СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
FLUIDISED BED FUEL COMBUSTION METHOD AND DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики и может найти применение в промышленных и энергетических котлах для сжигания измельченного твердого топлива и горючих отходов.
Известен способ сжигания топлива, при котором топливо измельчают, подают в топку, в полость топки вводят воздух через колосниковую решетку и непосредственно через сопла в стенке топки, формируют по высоте топки, по меньшей мере, три зоны горения топлива, организуют в верхней части топки вихревое движение остального объема воздуха, подаваемого в топку. Воздух в верхнюю часть топки вводят по касательной к траектории вихревого движения (см. патент RU № 2272218 С1, 2006.03.20).
Недостатком известного способа является невысокая эффективность процесса сжигания топлива. Значительная неравномерность полей температур и скоростей потоков вблизи одних противоположных стенок и полей температур по высоте вблизи других стенок из-за наличия застойных зон и зон с максимальными тангенциальными скоростями приводит к снижению эффективности процессов газификации и горения топлива и дожигания продуктов газификации, что значительно снижает эффективность всего процесса сжигания топлива.
Известен также способ сжигания топлива в кипящем слое, при котором подают первичное дутье и затем вводят вторичное дутье в надслоевой объем из участков набегания потока в сторону застойных зон, тангенциально к условному телу вращения. Участки набегания потока и расположенные под ними застойные зоны в профиле надслоевого объема формируют обмуровкой и/или топочными экранами, причем часть вторичного дутья вводят отдельно и/или совместно с топливом и уносом, уловленным за топкой (см. патент RU № 2217658 С1, 2003.11.27).
Недостатком этого способа сжигания топлива также является невысокая эффективность процесса сжигания. Это вызвано тем, что на двух противоположных стенках по их высоте образуются застойные зоны и зоны с максимальными тангенциальными скоростями, что приводит к снижению эффективности процессов газификации, горения и использования вторичного дутья из-за снижения их в застойных зонах и зонах с низкими скоростями потоков.
Из известных способов сжигания топлива в кипящем слое наиболее близким заявляемому является способ, описанный в патенте US 4457289, 1984.07.03. По этому способу топливо подают в кипящий слой, а поток первичного сжатого воздуха - в нижнюю зону реактора, затем вводят в верхнюю зону реактора поток вторичного сжатого воздуха, из которого формируют сильно закрученный поток, создающий внутри, по крайней мере, одну зону противотока для возврата топлива в кипящий слой.
Недостатком этого способа является невысокая эффективность сжигания топлива, что обусловлено тем, что процессы горения и дожигания осуществляют в одной зоне. Это снижает полноту сгорания топлива на выходе из верхней зоны реактора и интенсификацию процессов возврата топлива и его газификации из-за низкого уровня осевых скоростей периферийного сильно закрученного потока. Низкий уровень осевых градиентов статического давления в периферийном и приосевом потоках не позволяет сформировать в верхней зоне реактора высокоразвитую рециркуляционную область. Кроме того, отсутствие разделения зон горения и дожигания не позволяет оптимизировать процессы горения и дожигания за счет перераспределения в них вторичного воздуха и управления величиной и направлением осевых скоростей потоков.
Известна вертикальная топка с кипящим слоем, описанная в патенте RU № 2170878 С1, 2001.07.20. Она содержит камеру сжигания и расположенную над ней камеру дожигания топлива, которая обрамлена фронтовым, задним и боковыми экранами и снабжена соплами вторичного и третичного воздуха. Фронтовой экран выполнен с аэродинамическим выступом, на котором расположены сопла вторичного воздуха, направленные в сторону ската заднего экрана. Сопла третичного воздуха расположены на заднем экране на высотной отметке, превышающей высотную отметку сопел вторичного воздуха и направлены в сторону фронтового экрана. Задний экран в зоне, расположенной между соплами третичного воздуха и камерой сжигания, выполнен со скатом в сторону камеры сжигания.
