НИЗКОЭМИССИОННЫЙ ЦИКЛОННЫЙ РЕАКТОР
LOW-EMISSION CYCLONE REACTOR

Изобретение относится к топочным устройствам, к технологии низкотемпературного сжигания низкосортных топлив, а именно к установкам для полного сжигания мелкодисперсного органического сырья для производства тепловой энергии.
Известно устройство «Вихревая топка» для полного сжигания твердого топлива, преимущественно фрезерного торфа, древесных и растительных отходов (RU №2126932 С1, МПК F23B 1/38, оп. 27.02.1999).
Вихревая топка содержит вертикальную вихревую камеру сгорания с газовыпускным окном, отбойный уступ, тангенциальные сопла, дополнительную решетку или золовыпускное отверстие, причем дно камеры выполнено с уклоном под углом 10°-50° к дожигательной решетке, над которой расположено тангенциальное сопло.
Недостатки известной установки: а) конструкция топки содержит застойные зоны (например, до и после отбойного выступа), в которых будет скапливаться зола с частицами несгоревшего топлива; б) частицы топлива, имеющие разный размер и массу, будут двигаться по различным траекториям, легкие частицы топлива вместе с мелкой золой будут уноситься дымовыми газами через газовыпускное окно. Следовательно, снижается экономичность топки и с дымовыми газами уносится повышенное количество золы.
Известно также устройство «Циклонная топка» (RU №2105239 С1, МПК F23C 3/00, oп. 20.02.1998).
Циклонная топка содержит, по меньшей мере, две расположенные параллельно вихревые камеры, выполненные с взаимно встречной закруткой и сообщенные между собой посредством пересечения их контуров.
Недостатками известной установки являются: сложность регулирования процесса горения при движении потоков со встречной закруткой. Такое взаимодействие способствует возникновению концентрированных вихрей в центре вихревых камер и повышенному уносу частиц топлива и золы из топки. Такие вредные явления влияют на экономичность топки и на работу котлоагрегата в целом.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Высокотемпературный циклонный реактор» (RU 2350838 С1, МПК F23C 5/24 oп. 27.03.2009).
Высокотемпературный циклонный реактор содержит вертикальный корпус, состоящий, по меньшей мере, из четырех ступеней разделения измельченного топлива на фракции, топливо и окислитель тангенциально подаются в нижнюю ступень реактора. Ступени разделения представляют собой цилиндрические секции, причем диаметр каждой ступени в 1,3-1,5 раз больше, чем диаметр предыдущей ступени, а размер верхней (например, четвертой) ступени больше, чем предыдущей, в 1,4-1,5 раз. Ступени разделения между собой образуют полки, причем полка третьей ступени содержит вертикальные каналы рециркуляции топлива, соединяющие полки третьей и второй ступени. В третью ступень разделения тангенциально подается вторичный подогретый воздух, расход которого регулируется заслонками. Для удаления золы из верхней ступени реактора предусмотрены трубы золоудаления, соединяющие верхнюю ступень с бункером для шлака и золы.
Недостатками известной установки являются: сложность конструкции, связанная с использованием каналов рециркуляции топлива и регулируемых заслонок подачи вторичного воздуха. Испытание данной конструкции при сжигании измельченного угля и биомассы показало низкую эффективность указанных элементов. Каналы рециркуляции забиваются коксующимся топливом.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности сжигания измельченного топлива, расширение диапазона фракционного состава, повышение качества и простоты регулирования топочного процесса, а также снижение содержания окислов азота в дымовых газах.
Указанный технический результат достигается тем, что в низкоэмиссионном циклонном реакторе, содержащем вертикальный корпус, включающий, по меньшей мере, четыре ступени разделения топлива на фракции, первая коническая ступень имеет кольцевой канал перемешивания топлива и окислителя с прямоугольными соплами, а третья цилиндрическая ступень - кольцевой канал подвода вторичного воздуха с заслонками, согласно изобретению первая ступень выполнена конической, причем угол наклона стенки конуса и прямоугольных сопел β=2,5°.
Указанный технический результат достигается также тем, что заслонки выполнены с фиксированным углом поворота φ=78°-88°.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема низкоэмиссионного циклонного реактора; на фиг.2 - поперечное сечение А-А первой ступени; на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б третьей ступени реактора.
