ВИХРЕВАЯ ТОПКА
SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к вихревым циклонным топкам с твердым шлакоудалением для сжигания полидисперсного топлива (угли, шламы и т.п.).
Известна топка с кипящим слоем (а.с. СССР №1359565, МПК F23С 11/02, опубл. 15.12.1987, бюл. №46), содержащая установленные одна над другой соответственно камеры сгорания и дожигания, первая из которых снабжена завихрителем на выходе, а вторая снабжена наклоненными вниз тангенциальными соплами вторичного воздуха, а также сепаратором частиц со сборным бункером и линией возврата.
Недостатком данного изобретения является следующее. Процесс рециркуляции в топочном пространстве функционирует только в режиме естественного «перетока» определенного избытка частиц недогоревшего топлива и золы из емкости сборного бункера по линии возврата в камеру сгорания. Также ввод полидисперсного топлива осуществляется непосредственно в область форсированного «кипящего» слоя, а высокая температура и избыток воздуха в начальной стадии процесса термолиза инициируют излишнее образование вредных химических веществ. При сложности конструкции работа подобной топки проходит в узком диапазоне ограничений технологических характеристик, необходимых для рационального соотношения параметров нагнетания окислителя и подачи топлива по различным каналам. Указанное, в свою очередь, приводит как к сложности настройки системы циркуляции полидисперсного топлива, так и снижению стабильности рециркуляции частиц в пределах топочного пространства, снижению качества их дожигания и эффективности работы вихревой топки.
Известна вихревая топка (патент РФ №2350838, МПК F23C 5/24, опубл. 27.03.2009, бюл. №9), принятая за прототип, включающая вертикальный корпус, состоящий из набора цилиндрических обечаек с увеличивающимся диаметром для каждой вышестоящей ступени, бункер для золы, каналы рециркуляции между ступенями, каналы тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства, каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства, каналы золоудаления из верхней ступени в бункер для золы, выхлопную трубу.
Недостатком данного изобретения является следующее. Система золоудаления и рециркуляции выполнена в виде отдельных каналов, при этом отвод частиц топлива и золы осуществляется только из локальных зон с полок ступеней и способствует их накоплению на полках вокруг устья каналов с последующей зашлаковкой. Движение вихревого потока при переходе со ступени меньшего диаметра на ступень большего диаметра сопровождается его срывом с края цилиндрической обечайки под некоторым углом к горизонту с образованием угловой застойной зоны. При этом догорание отсепарированных и зависших на полках ступеней частиц происходит практически в слое, в угловой застойной зоне, с образованием очагов шлакования. Процесс рециркуляции в топочном пространстве функционирует только в режиме естественного гравитационного осаждения частиц недогоревшего топлива и золы по отдельным каналам рециркуляции с полки третьей ступени непосредственно на полку второй и попадает в угловую застойную область ступени. Учитывая, что тангенциальный подвод топлива и воздуха осуществлен в ступень с меньшим диаметром, то при переходе вихревого потока на вышерасположенную ступень большего диаметра происходит снижение окружной скорости, а соответственно и радиального давления в пристенном слое цилиндрической обечайки. При этом в каналах рециркуляции, на выходе перед полкой второй ступени, образуется зона зависания, препятствующая выходу частиц из каналов. При продолжительной работе топки происходит шлакование каналов вплоть до их полного перекрытия, что подтверждают стендовые испытания опытно-промышленной установки. Таким образом, все вышеуказанное приводит к снижению стабильности рециркуляции частиц в пределах топочного пространства, снижению качества их дожигания и эффективности работы вихревой топки.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение стабильной рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве, повышающей качество его сгорания и эффективность работы вихревой топки.
Указанная задача достигается тем, что в вихревой топке, включающей вертикальный корпус, состоящий из набора цилиндрических обечаек с увеличивающимся диаметром для каждой вышестоящей ступени, бункер для золы, каналы рециркуляции между ступенями, каналы тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства, каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства, каналы золоудаления из верхней ступени в бункер для золы, выхлопную трубу, каналы рециркуляции и золоудаления образованы кольцевым пространством между вставленными друг в друга цилиндрическими обечайками различной высоты, каналы рециркуляции имеют выход в топочное пространство в зоне разрежения через кольцевую щель между соседними ступенями, при этом под нижней ступенью и кольцевой щелью установлена цилиндрическая ступень большего диаметра с конфузором в верхней части.
Кроме того, особенность конструкции заключается в том, что внутренний диаметр выпускного отверстия конфузора не больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки нижней ступени.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид вихревой топки с траекторией рециркулирующего вихревого потока; на фиг.2 изображено сечение вихревой топки в плоскости каналов тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства; на фиг.3 изображен вид снизу вихревой топки; на фиг.4 и 5 изображены проекции схемы вихревой топки с участком траектории полета частицы топлива.
