УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗОВ В ТОПКУ
DEVICE FOR SUPPLY OF GASES INTO FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах для подачи газов в топку котлов, печей в системах рециркуляции продуктов сгорания, ступенчатого сжигания топлива или острого дутья. Оно может быть использовано также для подачи газов в системах жизнеобеспечения, в воздушных завесах и других системах.
В котлах устройство для подачи газов располагается на задней стенке топки встречно по отношению к горелке, а в качестве подаваемых газов используются продукты сгорания, отбираемые из конвективного газохода, или нагретый до 250°С воздух, а также водяной пар.
Устройство для подачи продуктов сгорания в топку котла, проточная часть которого имеет входной канал прямоугольного сечения, расположенный вертикально параллельно оси топки. Устройство расположено на задней стенке котла встречно к горелке, расположенной на передней стенке, и на одном уровне с горелкой по высоте топки (B.И Резник и др. Некоторые вопросы проектирования и конструкция котлоагрегата Еп-640/140ГМ для энергоблока мощностью 200 МВт. - М.: Энергомашиностроение, 1971, № 3, с.2-7). Устройство предназначено для повышения температуры газов на выходе из топки путем подачи некоторого количества продуктов сгорания из конвективного газохода обратно в топку.
Недостатками известного устройства являются:
1. Недостаточная скорость газов в выходном сечении устройства, так как проточная часть выполнена в виде прямоугольника постоянного сечения, и как следствие - отсутствие дальнобойности струи.
2. Перегрев задней и боковых стенок топки и разрушение обмуровки топки в районе задней стенки от действия температуры факела, так как потоком продуктов сгорания, выходящим из устройства, практически невозможно отжать факел.
3. Плохое перемешивание продуктов сгорания, так как струя продуктов сгорания из устройства фактически пронизывает факел насквозь.
Известно устройство, проточная часть которого содержит входной цилиндрический конфузор и цилиндрический канал постоянного сечения (В.М.Брюханов и др. Радиационный газовый нагрев. - Л.: Недра, 1989, с.20).
Недостатками известного устройства являются:
1. Перегрев задней и боковых стенок топки и разрушение обмуровки топки в районе задней стенки от действия температуры факела, так как потоком продуктов сгорания, выходящим из устройства, практически невозможно отжать факел.
2. Плохое перемешивание продуктов сгорания, так как струя из устройства фактически пронизывает факел насквозь.
Известно устройство, проточная часть которого содержит входной конический конфузор, выходной конический диффузор (А.П.Ковалев и др. Парогенераторы. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.100).
Недостатками известного устройства являются:
1. Недостаточная скорость газов в выходном сечении устройства, так как в диффузоре, имеющем большой угол раскрытия (около 90°), теряется скорость потока и, как следствие, отсутствует дальнобойность струи.
2. Поток, выходящий из устройства, практически не отжимает факел от задней стенки топки из-за того, что струя газов не локализована.
3. Перегрев боковых стенок топки, так как потоком газов, выходящим из устройства, практически невозможно отжать факел.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, проточная часть которого имеет входной конический конфузор, цилиндрический канал и выходной криволинейный диффузор (В.М.Брюханов и др. Радиационный газовый нагрев. - Л.: Недра, 1989, с.94).
Недостатками этого устройства являются:
1. Недостаточная скорость газов в выходном сечении, так как угол раскрытия диффузора большой и, как следствие, малая дальнобойность струи по отношению к участкам задней стенки, которые находятся на удаленном расстоянии от центра диффузора.
2. Площадь отжатия факела от задней стенки по центру вокруг диффузора мала и ограничивается фактически двумя диаметрами диффузора в максимальном сечении.
3. Невысокая степень перемешивания потока подаваемой струи с продуктами сгорания факела, так как струя после диффузора очень быстро гасится, и взаимодействие происходит лишь на коротком участке контакта факела и подаваемой струи.
4. Практически невозможно отжать факел от боковых стенок топки, чтобы предотвратить их перегрев потоком, выходящим из диффузора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является повышение эффективности смешения топлива с газом и отжатие факела от задней стенки топки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для подачи газов в топку, имеющем проточную часть, состоящую из входного конфузора, прямолинейного участка и выходного диффузора, каждый участок проточной части имеет прямоугольное сечение, при этом в выходном сечении конфузора ширина относится к высоте как 6:1, а диффузор по ширине разделен симметрично на пять криволинейных каналов с равными площадями поперечных сечений при входе в диффузор, один из которых расположен по центру, а четыре других расположены симметрично по два канала с каждой стороны относительно центра. При этом выходы двух боковых и двух средних каналов расположены под углом 90° к выходу центрального канала.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства для подачи газов в топку со стороны диффузора, на фиг.2 - общий вид устройства с выровом, на фиг.3 - вид сбоку фиг.1, на фиг.4 - аксонометрия устройства.
Заявляемое устройство имеет проточную часть прямоугольного поперечного сечения, состоящую из входного конфузора 1, прямолинейного участка постоянного сечения 2 и выходного диффузора 3.