Недостатками известной вертикальной топки являются:
- невысокая эффективность сжигания топлива из-за неравномерности полей температуры и скорости потоков вблизи стенок вследствие образования застойных областей и областей с максимальными тангенциальными скоростями;
- значительные габариты камеры дожигания и увеличение времени пребывания в ней продуктов сгорания из-за уносимых из камеры сжигания частиц топлива, что в сочетании с высокой температурой продуктов сгорания в камере дожигания приведет к значительным выбросам окислов азота.
Известно также устройство для сжигания топлива в кипящем слое, описанное в SU № 836458 А, 1981.06.17. Оно содержит камеру сгорания с газораспределительной решеткой и камеру дожигания продуктов газификации, патрубок подачи вторичного воздуха и питатель топлива. На входе в камеру дожигания установлен направляющий аппарат, образованный закручивающими полыми лопатками, подключенными соответственно к патрубку вторичного воздуха и камере дожигания.
Известна топка с кипящим слоем, содержащая установленные одна над другой соответственно камеры сгорания и дожигания, первая из которых снабжена завихрителем на выходе, а вторая - тангенциальными соплами вторичного воздуха, установленными с наклоном вниз (см. SU № 1359565 А1, 1987.12.15).
Недостатками известных устройств являются:
- невысокая эффективность сжигания топлива из-за снижения интенсификации горения и сепарационных свойств потоков, которое вызвано отсутствием закрутки в процессе газификации и горения;
- значительные габариты камеры дожигания и увеличение времени пребывания в ней продуктов сгорания из-за уносимых из камеры сгорания частиц топлива, что в сочетании с высокой температурой продуктов сгорания в камере дожигания приводит к значительным выбросам окислов азота.
Из известных устройств наиболее близким заявляемому является устройство, описанное в патенте US 4457289, 1984.07.03. Оно содержит реактор, включающий нижнюю и верхнюю зоны, устройство подачи топлива в верхнюю зону, устройство подачи первичного потока сжатого воздуха в нижнюю зону, воздухораспределительную решетку, установленную в верхней части нижней зоны реактора, камеру, расположенную под воздухораспределительной решеткой и соединенную с устройством удаления негорючих компонентов. Верхняя зона реактора имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность, соосно которой в верхнем торце реактора выполнено цилиндрическое выходное сопло.
Недостатком известного устройства также является невысокая эффективность сжигания топлива. Она обусловлена низкой эффективностью процессов газификации, горения и дожигания из-за низкой интенсификации этих процессов и низкой оптимизацией процессов горения и дожигания из-за невозможности перераспределения вторичного воздуха, из которого формируются потоки с оптимальными окружными скоростями и расходами, так как все эти процессы осуществляются в верхней неразделенной зоне реактора.
Техническая задача, которую решает предполагаемое изобретение, - это повышение эффективности сжигания топлива.
Техническая задача решается тем, что в способе сжигания топлива в кипящем слое, топливо подают в кипящий слой, а поток первичного сжатого воздуха - в нижнюю зону реактора, затем вводят в верхнюю зону реактора поток вторичного сжатого воздуха, из которого формируют сильно закрученный поток, создающий внутри, по крайней мере, одну зону противотока для возврата топлива в кипящий слой. Способ отличается тем, что в верхней зоне реактора формируют зону горения и зону дожигания, при этом поток вторичного сжатого воздуха перед подачей в верхнюю зону разделяют на два потока. Один поток вторичного сжатого воздуха подают непосредственно в зону горения, в которой он формирует периферийный, перемещающийся в направлении нижней зоны, и приосевой, перемещающийся от зоны горения к зоне дожигания, сильно закрученные потоки. Другой поток вторичного сжатого воздуха вводят в зону дожигания, в которой он формирует периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении от зоны горения и индуцирующий приосевой сильно закрученный поток, перемещающийся в том же направлении. Между периферийным и приосевым потоками зоны горения формируют рециркуляционное горообразное течение, в котором осевые составляющие скорости периферийного и приосевого потоков зоны горения являются тангенциальными скоростями относительно оси вращения, представляющей собой окружность с центром на оси закрученных потоков. В зоне горения создают пониженное давление, эжектируя приосевой поток из зоны горения в зону дожигания, и осуществляют процесс дожигания полностью в зоне дожигания. В зону горения топливо подают с потоком вторичного сжатого воздуха. Поток вторичного сжатого воздуха на входе в зону горения формируют с безразмерной скоростью от λ=0,2 до λ=0,4, а поток вторичного сжатого воздуха на входе в зону дожигания формируют с безразмерной скоростью от λ=0,2 до λ=1,0, где λ - отношение скорости потока продуктов сгорания к местной скорости звука.