Вихревая топка (фиг.1) включает вертикальный корпус, который состоит из нижней первой ступени 1, второй ступени 2, третьей ступени 3, подготовительной ступени 4 с конфузором 5 в ее верхней части, рубашки 6 для подвода и подогрева вторичного воздуха и охлаждения корпуса, бункера для золы 7, каналов рециркуляции 8 между нижней первой ступенью 1 и второй ступенью 2. При этом каналы рециркуляции 8 имеют выход в топочное пространство в зоне разрежения через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и ступенью 4. Также вихревая топка состоит из каналов 10 тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха к ступени 4 в нижнюю область топочного пространства, каналов 11 тангенциального подвода вторичного воздуха, поступающего по рубашке 6 до окон 12 в цилиндрической обечайке второй ступени 2 и тангенциально попадающего в верхнюю область топочного пространства. Также вихревая топка состоит из каналов золоудаления 13, соединяющих третью ступень 3 и бункер для золы 7, выхлопной трубы 14, горелки 15 для розжига.
Вихревая топка работает следующим образом.
2
x
m
n
В соответствии с регламентом запуска и работы вихревой топки полидисперсное топливо и первичный воздух через каналы 10 тангенциального подвода к подготовительной ступени 4 подают в нижнюю область топочного пространства. Розжиг, а при необходимости и дальнейшую «подсветку» полидисперсного топлива, производят при помощи горелки 15 или плазмотрона. При установившемся режиме работы вихревой топки температура в топочном пространстве должна быть ниже температуры размягчения шлака и золы, иначе их частицы начнут слипаться и прилипать к стенкам. Оптимальным по условиям минимальной эмиссии загрязняющих веществ (SO, NO, CO, CH, возгонов золы и др.), согласно известному опыту применения топок с кипящим и циркулирующим слоем, является уровень температур 800-950°С.
Учитывая, что конструкция вихревой топки по своей сути представляет вертикальный ступенчатый циклон-сепаратор, тангенциальный ввод полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства способствует образованию вихревого потока с вертикальной осью вращения и интенсивной сепарацией частиц в периферийной части.
При работе вихревой топки в топочном пространстве формируются три переходные зоны: зона воспламенения и газификации, зона восстановления и зона дожигания. Подготовительная ступень 4 вихревой топки работает при относительно низких температурах как газификатор, где происходит первичный разогрев и сушка полидисперсного топлива.
Образовавшиеся при термолизе полидисперсного топлива летучие, частицы кокса и шлака из ступени 4 поднимаются в нижнюю первую ступень 1 в восходящем вихревом потоке, проходя через конфузор 5, где получают дополнительную закрутку. За конфузором 5 формируется зона отрывного течения вихревого потока с кольцевой локальной областью отрицательного давления - зона разрежения.
Далее указанный вихревой поток поднимается по внутренней пристенной области цилиндрической обечайки нижней первой ступени 1 и при переходе на больший диаметр второй ступени 2 теряет свою кинетическую энергию и снижает окружную скорость движения. Наиболее крупные частицы кокса и шлака, отсепарировавшиеся на стенке второй ступени 2, вдоль нее попадают в каналы рециркуляции 8, где происходит их гравитационное осаждение с выходом в топочное пространство через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и ступенью 4.
Кольцевая щель 9 расположена непосредственно над конфузором 5 в зоне разряжения, что способствует образованию в каналах рециркуляции 8 дополнительного тока газов и эжекции частиц кокса и шлака через кольцевую щель 9 с их возвратом и рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями вихревой топки. При рециркуляции происходит цикличное удержание горящих частиц кокса и шлака в пристенной зоне, их выгорание и измельчение во вращающемся потоке газов до определенного уменьшения размера и веса с образованием золы.
Выносимые из зоны рециркуляции мелкодисперсные частицы в вихревом потоке поднимаются в верхнюю область второй ступени 2, где через окна 12 в цилиндрической обечайке тангенциально подается подогретый вторичный воздух из рубашки 6 для их полного дожигания. Каналы 11 тангенциального подвода вторичного воздуха подсоединены к нижней части рубашки 6, по которой он доходит до окон 12, охлаждая цилиндрическую обечайку третьей ступени 3 с отводом избыточного тепла из топочного пространства.
Далее выгоревшие мелкодисперсные частицы золы в вихревом потоке поднимаются до третьей ступени 3, где сепарируются на стенке цилиндрической обечайки и отводятся по каналам золоудаления 13 в бункер для золы 7. Очищенные от механических примесей газообразные продукты после полного сгорания выходят через опущенную выхлопную трубу 14 на охлаждение в конвективный газоход с поверхностями нагрева (не показано).
После розжига вихревой топки, при установившемся режиме ее работы, в топочном пространстве формируются три переходные зоны: зона воспламенения и газификации, зона восстановления и зона дожигания, что, как известно, является одним из наиболее действенных технологических способов подавления вредных выбросов и повышающих эффективность работы вихревой топки.
Процесс термолиза полидисперсного топлива начинается в вихревом потоке подготовительной ступени, которая работает как газификатор при относительно низких температурах и недостатке кислорода. При этом возможен подогрев первичного воздуха через поверхности нагрева в конвективном газоходе за счет тепла отходящих через выхлопную трубу газообразных продуктов сгорания. В верхней части топочного пространства формируется зона восстановления, где окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота. Восстановительной средой являются продукты неполного сгорания части топлива, а также промежуточные нестабильные продукты горения с обрывками реакционных цепей, радикалами, активными центрами.
