ВИХРЕВАЯ ТОПКА
VORTEX FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к топочным устройствам, работающим, в том числе, на низкосортном пылеугольном топливе, и может быть использовано в котельных установках на тепловых электростанциях.
Известна вихревая топка [Авторское свидетельство СССР №340836, F23C 5/24, 01.01.1972, Авторское свидетельство СССР №483559, F23C 5/12, 05.09.1975], содержащая, по крайней мере, одну наклонную щелевую горелку для подачи смеси топлива с воздухом и сопло вторичного воздуха, размещенное в нижней части топки.
Известна вихревая топка [SU 288218, F23J 1/08, F23C 5/24, 01.01.1970], имеющая цилиндрическую камеру горения, сопла для подвода топливовоздушной смеси, размещенные по касательной к внутренней окружности топки и козырек, отклоняющий газы и частицы топлива к месту подвода воздуха. Кроме того, с целью предотвращения уноса несгоревших частиц топлива и получения равномерного поля скоростей газового потока на входе в камеру охлаждения, плоскости экранов, образующие пережим топки, наклонены по отношению к вертикали в сторону, противоположную направлению вращения топливовоздушного потока с тем, чтобы погасить крутку потока в зоне пережима. Достоинствами конструкции являются рациональные массогабаритные характеристики топки, однофронтальное расположение горелок, маневренные характеристики.
Недостатком такой топки является ряд негативных аэродинамических факторов в структуре закрученного потока в вихревой топке, таких как эффект Коанда в камере охлаждения, наличие возвратных течений и рециркуляционных зон [Саломатов В.В., Красинский Д.В., Аникин Ю.А., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В., Энхжаргал X. Экспериментальное и численное исследование аэродинамических характеристик закрученных потоков в модели вихревой топки парогенератора // Инженерно-физический журнал. 2012. Т. 85, №2. С. 266-276]. Причиной этих эффектов являются конструктивные особенности топки.
Наиболее близким техническим решением является вихревая топка [Патент РФ №2042084, F23C 5/32, 19.11.1990], содержащая горизонтальную цилиндрическую футерованную камеру горения с направляющим козырьком и плоским пережимом, тангенциальными соплами подачи топлива и первичного окислителя и золоотводящими патрубками, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности, камера горения дополнительно содержит тангенциальный патрубок подвода вторичного окислителя, расположенный в нижней точке периметра камеры горения.
Недостатками такого устройства является наличие застойных зон в нижней части топки и отклонение верхней струи от своего первоначального направления. Последняя особенность является причиной выноса части несгоревшего топлива из камеры горения [Аникин Ю.А., Ануфриев И.С. Красинский Д.В., Саломатов В.В., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. Физическое и численное моделирование внутренней аэродинамики вихревой топки с рассредоточенным тангенциальным вводом горелочных струй // Вестник Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2013. Т. 8, вып. 2. С. 86-94, Красинский Д.В., Саломатов В.В., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В., Шадрин Е.Ю., Аникин Ю.А. Моделирование топочных процессов при сжигании распыленного угля в вихревой топке усовершенствованной конструкции. Часть 1. Аэродинамика течения в вихревой топке // Теплоэнергетика. 2015. №2. С. 41-46].
Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое устройство, являются: подавление эффекта Коанда в камере охлаждения, предотвращение выноса части несгоревшего топлива из камеры горения из-за подпирания верхней струи для повышения полноты выгорания пылеугольного топлива, и ограничение уровня эмиссии оксидов азота, образующихся в высокотемпературном потоке в камере горения.
Поставленные задачи решают путем использования новой конфигурации вихревой топки с многоступенчатым тангенциальным вводом топливовоздушных струй для организации форсированного нестехиометрического сжигания распыленного угля в вихревом факеле с высокой степенью циркуляции потока. Согласно изобретению вихревая топка, содержащая горизонтальную цилиндрическую футерованную вихревую камеру горения с направляющим козырьком, диффузор, вертикальную камеру охлаждения и тангенциальные сопла для подвода топливовоздушной смеси (основные сопла) и подачи вторичного окислителя (дополнительные сопла), имеет следующие параметры: основные и дополнительные тангенциальные сопла расположены в верхней части камеры горения так, что основные сопла ориентированы под углом 20°≤β≤30° к горизонту, что позволяет устранить отклонение верхнего факела, а дополнительные сопла расположены напротив основных и ориентированы вертикально вниз, что позволяет «прижать» основные струи и снизить вынос несгоревшего топлива в камеру охлаждения, направляющий козырек, расположенный под основными соплами в камере горения, выполнен в виде дуги окружности радиусом, в два раза меньшим радиуса камеры горения, относительная ширина горловины диффузора h=H/2R, где Η - ширина горловины диффузора, R - радиус камеры горения, лежит в диапазоне 0,3≤h≤0,4, что уменьшает проявление эффекта Коанда в камере охлаждения, при этом углы раскрытия диффузора лежат в диапазоне 40°≤α≤50°.
