ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
AIR HEATING UNIT

Изобретение относится к системам обогрева различных объектов и предназначено преимущественно для использования при подогреве вентиляционного воздуха, подаваемого в шахту.
Рассматривая шахты, и прежде всего угольные, нужно отметить следующие факторы. Во-первых, шахтным способом добывается преимущественно высококачественные угли. Во-вторых, это дорогостоящие угли, и соответственно отгружаемый уголь подвергается тщательной сортировке с выделением некондиционных составляющих. Поэтому именно проблемно перегружаемая и трудно транспортируемая мелочь, типично с высокой зольностью, и углесодержащие отходы углеобогащения, включающие сопровождающие породы, должны быть сырьевой базой для энергетических объектов шахт. Однако сжигание угольной мелочи и высокозольных углесодержащих отходов требует специальных типов топочных устройств.
Известно (Патент РФ №2591070) универсальное по типам сжигаемых топлив и отходов топочное устройство с вихревой топкой, где за счет тангенциальной направленности вторичного дутья над горящим слоевым топочным устройством (СТУ) создается вихрь с горизонтальной осью, проходящей через газоотводящие окна (ГО), одно или два, симметрично расположенные на боковых стенах. В слое горят крупные частицы угля, а из слоя выделяются летучие и унос, горящие в вихре. Вихрь в свою очередь поддерживает горение слоя сверху, удерживает, сжигает и отбрасывает за счет центробежных сил витающие частицы в слой, и этим обеспечивает искровое зажигание и глубокое выгорание измельченного топлива и отходов в слое. При этом выбирается СТУ, оптимальные для применяемого топлива: с цепной механической решеткой прямого или обратного хода, с высокотемпературным кипящим слоем или с кипящим слоем (КС). В итоге обеспечивается высокая экономичность за счет выжигания горючих из слоя, уноса и летучих и высоко экологически эффективная схема сжигания со ступенчатой подачей дутья.
Недостатком этого устройства является то, что оно работает в составе котла и вихревая топка охлаждается водой через топочные экраны с поддержанием низкотемпературного топочного процесса. В этом устройстве не предусмотрено охлаждение топочных экранов воздухом, а также нагрев и подача нагреваемого воздуха в присадку к основному потоку шахтного вентиляционного воздуха, как в воздухонагревательных установках (ВНУ).
Известна наиболее близкая по технической сущности к заявляемому устройству ВНУ (Патент РФ №2386034, кл. E21F 3/00, F24H 3/02), выбранная в качестве прототипа, которая предусматривает подачу нагреваемого воздуха в присадку к основному потоку шахтного вентиляционного воздуха. ВНУ содержит воздухоподогреватель (ВП), СТУ с цепной колосниковой решеткой с дутьевыми вентиляторами, по меньшей мере одним, и вспомогательным оборудованием, а также образованные стенками и потолочной частью, которые выполнены обмуровкой, камеру сгорания с соплами вторичного дутья и камеру дожигания с каналом охлаждающего дутья.
Недостатками прототипа являются:
- низкая экономичность из-за необходимости применения высококачественного топлива, из-за большого недожога топлива, а также больших потерь с уходящими газами из-за их разбавления охлаждающим воздухом и высокой температуры уходящих дымовых газов (ДГ);
- низкие экологические характеристики из-за высокотемпературного топочного процесса;
- низкая надежность конструкции ВНУ из-за высокотемпературного воздействия, шлакования стен и особенно потолочной части камер сгорания и дожигания, выполняемых в виде сводов из клинового кирпича, возможности износа, низкотемпературной коррозии и забивания золой трубок ВП на входе холодного воздуха.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются: повышение экономичности, экологических характеристик и надежности конструкции ВНУ.
