ВИХРЕВАЯ ТОПКА

Полезная модель относится к организации вихревого сжигания твердого топлива и может использоваться в печах, промышленных и энергетических котлах при их реконструкции и разработке нового оборудования.
Известна применяемая в энергетике камерная топка с угловым расположением пылеугольных горелок, сопла которых направлены из углов топки тангенциально к условному телу вращения с вертикальной осью. За счет топливовоздушных струй в топке создается вихрь с вертикальной осью вращения, обеспечивающий более устойчивое воспламенение и хорошее выжигание горючих. [Котлы большой мощности. Каталог-справочник. - М.: НИИ-ИНФОРМТЯЖМАШ, 1970, фиг.10, 11].
Недостатками такой топки являются:
- низкая экономичность, слабое удержание горящих частиц в топке, мелкие частицы выносятся с потоком газов вверх, а крупные падают вниз не сгорая, соответственно необходима сложная, дорогостоящая, пожаро- и взрывоопасная система тонкого помола топлива для получения мелких, быстро сгорающих частиц;
- повышенная эмиссия вредных оксидов и возгонка золы из-за высокой неравномерности тепловыделения и перегретого ядра факела;
- низкая форсировка топки из-за высокой неравномерности тепловыделения и неэффективного использование нижней части экранов топки, так как факелы горелок расположены в верхней ее части.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является вихревая топка, содержащая систему подачи топлива, колосниковую решетку с кипящим слоем и расположенное сверху газовыпускное окно с направленными в сторону топки тангенциальными соплами острого дутья. При этом газовыпускное окно может быть образовано обмуровкой или кольцевым воздуховодом с тангенциальными соплами острого дутья и расположено на боковой стене вверху топки. Частицы топлива дожигаются и удерживаются в топке за счет установленных в газовыпускном окне и направленных в сторону топки сопел острого дутья, а расположенная снизу колосниковая решетка и кипящий слой позволяют вовлечь в теплообмен нижнюю часть экранов топки и сжигать более крупное топливо, без необходимости его мелкого размола. [Патент RU №.2230980].
Недостатками прототипа являются:
- пониженная экономичность топки, так как вихревая аэродинамика сосредоточена только вблизи газовыпускного окна, и мелкие частицы плохо удерживаются в топке, не догорев, они выносятся с потоком газов;
- повышенная эмиссия вредных оксидов, ухудшенные условия работы экранов и пониженная форсировка топки из-за того, что интенсивный топочный процесс не захватывает весь топочный объем и имеет место высокая неравномерность тепловыделения, так как вихревая аэродинамика сосредоточена только вблизи газовыпускного окна;
- низкая надежность вследствие пониженной надежности работы колосника и необходимости применения ручного труда для очистки топки от шлака из-за возможности зашлаковывания кипящего слоя.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение экономичности, снижение эмиссии вредных оксидов и форсировки топки за счет создания активной аэродинамической обстановки, обеспечивающей равномерное, интенсивное распределение топочных процессов во всем топочном объеме, и повышение надежности работы топки.
Поставленная задача решается тем, что в вихревой топке, содержащей экраны, систему подачи топлива, колосниковую решетку и расположенный сверху кольцевой воздуховод с тангенциальными соплами острого дутья, образующий газовыпускное окно, по предлагаемой полезной модели колосниковая решетка выполнена водоохлаждаемой, с шурующей планкой, кольцевой воздуховод расположен на потолке по оси топки, а в углах по всей высоте от потолка топки и до колосниковой решетки рядами установлены сопла вторичного дутья, ориентированные тангенциально к условному телу вращения с вертикальной осью и с наклоном вниз под углом 5-45 градусов.
Кроме того, потолок может быть выполнен в виде экрана с кольцевым коллектором или труб экранов, отогнутых к кольцевому воздуховоду, а кольцевой воздуховод может иметь нижние и верхние тангенциальные сопла острого дутья, причем нижние сопла острого дутья направлены вниз, а верхние сопла острого дутья направлены вверх.
По сравнению с прототипом, за счет однонаправленной и согласованной подачи вторичного и острого дутья, в предлагаемой вихревой топке создается интенсивный вихрь с вертикальной осью вращения. При этом наиболее эффективна передача импульса вихрю от подачи вторичного дутья, если сопла установлены с наклоном вниз под углом 5-45 градусов. Вихрь, заполненный горящими и раскаленными частицами, и активная аэродинамическая обстановка, обеспечивающая равномерное распределение топочных процессов во всем топочном объеме и устраняющая максимум температур, приводят к снижению эмиссии вредных оксидов, увеличению экономичности и обеспечению возможности форсировки, то есть увеличению мощности, топки. Выполнение колосниковой решетки водоохлаждаемой, с шурующей планкой повышает надежность работы топки.
На чертеже схематично показана предлагаемая вихревая топка.
Вихревая топка 1 образована экранами 2 и имеет систему 3 подачи топлива с питателем 4 и бункером 5 топлива. Снизу вихревая топка оборудована колосниковой решеткой 6 с шурующей планкой 7 и транспортером 8 удаления шлака. При этом на колосниковой решетке 6 могут сжигаться крупные частицы, соответственно не требуется тонкий размол топлива, и в топочный процесс вовлекается весь объем топки 1 и экраны 2, начиная снизу вихревой топки. Колосниковая решетка охлаждается водой, шурующая планка 7 позволяет механизировать шуровку слоя и выгрузку из топки шлака без затрат ручного труда, а водяное охлаждение обеспечивает ее надежность.
