ВИХРЕВАЯ ТОПКА
VORTEX FURNACE

Изобретение относится к полуоткрытым камерным вихревым топочным устройствам с тангенциальной схемой расположения горелок, которое обеспечивает получение вращающегося пылеугольного факела и стабильное сжигание, в том числе углесодержащих и других отходов, угля в виде водоугольного топлива - ВУТ. Устройство может использоваться в промышленных и энергетических котлах, в том числе при их переводе с жидкого и газообразного топлива на уголь путем предварительной переработки его в ВУТ.
Известна гамма топка ВТИ [Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.17-30.] полуоткрытого типа. Топка разделена двухсторонним пережимом на камеру сгорания и расположенную над ней камеру дожигания и имеет прямоточные горелки, причем основные горелки установлены с наклоном вниз на нижних гранях пережима, а дополнительные горелки над ними под углом, меньшим на 10°. Благодаря встречно-наклонному размещению горелки создают факелы с петлеобразными траекториями в форме буквы γ (гамма), проходящими через корни факелов. Соударение факелов и подвод высокотемпературных топочных газов к корню факелов обеспечивают интенсивное воспламенение и горение. Гамма топка высокотемпературная, она работает с жидким удалением шлака.
Недостатками гамма топки ВТИ являются: большая эмиссия вредных выбросов и интенсивное шлакование, вызываемые высокой температурой. Гамма топка ВТИ не предназначена для применения ВУТ.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое выбрано прототипом, является низкотемпературная вихревая топка - НТВ. [Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.43, рис.22]. НТВ содержит камеру сгорания, переходящую в нижней части в холодную воронку, прямоточные горелки, расположенные на нижней грани пережима на фронтовой стенке камеры сгорания и направленные вниз, а также сопла дутья, установленные в устье холодной воронки направленно встречно горелкам. Эта пара потоков топливовоздушных струй и пережим на фронтовой стенке формируют в топке вихрь и подачу горящих топочных газов к корню факелов, обеспечивают удержание частиц топлива и низкотемпературный топочный процесс - равномерный, с распространением его в холодную воронку. НТВ отличается низкой эмиссией вредных выбросов и не шлакуется.
Недостатками прототипа являются: низкая экономичность, малый диапазон регулирования нагрузки и невозможность сжигания ВУТ. Низкая экономичность возникает за счет большого механического недожога. Действительно, в низкотемпературной топке поддерживается равномерный пониженный уровень температур, поэтому воспламенение и выгорание частиц замедлено. С другой стороны из-за слабого удержания частицы выносятся из НТВ и плохо выгорают, кроме того, имеется значительный провал в устье холодной воронки. Малый диапазон регулирования нагрузки объясняется тем, что в низкотемпературной топке НТВ при работе с пониженными нагрузками уровень температур еще более снижается, возникает неустойчивое горение и пульсации. Соответственно, например, при низкой летней отопительной нагрузке топку и все оборудование необходимо периодически останавливать и запускать, а это крайне неэкономично. По этой причине нельзя вовлечь в топливный баланс уголь, дешевые шламы и углесодержащие отходы при их подаче в виде ВУТ, так как НТВ топка из-за низкой температуры непригодна для их утилизации.
Целью изобретения является:
- повышение экономичности;
- расширение диапазона регулирования нагрузки;
- вовлечение в топливный баланс шламов, углесодержащих и других липких отходов путем их подачи и сжигания в виде ВУТ;
- перевод промышленных и энергетических газомазутных котлов с жидкого и газообразного топлива на уголь, путем предварительной переработки и подачи угля на сжигание в виде ВУТ.
Особенности применения ВУТ [Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. - 176 с.] требуют пояснения. Липкие отходы: шламы, илы и отходы мокрого углеобогащения типично представлены мелкими частицами микронных размеров. Предлагается их перерабатывать и подавать в виде ВУТ насосами и распылять форсунками. Таким образом, можно легко обеспечить подачу замазывающих тракт топливоподачи липких потоков. Так как ВУТ из отходов имеет низкую калорийность, ниже 2500-2900 ккал/кг, и для его воспламенения и стабильного горения требуется подсветка высококалорийным топливом, предлагается утилизировать ВУТ из отходов совместно с пылеугольным сжиганием.
С другой стороны, уголь, например, путем мокрого помола также можно превратить в ВУТ, но с калорийностью более 3000 ккал/кг. Предлагается подать уголь в котел в виде ВУТ для замены дорогостоящего жидкого и газообразного топлива, при этом дополнительного топлива для стабильного горения теоретически не требуется. Отметим, что мокрый помол не требует сушильного агента, сушки угля и производится независимо от работы котла.
