Котел с камерной топкой
BOILER WITH CHAMBER FURNACE

Изобретение относится к паровым и водогрейным котлам с камерной топкой полуоткрытого типа при тангенциальной схеме расположения горелок, которое обеспечивает получение вращающегося факела, удержание и интенсивное стабильное низкотемпературное сжигание частиц топлива с удалением шлака в твердом виде. Устройство может использоваться для сжигания угля и углесодержащих отходов, в том числе в виде водоугольного топлива - ВУТ, для перевода газомазутных котлов на уголь и пылеугольных котлов с жидким удалением шлака на его удаление в твердом виде.
Известен котел с камерной топкой, называемой гамма топкой ВТИ [1. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 17-30]. Топка разделена двухсторонним пережимом на камеру сгорания и расположенную над ней камеру дожигания. Она имеет прямоточные горелки, установленные на нижних гранях пережима, и работает с жидким удалением шлака. Благодаря встречно-наклонному размещению, горелки создают факелы с петлеобразными траекториями, проходящими через корни факелов. Подвод топочных газов к корню факелов обеспечивает интенсивное воспламенение, а пленка жидкого шлака обеспечивает высокоэффективное удержание и полное сгорание частиц топлива при высокой температуре.
Недостатками гамма топки ВТИ являются: большая эмиссия вредных выбросов, возгонка золы и интенсивное шлакование экранов. Гамма топка ВТИ не приспособлена для сжигания ВУТ и перевода газомазутных и угольных котлов на сжигание угля с удалением шлака в твердом виде.
Известны котлы с низкотемпературной вихревой топкой - НТВ [2. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 43, рис. 22]. Котлы с НТВ содержат камеру сгорания с холодной воронкой, расположенные на фронтовом экране направленные вниз прямоточные горелки, а также сопла дутья, установленные в устье холодной воронки и направленные встречно горелкам. Эта пара потоков формирует в небольшом объеме топки под пережим вихрь с горизонтальной осью вращения. Вихрь обеспечивает некоторое удержание частиц и низкотемпературный топочный процесс, распространяемый в холодную воронку котла.
Недостатком котлов с НТВ является высокая неравномерность топочного процесса, так как активный топочный процесс сосредоточен под горелками, преимущественно в холодной воронке, сопровождается натеканием мощных горелочных струй на задний экран и износом переднего. Кроме того, котлы вследствие плохой удерживающей способности имеют низкую экономичность из-за большого мехнедожога с уносом и провалом, характеризуются значительными вредными выбросами и сложностью регулирования температуры перегрева пара.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое выбрано прототипом, является котел с камерной топкой вихревого типа, имеющей в холодной воронке пропеллерное нижнее дутье, согласованное с подачей топливовоздушной смеси из яруса тангенциальных горелок. [3. Штым А.Н., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Котельные установки с циклонными предтопками. - Владивосток.: Издат. дом ДВФУ. 2012, стр. 28, рис. 1.14]. Активная вихревая аэродинамика равномерно распространяется на весь объем топки, включая холодную воронку, обеспечивает чистые экраны и низкотемпературный топочный процесс.
Недостатками прототипа являются:
Низкая экономичность из-за большого мехнедожога с уносом и провалом вследствие плохой удерживающей способности топки, значительные вредные выбросы, так как на выходе из топки нет дожигающих устройств, и сложность регулирования температуры перегрева пара.
Целью изобретения являются:
- повышение экономичности за счет снижения мехнедожога;
- снижение вредных выбросов и регулирование температуры перегрева пара за счет дожигания на выходе из топки.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что в известном котле с камерной топкой, который имеет установленные в холодной воронке сопла нижнего дутья, и по меньшей мере один ярус тангенциально направленных к оси топки горелок, по данному изобретению предлагается топку разделить над ними на камеру дожигания и расположенную ниже камеру сгорания выполненным в виде воронки из принудительно охлаждаемых поверхностей нагрева газоплотным пережимом, а сопла нижнего дутья предлагается установить на стенах холодной воронки встречно-смещенно, причем сопла, направленные по ходу вихря, предлагается выполнить с увеличенным сечением.