На фиг. 1 показана схема вихревой топки (общий вид в системе координат XYZ, верхняя часть камеры охлаждения не показана). Пунктирной линией обозначена плоскость симметрии. На фиг. 2 показано поперечное сечение топки. Где: 1 - вихревая камера горения; 2 - диффузор; 3 - камера охлаждения; 4 - основные сопла; 5 - дополнительные сопла; 6 - «козырек»; α - углы раскрытия диффузора; β - рациональный угол наклона оси основных сопел к горизонту; h - относительная ширина горловины диффузора; R - радиус вихревой камеры горения.
Вихревая топка содержит горизонтальную футерованную вихревую камеру горения 1 с тангенциальными соплами 4 для подвода струи аэросмеси, в которой создается вихревой факел с горизонтально расположенной осью вращения, и соплами 5 для подачи вторичного окислителя, диффузор 2, вертикальную камеру охлаждения 3, насыщенную двухсветными экранами и ширмами.
В конструкции вихревой топки реализовано разделение на две зоны: высокотемпературного горения внутри футерованной вихревой камеры горения 1; теплосъема, организованного в камере охлаждения 3, насыщенной тепловоспринимающими экранными поверхностями. Тангенциальные сопла основные 4 и дополнительные 5 расположены в верхней части камеры горения. Основные сопла, которые служат для подвода топливовоздушной смеси, установлены под углом 20°≤β≤30° к горизонту, что позволяет устранить отклонение верхнего факела. Дополнительные сопла 5, которые служат для подачи вторичного окислителя, ориентированы вертикально вниз, что позволяет «прижать» основные струи и снизить вынос несгоревшего топлива в камеру охлаждения. Под основными соплами расположен направляющий «козырек» 6, выполненный в виде дуги окружности, радиус которой в два раза меньше радиуса камеры горения. Такое конструктивное решение способствует предотвращению выноса части несгоревшего топлива из камеры горения из-за подпирания основных струй и, соответственно, повышению полноты выгорания пылеугольного топлива и ограничению уровня эмиссии оксидов азота, образующихся в высокотемпературном потоке в камере горения.
Стенки вихревой камеры горения 1 покрыты слоем теплозащитной износостойкой футеровки, за счет которой в камере 1 создают тепловые условия, близкие к адиабатическим, в результате чего в процессе сжигания угольного топлива в вихревой камере горения 1 достигают температуры порядка 2000°С и обеспечивают тем самым условия для устойчивого режима непрерывного жидкого шлакоудаления.
Вихревая топка работает следующим образом.
Путем подачи горелочных струй через тангенциальные сопла 4 и 5 в вихревой камере горения 1 формируют закрученный поток с горизонтально расположенной осью вихря. Через основные сопла 4 подают струи первичного воздуха с распыленным в нем угольным топливом (струи аэросмеси), одновременно этим струям организуют дутье вторичного сухого воздуха через сопла 5. Основные входные струи топливовоздушной смеси, подаваемые под углом 20°≤β≤30° к горизонту, развиваются вдоль закрученного потока в вихревой камере горения 1 и взаимодействуют с нисходящими струями вторичного окислителя, подаваемого из дополнительных сопел 5. Прогрев топливовоздушных струй, истекающих из основных сопел 4, происходит при их взаимодействии с горячим закрученным потоком в вихревой камере, что сопровождается процессом выхода летучих компонент угольного топлива и их сгоранием с интенсивным тепловыделением. Подача вторичного воздуха через дополнительные сопла 5 обеспечивает приток окислителя, необходимый для дожигания углерода кокса.
Аэродинамическая структура потока в вихревой топке характеризуется «перчаточной» схемой, т.е. пространственным пересечением входящих из основных сопел 4 топливовоздушных струй с закрученным потоком в вихревой камере горения 1, восходящая часть которого обтекает эти струи снизу вверх и затем поступает в область диффузора 2 и далее в камеру охлаждения 3. Такая аэродинамическая структура обусловливает высокую интенсивность турбулентного перемешивания, интенсификацию процессов тепломассопереноса в вихревой камере горения 1 и, соответственно, надежное сжигание низкореакционных твердых топлив, а также рециркуляцию продуктов сгорания в зону пылеугольного факела, за счет которой понижается эмиссия оксидов азота в вихревой камере горения. При этом благодаря наличию в новых конфигурациях вихревой топки дополнительного тангенциального дутья обеспечивают расширение способов управления аэродинамической структурой потока и режимными параметрами, включая использование принципа стадийного сжигания путем обеспечения условий недостатка окислителя в вихревом факеле камеры горения с последующим дожиганием топлива, и, как следствие, возможность повышения показателей усовершенствованной топки [Аникин Ю.А., Ануфриев И.С. Красинский Д.В., Саломатов В.В., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. Физическое и численное моделирование внутренней аэродинамики вихревой топки с рассредоточенным тангенциальным вводом горелочных струй // Вестник Новосиб. гос .ун-та. Серия: Физика. 2013. Т. 8, вып. 2. С. 86-94, Красинский Д.В., Саломатов В.В., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В., Шадрин Е.Ю., Аникин Ю.А. Моделирование топочных процессов при сжигании распыленного угля в вихревой топке усовершенствованной конструкции. Часть 1. Аэродинамика течения в вихревой топке // Теплоэнергетика. 2015. №2. С. 41-46].
