КОТЁЛ ДЛЯ СЖИГАНИЯ СУСПЕНЗИОННЫХ ТОПЛИВ
SLURRY FUEL COMBUSTION BOILER

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.
Технология сжигания угля в виде ВУТ открывает возможность использования в теплоэнергетике низкосортных углей и угольных отходов. Однако калорийность таких суспензий невысока и, как показывает опыт [Алексеенко С.В., Мальцев Л.И. и др. Результаты опытно-эксплуатационного сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328. №12. - С. 16-28], наиболее успешные результаты получают лишь в тех случаях, когда сжигание ВУТ производят в муфельных топочных камерах при достаточно высоких температурах.
Но здесь появляется новая трудность, которая заключается в том, что горячие газы из топки поступают непосредственно в конвективную часть котла и на ее трубках происходит налипание частиц золы уноса.
Известны способы и устройства сжигания жидкого топлива, включая водоугольное топливо, обеспечивающие его распыл и вдув в топку за счет атмосферного воздуха, либо горячего воздуха, либо воздуха и горячих дымовых газов, воспламенение и стабилизацию горения с использованием тангенциальной закрутки потоков [Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Изд-во Акад. Горных наук, 2001. - 176 с.].
Указанные устройства имеют тот недостаток, что сочетания отдельных узлов не оптимизированы. В результате, режим работы котла недостаточно устойчив.
Известна вихревая топка [патент РФ №2228489 от 2001.08.10, МПК F23C 5/32], содержащая, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированы под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку. Газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания или в камере дожигания и наклонена к поду вихревой камеры сгорания.
Недостатком указанной конструкции топки при сжигании водоугольного топлива является недостаточно развитая отражающая тепло поверхность камеры сгорания. При случайном изменении свойств топлива (например, уменьшение концентрации угля в ВУТ или нарушении режима подачи топлива) может произойти срыв работы топки.
Известно топочное устройство для сжигания водоугольного топлива [патент РФ №2389948, 13.04.2009, МПК F23C 3/00, 8 F23C 7/00], содержащее футерованную камеру сгорания и камеру охлаждения, экранированную кипятильными трубами и включающую конвективный пучок труб, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, камера сгорания которого имеет цилиндрическую форму с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, в которых вблизи осей вращения размещены газоперепускные окна, на фронтальной стенке камеры сгорания смонтированы топливные форсунки и дутьевые сопла, а внутри камеры сгорания установлена центральная огнеупорная вставка и в нижней части установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки.
Недостаток названной конструкции топки для сжигании водоугольного топлива заключается в том, что она не обеспечивает достаточно однородных температурных полей внутри камеры сгорания во всем диапазоне изменения расхода топлива, необходимом для практики. При некоторых расходах ВУТ в зоне взаимодействия топливного факела и струи дутьевого воздуха происходит интенсивное горение топлива и резкое повышение температуры. В результате частицы угля и золы (особенно в случае использования для приготовления ВУТ высокозольных углей) налипают на стенки камеры сгорания и плавятся. Стекающий по стенкам камеры сгорания шлак, попадая в зоны пониженной температуры, затвердевает и появляются проблемы с золоудалением. Работа топки становится неустойчивой.
Наиболее близким решением является топочное устройство для сжигания водоугольного топлива [патент РФ №2518754, 29.08.2012, МПК F23C 3/00, F23J 1/02], включающее футерованную камеру сгорания с топливными форсунками, дутьевыми соплами с касательной подачей окислителя и центральной огнеупорной вставкой и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения с конвективным пучком труб, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон. В нижней части топочного устройства по центру камеры сгорания установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, и камера золошлакоудаления в форме цилиндра диаметром, большим диаметра горловины воронки золоуловителя в 2 раза и более с открытым нижним торцом, погруженным в воду, наполняющую установленную ниже ванну с одной наклонной стенкой, над дном и наклонной стенкой которой смонтирован скребковый транспортер удаления золы и шлаков, при этом камера золошлакоудаления соединена с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором, а перед вентилятором дополнительно установлен теплообменник. Техническим результатом является увеличение температуры в топке до температуры плавления золы и организация жидкого шлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы.
Недостаток названной конструкции топки для сжигании водоугольного топлива состоит в том, что основная масса шлаков выводится из камеры сгорания через систему жидкого золошлакоудаления, но горячие газы вместе с расплавленными частицами золы уноса из камеры сгорания сразу уходят в камеру охлаждения с конвективным пучком труб. Попадая на трубы пучка, расплавленные частицы золы налипают на них и затвердевают. Как результат, межтрубные пространства зарастают застывшими шлаками и со временем конвективный пучок выходит из работы.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение температуры в топке до температуры плавления золы и организация жидкого золошлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.
