ПАРОВОЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к котлостроению, а именно, к паровым котлам и может быть использована в промышленной энергетике при изготовлении и реконструкции котлов производительностью до 50 т пара в час.
Известен паровой котел, включающий каркас, закрепленные в каркасе топочную камеру, стены которой экранированы выполненными из труб фронтовым, задним, боковыми и потолочным экранами, подключенными к соответствующим верхним и нижним коллекторам, устройство для сжигания топлива, образующее под топочной камеры, сопла для подачи вторичного воздуха в зону горения топлива и горизонтальный газоход, герметично прилегающий к задней стене топочной камеры и сообщенный с последней посредством окна, конвективную поверхность нагрева, размещенную в горизонтальном газоходе и выполненную из труб, подключенных своими концами, соответственно, к верхнему и нижнему барабанам, при этом упомянутые верхний и нижний барабаны сообщены, соответственно, с верхними и нижними коллекторами названных экранов с образованием замкнутого циркуляционного контура (прототип). См. Ползуновский вестник. - по материалам III семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. - №1, 2004 г., стр.149.
В известном котле топочная камера организована как единое пространство. Поэтому твердые летучие частицы топлива, выносимые из зоны горения дымовыми газами, дожигаются при их перемещении вверх вдоль топочной камеры к горизонтальному газоходу. Для максимального снижения механического недожога топлива в известном котле топочная камера имеет достаточно большой объем, что приводит к увеличению габаритов, а значит, металлоемкости котла, увеличению его стоимости, удорожанию строительства помещения котельной.
Кроме того, в известном паровом котле верхний и нижний барабаны развернуты вдоль горизонтального газохода и подключенные к ним трубы конвективной поверхности нагрева образуют коридорный пучок, эффективность теплообмена в котором несколько ниже, чем при шахматном расположении труб, и, для обеспечения требуемой температуры дымовых газов на выходе из котла, требуется достаточно большая площадь конвективной поверхности нагрева, что приводит к увеличению длины барабанов, т.е. к увеличению габаритов котла, его металлоемкости. Площадь зеркала испарения при этом, для котлов паропроизводительностью 4-10 т пара в час, оказывается несколько завышенной.
Задачей полезной модели является создание парового котла с таким расположением барабанов и труб конвективной поверхности нагрева и с таким конструктивным выполнением топочной камеры, которые обеспечили бы уменьшение габаритов котла, а значит и его металлоемкости, без снижения КПД, мощностных и экологических характеристик.
Указанная задача решается тем, что в известном паровом котле, включающем каркас, закрепленные в каркасе топочную камеру, стены которой экранированы выполненными из труб фронтовым, задним, боковыми и потолочным экранами, подключенными к соответствующим верхним и нижним коллекторам, устройство для сжигания топлива, образующее под топочной камеры, сопла для подачи вторичного воздуха в зону горения топлива и горизонтальной газоход, герметично примыкающий к задней стене топочной камеры и сообщенный с последней посредством окна, конвективную поверхность нагрева, размещенную в горизонтальном газоходе и выполненную из труб, подключенных своими концами, соответственно, к верхнему и нижнему барабанам, при этом упомянутые верхний и нижний барабаны сообщены, соответственно, с верхними и нижними коллекторами названных экранов с образованием замкнутого циркуляционного контура, согласно полезной модели, задний экран топочной камеры отогнут в сторону ее фронтового экрана так, что образует перегородку, разделяющую топочную камеру на расположенные одна над другой камеру сгорания и камеру дожигания и имеющую окно для прохода дымовых газов, при этом трубы указанной перегородки врезаны своими концами в трубы фронтового экрана, сопла для подачи вторичного воздуха установлены с возможностью закручивания последним потока дымовых газов, верхний и нижний барабаны, с подключенными к ним трубами конвективной поверхности нагрева, развернуты поперек горизонтального газохода, а трубы к барабанам подключены в шахматном порядке. Задача решается также тем, что:
- задний экран топочной камеры в сторону ее фронтового экрана отогнут под углом к горизонтальной плоскости, равным 15-20°;
- потолочный экран образован отогнутой внутрь топочной камеры верхней частью фронтового экрана;
- горизонтальная ось гиба заднего экрана находится на уровне горизонтальной оси нижнего барабана;
- окно для прохода дымовых газов в перегородке выполнено из трубы, образующей его замкнутый контур, к которой подсоединены на входе и выходе соответствующие части труб указанной перегородки;
- окно для прохода дымовых газов в перегородке выполнено путем разводки ее труб;
- площадь окна для прохода дымовых газов составляет 15-35% площади поперечного сечения топочной камеры;
- окно для прохода дымовых газов в перегородке выполнено симметрично относительно вертикальной центральной оси топочной камеры;
- сопла для подачи вторичного воздуха установлены под углом или на стенах камеры сгорания и повернуты в одну сторону, так, что поток воздуха из каждого предыдущего сопла совмещается с потоком воздуха каждого последующего сопла с образованием единого вращающегося потока;
- котел снабжен по меньшей мере одним дополнительным устройством для разделения пароводяной смеси, связанным впускными трубопроводами с верхним коллектором, соответственно, по меньшей мере, одного экрана и нижним барабаном, а выпускными трубопроводами - по воде - с нижним коллектором упомянутого соответствующего экрана, а по пару - с верхним барабаном;
- устройство для разделения пароводяной смеси выполнено в виде центробежного циклона;
- центробежный циклон имеет диаметр 200-400 мм;
- центробежный циклон размещен вертикально, вдоль любой из стен топочной камеры;
- для получения перегретого пара котел дополнительно снабжен пароперегревателем, размещенным в горизонтальном газоходе между окном, выполненным в задней стене топочной камеры, и конвективной поверхностью нагрева и соединенным по пару с выходом верхнего барабана.