Выбор соотношения расходов газовых фаз первичной и вторичной струй, γ, определяет взаимодействие между двумя входными потоками, так, например, для γ=3 часть вторичной струи отклоняется, что приводит к возникновению зоны рециркуляции, расположенной над основной входной струей (вблизи горловины диффузора), и происходит частичное перенаправление потока окислителя через диффузор в камеру охлаждения. Это позволяет интенсифицировать процесс дожигания несгоревшего топлива (кокса и углерода в газовой фазе СО).
В камере охлаждения температура быстро уменьшается по высоте топки, причем основным механизмом отвода тепла в экранные поверхности является лучистый теплоперенос. При этом температурное поле в камере охлаждения становится более равномерным, что обусловлено эффективным теплоотводом из топочного объема в теплоноситель парогенератора благодаря заложенному в конструкции насыщению камеры охлаждения вихревой топки тепловоспринимающими экранными поверхностями. В результате достигается повышение КПД котла и уменьшение высоты топки.
С помощью математической модели, основанной на смешанном эйлер-лагранжевом описании двухфазной среды, были описаны все основные взаимосвязи процессов переноса: турбулентного движения, межфазного взаимодействия с учетом скоростного и температурного скольжения фаз, химического гетерогенного и газофазного реагирования, лучистого теплообмена, при сжигании распыленного бурого угля в вихревой топке предлагаемой конструкции, а также были рассчитаны ее основные теплотехнические и экологические характеристики.
mean
max
4
2
2
2
3
Полученные в расчетах интегральные в выходном сечении камеры охлаждения х=8.1 м (перед выпускным газоходом) теплотехнические и экологические параметры исследуемой вихревой топки имеют следующие значения: осредненная по сечению температура T=1018°C, максимальная температура T=1199°C, коэффициент потерь тепла от механической неполноты сгорания топлива q=2.0%, осредненные значения концентраций (по объему): [O]=1.12%, [СО]=48 ppm, [NO]=313 ppm. При этом концентрация NO (в пересчете на 6%-ное содержание О при нормальных условиях) в выходном сечении составила 485 мг/нм. Отсюда можно сделать вывод о том, что полученный уровень выбросов NOx остается в пределах допустимых значений, принятых в теплоэнергетике - несмотря на высокий уровень температуры в вихревой камере горения - благодаря использованию пониженного значения коэффициента избытка воздуха, а также эффекту рециркуляции продуктов сгорания в зону горения в вихревой камере.
рез
пад
пад
рез
аv
av
av
В расчетах показана также повышенная эффективность работы тепловоспринимающих поверхностей в камере охлаждения предложенной вихревой топки. Эффективность работы тепловоспринимающих поверхностей в камере охлаждения топки оценивалась путем расчета коэффициентов тепловой эффективности экранов Ψ=Q/Q по полученному в результате численного моделирования полю тепловых потоков (где Q - падающий на стенку тепловой поток, a Q - результирующий (т.е. воспринятый) тепловой поток). Осредненные по площади каждой экранной поверхности значения Ψ находятся в диапазоне 0.41<Ψ<0.57 (в зависимости от типа поверхности). Полученные значения Ψ в вихревой топке в целом выше, чем типичный уровень Ψ ~0.4 для большинства топочных устройств.
Таким образом, результаты численного моделирования для принятых конструктивных и режимных параметров вихревой топки свидетельствуют, что ее основные теплотехнические и экологические характеристики соответствуют принятым в теплоэнергетике ограничениям, что подтверждает обоснованность выбора конструктивных и режимных параметров. Одновременно с этим для предложенной конструкции вихревой топки достигаются такие показатели энергоэффективности, как повышенные значения коэффициента тепловой эффективности экранных поверхностей (что способствует повышению КПД котла) и режим непрерывного жидкого шлакоудаления, который обеспечивается высоким объемным тепловыделением (и соответствующим высоким уровнем температуры) в камере горения.
Поэтому использование в составе паровых котлов тепловых электростанций предлагаемой вихревой топки новой конструкции позволит повысить энергоэффективность при одновременном снижении выбросов оксидов азота.