Введение надежно работающего охлаждаемого пережима обеспечивает высокоэффективное удержание и сжигание частиц в камере сгорания, так как вихрь при входе в сужение пережима очищается центробежными силами от частиц. Этим устраняется мехнедожог с уносом и повышается экономичность котла. Кроме того, пережим может устанавливаться на нужной высоте камерной топки с выделением требуемой поверхности теплосъема и с объемом, который необходим для обеспечения низкотемпературного топочного процесса при условии полного сжигания удерживаемых частиц.
Встречно-смещенная установка сопл нижнего дутья с увеличенным сечением сопл, направленных по ходу движения вихря, не только вовлекает в активную работу холодную воронку, но и резко снижает мехнедожог с провалом, так как формирует восходящие потоки на обеих стенах холодной воронки, удерживающие провал, и это также повышает экономичность котла.
Дополнительно предлагается воронку выполнить обтекаемой, образованной из изогнутых в виде восьмиугольников последовательно вписанных и вложенных труб, соединенных между собой проставками и включенных в тракты принудительной циркуляции котла. При этом за счет охлаждения обеспечивается надежная работа пережима.
Дополнительно предлагается в углах камеры сгорания устанавливать направленные вниз сопла вторичного дутья, которые обеспечат сброс уловленных пережимом мелких частиц через угловые застойные зоны вниз. Это увеличивает заполнение топки и приближает работу топки к наиболее эффективному топочному процессу с циркулирующим кипящим слоем.
Дополнительное предложение установки над пережимом сопл подачи дожигающего дутья и горелок подачи высокореакционного топлива, которые ориентированы тангенциально к оси топки и направлены встречно движению вихря, позволяет дополнительно повысить экологические характеристики котла за счет эффективного дожигания выхлопа топки. Кроме того, подачей над пережимом через сопла дожигающего дутья или высокореакционного топлива через горелки обеспечивается регулируемое распространение пламени в камеру дожигания, особенно при работе камеры сгорания в режиме газификации. При этом камера дожигания обеспечивает не только более высокую нагрузку топки, но и регулирование температуры перегрева пара в котле за счет подъема факела в камере дожигания.
Дополнительное предложение установки под холодной воронкой дожигающей колосниковой решетки позволяет обеспечить полное дожигание и охлаждение провала с дополнительным увеличением экономичности.
Особо отметим, что возможность установки пережима на любом уровне с выделением требуемой поверхности теплосьема и рабочего объема камеры сгорания в совокупности с дополнительными признаками изобретения позволяет создать широкий круг котлов для сжигания угля и углесодержащих отходов, в том числе в виде водоугольного топлива - топлива с длительным периодом сушки и воспламенения капель. Благодаря активной вихревой аэродинамике, интенсивному теплосъему и низкотемпературному режиму, изобретение также пригодно для перевода газомазутных котлов на уголь и пылеугольных котлов с жидким удалением шлака на твердое удаление шлака.
Сопоставительный анализ признаков заявленного устройства с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 показан продольный разрез котла и на фиг. 2 - вид камерной топки сверху.
Котел 1 выполнен с камерной топкой 2, образованной топочными экранами 3, имеет установленные на наклонных экранах 4 холодной воронки 5 или под ней сопла 6 и 7 нижнего дутья и тангенциально направленные к оси топки 2 основные горелки 8, расположенные ярусами. Камерная топка 2 на требуемой высоте Н разделена выполненным в виде воронки 9 пережимом на камеру 10 дожигания и расположенную ниже камеру 11 сгорания. Высота Н выбирается в ходе проектирования котла из условия обеспечения глубокого выгорания проектного топлива с учетом низкотемпературного топочного процесса. В камере 10 дожигания установлены ярусами сопла 12 подачи дожигающего дутья и горелки 13 подачи высокореакционного топлива, ориентированные тангенциально и направленные встречно движению вихря 14.
