КОТЕЛ ЦКС С ВНУТРИТОПОЧНЫМИ ЦИКЛОНАМИ

Полезная модель относится к энергетике и может использоваться при создании котлов, в том числе большой и средней мощности, с циркулирующим кипящим слоем со встроенными, сокращенно ЦКС.
Известен (1. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов Н.В. Котлы и топки с кипящим слоем. – М.: Энергоатомиздат, 1966. Рис. 5.37, стр.242) котел с циркулирующим кипящим слоем, имеющий экранированную камеру сгорания с соплами вторичного дутья и воздухораспределительной решеткой, подключенные к ней входными соплами циклоны, по меньшей мере, один с вертикальной осью вращения, включенные с помощью сливных каналов с дозаторами циркулирующих частиц (ЦЧ) в контур циркуляции ЦЧ, причем циклоны через выходные патрубки и камеры дожигания соединены с конвективными газохода котла. Выносимый из камеры сгорания поток ЦЧ улавливается в циклонах, ссыпается по сливным каналам и регулируется дозаторами ЦЧ, обеспечивая экологически эффективное низкотемпературное сжигание различных топлив с управлением нагрузкой котла. При этом возможна установка нескольких циклонов, подключенных к конвективным газоходам котла, что позволяет создавать широкий типоразмерный ряд котлов с циркулирующим кипящим слоем различной мощности с П-образной компоновкой.
Эти котлы ЦКС имеют следующие недостатки:
сложны по конструкции и в эксплуатации, так как выполненные из обмуровки футерованные циклоны, сливные каналы и дозаторы ЦЧ изнашиваются, растрескиваются и работают ненадежно;
из-за увеличенных габаритов котлы плохо компонуются и значительно увеличивают объём строительной части котельного цеха.
Известен более перспективный (1. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов Н.В. Котлы и топки с кипящим слоем. – М.: Энергоатомиздат, 1966. Рис. 5.43, стр.251 и 252) котел с циркулирующим кипящим слоем со встроенными циклонами (ЦКС), выбранный в качестве прототипа. Он имеет выполненные экранами камеру сгорания с соплами вторичного дутья и воздухораспределительной решеткой, подключенный к ней входным соплом циклон с горизонтальной осью вращения и расположенный под ним сливной канал, включенные в контур циркуляции ЦЧ, причем циклон соединен с конвективным газоходом котла через выходной патрубок. Выполнение стен камеры сгорания, циклона, бункера и сливного канала плоскими или изогнутыми в одной плоскости экранами дает дополнительную поверхность теплосъема, обеспечивает надежное охлаждение этих элементов, снижает габариты котла на 20% и упрощает его конструкцию и эксплуатацию. Боковой вывод ЦЧ из циклона из зоны повышенного давления обеспечивает самотечную циркуляцию частиц без применения дозаторов, что также повышает надежность, упрощает конструкцию котла.
Недостатками прототипа является:
ограничение по единичной мощности котла и по его компоновке, так как в прототипе используется один циклон, причем с односторонним расположением выходного патрубка;
низкая эффективность циклона;
малый диапазон регулирования нагрузки и низкая экологическая эффективность котла.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение: единичной мощности, эффективности работы, экологических характеристик, диапазона регулирования нагрузки, и вариантов компоновки котла ЦКС.