Данные задачи решаются тем, что заявляемая ВНУ, содержащая ВП, включенный в тракт ДГ, СТУ с дутьевыми вентиляторами, по меньшей мере одним, и вспомогательным оборудованием, а также образованные стенками, которые выполнены обмуровкой, камеру сгорания с соплами вторичного дутья и камеру дожигания, отличается тем, что над СТУ установлена камера сгорания вихревого типа с ГО, по меньшей мере одним, расположенными на стенах, и соплами вторичного дутья, которые ориентированы тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с горизонтальной осью, проходящей через ГО, выполненные в виде кольцевого сопла вторичного дутья, в котором установлены закручивающие лопатки, причем дутьевые вентиляторы всасом подключены также и к тракту охлажденных ДГ за ВП.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является, во-первых, повышение экономичности за счет возможности применения вместо высококачественного топлива более дешевых угольной мелочи и высокозольных углесодержащих отходов, а также более полное сжигание топлива. Это достигается установкой над СТУ камеры сгорания вихревого типа с ГО, расположенными на стенах и соплами вторичного дутья, которые ориентированы тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с горизонтальной осью, проходящей через ГО, которые выполнены в виде кольцевого сопла вторичного дутья с закручивающими лопатками. Действительно, в соответствии с патентом РФ №2591070 этим создается универсальное по сжигаемым топливам и отходам топочное устройство. В слое горят крупные частицы угля, а из слоя выделяются летучие и унос, интенсивно сгорающие в вихре, поддерживая и активизируя горение слоя сверху. Вихрь удерживает, сжигает и отбрасывает за счет центробежных сил витающие частицы в слой и этим обеспечивает искровое зажигание слоя, минимизацию уноса частиц ДГ с уменьшением износа ВП и других элементов ВНУ и экономичное, глубокое выгорание топлива и отходов в слое.
Кроме того экономичность повышается за счет подключения дутьевых вентиляторов всасом также и к тракту охлажденных ДГ. При этом горячие ДГ охлаждаются рециркуляцией через топку охлажденных ДГ без тепловых потерь, а не за счет их разбавления холодным воздухом со сбросом подогретого воздуха с ДГ при сопутствующих потерях тепла, как в прототипе.
Во-вторых, в топке при подаче ДГ обеспечивается низкотемпературный режим сжигания, что повышает экологические характеристики наряду с экологически более высокими характеристиками собственно вихревого сжигания с активным перемешиванием воздуха и продуктов горения, особенно в зоне газоотводящих окон. Низкотемпературный режим также обеспечивает отсутствие высокотемпературного воздействия и шлакования стен, то есть более надежную их работу.
Дополнительно ВП может иметь три последовательно установленных ступени охлаждения ДГ, причем первая ступень выполнена из жаростойкой стали, расположена на выходе из камеры дожигания и на входе имеет сопла, подключенные к тракту охлажденных ДГ, а вторая и третья ступени выполнены по воздуху с прямоточным перекрестным движением и противоточным перекрестным движением соответственно.
Оценочно температура горения коксующихся углей может достигать 2500°С, и один кубометр таких ДГ даже с учетом потерь тепла может нагреть от -20°С до 250-350°С большое количество воздуха, около 6-7 кубометров. Поэтому в ВП требуется большое сечение для прохода воздуха и параллельное включение потоков воздуха. Технически для сжигания углесодержащих отходов требуется достаточно высокая температура, 800-900°С, которая заметно выше, чем критическая для надежной работы трубной доски ВП - 530°С (Патент №2386034). Применение первой ступени ВП из жаростойкой стали для охлаждения ДГ от 800-900°С до 530°С совместно с установкой на входе в ВП сопел, подключенных к тракту охлажденных ДГ, позволяет четко поддерживать безопасный уровень температур на входе в ВП, отказаться от большого разбавления ДГ, и обеспечить этим повышенную экономичность ВНУ. Выполнение второй ступени по воздуху с прямоточным перекрестным движением улучшает надежность работы трубной доски этой ступени ВП. Использование противоточно перекрестного движения в третьей ступени ВП дает повышенный температурный напор, близкий к противоточному, обеспечивает глубокое охлаждение ДГ и экономичность ВНУ. В итоге эти технические решения повышают экономичность и надежность ВНУ.
В пп. 3-6 предложены четыре СТУ, оптимальные для сжигания высокозольной мелочи и отходов углеобогащения, пригодные для применения в ВНУ. При этом топки с цепной механической колосниковой решеткой прямого хода наиболее просты и надежны, так как они не имеют забрасывателей угля. Топки с цепной механической колосниковой решеткой обратного хода и забрасывателями топлива обеспечивают более интенсивное зажигание забрасываемых частиц угля, крупный уголь забрасывается на слой дальше и дольше пребывает в топке, топочный процесс более устойчив при работе с углем переменного состава. Топки с высокотемпературным КС, который находится на узкой наклонной движущейся механической колосниковой решетке, обеспечивая быстрое воспламенение, интенсивное перемешивание слоя и горение угля, склонны к шлакованию слоя и имеют большой унос мелочи, но при предлагаемом их объединении с вихрем будут более экономичны. Топки КС содержат большую массу КС из горячей золы с малым содержанием угля, поэтому они имеют стабильный топочный процесс, практически без потерь с недожогом в выгружаемой из слоя золе и при их объединении с вихрем будут наиболее экономичны.