Технологии сжигания угля в виде водоугольной суспензии открывает возможность использования в теплоэнергетике низкосортных углей и угольных отходов. Однако калорийность таких суспензий, как правило, невысока и, как показывает опыт [Алексеенко С.В., Мальцев Л.И. и др. Результаты опытно-эксплуатационного сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328. №12. - С. 16-28], наиболее успешные результаты получаются лишь в тех случаях, когда сжигание ВУТ производится в муфельных топочных камерах при достаточно высоких температурах. Но здесь появляется новая трудность. Горячие газы из топки поступают непосредственно в конвективную часть котла и на ее трубках происходит налипание частиц золы уноса.
Возникающее противоречие может быть разрешено путем применения двухкамерной топки и схемы сжигания ВУТ, включающей высокотемпературное сжигание топлива в первой муфельной камере, жидкое золошлакоудаление и частичное охлаждение газов во второй камере, оснащенной экранными трубами для отбора тепла.
Для достижения поставленной задачи предлагается котел с двухкамерной топкой. Котел содержит муфельную камеру сгорания, камеру охлаждения дымовых газов, экранированную кипятильными трубами и включающую конвективный пучок труб, и установленную между ними камеру дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов.
Камера сгорания выполнена в форме параллелепипеда с куполообразной верхней границей и квадратным или восьмиугольным горизонтальным сечением, на противоположных боковых стенках параллелепипеда смонтированы топливные пневматические форсунки и дутьевые сопла, в нижней части камеры сгорания установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, ниже золоуловителя установлена камера золошлакоудаления в форме цилиндра диаметром, большим диаметра горловины воронки золоуловителя в 2 раза и более с открытым нижним торцом, погруженным в воду, наполняющую установленную ниже ванну с одной наклонной стенкой, над дном и наклонной стенкой которой смонтирован скребковый транспортер удаления золы и шлаков, при этом камера золошлакоудаления соединена с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором.
Камера дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов выполнена в виде двух и более секций с экранированными стенками, расположенными последовательно одна за другой.
На фиг. 1 показан водогрейный котел с двухкамерной топкой, продольный разрез, где: 1 - камера сгорания; 2 - камера дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов; 3 - 1-я секция камеры дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов; 4 - 2-я секция камеры дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов; 5 - экранные трубы; 6 - зона конвекции котла.
Топка котла состоит из двух камер, а именно, муфельной камеры сгорания и камеры дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов со стенками, покрытыми экранными трубами. Камера дожига топлива и частичного охлаждения дымовых газов служит для дожига топлива и охлаждения дымовых газов до температуры, исключающей зарастание трубного пучка.
При запуске котла в камеру сгорания в ее верхней части пневматическими форсунками [RU 2523816; 22.01.2013; МПК В05В 7/08] вводят высокореакционное (например, печное) топливо. В камеру сгорания через одно (или более) окно, предназначенное для вдува окислителя, подают винтовую пристенную струю дутьевого воздуха, что обеспечивает вихревое движение потока смеси топливо-окислитель и позволяет интенсифицировать тепло-массообменные процессы горения.
За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания и центральной вставки. После разогрева стенок камеры сгорания до температуры 500-600°С к печному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания доля печного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы только на водоугольном топливе.
Создаваемая форсункой воздушно-капельная струя закручивается в кольцевом канале в вихревой поток. Дутьевой газ, поступающий в камеру сгорания тангенциально к ее стенкам и уходящий из камеры через газоперепускное окно, расположенное в нижней части камеры сгорания, поддерживает закрутку потока внутри камеры сгорания. Скорости потока газа практически во всем объеме камеры сгорания имеют тангенциальную составляющую и направленную к оси симметрии камеры сгорания радиальную составляющую.
Радиальные потоки газа препятствуют движению капель ВУТ под действием центробежных сил, обусловленных тангенциальными составляющими скорости потока, к стенкам камеры сгорания. В результате происходит расслоение потока капель, а именно, наиболее крупные капли выносятся на внешние орбиты, мелкие располагаются ближе к оси камеры сгорания.
За счет тепла, получаемого от сгорания топлива, а также тепла, переизлучаемого стенками камеры сгорания и внутренней вставкой, происходят нагрев, сушка, воспламенение, а затем интенсивное горение частиц угля. По мере выгорания угля, масса частиц уменьшается, уменьшаются центробежные силы, действующие на эти частицы, и частицы перемещаются на круговые орбиты с меньшим радиусом. При этом частицы с большей массой находятся в зоне горения больший интервал времени и успевают прогореть в пределах камеры сгорания.