Поставленная цель достигается тем, что в котле ЦКС со встроенными циклонами, который имеет камеру сгорания с соплами вторичного дутья и воздухораспределительной решеткой, по полезной модели предлагается к камере сгорания подключить входными соплами два циклона с горизонтальной осью вращения, расположенных симметрично относительно поперечной плоскости симметрии камеры сгорания, сливные каналы для возврата уловленных в циклонах циркулирующих частиц разместить под циклонами и подключить к камере сгорания патрубками подключения сливных каналов, в которых установлены сопла разбрасывающего дутья, причём камера сгорания, циклоны и сливные каналы образованы внешними экранами и двусветными экранами, а циклоны через выходные патрубки и камеры дожигания соединить с конвективными газоходами котла.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является, во-первых, возможность двукратного увеличения единичной мощности котла в соответствии с установкой двух циклонов и двукратным расширением камеры сгорания. Такая операция условно представляется как зеркальное отражение прототипа относительно поперечной плоскости симметрии двукратно расширенной камеры сгорания. В общем случае циклоны могу устанавливаться попарно, симметрично относительно поперечной плоскости симметрии камеры сгорания по схеме последовательного, попарного подключения групповых циклонов (Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). Л., «Энергия», 1977. Рис. III-38, разрез Б-Б и III-39а, разрез А-А стр87 и 88.) соответственно с двух, четырех, шести и т.д. кратным увеличением единичной мощности котла. Односторонний выход дымовых газов, конвективных газоходов, при этом дает П-образную компоновку котла ЦКС.
Дополнительно в п.2 предлагается выходные патрубки циклонов выполнить в виде направленных встречно выходящему потоку кольцевых сопл дожигающего дутья с закручивающими лопатками, которые установлены в их выходных сечениях. Это создает охлаждаемую воздухом, надежно работающую простую конструкцию выходных патрубков, а подача на выхлоп циклона вихревого потока острого дутья обеспечивает экологически наиболее чистое и эффективное дожигание частиц по трехступенчатой схеме.
Дополнительно в п.3 предлагается между циклонами и камерами дожигания установить подключенные к сливным каналам бункеров и на их стенах расположить, причем соосно с циклонами, со стороны камеры дожигания выходные патрубки, а со стороны циклонов круглые газоотводящие окна. Это техническое решение вводит последовательное двойное сжатие вихря, что дает дополнительную ступень улавливания ЦЧ в бункерах, они лучше удерживаются, быстрее догорают, эффективность работы циклонов повышается. Применение дополнительного п.3 улучшает эффективность работы котла ЦКС по любому из пп. 1 или 2 за счет более высокой эффективности двух ступеней улавливания ЦЧ.
Применение дополнительного п.4 улучшает эффективность работы котла, так как при подаче с дутьем дымовых газов в сопла вторичного дутья и в воздухораспределительную решетку можно регулировать, вынос и рециркуляцию ЦЧ. Соответственно можно управлять теплосъёмом и нагрузкой, а также температурой перегрева пара и параметрами топочного процесса за счет рециркуляции дымовых газов, расширяя диапазон регулирования нагрузки. Кроме того рециркуляция снижает эмиссию оксидов азота, она экологически эффективна.
Техническое решение по п.5 касается известного приема – закрытия экранов в зонах износа защитной обмуровкой или износостойкими съёмными накладками. Это дополнительно повышает надежность работы котла ЦКС.
Дополнительно в п.6 предлагается установить выходные патрубки с обеих сторон циклонов. Двухсторонний выход из циклонов, причем по любому из пп.1-5, двукратно увеличивает выходное сечение. Соответственно, единичную мощность котла ЦКС с учетом рассмотренной схемы последовательного, попарного подключения групповых циклонов можно увеличивать в четыре, восемь и так далее раз в сравнении с прототипом.
При этом согласно пп.7-9 за счет двухстороннего выхода появляется возможность создания котлов ЦКС с различными типами компоновки:
с Т – образной – с двумя опусными конвективными газоходами, которые установлены с обеих сторон котла, по п.7, образуя Т-образную компоновку;
с башенной – с двумя подъёмными конвективными газоходами, которые установлены рядом над камерой сгорания, по п.8, образуя башенную компоновку;
с П – образной – с двумя опусными конвективными газоходами, которые установлены рядом за камерой сгорания, по п.9, образуя П-образную компоновку.