Продольная ось СТУ может располагаться перпендикулярно оси вихря с выходом его через одно или два ГО, установленных на противоположных стенах камеры сгорания, причем с вращением вихря над слоем встречно движению топлива. При этом вихрь налетает на слой, раздувает и усиливает горение слоя и переносит искры в сторону подачи свежего топлива, что повышает интенсивность воспламенения и выгорания топлива. Двухсторонний выход обеспечивает устойчивость вихря, уменьшает диаметры ГО, что увеличивает эффективность удержания частиц в камере сгорания.
Кроме того, ГО может устанавливаться в ВНУ на задней стенке камеры сгорания с расположением продольной оси СТУ параллельно оси вихря, причем с установкой сопел вторичного дутья большей частью со стороны опускного движения вихря с их направлением на слой и встречно движению слоя топлива. В этом варианте вихрь также раздувает и усиливает горение слоя и переносит искры и витающие частицы в сторону подачи свежего топлива, что повышает интенсивность воспламенения и выгорания топлива.
В описанном варианте с параллельным расположением продольных осей СТУ и вихря, продольная ось СТУ может быть смещена к продольной стенке камеры сгорания в зону подъемного движения вихря, что позволяет дополнительно полезно использовать импульс восходящего из слоя потока для создания более интенсивного вихря и повышения выгорания топлива.
Обмуровка потолка топки может укладываться на охлаждаемых трубах, подвешенных с помощью тяг на каркасе и включенных в контур циркуляции антифриза через калориферы, которые установлены в тракте подачи нагреваемого воздуха перед воздухоподогревателем. Это повышает надежность конструкции ВНУ, так как позволяет обходиться без сложного при изготовлении и ненадежного в работе свода из кирпичной кладки и обеспечивает нагрев воздуха калориферами перед ВП, что устраняет низкотемпературную коррозию труб ВП и его разрушение.
Изобретение поясняется на фиг. 1 общей схемой ВНУ с продольным разрезом в варианте топки прямого хода с продольной осью, расположенной перпендикулярно оси вихря, а на фиг. 2 дан поперечный разрез камеры сгорания с топкой КС, смещенной в зону подъемного движения вихря.
ВНУ, фиг. 1, имеет камеру 1 сгорания и камеру 2 дожигания, которые сообщаются между собой через ГО 3, одно или два, и соединительные газоходы 4, условно показанные пунктиром. Элементы 1, 2 и 4, как показано на примере камеры 1 сгорания, образованы стенами 5, которые выполнены из обмуровки, и потолком 6, который с целью упрощения конструкции и повышения надежности может быть выполнен из обмуровки и теплоизоляции, уложенной на трубах 7, подвешенных с помощью тяг 8 на каркасе 9.
В нижней части камеры 1 сгорания расположено СТУ, в данном случае, фиг. 1, топка 10 прямого хода с дутьевыми зонами 11, бункером 12 угля и регулятором 13 высоты слоя 14. Продольная ось топки 10 расположена перпендикулярно оси вихря 15, который условно показан пунктирными стрелками 16. На задней стене камеры 1 сгорания расположены сопла 17 вторичного дутья, которые ориентированы тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря 16 с горизонтальной осью, проходящей через ГО 3. ГО 3, выполнено в виде кольцевого сопла 18, в котором установлены закручивающие лопатки (не показаны), направленные по ходу вращения вихря 16.
К топке 10, соплам 17 вторичного дутья и кольцевому соплу 18 подключены дутьевые вентиляторы 19. Их всас соединен с воздухозаборниками 20 и с трактом 21 охлажденных ДГ, и подача ДГ обеспечит низкотемпературный режим сжигания. На выходе топка 10 подключена к тракту выгрузки золы 22. Поддерживающие потолок 6 трубы 7 включены в контур 23 циркуляции антифриза с насосом 24 и калорифером 25, который обеспечивает охлаждение труб 7 и надежную работу конструкцию потолка 6.