Важной особенностью ВУТ является необходимость предварительной подсушки капель. В противном случае пролет капель ВУТ до стенок топки вызовет их налипание в виде быстрорастущей «шубы», заполняющей объем топки. Кроме того, в стадии сушки температура частиц незначительно превышает температуру кипения воды, 100°C, поэтому до прогрева и воспламенения уже высохших частиц может пройти значительный период времени. Для котлов при их переводе на ВУТ типично: нестабильность, погасание и затягивание факела ВУТ в пароперегреватель с его пережогом.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, выражается в выделении вихревой камеры сгорания и создании в ее объеме высокотемпературного ядра горения и раскаленного горящего потока, движущегося из этого ядра вниз и поднимающегося далее по стенкам камеры сгорания вверх в виде периферийного вихря, омывающего корни факелов и инициирующего их зажигание. При этом высокотемпературное ядро горения и горящий периферийный вихрь обеспечивают:
- повышение экономичности - за счет зажигания и дальнейшего интенсивного выгорания топливо-воздушных струй в вихревой камере сгорания;
- расширение диапазона регулирования нагрузки - за счет надежного воспламенения, удержания горящих частиц под пережимом и стабильного горения собственно высокотемпературного ядра, в том числе в режиме газификации, даже при минимальной подаче топлива в вихревую камеру сгорания, то есть при малой нагрузке котла;
- возможность вовлечения в топливный баланс шламов и углесодержащих отходов с подачей их в виде ВУТ, так как высокотемпературное ядро горения основного топлива с омыванием периферийным вихрем корней их факелов создает условия для интенсивной сушки, воспламенения и стабильного горения низкокалорийного ВУТ;
- возможность перевода газомазутных котлов с жидкого и газообразного топлива на уголь в виде ВУТ, так как устойчивое горение ВУТ можно обеспечить в реконструированных с выделением вихревой камеры сгорания в топках газомазутных котлов при их работе в режиме газификации.
Наличие выделенной двухсторонним пережимом камеры сгорания даже минимальных размеров с высокотемпературным ядром горения всегда будет инициировать воспламенение, поддержание горения и распространение пламени в камеру дожигания при подаче топлива через верхний ярус дополнительных горелок, особенно при работе камеры сгорания в режиме газификации и добавке вторичного дутья в зоне горловины пережима. При этом камера дожигания обеспечивает не только общую высокую нагрузку топки, но и регулирование температуры перегрева пара в котле за счет затягивания факела горения с потоком вторичного дутья в камеру дожигания.
Для устранения потерь топлива с провалом могут использоваться дополнительно технические решения: в устье холодной воронки устанавливается дожигательная решетка и/или сопла нижнего дутья, перекрывающие ее устье и ориентированные согласовано с вращением вихря.
Сопоставительный анализ признаков заявленного устройства с признаками прототипа и аналога свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Заявленные признаки решают следующие функциональные задачи.
Признак «камера сгорания отделена двухсторонним пережимом с установленными с наклоном вниз на нижних гранях пережима основными горелками и выполнена с холодной воронкой, а основные горелки установлены тангенциально» обеспечивает удержание горящих частиц под пережимом, формирует высокотемпературное ядро горения и раскаленный горящий поток, движущийся из этого ядра вниз по оси камеры сгорания и поднимающийся далее по ее стенкам вверх в виде периферийного вихря, омывающего корни факелов, и этим обеспечивает:
- повышение экономичности и полноту выгорания топлива;
- расширение диапазона регулирования нагрузки за счет надежного воспламенения и стабильного горения.
Признак «дополнительные горелки нижнего яруса расположены в зоне горловины пережима и подключены к трактам подачи ВУТ, причем они установлены с наклоном вниз и тангенциально, их струи охватывают струи основных горелок снизу» обеспечивает возможность подачи и вовлечения в топливный баланс шламов и углесодержащих отходов в виде ВУТ. В камере сгорания потоки капель ВУТ сверху омываются факелами основных горелок и высокотемпературным ядром горения, а снизу встречным горящим потоком периферийного вихря, поэтому интенсивно сушатся, разогреваются, воспламеняются и устойчиво сгорают.
Признак «сопла вторичного дутья расположены в зоне горловины пережима» повышает эффективность удержания и выгорания частиц за счет их отбрасывания струями вторичного дутья, позволяет ввести двухступенчатую схему сжигания с режимом газификации в камере сгорания и затягиванием вихревого факела и выделением тепла в камеру дожигания. При этом все экраны вихревой топки воспринимают тепло равномерно по высоте. Повышается температура газов на выходе из топки, обеспечивая регулирование температуры перегрева пара. Поддержание температуры перегрева пара во всем диапазоне регулирования нагрузки необходимо при работе котла с турбиной.
