффективным угрубление помола угольной пыли в мельничных системах прямого вдувания. Интенсивность перемешивания реагентов в зоне действия струй третичного воздуха на выходе из сопл 91-102 обусловлена высокой скоростью истечения третичного воздуха, их встречно-смещенной компоновкой, повышенным углом их наклона вниз (α>β) и выполнением сопл 91-102 в виде блоков, состоящих из нескольких расположенных друг над другом труб. Надежность работы экранных труб нижней части холодной воронки 2 против шлакования и эрозионного износа обеспечивается рассредоточением и большим количеством сопл 40-90 шлакового комода 3 и соотношением углов: δ>γ.
Благодаря режиму ступенчатого сжигания, рассредоточению факела по ширине, глубине и высоте камеры сгорания 1 и холодной воронки 2, а также интенсивному перемешиванию реагентов ожидается повышение надежности, экономичности и экологической безопасности работы заявляемой пылеугольной топки.