Применение в паровых котлах двух конвективных газоходов дает существенные преимущества. Типично в конвективном газоходе больших размеров из-за температурных перекосов пароводяной поток пропускают по двум трактам и делаются перебросы с одной стороны на другую между поверхностями нагрева. Во-вторых, размещая преимущественно в одном конвективном газоходе пароперегреватель, а в другом испаритель и экономайзер можно получить простую схему регулирования температуру перегрева пара. В итоге, управляя расходом дымовых газов в двух конвективных газоходах, можно упростить как конструкцию котла, нет необходимости в дроблении и перебросах двух пароводяных потоках и получить простую схему регулирования температуры перегрева пара.
На фиг.1 схематически показан на поперечном разрезе Б-Б схема предлагаемого котла ЦКС и его основные элементы, на фиг.2 - продольный его разрез А-А в варианте Т – образной компоновки. На фиг.3 дано пояснение по конструкции циклонов с двухступенчатой схемой улавливания и на фиг.4 - вариант котла ЦКС с башенной компоновкой.
Котел 1 ЦКС, фиг.1 и фиг.2, имеет выполненные внешними 2 экранами и двусветными 3 экранами камеру сгорания 4 с соплами 5 вторичного дутья и воздухораспределительной решеткой 6. К камерам сгорания 4 подключены входными соплами 7 два циклона 8 с горизонтальной осью вращения. Под циклонами 8 расположены сливные каналы 9, которые, как и циклоны, и камера сгорания 4 выполнены внешними 2 и двусветными 3 экранами, причем двусветные экраны существенно уменьшают габариты котла 1 ЦКС. Сливные каналы 9 патрубками 10 подключения сливных каналов, в которых установлены сопла 11 разбрасывающего дутья, подключены к камере сгорания 4, и эти элементы 4, 7, 8, 9, 10 и 11 образуют контур циркуляции ЦЧ.
В котле 1 ЦКС циклоны 8 устанавливаются попарно, симметрично относительно поперечной плоскости симметрии 12 камеры сгорания 4. Циклоны 8 соединены с конвективными газоходами 13 котла 1 через выходные патрубки 14 и камеры дожигания 15. Выходные патрубки 14 и камеры дожигания 15 могут устанавливаться с одной или с обеих сторон циклонов 8 с соответствующим увеличением мощности котла 1 ЦКС.
При двухстороннем выходе котел 1 ЦКС удобно выполнять по Т-образной компоновке, фиг 2. Конвективные газоходы 13 котла 1 ЦКС могут устанавливаться над камерой сгорания 4 и соединяться с ней камерами дожигания 15 с образованием башенной компоновки котла 1 ЦКС, фиг 4. Котел 1 ЦКС может выполняться и по наиболее распространенной П- образной компоновке. Возможность выполнения котлов 1 ЦКС разной мощности, с различным количеством циклонов и по различным вариантам компоновки увеличивает применимость предлагаемого котла 1 ЦКС.
Выходные патрубки 14 с целью повышения надежности их работы, эффективности удержания и дожигания ЦЧ выполняются охлаждаемыми, в виде направленных в циклоны 8 встречно выходящему потоку кольцевых сопл дожигающего дутья, имеющих закручивающие лопатки, на схемах условно не показаны.
Между циклонами 8 и камерами дожигания 15 могут быть установлены бункеры 16 со сливными каналами 9, образованные экранами 2 и 3, фиг.3. При этом на экранах 2 и 3 расположены, причем соосно с циклонами 8, со стороны конвективного газохода 13 выходные патрубки 14, а со стороны циклонов круглые газоотводящие окна 17, и в итоге это дает дополнительную ступень улавливания ЦЧ циклонами 8.
В нижней части камеры сгорания 4 установлены: система подачи топлива 18, сопла 5 вторичного дутья, а также воздухораспределительная решетка 6, поддерживающая плотный кипящий слой 19. Котел 1 ЦКС имеет различное вспомогательное оборудование, включая дымососы 20, дымовую трубу 21, тракт рециркуляции 22, который подключен совместно с воздухозаборыми устройствами 23 через вентиляторы 24 первичного дутья к воздухораспределительной решетке 6, а через вентиляторы 25 вторичного дутья к соплам вторичного дутья 5. Воздухораспределительная решетка 6 имеет трубы 26 слива слоя.