Устройство для сжигания топлива в кипящем слое содержит реактор, включающий нижнюю и верхнюю зоны, устройство подачи топлива в верхнюю зону, устройство подачи первичного потока сжатого воздуха в нижнюю зону, воздухораспределительную решетку, установленную в верхней части нижней зоны, камеру, расположенную под воздухораспределительной решеткой и соединенную с устройством удаления негорючих компонентов. Внутренняя поверхность верхней зоны реактора выполнена в виде внутренней боковой поверхности тела вращения, соосно которой в верхнем торце реактора выполнено выходное отверстие. Устройство отличается тем, что верхняя зона реактора разделена на зону горения и зону дожигания, при этом внутренняя поверхность зоны горения выполнена цилиндрической и зона горения расположена между нижней зоной и зоной дожигания, ограниченной верхним торцем реактора. Зона горения и зона дожигания соединены цилиндрическим каналом и каждая из зон имеет устройство тангенциальной подачи вторичного сжатого воздуха, соединенное одним или несколькими тангенциальными сопловыми каналами с внутренней поверхностью соответствующей зоны. Устройство подачи вторичного сжатого воздуха зоны горения расположено в верхней части зоны, а устройство подачи вторичного сжатого воздуха зоны дожигания - в ее нижней части. Устройство подачи топлива соединено с верхней частью зоны горения. Диаметр внутренней поверхности зоны дожигания в сечении размещения устройства подачи вторичного сжатого воздуха равен 0,4-0,8 диаметра внутренней поверхности зоны горения. Диаметр внутренней поверхности цилиндрического канала, соединяющего зоны горения и дожигания, равен 0,5-0,8 диаметра внутренней поверхности зоны дожигания в сечении размещения устройства тангенциальной подачи вторичного сжатого воздуха. Внутренняя поверхность зоны дожигания выполнена конической с углом раскрытия 0-12 градусов в направлении верхнего торца реактора. В устройствах тангенциальной подачи вторичного воздуха зоны горения и зоны дожигания каналы направлены в одну сторону.
Таким образом, введенные в способ и установку новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют решить поставленную задачу.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез устройства, на фиг.2 - сечение по А-А, на фиг.3 - сечение по Б-Б.
Способ осуществляют следующим образом. Поток первичного сжатого воздуха подают в нижнюю зону реактора, создавая кипящий слой. В верхней зоне реактора формируют зону горения и зону дожигания. Поток вторичного сжатого воздуха предварительно разделяют на два потока, один из которых подают непосредственно в зону горения, а другой - в зону дожигания. Поток вторичного сжатого воздуха на входе в зону горения формируют с безразмерной скоростью от λ=0,2 до λ=0,4, а на входе в зону дожигания с безразмерной скоростью от λ=0,2 до λ=1,0, где λ - отношение скорости потока продуктов сгорания к местной скорости звука. Введенный в зону горения поток вторичного сжатого воздуха формирует в ней сильно закрученные периферийный поток, перемещающийся в направлении нижней зоны, и приосевой поток, перемещающийся от зоны горения к зоне дожигания. Введенный в зону дожигания поток вторичного сжатого воздуха формирует в ней периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении от зоны горения и индуцирующий приосевой сильно закрученный поток, перемещающийся в том же направлении. Высокий уровень окружных скоростей в зоне горения способствует формированию в ней высокого радиального градиента статического давления, который формирует в зоне горения осевой градиент статического давления. Направление осевого градиента статического давления в периферийном потоке - от нижней зоны к зоне дожигания, а в приосевом потоке - от зоны дожигания к нижней зоне. Высокий осевой градиент статического давления периферийного потока формирует высокие осевые скорости в периферийном потоке, что интенсифицирует процесс возврата в кипящий слой несгоревшего топлива и вторичного воздуха. Высокие окружные скорости периферийного сильно закрученного потока и размещение начала его формирования в верхней части