Признак «дополнительные горелки верхнего яруса подключены к тракту подачи угля тонкого помола» обеспечивает общую высокую нагрузку топки и котла, а также регулирование температуры перегрева пара во всем диапазоне регулирования нагрузки.
Признаки «в устье холодной воронки расположена дожигательная колосниковая решетка» и «на стенах холодной воронки расположены, по крайней мере, в один ярус сопла нижнего дутья, направленные на противоположную стенку холодной воронки и ориентированные в плане согласованно с направлением горелок» подавляют недожог с провалом, дополнительно повышают экономичность вихревой топки.
Признак «основные и дополнительные горелки нижнего яруса, расположенные в зоне горловины пережима, подключены к тракту подачи ВУТ, причем в зоне горловины пережима установлены сопла вторичного дутья» обеспечивает возможность подачи и сжигания угля в виде ВУТ, в том числе в газомазутных котлах, реконструированных с выделением двухсторонним пережимом работающей в режиме газификации вихревой камеры сгорания. В камере сгорания потоки капель ВУТ сверху омываются ядром горения, а снизу горящим потоком периферийного вихря, интенсивно сушатся и воспламеняются. Основное горение факела ВУТ распространяется в камеру дожигания, топливо сгорает в потоке вторичного дутья, поступающего по соплам в зоне горловины пережима.
Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 показан поперечный разрез и на фиг.2 продольный разрез предлагаемой вихревой топки.
Вихревая топка 1 разделена двухсторонним пережимом 2, который образован отгибкой боковых экранов 3 на камеру дожигания 4 с дополнительными горелками нижнего 5 и верхнего 6 ярусов и расположенную под ней камеру сгорания 7. Камера сгорания 7 имеет установленные с наклоном вниз на нижних гранях пережима 8 основные горелки 9 и выполнена с холодной воронкой 10, причем горелки 9 установлены тангенциально - по касательной к условной окружности 11, расположенной в камере сгорания 7.
Дополнительные горелки 5 нижнего яруса служат для подачи топлив и отходов в виде ВУТ. Они расположены на фронтовом 12 и заднем 13 экранах в зоне 14 горловины пережима и подключены к трактам подачи ВУТ. Дополнительные горелки 5 нижнего яруса установлены, как и основные горелки, с наклоном вниз и тангенциально, причем их струи охватывают струи основных горелок снизу, фиг.2. В зоне 14 горловины пережима на фронтовом 12 и заднем 13 экранах также расположены сопла вторичного дутья 15.
Отметим, что двухсторонний пережим 2 может быть установлен на фронтовом и заднем экранах, а дополнительные горелки 5 и сопла вторичного дутья 15 на боковых экранах, а не так, как показано на фиг.1 и фиг.2.
Важными для описания работы топки элементами являются высокотемпературное ядро 16 и поднимающийся по стенкам камеры сгорания 7 вверх раскаленный горящий поток периферийного вихря 17.
В устье холодной воронки 10, для уменьшения потерь с провалом, может быть расположена дожигательная колосниковая решетка 18, и/или в правой и левой половинах камеры сгорания на стенах холодной воронки могут быть установлены, по крайней мере, в один ярус сопла нижнего дутья 19, направленные на противоположную стенку холодной воронки и ориентированные согласованно с направлением горелок и вихря.
Пароперегреватель 20 может включать конвективные и радиационные поверхности нагрева, он расположен как обычно, на выходе из вихревой топки 1 за аэродинамическим выступом.
Данная схема, фиг.1 и фиг.2, может быть реализована реконструкцией не только в существующих пылеугольных котлах, но и в газомазутных путем установки двухстороннего пережима, дожигательной решетки и/или сопел нижнего дутья, а также канала золоудаления. Причем при переводе газомазутных котлов на сжигание угля из-за типичной стесненности котельного цеха более приемлемым решением может быть использование ВУТ из угля.
Предлагаемая вихревая топка 1 работает следующим образом.
Камера сгорания 7, топочный объем которой включает холодную воронку 10 и выделен двухсторонним пережимом 2, образованным отгибкой боковых экранов 3, используется для зажигания и стабилизации горения в топке топливом, подаваемым с первичным дутьем через основные горелки 9, установленные на нижних гранях пережима 8. Важно, что камера сгорания 7 может работать и в режиме газификации с заполнением ее объема обогащенной горючим смесью и подачей недостающего воздуха на выходе через сопла вторичного дутья 15 и горелки 6. Стабилизация горения, в том числе с использованием обогащенной горючим смесью, нужна для обеспечения минимальных нагрузок топки, а также по условию поддержания рабочей температуры в камере сгорания 7 ниже температуры шлакования ее стен.