Низкоэмиссионный циклонный реактор содержит вертикальный корпус 1, который включает первую коническую ступень 2 с наклоном стенки β=2,5°, с кольцевым каналом 3 перемешивания топлива и окислителя, с тангенциальной подачей смеси через прямоугольные сопла 4, наклоненные на угол β=2,5°, соответствующий углу наклона стенки конуса, и трубу 5 ввода горелки. Диаметр второй цилиндрической ступени 6 в 1,3 раза больше, чем верхний диаметр конуса первой конической ступени 2. Третья цилиндрическая ступень 7 содержит кольцевой канал 8 подвода вторичного воздуха с фиксированным углом поворота заслонок 9 φ=78°-88°. Четвертая цилиндрическая ступень 10 имеет выхлопную трубу 11 и соединена трубами 12 золоудаления с бункером 13, который соединен с первой конической ступенью 2 реактора шлакоотводной трубой 14. При сжигании низкосортных топлив реактор может содержать и больше четырех ступеней разделения топлива на фракции.
Устройство работает следующим образом.
01
02
3
Топливо и первичный воздух направляют в первую коническую ступень 2 через кольцевой канал 3 перемешивания топлива и окислителя. В кольцевом канале 3 топливо расходом М (кг/ч) смешивается с первичным воздухом расходом V (м/ч) и тангенциально поступает в камеру сгорания первой конической ступени 2 через прямоугольные сопла 4, наклоненные на угол β=2,5°, как показано на фиг.2. В трубу 5 ввода горелки вставляется горелка или плазмотрон для поддержания процесса горения при начальной стадии разжигания реактора и «подсветки» при работе. Первая коническая ступень 2 реактора работает как газификатор при относительно низких температурах. Благодаря тангенциальному вводу, поток топливно-воздушной смеси приобретает вращательное движение в первой конической ступени 2 с наклоном стенки β=2,5°. На полке второй цилиндрической ступени 6 происходит горение относительно крупной фракции топлива, которое из потока воздуха отбрасывается на стенку ступени центробежными силами. Средняя и мелкая фракции топлива, как более легкие, пролетают вторую цилиндрическую ступень 6 и отбрасываются на стенку третьей цилиндрической ступени 7, где «отжимаются» от стенки потоком вторичного воздуха и попадают в центральную рециркуляционную зону. Длительное время пребывания в зоне горения и отличное перемешивание топлива и окислителя достигается путем организации в реакторе ряда зон рециркуляции топлива в потоке воздуха, основная из которых - центральная - образуется в центре второй цилиндрической 6 и третьей цилиндрической ступени 7. Газы, средне- и мелкодисперсная фракция сжигаются во второй цилиндрической 6 и третьей цилиндрической 7 ступенях реактора, в центральной рециркуляционной зоне, в условиях недостатка кислорода. При этих условиях в рециркуляционной зоне на уровне второй цилиндрической ступени 6 образуются оксиды азота и продукты неполного сгорания топлива (окись углерода). Взаимодействие между окислами азота и углерода в этой зоне заключается в том, что оксид углерода отбирает у оксида азота кислород и восстанавливает его до молекулярного азота. В результате реакции образуются нетоксичные двуокись углерода и молекулярный азот. В верхнюю часть третьей цилиндрической ступени 7 подводится подогретый воздух по кольцевому каналу 8 подвода вторичного воздуха как добавочный окислитель и для дополнительного подкручивания потока с одновременным «отжимом» частиц топлива от стенки, как показано на фиг.3. Закрутка вторичного воздуха расходом V определяется фиксированным углом поворота заслонок 8 φ=78°-88°. Продукты сгорания, содержащие мелкие частицы топлива и золы, поступают в верхнюю четвертую цилиндрическую ступень 10. Эта ступень выполняет функции камеры сгорания и пылеуловителя, в ней остатки топлива сгорают, а зола удаляется в бункер 13 через трубы 12 золоудаления. Уменьшение соотношения диаметров третьей цилиндрической ступени 7 и четвертой цилиндрической ступени 10 меньше 1,5 приводит к повышенному выносу зольных частиц в выхлопную трубу 11. Продукты сгорания поступают в газоходы через выхлопную трубу 11. Тангенциальный подвод через заслонки 9 вторичного воздуха в третью цилиндрическую ступень 7 реактора исключает образование бедных кислородом областей в четвертой цилиндрической ступени 10 реактора и «отжимает» частицы топлива от стенок третьей цилиндрической ступени 7, что позволяет получить устойчивые области рециркуляции топлива для улучшения стабилизации пламени.
Регулирование отношения расходов первичного и вторичного воздуха, поступающих в первую коническую 2 и третью цилиндрическую 7 ступени реактора соответственно, позволяет получить оптимальный режим полного сжигания топлива в реакторе, при минимальных выбросах в атмосферу токсичных веществ.
Результаты экспериментального исследования горения в данном устройстве показали, что наклон сопел 4 первичного дутья на 2,5° позволит увеличить размер частиц подаваемого на сжигание топлива до 3 мм при той же расходной скорости первичного воздуха.
Заявляемый низкоэмиссионный циклонный реактор позволяет достичь высокого качества и простоты регулирования топочного процесса при полном сгорании топлива и минимальных выбросах в атмосферу загрязняющих веществ.