В дальнейшем полезная модель поясняется конкретным примером ее выполнения и чертежами, где на фиг.1 схематично изображен общий вид предлагаемого парового котла (продольный разрез); на фиг.2 - то же, вид А; на фиг.3 - то же, что на фиг.1 с дополнительным центробежным циклоном; на фиг.4 - то же, что на фиг.3 с дополнительным пароперегревателем.
Паровой котел включает каркас 1, закрепленную в каркасе 1 топочную камеру, стены 2 которой экранированы выполненными из труб фронтовым 3, задним 4, боковыми 5 и потолочным 6 экранами. Задний экран 4 топочной камеры отогнут в сторону ее фронтового экрана 3 с образованием перегородки 7, врезанной концами труб в трубы фронтового экрана 3 и разделяющей топочную камеру на расположенные одна над другой камеру сгорания 8 и камеру дожигания 9. При этом задний экран 4 в сторону фронтового экрана 3 отогнут под углом к горизонтальной плоскости α=15-20°. Потолочный экран 6 образован отогнутой внутрь топочной камеры верхней частые фронтового экрана 3.
В указанной перегородке 7, симметрично относительно центральной вертикальной оси топочной камеры, выполнено окно 10 для прохода дымовых газов из камеры сгорания 8 в камеру дожигания 9. В одном варианте окно 10 может быть выполнено из трубы, образующей его замкнутый контур, а трубы перегородки 7 соединены на входе и выходе с упомянутой трубой (не показано). В другом варианте окно 10 может быть выполнено путем разводки труб перегородки 7 (не показано). Площадь окна 10 составляет 15-35% от площади поперечного сечения топочной камеры.
К задней стене 2 камеры дожигания 9 герметично примыкает горизонтальный газоход 11, сообщенный с указанной камерой 9 посредством окна 12, выполненного в упомянутой задней стене 2, между перегородкой 7 и потолочным экраном 6 и предназначенного для выхода дымовых газон из камеры дожигания 9 в горизонтальный газоход 11. В горизонтальном газоходе 11 размещены верхний 13 и нижний 14 барабаны с подключенными к ним своими концами трубами 15 конвективной поверхности нагрева. При этом указанные барабаны 13, 14 с трубами 15 развернуты поперек горизонтального газохода 11, перпендикулярно его продольной оси, а трубы 15 конвективной поверхности нагрева к барабанам 13, 14 подключены в шахматном порядке.
Горизонтальная ось гиба заднего экрана 4 находится на одном уровне с горизонтальной осью нижнего барабана 14. Ниже задний экран 4 отогнуть нельзя, т.к. обнажается часть стены 2 топочной камеры и требуется ее дополнительная изоляция. Выше отогнуть задний экран 4 также нельзя, т.к. перекроется часть окна 12 для выхода дымовых газов из камеры дожигания 9.
Пареной котел включает также устройство для сжигания топлива (не показано), образующее под топочной камеры.
Имеются также сопла 16 для подачи вторичного воздуха в камеру сгорания 8, которые, в характеризуемом варианте, установлены по углам камеры сгорания 8 и повернуты в одну и ту же сторону так, что поток воздуха из каждого предыдущего сопла 16 совмещается с потоком воздуха из каждого последующего сопла 16 с образованием единого вращающегося потока.