При рассмотрении работы вихревой топки нужно учесть три варианта применяемых топлив: пылеугольное топливо; ВУТ низкого качества, приготовленное из шламов и отходов при совместном сжигании с пылеугольным топливом; калорийное топливо из угля в виде ВУТ.
При работе котла на угле основная доля угля подается через горелки 6 верхнего яруса. Камера сгорания 7 работает как стабилизатор горения и позволяет иметь низкую нагрузку топки и котла. Подача угольной пыли с первичным дутьем через основные горелки 9 по касательной к условной окружности 11, расположенной в камере сгорания 7, создает в этом малом объеме зону соударения факелов и формирует высокотемпературное ядро горения 16 и раскаленный горящий поток, движущийся вниз и поднимающийся далее по стенкам камеры сгорания 7 вверх в виде периферийного вихря 17. Этот периферийный вихрь 17 омывает корни факелов, устья основных 9 и дополнительных 5 горелок нижнего яруса, инициирует интенсивное зажигание их факелов. Наиболее крупные частицы могут выпадать из вихревого потока вниз. Тогда они возвращаются в вихрь струями, которые истекают через сопла нижнего дутья 19 и перекрывают сечение холодной воронки. Провалившиеся частицы догорают на дожигательной колосниковой решетке 18, расположенной в устье холодной воронки 10.
В режиме газификации камера сгорания 7 заполняется обогащенной горючим смесью высокореакционных продуктов неполного сгорания, поэтому она может устойчиво работать при более низких температурах, это исключает ее шлакование. При подаче недостающего воздуха через сопла вторичного дутья 15 факел из камеры сгорания 7 и тепловыделение распространяются вверх в камеру дожигания 4. В итоге подачей вторичного дутья контролируется температура перегрева пара в пароперегревателе 20.
С другой стороны, распространяющийся в камеру дожигания 4 из камеры сгорания 7 факел и тепловыделение позволяют иметь надежное зажигание. Поэтому изменением подачи угля через дополнительные горелки 6 верхнего яруса в камеру дожигания 4 возможно обеспечить быстрый маневр мощности и общую высокую нагрузку котла, глубокое регулирование нагрузки, а также регулирование температуры перегрева пара в этом диапазоне регулирования нагрузки. Для более полного сжигания топлива и повышенной экономичности в камеру дожигания подается уголь тонкого помола, дополнительные горелки 6 верхнего яруса подключены к тракту его подачи.
Описанная стабилизация особенно необходима в варианте применения ВУТ из отходов. При этом разбрызгиваемые форсунками дополнительных горелок 5 нижнего яруса потоки капель ВУТ омываются сверху факелами основных горелок и высокотемпературным ядром горения, а снизу встречным горящим потоком периферийного вихря, поэтому капли ВУТ интенсивно сушатся, разогреваются, воспламеняются и сгорают. Весь поток ВУТ низкого качества подается в камеру сгорания 7 через дополнительные горелки 5 нижнего яруса, которые расположены на фронтовом 12 и заднем экранах 13 в зоне 14 горловины пережима. Топливо, ВУТ и подсветка угольной пылью не полностью сгорают в малом объеме камеры сгорания 7, и факел заполняет камеру дожигания 4. Размер этого факела регулируется подачей вторичного дутья через сопла 15, и это также позволяет поддерживать перегрев пара.
В варианте замены дорогостоящего жидкого и газообразного топлива на уголь в виде качественного калорийного ВУТ в камеру сгорания 7 подается весь поток ВУТ, причем он подается как через основные горелки 9, так и через дополнительные горелки 5 нижнего яруса. Такое увеличенное число струй с каплями ВУТ обеспечивает большую поверхность контакта струй с топочной средой. Камера сгорания 7 переводится в более устойчивый режим работы - в режим газификации с заполнением камеры сгорания 7 смесью высокореакционных продуктов неполного сгорания. Эти меры также позволяют обеспечить устойчивое воспламенение ВУТ. Основное горение факела ВУТ и тепловосприятие экранами распространяется в камеру дожигания 4. Частицы ВУТ сгорают в потоке недостающего воздуха, поступающего по соплам 15 вторичного дутья в зоне 14 горловины пережима.
Таким образом, использование предлагаемой вихревой топки в сравнении с прототипом НТВ [Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М: Энергоатомиздат, 1990, с.43, рис.22] позволяет:
- обеспечить повышение экономичности;
- расширить диапазон регулирования нагрузки, причем с поддержанием перегрева пара и при малой нагрузке котла;
- вовлечь в топливный баланс различные шламы и углесодержащие отходы с их подачей в виде ВУТ;
- переводить газомазутные котлы с жидкого и газообразного топлива на уголь, в том числе в виде ВУТ.