зоны горения способствует концентрации несгоревшего топлива в периферийном потоке. Высокие окружные скорости приосевого сильно закрученного потока и размещение начала его формирования в нижней части зоны горения способствует сепарации несгоревшего топлива из приосевого потока в периферийный поток, начиная от нижней части зоны горения. Противоточное движение периферийного и приосевого потоков приводит к большим сдвиговым скоростям на границе их разделения, что способствует генерированию в области этой границы высокоразвитой турбулентности, превалирующей в радиальном направлении и приводящей к интенсификации процессов тепломассообмена, интенсифицирующих процессы смесеобразования и горения. Резкое сужение выходящего приосевого потока в плоскости начала формирования периферийного сильно закрученного потока и выхода приосевого потока в зону дожигания приводит к формированию высокоразвитой рециркуляционной области в верхней части зоны горения реактора. Рециркуляционная область, представляющая собой горообразную структуру потока, разделяет выходящий из зоны горения приосевой поток продуктов сгорания и несгоревших газообразных продуктов газификации от смеси вторичного сжатого воздуха и недогоревших твердых частиц топлива, сепарируемых в периферийный поток. В этой структуре потока осевые составляющие скорости периферийного и приосевого потоков зоны горения являются тангенциальными скоростями относительно оси вращения, представляющей собой окружность с центром на оси периферийного и приосевого потоков. Подаваемые в зону горения топливо и поток вторичного сжатого воздуха формируют в нижней зоне реактора с первичным потоком сжатого воздуха нижней зоны вращающийся кипящий слой топливо-воздушной смеси. Эту смесь поджигают в момент запуска способа от внешнего источника тепла, а затем процесс газификации продолжается самостоятельно. Другой поток вторичного сжатого воздуха вводят в зону дожигания, в которой он формирует периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся от зоны горения и индуцирующий приосевой сильно закрученный поток, перемещающийся в том же направлении. В зоне дожигания периферийный поток эжектирует приосевой поток из зоны горения в зону дожигания и создает пониженное давление в зоне горения, осуществляя процесс дожигания полностью в зоне дожигания.
Таким образом, введенные в способ сжигания топлива новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют повысить эффективность сжигания топлива за счет интенсификации процессов газификации, горения и дожигания и оптимизации процессов горения и дожигания путем перераспределения вторичного воздуха и формирования из него структуры потоков с оптимальными окружными и осевыми скоростями и расходами.
Устройство для сжигания топлива в кипящем слое содержит (см. фиг.1) реактор 1, включающий нижнюю зону 2 и верхнюю зону 3, устройство 4 пневматической подачи топлива в верхнюю зону 3, устройство 5 подачи первичного потока сжатого воздуха в нижнюю зону 2, воздухораспределительную решетку 6, установленную в верхней части нижней зоны 2 реактора 1, камеру 7, расположенную под воздухораспределительной решеткой 6 и соединенную с устройством 8 удаления негорючих компонентов. В верхнем торце 9 реактора 1 соосно внутренней поверхности верхней зоны 3 выполнено выходное отверстие 10. Верхняя зона 3 реактора 1 разделена на зону горения 11 и зону дожигания 12. Зона горения 11 расположена между нижней зоной 2 и зоной дожигания 12, которая ограничена торцем 9 реактора 1. Внутренняя поверхность зоны горения 11 выполнена цилиндрической, а внутренняя поверхность зоны дожигания 12 - конической с углом раскрытия 0-12 градусов в направлении верхнего торца реактора. Зона горения 11 и зона дожигания 12 соединены цилиндрическим каналом 13. Зона горения 11 в верхней части (см. фиг.2) содержит устройство 14 подачи вторичного сжатого воздуха, соединенное с одной стороны с ее внутренней цилиндрической поверхностью одним или несколькими тангенциальными сопловыми каналами 15, а с другой стороны - с устройством 4 пневматической подачи топлива. Зона дожигания 12 в