Вихревая топка

Полезная модель относится к устройствам для сжигания топлива, в частности, к вихревым топкам, и может быть использована для сжигания твердого органического топлива, например, на тепловых электростанциях.
Из предшествующего уровня развития техники известна вихревая топка с установленной в верхней части камеры сгорания горелкой и в нижней соплами для подачи воздуха [Авторское свидетельство №483559. БИ №33 за 1975 г. Кл. F23C 5/12].
Недостатком этого устройства является низкая эффективность сжигания топлива при изменении нагрузки топки, обусловленная увеличением потерь топлива из-за механического недожога.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, а также сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки и его продольная ось направлена в сторону горелки, а другое - на стене камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, сопло установлено так, что продольная ось пересекает смежную стенку воронки. На стенке камеры сгорания, противоположной горелке, установлено дополнительное сопло на уровне выше горелки. Продольная ось дополнительного сопла составляет угол 30…135° относительно стенки камеры сгорания [RU №2253801 С1, Бюл. №16 за 2005 г. Кл. F23C 5/12, F23C 7/02].
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность сжигания при изменении нагрузки топки, обусловленная увеличением потерь топлива из-за механического недожога.
Задача на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение повышения полноты сгорания топлива, снижение механического недожога и тем самым повышением коэффициента полезного действия, возможности увеличения производительности и снижения затрат энергии при сжигании немолотого топлива.
Данное техническое решение является наиболее близким к заявленному и принято за прототип.
Данная задача достигается за счет того, что вихревая топка, содержащая камеру сгорания, включающую стенки переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку камеры сгорания, а также сопла для подачи воздуха, одно из которых установлено в нижней части воронки, а другое - на стенке камеры сгорания, противоположной горелке, на уровне по высоте ниже горелки, причем продольная ось сопла пересекает смежную стенку воронки. На стенке камеры сгорания, противоположной горелке может быть установлено дополнительное сопло на уровне выше горелки, продольная ось дополнительного сопла составляет угол 30…135° относительно стенки камеры сгорания, стенки камеры сгорания могут иметь аэродинамические выступы, в стенку воронки смежной с соплом нижнего дутья, вмонтирован бункер сбора крупных кусков топлива, снабженный питателем, для подачи термически обработанного топлива за счет излучения топочного объема в нижнюю часть камеры сгорания.
Техническим результатом обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является снижение потерь теплоты из-за механического недожога в уносе и провале за счет термической подготовки крупных кусков твердого органического топлива в сборном бункере, надежная работа устройства, повышение коэффициента полезного действия топки, возможности увеличения производительности и снижения затрат энергии при сжигании немолотого топлива.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема вихревой топки.
Вихревая топка, содержит камеру сгорания 1, которая включает стенки 2, переходящие в нижней части в воронку 3. В одну из стенок 2 камеры сгорания 1 вмонтирована горелка 4, имеющая в конкретном примере наклон в сторону воронки 3. В нижней части воронки 3 установлено сопло 5 для подачи воздуха в нижнюю часть камеры сгорания 1. На стенке 2 камеры сгорания 1, противоположной горелке 4, на уровне по высоте ниже горелки 4 вмонтировано сопло 6, продольная ось которого пересекает стенку воронки 3. Кроме того, камера сгорания 1 может быть снабжена дополнительным соплом 7 для подачи воздуха, вмонтированным на стене 2 камеры сгорания 1, противоположной горелке 4, продольная ось дополнительного сопла 7 составляет угол 30°≤α≤135° относительно стенки 2 камеры сгорания 1. В стенку воронки 3 смежной с соплом 5, вмонтирован бункер 11 сбора крупных кусков топлива, снабженный питателем 12, для подачи термически обработанного топлива в нижнюю часть воронки 3.
