КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, включающий горелочное устройство, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности теплообменников (см. авт. свидетельство №1572145, МПК F22В 1/18, опубл. 27.12.95 р.).
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, что приводит к налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности теплообменников. Известный котел-утилизатор не позволяет полностью дожечь примеси, содержащиеся в дымовых газах, что снижает эффективность работы теплообменных поверхностей.
Известен котел-утилизатор, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально примыкает патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, (см. авт. свидетельство №1188454, МПК F23G 7/06, опубл. 30.10.85 р.). Система утилизации тепла содержит радиационный теплообменник, который примыкает к камере сгорания, а также конвективный теплообменник.
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, связанная тем, что радиационный теплообменник примыкает к
камере сгорания, что приводит к резкому падению температуры на выходе из реактора, а также приводит к интенсивному налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности радиационного и конвективного теплообменников. Также недостатком котла-утилизатора является низкая эффективность смешивания горючих компонентов, содержащихся в дымовых газах, с воздухом и топливом, которые подаются через горелочное устройство в реактор, что, в свою очередь, приводит к нестабильному температурному полю и к неполному сгоранию примесей, содержащихся в дымовых газах. Наличие в дымовых газах несгоревших примесей приводит к недостаточной степени обезвреживания дымовых газов, с одной стороны, а, с другой стороны, к загрязнению теплообменных поверхностей радиационного и конвективного теплообменников смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях теплообменников, что приводит к низкой степени утилизации тепла и снижению надежности работы котла-утилизатора.
Интенсивное образование отложений на теплообменных поверхностях приводит к их быстрому загрязнению, что снижает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла (КПД) котла-утилизатора.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является создание котла-утилизатора с высокой степенью очистки дымовых газов от примесей, а также повышение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, например, коксовых печей.
Поставленная задача решается тем, что в известном котле-утилизаторе, содержащем патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, согласно заявляемой полезной модели, котел-утилизатор снабжен системой обогащения
дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которого связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется по следующей зависимости:
где:
1
2
S - площадь выходного отверстия диафрагмы, м;
2
2
S - площадь основания камеры дожига, м.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
где:
1
3
V - объем камеры дожига, м;
2
3
V - рабочий объем реактора, м.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней поверхности камеры дожига и имеющий следующие размеры:
где:
а - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
α - угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
где:
3
2
S - площадь отверстия, м;
4
2
S - площадь основания циклонной камеры сгорания, м.
Предложенное техническое решение позволяет повысить степень очистки дымовых газов от примесей, а также надежность котла-утилизатора за счет введения дополнительной системы обогащения дымовых газов топливом и воздухом перед подачей дымовых газов в реактор. Это способствует эффективному смесеобразованию и приводит к интенсификации процесса горения в рабочем объеме реактора, что обеспечивает эффективную очистку дымовых газов от примесей. Оснащение реактора камерой дожига позволяет увеличить время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора, а также позволяет стабилизировать температурное поле в рабочем объеме реактора, в котором происходит процесс горения и очистка дымовых газов от примесей. Введение в реактор дополнительной циклонной камеры сгорания приводит к образованию в камере дожига встречных вихревых потоков дымовых газов, которые выходят из циклонных камер сгорания, что обеспечивает увеличение эффективности обезвреживания дымовых газов за счет интенсивного перемешивания дымовых газов с топливом и воздухом, а также за счет эффективного дожигания смолистых и углеродистых примесей в рабочем объеме реактора. Это уменьшает загрязнение теплообменных поверхностей системы утилизации тепла смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях, и повышает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла, а также снижает «чувствительность» котла-утилизатора к загрязненным дымовым газам, которые имеют значительное содержание смолистых и углеродистых примесей.
ЧЕРТЕЖИ
Заявляемый котел-утилизатор изображен на следующих чертежах:
Фиг.1 - общий вид котла-утилизатора;
Фиг.2 - вид спереди фиг.1;
Фиг.3 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.4 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.5 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.6 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.7 - сечение А-А фиг.2;
Фиг.8 - сечение В-В фиг.2;
Фиг.9 - вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания;
Фиг.10 - вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
1
2
1
2
Котел-утилизатор содержит патрубки подвода дымовых газов 1, 1 патрубок отвода дымовых газов 2, реактор 3, снабженный циклонными камерами сгорания 4, 4, каждая из которых включает аксиально установленное горелочное устройство 5. Котел-утилизатор содержит систему утилизации тепла 6, включающую теплообменные поверхности 7 и соединенную с реактором 3 и патрубком отвода дымовых газов 2.
1
2
1
2
Котел-утилизатор также снабжен системой обогащения 8 дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубками подвода дымовых газов 1, 1. Реактор 3 снабжен камерой дожига 9, примыкающей к циклонным камерам сгорания 4, 4 и образующей совместно с ними рабочий объем реактора 3. На выходе из реактора 3 установлена диафрагма 10, в которой выполнено выходное отверстие 11, которое связывает реактор 3 с системой утилизации тепла 6 (см. фиг.1, 2).