СТУ может иметь различные варианты исполнения, и на фиг. 2 дан поперечный разрез камеры сгорания 1 с топкой КС, смещенной в зону подъемного движения вихря, КС 26 поддерживается воздухораспределительной решеткой 27, расположенной над дутьевой зоной 11. Надежная работа КС без его перегрева и щлакования обеспечивается подачей дутьевым вентилятором 19 вместе с воздухом заметной доли ДГ из тракта 21 охлажденных ДГ. Топки с КС отличаются тем, что выходящий из КС поток содержит во много раз большую концентрацию частиц, чем над обычным слоем и поэтому имеет большой импульс. Смещение топки КС в зону подъемного движения вихря, позволяет полезно использовать энергию этого импульса для создания вихря. КС состоит из золы с малым содержанием угля, поэтому топочный процесс стабильный, и практически нет недожога в выгружаемой из слоя золе. При объединении с вихрем, дожигающим унос, топки КС наиболее экономичны.
Согласно проведенным выше оценкам расход нагреваемого воздуха значительно выше расхода ДГ, и поэтому ВП имеет три последовательно установленных по ходу ДГ ступени охлаждения ДГ, включенные по воздуху по параллельной схеме. Первая ступень 28 ВП расположена на выходе из камеры 2 дожигания, имеет сопла 29, подключенные к тракту охлажденных ДГ, и в ней воздух подается внутри труб, выполненных из жаростойкой стали, и эффективно их охлаждает, обеспечивая надежную работу ВНУ и высокую температуру подогрева воздуха. Так как она работает при максимальном температурном напоре, ее габариты минимальны. Вторая ступень 30 ВП выполнена по воздуху с прямоточным перекрестным движением, что обеспечивает надежное охлаждение трубной доски входящим воздухом при высокой температуре подогрева воздуха. Третья ступень 31 ВП имеет противоточно перекрестное движение, что создает максимальный температурный напор, близкий к противоточному и глубокое охлаждение уходящих ДГ. В итоге такой конструкцией ВП обеспечивается высокая температура подогрева воздуха, надежность, экономичность ВП.
Для подачи нагреваемого воздуха установлен вентилятор нагреваемого воздуха 32. Для очистки от золы и сброса ДГ имеются золоуловитель 33, дымосос 34 и дымовая туба 35. Между собой ступени ВП и другие элементы ВНУ соединены воздуховодами 36 и дымоходами 37, и на них стрелками указаны направления движения сред и траекторий: сплошными показано течение воздух, а пунктирными линиями - течение ДГ.
При работе ВНУ топка 10 прямого хода выводит из бункера 12 угля слой 14 угля, высота которого устанавливается регулятором 13 высоты слоя и транспортирует его через камеру 1 сгорания над дутьевыми зонами 11 к тракту выгрузки золы 22 с выгрузкой в него очаговых остатков. В камере 1 сгорания осуществляется топочный процесс, завершающийся в соединительных газоходах 4 и камере 2 дожигания. В ходе топочного процесса при движении слой 14 угля воспламеняется, горит и постепенно сгорает в потоке дутья, которое поступает от вентилятора 19 и распределяется шиберами между дутьевыми зонами 11.
Сверху на слой 14, причем встречно его движению, со стороны задней стены 5 камеры 1 сгорания через сопла 17 вторичного дутья, ориентированные тангенциально к оси 15 вихря, подаются струи вторичного дутья, которые за счет импульса формируют над слоем 14 вихрь 16 с горизонтальной осью 15, проходящей через ГО 3. Выход вихря в ГО 3 сопровождается сжатием вихря, ускорением вращения, очисткой уходящего потока от частиц с их отбрасыванием и удержанием в камере 1 сгорания, причем горящие частицы попадают в зону встречного дутья, подаваемого с закруткой через кольцевое сопло 18, и быстро догорают. Удержание частиц в камере 1 сгорания и очистка в ГО 3 от них уходящего потока ДГ защищает ВП и другие элементы от износа и соответственно повышает надежность работы ВНУ.
Крупные, не выносимые частицы горят в слое 14 в потоке первичного дутья и поддерживают горение в вихре 16 выносимыми частицами и летучими. В свою очередь вихрь 16, поддерживаемый потоком вторичного дутья, поступающим из сопел 17 вторичного дутья,  поддерживает и активизирует, раздувает горение слоя 14 сверху, выжигает горючие из летучих и частиц уноса в камере сгорания 1, отбрасывает искры на слой 14 и обеспечивает искровое зажигание свежего топлива. В итоге достигается более полное сжигание топлива, а также повышение экономичности за счет возможности применения вместо высококачественного топлива более дешевых угольной мелочи и высокозольных углесодержащих отходов.
