УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.
Известны способы и устройства сжигания жидкого топлива, включая водоугольное топливо, обеспечивающие его распыл и вдув в топку за счет горячего воздуха, либо воздуха и горячих дымовых газов, воспламенение и стабилизацию горения с использованием тангенциальной закрутки потоков [Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Изд-во Акад. Горных наук, 2001.-176 с.].
Указанные устройства имеют тот недостаток, что сочетания отдельных узлов не оптимизированы. В частности, отношение площади поверхностей, отражающих тепло внутри топки, к объему топки, как правило, мало. В результате, режим работы котла недостаточно устойчив.
Известен также прямоточный котел с циклонной топкой [а.с. СССР №111463 от 1956.09.22, МПК 6 F22B 29/06, F22B 31/00], включающий внешний корпус и внутренний цилиндр меньшего радиуса, топочное устройство которого расположено в кольцевом пространстве между корпусом и внутренним цилиндром. При этом кипятильные трубы котла размещены на стенках корпуса котла и внутреннего цилиндра. Компактное расположение поверхностей нагрева уменьшает габариты котла, а размещение топки внутри котла уменьшает тепловые потери в окружающее пространство.
Недостаток устройства заключается в том, что внутри топочного пространства имеет место интенсивный отбор тепла и отражательная эффективность стенок топочного устройства мала. В топках сравнительно небольших размеров не удается организовать надежное поддержание необходимых условий для горения топлива.
Наиболее близким решением является вихревая топка [патент РФ №2228489 от 2001.08.10, МПК 7 F23C 5/32], содержащая, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированны под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку. Газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания или в камере дожигания и наклонена к поду вихревой камеры сгорания.
Недостатком указанной конструкции топки при сжигании водоугольного топлива является недостаточно развитая отражающая тепло поверхность камеры сгорания. При случайном изменении свойств топлива (например, уменьшение концентрации угля в ВУТ), или нарушении режима подачи топлива может произойти срыв работы топки.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.
Для достижения поставленной задачи предлагается топочное устройство, содержащее футерованную камеру сгорания и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, пневматические форсунки для подачи топлива и дутьевые сопла, в котором в целях повышения глубины выгорания, экологической безопасности, экономической эффективности и эксплуатационной надежности, камера сгорания, имеющая цилиндрическую форму с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, вблизи осей вращения которых которых установлены газоперепускные окна, площадь каждого из которых может составлять от 0,2 до 0,6 площади торцевой стенки камеры сгорания, размещена внутри камеры охлаждения, причем так, что они имеют общую фронтальную стенку, на которой смонтированы форсунки, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу ВУТ, других видов топлива и первичного окислителя, и общую нижнюю стенку, на которой установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, а внутри камеры сгорания установлены дутьевые сопла с касательной подачей воздуха и центральная огнеупорная вставка, поперечный размер которой составляет 0,2-0,5 от эквивалентного диаметра камеры сгорания. При этом центральная вставка внутри камеры сгорания имеет арочную форму, а ось форсунки направлена таким образом, что формируемая ею воздушно-топливная струя примыкает по касательной к наружной границе центральной вставки. В варианте арочной центральной вставки, с целью повышения обтекаемости, с внешней стороны ее поперечное сечение выполнено в форме многоугольника, например, восьмиугольника. Центральная вставка может быть выполнена как в виде монолитного блока, так и в форме пустотелой трубы. В последнем случае труба используется как часть тракта для подачи дутьевого воздуха в камеру сгорания.
В связи с повышенным содержанием влаги в ВУТ, процессы воспламенения частиц угля затягиваются во времени, поэтому только организация вихревого режима течения внутри камеры сгорания позволяет решить поставленные задачи. Предлагаемое устройство обеспечивает максимальную продолжительность по времени нахождения капель топлива в факеле, что гарантирует полноту выгорания ВУТ, а, следовательно, экономичность топочного устройства. Факел заполняет весь объем камеры сгорания, благодаря чему температура в камере в высокой степени однородна и, следовательно, максимальные значения температуры в камере могут быть понижены, что приводит к сниженному выходу токсичных газовых выбросов, в частности, оксидов азота.
На фиг.1 и 2 показаны продольное и поперечное сечения предлагаемого топочного устройства.
Внутри камеры охлаждения 1 топочного устройства установлены кипятильные трубы 2 и камера сгорания 3. Внутри камеры сгорания 3 смонтированы центральная вставка 4, перепускные окна 5, дутьевые сопла 6 и золоуловитель 7. На фронтальной стенке 8 установлены топливные форсунки 9.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При запуске топочного устройства в камеру сгорания через форсунки 9 подают высокореакционное жидкое топливо, например, дизельное топливо, через сопла 6 вдувают окислитель и в камере организуется режим горения. За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания и центральной вставки. После разогрева стенок камеры до температуры 400-500°С к дизельному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания, доля дизельного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы, когда подача дизельного топлива прекращается полностью. Создаваемая форсункой воздушно-капельная струя, примыкая к стенкам центрального тела за счет эффекта Коанда, закручивается в кольцевом канале в вихревой поток. Дутьевой газ попадает в камеру сгорания по касательной к ее стенкам и поддерживает закрутку потока внутри камеры. Таким образом, газ поступает в камеру сгорания тангенциально к ее стенкам и уходит из камеры через газоперепускные окна, расположенные на торцевых стенках камеры сгорания вблизи их осей вращения. Поэтому скорости потока газа практически во всем объеме камеры имеют тангенциальную составляющую и радиальную составляющую, направленную к оси симметрии камеры сгорания. Капля ВУТ (или частица угля), попавшая в такой поток, под действием центробежных сил, обусловленных тангециальными составляющими скорости потока, стремится выбраться на стенку камеры сгорания, но радиальные потоки газа препятствуют такому движению. В результате происходит расслоение потока капель (и частиц угля): наиболее крупные капли выносятся на внешние орбиты, мелкие располагаются ближе к оси камеры. За счет тепла, получаемого от сгорания дизельного топлива на начальном этапе, а затем и угля, а также тепла, переизлучаемого стенками камеры сгорания 3 и внутренней вставки 4, происходят нагрев, сушка, воспламенение, а затем интенсивное горение частиц угля. По мере выгорания угля, масса частиц уменьшается, уменьшаются центробежные силы, действующие на эти частицы, и частицы перемещаются на круговые орбиты с меньшим радиусом. При этом частицы с большей массой находятся в зоне горения больший интервал времени и, как результат, все частицы угля успевают прогореть в пределах топки. Таким образом, в силу наличия центрального тела, вихревого режима течения газа и ухода газа из камеры сгорания через окна вблизи оси вращения камеры, частицы угля находятся в равномерно прогретой зоне горения достаточно большое время и успевают выгореть полностью.
Воронка золоуловителя на начальном периоде заполняется крупным песком. Зола от сжигания ВУТ отличается большой парусностью. Большая часть образующейся золы уносится вместе с горячими газами через перепускные окна. Крупные частицы золы центробежными силами выносятся на стенку корпуса камеры сгорания и скапливаются в нижней части камеры сгорания. По мере накопления золы сначала песок, а затем и зола удаляются через нижнее окно воронки золоуловителя 7.
На предприятии ООО «Завод стеновых блоков» (г.Новосибирск) на базе котла КЕ 10-13 по данному предложению создана теплогенерирующая установка, ориентированная на сжигание водоугольного топлива. Испытания показали высокую эффективность и надежность работы устройства. При использовании такой установки существенно уменьшается недожог угля, снижается стоимость 1 Гкал тепла, улучшается экологическая обстановка как внутри котельной, так и за ее пределами.