В другом варианте сопла 16 могут быть установлены на стенах 2 камеры сгорания 8. В заявляемом паровом котле фронтовой 3, задний 4 и боковые 5 экраны топочной камеры подключены к соответствующим верхним 17 и нижним 18 коллекторам, а верхний 13 и нижний 14 барабаны сообщены, соответственно, с верхними 17 и нижними 18 коллекторами экранов 3, 4, 5, 6 с образованием замкнутого циркуляционного контура. В варианте, когда изготавливается паровой котел большей мощности, производительностью, например, до 35 т пара в час, расчетные размеры верхнего барабана 13, обуславливающие величину площади зеркала испарения 19, могут оказаться недостаточными для получения требуемого количества пара. В таком случае паровой котел дополнительно снабжают, по меньшей мере, одним центробежным циклоном 20, установленным вертикально вдоль удобной, по условиям монтажа, стены 2 топочной камеры, имеющим диаметр 200-400 мм и предназначенным для разделения дополнительного объема пароводяной смеси. В других вариантах, в зависимости от конкретных условий монтажа и производительности парового котла, может быть установлен один циклон большого диаметра или 2-4 центробежных циклона меньшего диаметра, включенных известным образом в циркуляционный контур котла.
Паровой котел, снабженный центробежным циклоном, показан на фиг.2. Центробежный циклон 20 впускными трубопроводами 21, 22 соединен, соответственно, с верхним коллектором 17 фронтового экрана 3 и нижним барабаном 14, а выпускными трубопроводами 23, 24, соответственно, по воде - с нижним коллектором 18 заднего экрана 4, а по пару - с верхним барабаном 13. Т.к. указанные центробежные циклоны 20 установлены вертикально вдоль стен топочной камеры и имеют небольшой диаметр, то их наличие практически не увеличивает габариты котла. Расчеты показывают, что паровой котел предлагаемой конструкции, паропроизводительностью 25 т пара в час, свободно размещается в помещении, предназначенном для известного котла производительностью всего 10 т пара в час, т.е. имеет практически вдвое меньший объем топочной камеры и горизонтального газохода, нежели известный паровой котел той же паропроизводительности.
В другом варианте котла (фиг.3), в случае необходимости получения перегретого пара, он дополнительно снабжен пароперегревателем 25, размещенным в горизонтальном газоходе 11, между окном 12, выполненным в задней стене 2 топочной камеры, и конвективной поверхностью нагрева. Впускной паропровод 26, предназначен для перепуска пара из верхнего барабана 13 в пароперегреватель 25. Указанный пароперегреватель 25 выполнен известным образом.
Паровой котел работает следующим образом: в исходном состоянии экраны 3, 4, 5, 6 топочной камеры, нижние 18 коллекторы, трубы 15 конвективной поверхности нагрева и нижний барабан 14 полностью заполнены водой. Верхний барабан 13 и верхние коллекторы 17 заполнены водой наполовину с образованием в верхнем барабане 13 на поверхности воды зеркала испарения 19. При горении топлива в устройстве для его сжигания (не показано) вода в экранах 3, 4, 5 топочной камеры нагревается дымовыми газами до кипения. Образующаяся при этом пароводяная смесь движется вверх и, через верхние коллекторы 17 экранов 3, 4, 5, 6, попадает в верхний барабан 13, где пар отделяется от воды и из пространства над зеркалом испарения 19 подастся потребителю. При этом по трубам 15 конвективной поверхности нагрева осуществляется циркуляция пароводяной смеси между ее верхним 13 и нижним 14 барабанами. Часть воды из нижнего барабана 14 стекает в нижние коллекторы 18 экранов, вновь закипает и движется вверх. И таким образом осуществляется непрерывный процесс генерирования пара.
При горении топлива в устройстве для его сжигания (не показано) образующиеся высокотемпературные дымовые газы подхватывают летучие частицы топлива и выносят их в пространство камеры сгорания 8, где они сгорают, благодаря притоку вторичного воздуха. При этом установка сопел 16, подающих вторичный воздух, с поворотом их в одну и ту же сторону, так, что поток воздуха из каждою предыдущего сопла совмещается с потоком воздуха из каждого последующего сопла с образованием единого вращающегося потока позволяет организовать вихревое движение дымовых газов и частиц топлива, увеличивая тем самым время нахождения последних в зоне высоких температур, обеспечивая, следовательно, более полное их сгорание в значительно меньшем, по сравнению с известным котлом, объеме топочной камеры. Наличие наклонной перегородки 7 также способствует увеличению времени нахождения частиц топлива в зоне высоких температур за счет их центробежной сепарации в периферийные зоны вихря.