Вихревая топка работает следующим образом. Топливно-воздушная смесь, состоящая из измельченного топлива и воздуха, подается посредством горелки 4 во внутреннее пространство камеры сгорания 1. Воздух, необходимый для горения топлива, подается в нижнюю часть камеры сгорания 1 двумя потоками: через сопло 5, установленное в нижней части воронки 3, и сопло 6, вмонтированное на стенке 2 камеры сгорания 1, противоположной горелке 4, на уровне по высоте ниже горелки 4, и в верхнюю часть камеры сгорания 1 через дополнительное сопло 7, вмонтированное на стенке 2 камеры сгорания 1 противоположной горелке 4, на уровне по высоте выше горелки 4. Крупные куски свежего топлива из горелки 4 попадают в сборный бункер 11, где термически обрабатываются излучением из топочного объема и затем питателем 12 подаются в воронку 3, в процессе этого термомеханически разрушаются. Куски породы выводятся из вихревой зоны 9. При этом количество движения (расход, скорость) воздуха из горелки 4, сопел 5, 6 и дополнительного сопла 7 выбираются такими, чтобы обеспечить сепарацию и распределение частиц топлива разных размеров по объему и высоте камеры сгорания 1. Топливно-воздушная смесь внутри камеры сгорания 1 воспламеняется и образует факел 8, в котором сгорают самые мелкие частицы топлива. Часть несгоревших частиц топлива под действием сил гравитации и инерции сепарируется в нижнюю часть камеры сгорания 1, а именно, в ее вихревую зону горения 9. Поток воздуха из сопла 6 прижат к стенке воронки 3 благодаря тому, что продольная ось 10 этого сопла пересекает стенку воронки 3 и взаимодействует с потоком воздуха из сопла 5, что обусловливает формирование устойчивого и интенсивного контура циркуляции горящих частиц топлива в вихревой зоне горения 9 и, соответственно, способствует повышению доли топлива, поступающего в нижнюю часть камеры сгорания 1, что обусловливает повышение устойчивости воспламенения и интенсивность сгорания топлива в нижней части камеры сгорания 1. Поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 7, придает импульс в направлении продольной оси этого сопла достаточно крупным частицам топлива, еще не успевшим сгореть в факеле 8, и способствует их сепарации из факела 8 к противоположной от дополнительного сопла 7 стенке 2 камеры сгорания 1. Эти частицы под действием сил гравитации и подсасывающего эффекта поступают в поток топливно-воздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания 1 из горелки 4, что обусловливает повышение степени выгорания топлива в факеле 8 и тем самым повышает коэффициент полезного действия устройства. С другой стороны, поток воздуха, выходящий из дополнительного сопла 7, обогащает факел 8 кислородом, что обеспечивает более интенсивное догорание частиц топлива, а также газообразных продуктов неполного горения в этой части камеры сгорания 1, создает окислительную среду, способствующую уменьшению вероятности образования отложений на стенках 2 камеры сгорания 1, что повышает надежность ее работы.
Регулирование расходов воздуха из горе л очно-сопловых устройств (горелки, сопел 5, 6 и дополнительного сопла 7) позволяет в рабочем диапазоне нагрузок рационально распределить частицы топлива разных размеров по объему камеры сгорания 1 таким образом, чтобы выровнять тепловыделение и тем самым поле температуры по объему камеры сгорания 1. Это обстоятельство позволяет снизить интенсивность пиропластических превращений в золовых частицах с образованием легкоплавких эвтектик и, как результат, уменьшение отложений на стенках камеры сгорания 1, что повышает надежность ее работы.
Кроме того, пониженный в целом уровень температуры в объеме камеры сгорания 1 снижает образование оксидов азота. Это обстоятельство в сочетании с многократной циркуляцией золовых частиц в вихревой зоне 9 приводит к значительному повышению связывания оксидов серы. Таким образом, улучшаются экологические показатели устройства.
Вихревая топка может быть использована практически для всей гаммы твердого органического топлива в широком диапазоне изменения его качественных характеристик и гранулометрического состава, позволяет повысить коэффициент полезного действия, надежность и безопасность работы топки за счет снижения вероятности отложений на ее стенках, а также снизить образование оксидов азота за счет снижения и выравнивания общего уровня температуры в топке и повысить связывание оксидов серы основными окислами минеральной части топлива за счет увеличения скорости этих химических реакций при снижении уровня температуры. Использование бункера сбора бункера крупных кусков топлива с последующей их термической обработкой приводит к увеличению производительности и снижению расхода энергии на подготовку твердого органического топлива.