Наиболее эффективными оказываются режимы, при которых температура внутри камеры сгорания практически повсеместно превышает температуру плавления золы. Частицы расплавленной золы имеют достаточно высокую плотность и малую парусность, поэтому даже малые частицы шлака высаживаются на стенки камеры сгорания. Здесь они образуют тонкий слой шлака, который стекает сначала по стенкам камеры сгорания, потом золоуловителя и затем через горловину золоуловителя падает в воду, не касаясь стенок короба камеры золошлакоудаления.
За счет прокачки вентилятором горячего газа из короба камеры золошлакоудаления в камеру сгорания по трубопроводу внутри камеры золошлакоудаления поддерживается высокая температура, не допускающая затвердевания шлака в горловине золоуловителя.
За счет использования второй камеры, а именно, камеры дожига и частичного охлаждения дымовых газов, разделенной на две или более секции стенками с экранными трубами, достигаются увеличение пути прохождения дымовых газов и однородность потока, что повышает эффективность дожига частиц непрогоревшего угля, а также снижение температуры дымовых газов до температур, при которых исключается зарастание застывшими шлаками конвективного пучка труб.
Для подтверждения технического результата были проведены численные расчеты аэродинамики потока отходящих газов и перераспределения температуры за счет отбора тепла экранными трубами, размещенными на стенках второй камеры топки котла.
В качестве объекта для численного исследования был использован водогрейный котел мощностью 1 МВт, оснащенный двухкамерной топкой для капельно-факельного сжигания ВУТ. Вторая камера была добавлена для охлаждения дымовых газов до 900°С.
2
На фиг. 2 показана геометрия расчетной области и цветом выделены стенки, на которых осуществляется теплоотвод путем задания температуры внешней (охлаждающей) среды и коэффициента теплоотдачи. Площадь охлаждаемой поверхности составляет 27,43 м.
Было исследовано четыре варианта работы двухкамерной топки водогрейного котла на ВУТ. В первом варианте на стенках второй камеры - адиабатные условия. В других режимах добавлено охлаждение на стенках второй камеры, где варьируются температура охлаждающей жидкости и коэффициент теплоотдачи с внешней стороны стенки.
Для сжигания ВУТ был выбран режим жидкого шлакоудаления, когда температуры в камере достигают 1500°С. Режимные параметры и расходные характеристики представлены в таблице 1.
Для расчетов использована математическая модель, которая включает в себя описание движения несущей фазы на основе RANS подхода с двухпараметрической моделью турбулентности k-ε, перенос излучения на основе дискретно-ординатного метода, движение частиц на основе подхода Лагранжа, горение в газовой фазе на основе гибридной модели eddy-dissipation concept. ВУТ представляется дискретным набором частиц, которые состоят из комплекса вода + уголь [Alekseenko, S.V., Kuznetsov, V.A., Mal'tsev, L.I. et al. Analysis of Combustion of Coal-Water Fuel in Low-Power Hot-Water Boiler via Numerical Modeling and Experiments. J. Engin. Thermophys. 28, 177-189 (2019); Viktor Kuznetsov, Leonid Maltsev, Alexander Dekterev, Mikhail Chernetskiy Numerical investigation of the influence of operating conditions on the formation of nitrogen oxides in the combustion chamber of a low-power boiler during the combustion of coal-water fuel. Journal of Physics: Conf. Series 1105 (2018)].
Процесс воспламенения и горения частицы происходит стадийно. Вначале испаряется внешняя влага. При испарении влаги используют модель испарения капель. После испарения влаги происходит распад частицы. Образовавшиеся после распада частицы выгорают по модели воспламенения и горения частицы угля. По данной модели происходит прогрев частицы, выход внутренней влаги и летучих компонент топлива, горение кокосового остатка. Летучие компоненты выгорают в газовой фазе.
Расчет проводился в стационарной трехмерной постановке. Использовалась структурированная расчетная сетка (635200 ячеек) с локальным сгущением в области форсунки. Исследования проведены с использованием универсального CFD пакета программ «SigmaFlow».
На фиг. 3-5 показано температурное поле в центральном сечении котла, соответственно второй вариант, третий вариант, четвертый вариант.
По результатам расчета видно, что температуры в нижней части первой камеры топки котла достигают 1450°С. Температуры охлажденных дымовых газов на выходе из второй камеры топки котла составляют 800-900°С. Таким образом, выбранные условия обеспечивают охлаждение дымовых газов.
Зная температуру охлаждающей жидкости и коэффициент теплоотдачи, используемые в расчете, можно определить параметры охлаждения для реальных условий. Например, для экранных труб диаметром 60 мм с толщиной стенок 3 мм и коэффициентом теплопроводности жаропрочной стали 35 Вт/м/гр., коэффициент теплоотдачи внутри труб будет 400-600 Вт/м/м/гр.
Таким образом, предлагаемая конструкция котла позволяет решить проблему зарастания трубок конвективной части котла, что, в свою очередь, ведет к повышению эффективности сжигания ВУТ и увеличению надежности работы топки.