Топка, включая камеры 1 сгорания и 2 дожигания, а также соединительные газоходы 4, не охлаждаемая. Низкотемпературный топочный процесс и за счет этого высокие экологические характеристики, а также работа без расплавления золы и выделения шлака в слое и на стенах достигаются подачей на всас вентиляторов 19 не только воздуха через воздухозаборники 20, но и присадки ДГ из тракта 21 охлажденных ДГ. Более низкая температура в топочном объеме обеспечивает надежную работу стен 5 топки и потолка 6, выполненных из обмуровки. Выполнение над трубами 7, подвешенными с помощью тяг 8 на каркасе 9 сверху камер 1 сгорания и дожигания 2, облегченной конструкции потолка 6 из обмуровки и теплоизоляции дополнительно повышает надежность и упрощает конструкцию ВНУ, не требует сложного потолка арочного типа из клинового кирпича.
Работа топки КС, фиг. 2, несколько отличается от других схем слоевого сжигания. КС 26 поддерживается на воздухораспределительной решетке 27, и псевдоожижается, кипит за счет прохождения дутья, подаваемого из дутьевой зоны 11 и ДГ, образующихся при горении угля в КС 26. Топка также не охлаждаемая, ее надежная работа без перегрева и щлакования обеспечивается подачей дутьевыми вентиляторами 19 под слой и над слоем вместе с воздухом заметной доли присадки ДГ из тракта 21 охлажденных ДГ. Для закрутки выходящего из КС насыщенного потока частиц, который содержит во много раз большую концентрацию, чем над обычным слоем вихря, топка КС смещена в зону подъемного движения вихря. Так как содержание угля в массе золы в топке КС и недожог с выгрузкой золы из КС малы, а унос дожигается в вихре, то этот вариант, фиг. 2, наиболее экономичен. Он также пригоден для замены высококачественного топлива более дешевыми угольной мелочью и высокозольными углесодержащими отходами.
ВНУ используется для нагрева воздуха, подаваемого вентилятором 32 нагреваемого воздуха и его присадки в поток шахтного вентиляционного воздуха. Тепло, воспринятое трубами 7 по контуру 23 циркуляции антифриза, подается с антифризом насосом 24 и в калорифер 25, нагревает воздух перед ВП. Это устраняет намокание труб ВП, их низкотемпературную коррозию и забивание золой. Выполнение из обмуровки стен 5 и потолка 6, который только частично охлаждается трубами 7, подвешенными с помощью тяг 8 на каркасе 9 камер 1 сгорания и дожигания 2, обеспечивает максимальную передачу тепла сгорания топлива к ДГ. Далее ДГ охлаждаются и отдают тепло к потоку нагреваемого воздуха в трех последовательно установленных по ходу ДГ ступенях ВП, включенных по нагреваемому воздуху по параллельной схеме. Нагреваемый воздух и ДГ между ступенями ВП и другими элементами ВНУ протекают по воздуховодам 36 и дымоходам 37 в направлениях, указанных стрелками, и по траекториям: сплошными показано течение воздух, а пунктирными линиями течение ДГ.
Перед первой ступенью 28 ВП с помощью сопел 29, подключенных к тракту 21 охлажденных ДГ, обеспечивается поддержание температуры ДГ, при которой температура стенки ее труб, выполненных из жаростойкой стали и охлаждаемых нагреваемым воздухом изнутри, не превышает предельно допустимую, обеспечивая надежную работу ВНУ. При этом первая ступень 28 ВП дает наиболее высокую температуру подогрева воздуха, и так как она работает при максимальном температурном напоре, то ее габариты минимальны. Вторая ступень 30 ВП имеет по воздуху прямоточно-перекрестное движение. Это обеспечивает надежное охлаждение трубной доски входящим воздухом при высокой температуре подогрева нагреваемого воздуха. Третья ступень 31 ВП имеет противоточно перекрестное движение. Это создает максимальный температурный напор, близкий к противоточному и глубокое охлаждение уходящих ДГ. В итоге трехступенчатая конструкция ВП надежна, обеспечивает высокую температуру подогрева воздуха за счет первой 28 и второй 30 ступеней ВП и имеет высокую экономичность за счет глубокого охлаждения уходящих ДГ в третей ступени 31 ВП. После охлаждения в ВП ДГ очищаются от золы в золоуловителе 33, дымососом 34 сбрасываются по дымовой тубе 35 и рассеиваются в атмосфере.