В нижеприведенных вариантах исполнения котла-утилизатора, которые изображены на фиг.3-6, 9, 10, представлены частные варианты выполнения котла-утилизатора.
Площадь выходного отверстия 11 диафрагмы 10 определяется в соответствии с зависимостью (1).
Объем камеры дожига 9 определяется в соответствии с зависимостью (2).
1
2
В каждом патрубке подвода дымовых газов 1, 1 установлена заслонка 12. На выходе из реактора 3 установлена решетка 14.
1
2
Внутренняя поверхность камеры дожига 9 и камер сгорания 4, 4 выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а именно, шамотного кирпича, огнеупорной глины и др.
В патрубке отвода дымовых газов 2 установлена дополнительная система утилизации тепла 15, включающая теплообменные поверхности 7.
К патрубку отвода дымовых газов 2 примыкает принудительная система отвода дымовых газов 16, включающая тягодутьевое устройство.
1
2
В каждом патрубке подвода дымовых газов 1, 1, установлена турбулизирующая решетка 17.
1
2
1
2
Каждая циклонная камера сгорания 4, 4 имеет дополнительную диафрагму 18, отверстие 19 которой связывает циклонную камеру сгорания 4, 4 с камерой дожига 9.
1
2
Площадь отверстия 19 каждой циклонной камеры сгорания 4, 4 определяется в соответствии с зависимостью (6).
1
На фиг.3 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13 параллельно основанию камеры дожига 9.
2
На фиг.4 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13 перпендикулярно к основанию камеры дожига 9.
3
На фиг.5 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13 под углом α к основанию камеры дожига 9.
1
2
На фиг.6 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13, 13.
1
2
1
2
11
21
1
11
2
21
1
11
2
21
На фиг.9 показан вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания 4, 4, к которым тангенциально подведены патрубки подвода дымовых газов 1, 1, а также подведены дополнительные патрубки подвода дымовых газов 1, 1, соответственно. К каждому патрубку подвода дымовых газов 1, 1, 1, 1, примыкает система обогащения дымовых газов топливом и воздухом, а также в каждом патрубке подвода дымовых газов 1, 1, 1, 1 установлена турбулизирующая решетка 17 и заслонка 12.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.10 показан вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания 4, 4, 4, 4, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 1, 1, 1, 1, соответственно.
Котел-утилизатор работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Дымовые газы, отходящие от топливосжигающего агрегата (на чертежах не показан), поступают в патрубки подвода дымовых газов 1, 1 в каждом из которых размещена заслонка 12 для регулирования подачи дымовых газов в циклонные камеры сгорания 4, 4 реактора 3 котла-утилизатора. В патрубках подвода дымовых газов 1, 1 дымовые газы обогащаются топливом и воздухом с помощью системы обогащения 8, которая примыкает к патрубкам подвода дымовых газов 1, 1. В каждом патрубке подвода дымовых газов 1, 1 установлена турбулизирующая решетка 17 для турбулизации потока дымовых газов, поступающих в циклонные камеры сгорания 4, 4. Турбулизация дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, способствует их лучшему перемешиванию.
1
2
1
2
1
2
Введение дымовых газов в циклонную камеру сгорания 4, 4 посредством тангенциально подведенных патрубков 1, 1 обеспечивает активизацию перемешивания дымовых газов в циклонных камерах сгорания 4, 4.
1
2
1
2
Аксиальное размещение горелочного устройства 5, к которому подводится воздух и топливо в каждой циклонной камере сгорания 4, 4, обеспечивает увеличение длины факела в рабочем объеме реактора 3 и способствует стабилизации температурного поля в реакторе 3. Поток дымовых газов из циклонной камеры сгорания 4 перемещается в камеру дожига 9, в которой встречается с другим потоком дымовых газов, выходящим из циклонной камеры сгорания 4. Это обеспечивает интенсивное перемешивание дымовых газов и способствует
х
1
2
снижению концентрации оксидов азота (NО) и оксидов углерода (СО) в дымовых газах. Соотношение (V/V) объема камеры дожига 9 к общему объему реактора 3, выбранное в соответствии с зависимостью (2), позволяет оптимизировать процесс горения, время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора 3 и обеспечивает повышение эффективности очистки дымовых газов от примесей.
1
2
1
2
Наличие в реакторе 3 диафрагмы 10, а также наличие в камере дожига 9 выступов 13, 13 и наличие в каждой циклонной камере сгорания 4, 4 дополнительной диафрагмы 18, в котором выполнено отверстие свода 19, предотвращает проскок смолистых и углеродистых частиц вдоль стенок камеры дожига 9 в систему утилизации тепла 6 через выходное отверстие 11 диафрагмы 10.
x
Установленная на выходе из реактора 6 решетка 14 способствует турбулизации потока дымовых газов, что обеспечивает эффективную теплопередачу. А также способствует уменьшению концентрации оксидов азота (NO). После реактора 3 дымовые газы поступают в систему утилизации тепла 6. В системе утилизации тепла бив дополнительной системе утилизации тепла 15 установлены теплообменные поверхности 7, например: пароперегреватели, испарители, экономайзеры и т.д., которые позволяют эффективно утилизировать тепло дымовых газов. После системы утилизации тепла 6 дымовые газы поступают в патрубок отвода дымовых газов 2, в котором установлена дополнительная система утилизации тепла 15, предназначенная для дополнительной утилизации тепла дымовых газов. Затем дымовые газы отводятся в окружающую среду посредством принудительной системы отвода дымовых газов 16.