Известно [Калишевский Л.Л. и др. Циклонные топки. Под общей редакцией Г.Ф.Кнорре и М.А.Наджарова. М.: Госэнергоиздат. 1958. С. - 216.], что мощным и определяющим источником тепла для начального теплового баланса при сжигании частицы топлива является конвективное тепловосприятие, для чего на первом этапе прогрева «аэродинамическими средствами организуется циркуляционная зона и частица, увлеченная ею, попадает в обратный поток высокотемпературных продуктов полного сгорания, возвращаемых циркуляцией из очага горения. При таких условиях теплосодержание возвращенной части продуктов сгорания идет на удовлетворение нужд начального убыточного баланса частицы, резко интенсифицируя ее наиболее медленные из последовательных стадий газификации и горения: прогрев, испарение влаги и маслянистых веществ и термическое разложение как испаренных углеводородов, так и коксующегося твердого остатка». Очевидно, что важно наличие процесса рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве и его стабильность, повышающие качество сгорания и эффективность работы вихревой топки.
Вихревой поток, поднимаясь по внутренней пристенной области обечайки подготовительной ступени и переходя через конфузор на меньший диаметр нижней первой ступени, получает дополнительную закрутку и ускорение, что способствует интенсификации протекающих процессов. Непосредственно за конфузором формируется зона отрывного течения, в которой и расположена кольцевая щель для выхода каналов рециркуляции в топочное пространство. При внутреннем диаметре выпускного отверстия конфузора не больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки нижней первой ступени, перед выходом в кольцевую щель, в нижней части каналов рециркуляции образуется кольцевая локальная область отрицательного давления. Указанное способствует образованию в каналах рециркуляции противотока газов, дополнительно увлекающего гравитационно осаждаемые частицы кокса и шлака к кольцевой щели. Через кольцевую щель происходит эжекция указанных частиц с их возвратом в топочное пространство нижней первой ступени и дальнейшей стабильной рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями вихревой топки. При этом рециркулирующий вихревой поток работает как проточный муфель с теплоносителем в виде горящих частиц кокса и шлака при температуре, не превышающей температуру их размягчения. Таким образом, полидисперсное топливо, прошедшее первичную термообработку в подготовительной ступени, при переходе в нижнюю первую ступень вместе с продуктами газификации интенсивно перемешивается с рециркулирующим вихревым потоком теплоносителя, способствующим интенсивному повышению температуры, активизации процессов восстановления и дожигания.
Каналы рециркуляции и золоудаления образованы кольцевым пространством между вставленными друг в друга цилиндрическими обечайками различной высоты, что значительно увеличивает объем каналов и при наличии рециркулирующего вихревого потока между ступенями предотвращает перекрытие и зашлаковку внутренних поверхностей вихревой топки. Кольцевое пространство каналов рециркуляции не нарушает плавную траекторию движения потока частиц, приходящего от вышерасположенной ступени по пристенной зоне цилиндрической обечайки, тем самым дополнительно способствуя повышению эффективности рециркуляции.
Конструкция конфузора, установленного в верхней части подготовительной ступени, может быть изготовлена в виде усеченной полусферы, что также создает более плавную траекторию и снижает сопротивление движению вихревого потока воздушно-топливной смеси.
BAC
ВАС
Кольцевая щель между соседними ступенями размером h (Фиг.4 и 5) должна быть меньше величины Н катета ВС, измеренного по вертикали на внутренней поверхности цилиндрической обечайки нижней первой ступени и противолежащего углу вылета частицы топлива α с поверхности конфузора (точка С - место контакта вылетевшей частицы топлива с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки нижней первой ступени). В противном случае, что доказано при исследовании на физической модели вихревой топки, часть частиц при вылете с поверхности конфузора будет попадать в кольцевую щель на противоположной стороне, в противоток рециркулирующего вихревого потока, тем самым снижая эффективность процесса рециркуляции и его стабильность. При этом траектория полета частицы топлива определена углом вылета α и углом наклона к горизонту β каналов тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в топочное пространство. Тем самым, в зависимости от используемых технологических параметров и характеристик полидисперсного топлива, возможна необходимая коррекция траектории движения полидисперсных частиц топлива с целью обеспечения наиболее стабильного процесса рециркуляции.
Каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства могут быть наклонены как вверх, так и вниз, что определяется в зависимости от необходимого времени нахождения частиц догорающего полидисперсного топлива в зоне восстановления. Наклон вниз способствует образованию противотока в пристенной области второй ступени, что соответственно увеличивает время нахождения частиц в топочном пространстве.
В зависимости от вида сжигаемого полидисперсного топлива возможно изготовление большего количества ступеней вихревой топки, а при образовании крупных частиц шлака и их выпадении из потока возможно изготовление шлакоотводного осевого канала на дне подготовительной ступени.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить стабильную рециркуляцию полидисперсного топлива в топочном пространстве, повышающую качество его сгорания и эффективность работы вихревой топки.