При работе котла 1 ЦКС, фиг.1 и фиг.2, в заполненный разогретыми до 800-900°С частицами плотный кипящий слой 19 подается дроблёный уголь по системе подачи топлива 18, через сливные каналы 9 и патрубки 10 подключения сливных каналов при дутье в сопла 11 разбрасывающего дутья разбрасываются ЦЧ, уловленные в горизонтальных циклонах 8, и снизу, через воздухораспределительную решетку 6, вентилятором 24 первичного дутья нагнетаются с высоким напором поступающие из воздухозаборого устройства 23 первичный воздух и охлажденные дымовые газы из тракта рециркуляции 22. Здесь постоянная масса плотного кипящего слоя 19 поддерживается периодическим удалением золы через трубы 26 слива слоя, а топливо газифицируется, частично выгорает и совместно с частицами золы и продуктами неполного сгорания выносится в верхнюю часть камеры сгорания 4. Далее горение продолжается в потоке вторичного дутья, подаваемого через сопла 5 вторичного дутья вентиляторами 25 вторичного дутья, которое поступает из воздухозаборного устройства 23 и тракта рециркуляции 22.
Из камеры сгорания 4 горячие дымовые газы в соответствии с геометрией уходят, расходясь симметрично относительно поперечной плоскости симметрии 12 через входные сопла 7, и поступают в циклоны 8 с горизонтальной осью вращения. В циклонах 8 дымовые газы очищаются от ЦЧ и поступают в камеры дожигания 15, где унос дожигается в потоке дожигающего дутья, поступающего из кольцевых сопл выходных патрубков 14. Далее дымовые газы глубоко охлаждаются в конвективных газоходах 13 и дымососами 20 через дымовую трубу 21 сбрасываются для рассеивания в атмосферу. Частично дымовые газы возвращаются в котел 1 ЦКС по тракту рециркуляции 22. Следует отметить, что управляя работой дымососов 20 при этом можно регулировать расходы дымовых газов и тепловосприятия в конвективных газоходах 13 котла 1 ЦКС с использованием простой схемы.
Эффективность очистки от ЦЧ в циклонах 8 может быть значительно повышена при установке второй ступени улавливания с бункерами 16, фиг.3. При этом, как в основной схеме, выход вихря из циклона 8 в выходной патрубок 14 сначала сопровождается сжатием вихря, ускорением его вращения, очисткой уходящего потока от ЦЧ и раскрытием вихря за выходным патрубком 14. Но здесь вихрь после раскрытия повторно сжимается при выходе в соосно установленное круглое газоотводящее окно 17 со сбросом более мелких ЦЧ в бункер 16, что увеличивает эффективность работы циклонов 8.
Уловленные в циклонах 8 ЦЧ через сливные каналы 9 возвращаются в плотный кипящий слой 19 и повторно поднимаются, таким образом, ЦЧ циркулируют по контуру циркуляции, который образован перечисленными выше элементами 4, 7, 8, 9, 10 и 11. Так как камера сгорания 4, циклоны 8 и сливные каналы 9 образованы внешними 2 экранами и двусветными 3 экранами, то при рециркуляции ЦЧ охлаждаются экранами и выносят тепло из плотного кипящего слоя 19 и камеры сгорания 4, поддерживая экологически эффективный изотермический низкотемпературный режим сжигания топлива. Низкотемпературный режим, экологическая эффективность и обеспечение широкого диапазона регулирования нагрузки котла ЦКС 1 при устойчивой работе плотного кипящего слоя 19 также поддерживается регулируемой подачей в дутье охлажденных дымовых газов из тракта рециркуляции 22.
В итоге проведенное конкретное рассмотрение предлагаемой полезной модели с привлечением иллюстраций, фиг.1-4, показало, что в сравнении с прототипом обеспечено достижение заявленных целей, увеличения: мощности, вариантов компоновки котла ЦКС, эффективности работы, экологических характеристик, диапазона регулирования нагрузки.