Воронка 9 пережима газоплотная. Для обеспечения надежной работы в зоне высокотемпературного воздействия топочной среды она выполняется из труб 15 поверхности нагрева, которые включаются в контуры принудительной циркуляции котла через коллекторы 16 или непосредственно подключением к трубам топочных экранов 3. Здесь, на фиг. 2, воронка 9 образована из изогнутых в виде восьмиугольников последовательно вписанных и вложенных труб 15, условно показанных штрихпунктирными линиями, соединенных между собой проставками 17 и подключенных к коллекторам 16. Формирование воронки 9 изогнутыми в виде восьмиугольников последовательно вписанных и вложенных труб 15, кроме того, обеспечивает ее обтекаемость.
В углах камеры 11 сгорания через свободные треугольные зоны между воронкой 9 и экранами 3 установлены направленные вниз сопла 18 вторичного дутья. Под холодной воронкой расположена дожигающая колосниковая решетка 19. Кроме того, сопла 7, направленные по ходу вихря, выполнены с увеличенным сечением.
Предлагаемый котел с камерной топкой работает следующим образом.
Расчетное топливо сжигается в камерной топке 2 котла 1 с высокоэффективной передачей выделяющегося при этом тепла к технически чистым топочным экранам 3 и 4, работающим в условиях активной вихревой аэродинамики с обеспечением низкотемпературного режима топочного процесса.
Основной топочный процесс осуществляется в камере 11 сгорания и в объеме холодной воронки 5 под устанавливаемой на высоте Н воронкой 9 пережима, где через тангенциально направленные основные горелки 8, расположенные ярусами, вводится и сгорает в поднимающемся вихре 14 топливовоздушная смесь. При горении частицы топлива удерживаются от уноса воронкой 9 пережима за счет очистки вихря центробежными силами при его выходе в сужение, они дожигаются и возвращаются по застойным угловым зонам направленными вниз струями вторичного дутья, поступающего из сопл 18. С другой стороны, частицы удерживаются в вихре от провала вниз по стенкам камеры 11 сгорания за счет восходящих по экранам 4 потоков нижнего дутья из сопл 6 и 7. При этом встречно-смещенная установка сопл 6 и 7 обеспечивает взаимное проникновение струй с их последующим раскрытием на экранах 4, а выполнение сопл 7, направленных по ходу вихря, с увеличенным сечением обеспечивает дополнительную подкрутку вихря 14.
Благодаря хорошему удержанию частиц, котел 1 может использовать топливо укрупненного помола и даже дробленное с дополнительным дожиганием провала на колосниковой решетке 19 под холодной воронкой 5.
Таким образом, двухстороннее удержание частиц устраняет мехнедожог с уносом и провалом и этим повышает экономичность котла.
Работоспособность котла 1 обеспечивается охлаждением газоплотного пережима, выполненного в виде воронки 9, за счет принудительной подачи теплоносителя из контура циркуляции котла 1 через коллекторы 16 по трубам 15, которые соединены между собой проставками 17.
Вихрь продуктов горения и мелкий унос из камеры 11 сгорания поступает далее в камеру 10 дожигания и дожигается во встречных потоках, поступающих из сопл 12 дожигающего дутья и из горелок 13 высокореакционного топлива, которые ориентированы тангенциально, но направлены встречно вихрю 14. За счет ступенчатой схемы сжигания это дополнительно повышает экологические характеристики котла. При этом легко обеспечивается управляемое распространение пламени в камеру 10 дожигания, особенно при работе камеры 11 сгорания в режиме газификации, и обеспечивается регулирование температуры перегрева пара и нагрузки котла.
Предлагаемое изобретение может использоваться в газомазутных котлах для замены дорогостоящего топлива на уголь и углесодержащие отходы, подаваемые в виде ВУТ, а также в пылеугольных котлах с заменой жидкого удаления шлака на его удаление в твердом виде. При этом в котлах устанавливается холодная воронка 5 с соплами нижнего дутья 6 и 7 и воронка 9 пережима.