1
2
1
2
11
21
1
2
11
21
1
2
В частном варианте выполнения котла-утилизатора в реакторе 3 установлены две циклонные камеры сгорания 4, 4 (см. фиг.9), к которым тангенциально подведены два патрубка подвода дымовых газов 1, 1, а также два дополнительных патрубка подвода дымовых газов 1, 1, соответственно. Подвод к циклонным камерам сгорания 4, 4 дополнительных патрубков подвода дымовых газов 1, 1 обеспечивает эффективное перемешивание дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, в циклонных камерах сгорания 4, 4.
1
2
3
4
В частном варианте выполнения котла-утилизатора (см. фиг.10) в реакторе 3 установлены четыре циклонных камеры сгорания 4, 4, 4, 4, к которым
1
2
3
4
подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 1, 1, 1, 1, соответственно. При этом обеспечивается эффективная работа котла-утилизатора за счет повышения стабилизации температурного поля в рабочем объеме реактора 3.
Были проведены испытания комплекса «коксовая печь - котел-утилизатор», который установлен в ОАО «Запорожкокс». При этом дымовые газы от коксовой печи поступали в котел-утилизатор, работающий в температурном режиме 1095°C. Результаты проведенных испытаний с различными вариантами выполнения котла-утилизатора приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Показатель
Обозначение<sup>*</sup>
Вариант 1 (фиг.1)
Вариант 2 (фиг.4)
Вариант 3 (фиг.6)
Вариант 4 (фиг.10)
1. Площадь выходного отверстия камеры дожига, м<sup>2</sup>,
S<sub>1</sub>
11,1
11,1
11,1
11,1
2. Площадь основания камеры дожига, м<sup>2</sup>
S<sub>2</sub>
12,33
12,33
12,33
12,33
3. Площадь отверстия дополнительной диафрагмы, м<sup>2</sup>
S<sub>3</sub>
-
4,15
4,15
1,90
4. Площадь основания циклонной камеры сгорания, м<sup>2</sup>
S<sub>4</sub>
4,61
4,61
4,61
2,11
5. Объем камеры дожига, м<sup>3</sup>
V<sub>1</sub>
56,9
56,9
56,9
56,9
6. Объем реактора, м<sup>3</sup>
V<sub>2</sub>
87,53
87,53
87,53
87,53
7. Высота выступа, м
а<sub>1</sub>
-
-
0,2
0,2
8. Длина выступа, м
b<sub>1</sub>
-
-
14,7
14,7
9. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град
α<sub>1</sub>
-
-
0
0
10. Высота выступа, м
a<sub>2</sub>
-
0,2
0,2
0,2
11. Длина выступа, м
b<sub>2</sub>
-
5,2
5,2
5,28
12 Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град
α<sub>2</sub>
-
90
90
90
13. Наличие турбулизирующей решетки в патрубке подвода дымовых газов
-
-
+
+
14. Наличие решетки в реакторе
-
-
-
+
15. Количество циклонных камер сгорания, ед.
2
2
2
4
16. Количество патрубков подвода дымовых газов, которые подведены к каждой циклонной камере сгорания, ед.
1
1
2
1
<sup>*</sup> - в таблице 1 приведены следующие условные обозначения:a<sub>1</sub>, a<sub>2</sub> - высота выступов 13<sub>1</sub>, 13<sub>2</sub>, соответственно, м;b<sub>1</sub>, b<sub>2</sub> - длина выступов 13<sub>1</sub>, 13<sub>2</sub>, соответственно, м;α<sub>1</sub>, α<sub>2</sub> - угол наклона выступов 13<sub>1</sub>, 13<sub>2</sub>, к основанию камеры дожига 9, соответственно, град.
Таблица 2
Показатель
Вариант 1 (фиг.1)
Вариант 2 (фиг.4)
Вариант 3 (фиг.6)
Вариант 4 (фиг.10)
1. Температура в реакторе котла-утилизатора, град
1095
2. Оксиды углерода, мг/м<sup>3</sup>:
до котла-утилизатора
3250
3450
3400
3500
после котла-утилизатора
42
37
10
0
3. Оксиды азота, мг/м<sup>3</sup>:
до котла-утилизатора
540
567
563
570
после котла-утилизатора
365
343
324
312
4. Концентрация смолистых и углеродистых частиц, мг/м<sup>3</sup>
до котла-утилизатора
76
77
82
78
после котла-утилизатора
30,4
28,9
14,5
8,2
5. Надежность работы котла-утилизатора (период времени между очисткой теплообменных поверхностей теплообменников), ч
1100
1190
1620
1930
6. Степень утилизации тепла котла-утилизатора (КПД), %
87,7
88,0
88,5
89,1