Проточная часть диффузора 3 состоит из пяти каналов: одного центрального канала 4, двух средних каналов 5, каждый из которых расположен симметрично относительно центрального канала и двух боковых каналов 6, каждый из которых, так же как и средний канал, расположен симметрично относительно центрального канала. Все каналы имеют две боковые стенки криволинейной формы, а две другие - плоской формы. Выходы двух боковых и двух средних каналов расположены под углом 90° к выходу центрального канала.
Устройство работает следующим образом.
Нагретый до 250°С воздух поступает в конфузор 1, в котором скорость его за счет сужения канала возрастает. Применение прямолинейного канала 2 позволяет увеличить его коэффициент расхода. В диффузоре 3 в результате плавного снижения скорости воздуха происходит превращение кинетической энергии в энергию давления потока воздуха. Статическое давление воздуха вдоль диффузора 3 повышается к выходному сечению.
В боковом канале 6 происходит поворот потока воздуха под углом 90° к первоначальному направлению потока при входе в диффузор и незначительное снижение скорости. В результате этого струя воздуха имеет большую дальнобойность, которая позволяет достигнуть боковой стенки котла и устранить наброс факела на боковую стенку котла.
В среднем канале 5 происходит большее снижение скорости потока воздуха, так как угол раскрытия канала 5 больше по сравнению с боковым каналом 6. Поток из среднего канала 5 имеет по сравнению с потоком выходящим из канала 6 меньшую дальнобойность, но значительно большую по сравнению с потоком, выходящим из центрального канала 4. При помощи струи из канала 5 устраняется наброс факела на заднюю стенку топки.
Скорость потока воздуха на выходе центрального канала 4 невысока, однако его статическое давление выше, чем давление продуктов сгорания в факеле, а поскольку потоки воздуха и продуктов сгорания факела по высоте топки выносятся за счет разрежения, создаваемого в топке дымососом, то разрежение дымососа на факел сказывается сильнее. Кроме того, в сечении ширина канала в шесть раз превосходит высоту, отсюда факел за счет статического давления потока воздуха из центрального канала 4 отжимается на большой площади от задней стенки, предотвращая ее разрушение.
Пример конкретного исполнения конструкции заявляемого устройства.
В паровом котле ТГМ-84А паропроизводительностью 420 т/час с четырьмя мощными газомазутными горелками, установлеными в два яруса на отметках по высоте 7 м и 11,5 м на передней стенке, периодически от воздействия высокой температуры разрушалась задняя стенка с прогоранием наружной металлической обшивки из листовой стали толщиной 4 мм. Разрушались и боковые стенки в области примыкания к задней стенке. Имелась проблема слабого перегрева пара, так как проходил избыточный теплосъем от факела в топке.
Для устранения указанных недостатков на задней стенке было смонтировано предлагаемое устройство, расположенное встречно к горелке. Оптимальное расположение устройства - ниже на 1 м по отношению к уровню расположения горелки и под углом 45° к ее оси.
Устройство состоит по ходу движения воздуха: из конфузорного канала, канала постоянного сечения и диффузорного канала.
Размеры конфузорного канала на выходе: ширина по горизонтали 360 мм и высота 60 мм. Размеры канала постоянного сечения: ширина по горизонтали 360 мм и высота 60 мм. Размеры диффузорного канала: длина 210 мм, ширина центрального канала на выходе 420 мм. Угол раскрытия диффузорного канала по вертикали 36°. Радиусы по средней линии гибов: бокового канала - около 90 мм, среднего канала - около 180 мм. Материал - листовая сталь 12ХМФ толщиной 4 мм.
Горячий воздух поступает в устройство в количестве 7% от общего количества воздуха, подаваемого на горелки.
Получено отжатие факела от боковых стен топки и от задней стенки топки с поднятием температуры перегретого пара в конвективном пароперегревателе.
Преимущества заявляемого устройства:
1. Высокая избирательная скорость потока воздуха в средних каналах диффузора дополнительно увеличивает отжатие факела от задней стенки топки.
2. По центру диффузора площадь отжатия факела от задней стенки вокруг увеличивается за счет выбранных конструктивных параметров конфузора, при которых ширина в выходном сечении конфузора в шесть раз больше высоты, что позволяет охватить большую площадь отжатия факела вследствие движения продуктов сгорания факела и потока воздуха вверх топки. При этом площадь лимитируется шириной потока воздуха, выходящего из центрального прямоугольного канала диффузора. В заявляемом изобретении ширина диффузора превосходит диаметр в известном устройстве при равных площадях круга и прямоугольника.
3. Высокая интенсивность перемешивания продуктов горения, так как в устройстве имеется пять потоков воздуха с четкими границами раздела скоростей по отношению друг к другу.
4. Потоками воздуха, выходящими из боковых каналов диффузора и имеющих высокую скорость и большую дальнобойность, факел отжимается от боковых стенок топки, что предотвращает их прогорание.