Сверху вихревая топка 1 имеет потолок 9, образованный, как показано на чертеже, отгибкой труб экранов 2 вовнутрь топки к кольцевому воздухо-воду 10 с газовыпускным окном 11 круглого сечения. Потолок 9 может быть выполнен и в виде горизонтального или слабо наклоненного экрана (для испарительных труб нормами проектирования котлов рекомендуется наклон не менее 15°) с кольцевым коллектором 72, над которым располагается кольцевой воздуховод 10. Кольцевой воздуховод 10 размещен по оси 13 вихревой топки 1, имеет верхние сопла 14 острого дутья, направленные вверх, и нижние сопла 15 острого дутья, направленные вниз (на чертеже условно показаны стрелками), причем сопла острого дутья 14 к 15 установлены тангенциально. В углах по всей высоте от потолка 9 топки и до колосниковой решетки 6 четырьмя вертикальными рядами установлены сопла 16 вторичного дутья. При этом сопла 16 вторичного дутья ориентированы тангенциально к условному телу вращения с вертикальной осью 13 и с наклоном вниз под углом 5-45 градусов (на чертеже условно показаны стрелками). Кроме указанных элементов имеются конвективные поверхности нагрева 17 и вентилятор 18 с раздающими воздуховодами 19.
За счет согласованной подачи вторичного и острого дутья, в предлагаемой вихревой топке создается активная аэродинамическая обстановка и интенсивный вихрь с вертикальной осью вращения (на чертеже условно показан дуговыми стрелками), удерживающий частицы и соответственно заполненный горящими потоком раскаленных излучающих частиц. Этим обеспечивается более интенсивный тепло- и массообмен, равномерное тепловосприятие экранов и распределение топочных процессов во всем топочном объеме, снижается температура и устраняется ее максимум. Соответственно снижается эмиссия вредных оксидов и зашлаковывание экранов, увеличивается экономичность, появляется возможность форсировки топки, обеспечивается более надежная и эффективная работа топки и котла, в том числе на шлакующих топливах.
Предлагаемая вихревая топка 1 работает следующим образом. Измельченное топливо из бункера 5 питателями 4 дозируется и через систему 3 подачи топлива вводится в топку 1. Крупные частицы топлива падают вниз и горят на водоохлаждаемой колосниковой решеткой 6 в потоке первичного воздуха, который подается через нее вентилятором 18. Топочный процесс распространяется на весь объем топки и всю поверхность экранов 2.
Шурующая планка 7 за счет возвратно-поступательных движений по колосниковой решетке 6 ворошит горящий слой топлива, интенсифицируя его горение и обеспечивает механизированную выгрузку очаговых остатков в транспортер 8 удаления шлака. Таким образом, топка надежно работает при попадании крупных частиц топлива и соответственно не требуется тонкий размол топлива в дорогостоящей пожаро- взрывоопасной системе.
Вверху, за счет подачи через вертикальные ряды сопел 16 вторичного дутья в вихревой топке 1 создается активная аэродинамическая обстановка и интенсивный вихрь с вертикальной осью 13 вращения. Этот вихрь увлекает мелкие частицы топлива и за счет центробежных сил удерживает их. Причем под потолком 9, при подходе к кольцевому воздуховоду 10 и на выходе потока в газовыпускное окно 11, вращение ускоряется и центробежные силы отбрасывают частицы к стенкам топки и соплами 16 вторичного дутья направляются вниз, обеспечивая равномерное заполнение вихревой топки горящими потоком раскаленных излучающих частиц, интенсивный тепло- и массообмен, снижение температуры, уменьшение эмиссии вредных оксидов и равномерное тепловосприятие по экранам 2. Расположение сопел 16 вторичного дутья в углах топки вовлекает угловые зоны в топочный процесс.
Нижние сопла 75 острого дутья, расположенные в кольцевом воздуховоде 10 и направленные вниз, улучшают удержание частиц в топке, а верхние сопла 14 острого дутья направленные вверх позволяют дожечь в вихревом потоке вынесенные из топки продукты неполного сгорания.
Дымовые газы далее охлаждаются в конвективных поверхностях нагрева 77 и удаляются из котла. Воздух в сопла дутья 14, 15 и 16 подводится от вентилятора 18 по раздающим воздуховодами 19. Образование потолка 9 трубами экранов с кольцевым коллектором 72, обеспечивает охлаждение конструкции потолка и его надежную работу.
В предлагаемой топке, как и в прототипе, патент RU №.2230980, может быть организовано сжигание не только пыли, но и дробленого топлива, с удержанием частиц в вихре. Крупные частицы дожигаются на механизированной колосниковой решетке с удалением очаговых остатков в систему удаления золы шурующей планкой. При этом обеспечивается устранение механического недожога с провалом топлива. Охлаждение водой колосниковой решетки поддерживает ее надежную работу
Вертикальный вихрь занимающий всю топку, интенсивный тепломассообмен и равномерное заполнение топки горящим потоком излучающих частиц обеспечивают повышенную экономичность, интенсивный отвода тепла к экранам и низкотемпературный топочный процесс с минимумом эмиссии вредных оксидов и возможность форсировки топки.