нижней части (см. фиг.3) содержит устройство 16 подачи вторичного сжатого воздуха, соединенное с ее внутренней поверхностью одним или несколькими тангенциальными сопловыми каналами 17. Диаметр внутренней поверхности зоны дожигания 12 в сечении размещения устройства 16 подачи вторичного сжатого воздуха равен 0,4-0,8 диаметра внутренней поверхности зоны горения 11. Диаметр цилиндрического канала 13 равен 0,5-0,8 диаметра внутренней поверхности зоны дожигания 12 в сечении размещения устройства 16 тангенциальной подачи вторичного сжатого воздуха. Внутренняя поверхность зоны дожигания 12 выполнена конической с углом раскрытия 0-12 градусов в направлении верхнего торца 10 реактора. Тангенциальные сопловые каналы 15 и 17, соединяющие устройства 14 и 16 подачи вторичного сжатого воздуха с зоной горения 11 и зоной дожигания 12 соответственно, направлены в одну сторону. В нижней части реактора 1 установлено одно или несколько пусковых горелочных устройств 18, выходные сопла которых сообщаются с камерой 7 нижней зоны 2.
Устройство работает следующим образом. На режиме запуска из топлива и воздуха, поданных от внешних источников, в пусковых горелочных устройствах 19 формируется топливовоздушная смесь, которая в них поджигается и сжигается. Продукты сгорания подаются в камеру 7 и через воздухораспределительную решетку 6 в кипящий слой, разогревая его до температуры газификации. Поток первичного сжатого воздуха через устройство 5 поступает в камеру 7 нижней зоны 2. Из камеры 7 через воздухораспределительную решетку 6 воздух поступает для формирования над решеткой 6 кипящего слоя топливовоздушной смеси. Один поток вторичного сжатого воздуха через устройство 14 поступает в верхнюю часть зоны горения 11 и одновременно через устройство 4 пневматической подачи топлива сюда подается сжигаемое топливо, которое смешивается с воздухом с образованием топливовоздушной смеси, которая подается в тангенциальные сопловые каналы 15. В каналах 15 топливовоздушная смесь ускоряется и поступает в зону горения 11. Другой поток вторичного сжатого воздуха одновременно с первым подается через устройство 16 в тангенциальные сопловые каналы 17, в которых ускоряется и поступает в зону дожигания 12. Поступивший в зону горения 11 поток вторичного сжатого воздуха формирует в ней периферийный и приосевой сильно закрученные потоки, перемещающиеся от тангенциальных сопловых каналов 17 в направлении выходного отверстия 10. Противоточное движение периферийного и приосевого потоков приводит к большим сдвиговым скоростям на границе их разделения, что способствует генерированию в области этой границы высокоразвитой анизотропной турбулентности, превалирующей по радиусу вращающихся потоков. Введенный в зону дожигания 12 поток вторичного сжатого воздуха формирует в ней периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении выходного отверстия 10 и индуцирующий приосевой закрученный поток, перемещающийся в том же направлении. Высокий уровень окружных скоростей в плоскости тангенциальных сопловых каналов 15 зоны дожигания и размещение сопловых каналов в ее нижней части вблизи цилиндрического канала 13 способствует формированию в этой плоскости высокого радиального градиента статического давления, который формирует осевой градиент статического давления, направленный от зоны горения 11 в зону дожигания 12. Наличие такого осевого градиента приводит к эжектированию периферийным потоком продуктов газификации и продуктов сгорания из приосевого потока зоны горения 11 в приосевой поток зоны дожигания 12, что способствует увеличению осевых - сдвиговых скоростей на границе разделения периферийного и приосевого потоков и снижению давления в зоне горения 11. Кроме того, завершение процессов рекомбинации, ограничение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высокой температуры снижает выбросы окислов азота, окиси углерода и несгоревших углеводородов. Это улучшает экологические характеристики устройства.
Таким образом, введенные в устройство новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют повысить эффективность сжигания топлива.