Если образующий перегородку 7 задний экран 4 будет отогнут под углом к горизонтальной плоскости α<15°, то это может привести к расслоению пароводяной смеси в трубах перегородки 7 и вызвать тем самым перегрев и разрыв труб. Пели α>20°, то поток дымовых газов, выходящих в камеру дожигания 9, отклоняется в сторону окна в задней стене 2 топочной камеры и сразу направляется в горизонтальный газоход 11, ухудшая теплообмен и вынося в горизонтальный газоход 11 недогоревшие частицы топлива.
Частицы топлива, не успевшие сгореть в камере сгорания 8, выносятся дымовыми газами в камеру дожигания 9 через окно 10 в перегородке 7 и там дожигаются. Следует отметить, что при вихревом движении дымовых газов, несущих летучие частицы топлива, концентрация последних на периферии вихревого потока значительно превышает их концентрацию в осевой составляющей потока. Поэтому выполнение окна 10 симметрично относительно вертикальной центральной оси топочной камеры, позволяет совместить его с осевой составляющей потока и снизить тем самым вынос летучих частиц топлива в камеру дожигания 9. Указанный эффект усиливается также тем, что упомянутое окно 10 имеет площадь, равную 15-35% от площади поперечного сечения топочной камеры.
Если площадь окна 10 будет меньше 15% площади поперечного сечения топочной камеры, то увеличится аэродинамическое сопротивление движению дымовых газов и возникнет необходимость установки дымососа (не показано) повышенной мощности, что увеличит стоимость котла. Если площадь окна 10 будет больше 35% от площади поперечного сечения топочной камеры, то увеличится количество недогоревших частиц топлива, выносимых дымовыми газами в камеру дожигания, т.е. увеличится механический недожог топлива, для предотвращения чего потребуется увеличить высоту топочной камеры. Далее дымовые газы, несколько охлажденные экранами 3, 4, 5, 6, через окно 12, выполненное в задней стене 2, поступают в горизонтальный газоход 11, где их температура снижается до требуемых значений за счет отвода тепла к пароводяной смеси, циркулирующей в трубах 15 конвективной поверхности нагрева и удаляются дымососом (не показано). Поперечное расположение барабанов 13, 14 наряду с шахматным расположением труб 15 конвективной поверхности нагрева в горизонтальном газоходе 11 позволяет уменьшить, длину барабанов 13, 14 до ширины газохода 11, а значит и уменьшить количество подключенных к ним труб 15, что снижает габариты котла, его металлоемкость и, в конечном итоге, его стоимость. Шахматное расположение труб 15 конвективной поверхности нагрева позволяет улучшить теплообмен между дымовыми газами и средой, циркулирующей в трубах 15 и обеспечить требуемую температуру дымовых газов на выходе и требуемую паропроизводительность котла при меньших площадях конвективной поверхности нагрева и зеркала испарения 19. Расчеты показывают, что для котлов паропроизводительностью 6,5 и 10 т пара в час, уменьшение, по сравнению с известным паровым котлом, площади зеркала испарения и площади конвективной поверхности нагрева не повлияло на КПД, мощностные и экологические характеристики заявляемого парового котла.
В варианте, когда паровой котел оснащен дополнительным устройством для разделения пароводяной смеси - центробежным циклоном 20, горячая вода из нижнего барабана 14 по впускному трубопроводу 22 поступает на вход центробежного циклона 20, а пароводяная смесь тангециально поступает по впускному трубопроводу 21 из верхнего коллектора 17 фронтового экрана 3. В центробежном циклоне 20 пар, по выпускному трубопроводу 24, поступает в пространство над зеркалом испарения 19 верхнего барабана 13 и далее - к потребителю, а вода, опускаясь вдоль центробежного циклопа 20, по выпускному трубопроводу 23 поступает в нижний коллектор 18 заднего экрана 4. Таким образом обеспечивается большая паропроизводительность котла. В варианте с несколькими центробежными циклонами (не показано), связанными с соответствующими коллекторами и указанными верхним 13 и нижним 14 барабанами работа парового котла осуществляется аналогично. Размеры и количество центробежных циклонов определяются расчетом, в зависимости от требуемой паропроизводительности котла.
В варианте изготовления котла, использующегося для получения перегретого пара, работа его осуществляется аналогично вышесказанному, только пар из верхнего барабана 13 подается не к потребителю, а по впускному паропроводу 26 подается на вход пароперегревателя 25 и, циркулируя по его трубам, достигает, за счет теплообмена с дымовыми газами, требуемой температуры и затем идет к потребителю.