УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ СУСПЕНЗИОННЫХ ТОПЛИВ
DEVICE FOR BURNING SUSPENSION FUELS

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 топочных камерах при достаточно высоких температурах.
Известно топочное устройство для сжигания водоугольного топлива [RU 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.
Наиболее близким решением является котел для сжигания суспензионных топлив [RU 2766244, 15.06.2021, F23C 3/00], содержащий камеру сгорания и камеру дожигания топлива и охлаждения дымовых газов. Камера сгорания выполнена в форме параллелепипеда с куполообразной верхней границей, на противоположных боковых стенках смонтированы топливные пневматические форсунки и дутьевые сопла, в нижней части камеры сжигания установлен золоуловитель в форме воронки, ниже золоуловителя установлена камера золошлакоудаления, соединенная с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором. Камера дожигания топлива и охлаждения дымовых газов выполнена в виде двух и более секций с экранированными стенками, расположенными последовательно одна за другой.
Таким образом, в котлах, работающих на ВУТ, целесообразно поддерживать температуру на уровне температуры плавления золы. Но ВУТ - топливо с пониженной калорийностью, а для обеспечения надежного полного выгорания топлива, на практике коэффициент избытка воздуха, как правило, задают близким к 1,2, в силу чего в муфельной топке какая-то часть тепловой энергии расходуется на нагрев лишнего воздуха. В результате, в аналоге и прототипе, во-первых, не всегда удается обеспечить желательную температуру в топке, а во-вторых, котел практически всегда должен работать на предельных режимах и не позволяет управлять его производительностью.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности сжигания ВУТ путем обеспечения стабильности температуры плавления золы в топке, низкого коэффициента недожога и управляемости производительностью устройства для сжигания суспензионных топлив.
Предложено устройство для сжигания суспензионных топлив, включающее три камеры:
1. камеру сгорания, оснащенную форсунками и дутьевыми соплами;
2. камеру дожигания топлива и охлаждения дымовых газов;
3. дополнительную камеру сгорания с форсункой и дутьевым соплом, установленную между камерой сгорания и камерой дожигания топлива и охлаждения дымовых газов.
Камера сгорания имеет форму параллелепипеда с квадратным горизонтальным сечением, на фронтальной стенке которого смонтированы топливные пневматические форсунки, а на боковой и задней стенках установлены дутьевые сопла,
Камера дожигания топлива и охлаждения дымовых газов выполнена в виде двух и более секций с экранированными стенками, расположенными последовательно одна за другой.
Согласно изобретению, между камерой сгорания и камерой дожигания топлива и охлаждения дымовых газов, установлена дополнительная камера сгорания, которая оснащена форсункой и дутьевым соплом, обеспечивающими необходимые расчетные значения расходов топлива и окислителя, в нижней части камеры 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.
Согласно изобретению, форсунка дополнительной камеры сгорания установлена на фронтальной стенке камеры по нормали к стенке по высоте в средине пропускного окна между камерой сгорания и дополнительной камерой сгорания,
Согласно изобретению, дутьевое сопло дополнительной камеры сгорания смонтировано на задней стенке камеры по диагонали ее сечения горизонтальной плоскостью на уровне форсунки.
Устройство для сжигания суспензионных топлив, оснащенное дополнительной камерой сгорания, имеет низкий коэффициент недожога угля, а также обеспечивает регулирование его производительности в пределах до 40% от максимального значения.
На чертеже представлена схема устройства для сжигания суспензионных топлив, где: 1 - муфельная камера сгорания; 2 - камера дожигания топлива и охлаждения дымовых газов; 3 - форсунки на фронтальной стенке камеры сгорания; 4 - дутьевые сопла на стенках камеры сгорания; 5 - дополнительная камера сгорания; 6 - дополнительная форсунка; 7 - дополнительное дутьевое сопло; 8 - окно для перетекания газов из камеры сгорания 1 в дополнительную камеру сгорания 5, 9 - окно для перетекания горячих газов из камеры дожигания топлива и охлаждения дымовых газов в конвективную часть котла.
Таким образом, устройство для сжигания суспензионных топлив состоит из трех камер:
1. муфельной камеры сгорания 1, оснащенной форсунками 3 и дутьевыми соплами 4,
2. дополнительной камеры сгорания 5, оснащенной форсункой 6 и дутьевым соплом 7,
3. камеры дожигания топлива и охлаждения дымовых газов 2, включающей две или более секции со стенками, покрытыми экранными трубами.
При запуске котла в камеру сгорания 1 в ее верхней части пневматическими форсунками 3 [Пневматическая форсунка (Варианты): пат. Рос. Федерация №2523816; заявл. 22.01.2013; опубл. 27.07.2014, Бюл. №21. - 10 с.] вводят высокореакционное (например, дизельное или печное) топливо.
В камеру сгорания через дутьевые сопла 4, предназначенные 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. После разогрева стенок камеры сгорания до температуры 500-600°С к дизельному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания доля дизельного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы только на водоугольном топливе.
На рабочих режимах работы котла путем подбора расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания, и коэффициента избытка окислителя, не превышающего значения α=1, в камере 1 поддерживается температура свыше температуры плавления золы. Образующийся расплавленный шлак стекает к горловине камеры золошлакоудаления, а горячие газы перетекают в дополнительную камеру сгорания 5. Через форсунку 6 в дополнительную камеру вводится дополнительная порция ВУТ, а через дутьевое сопло 7 соответствующее количество воздуха. Газо-капельная струя ВУТ, формируемая форсункой 6, попадает в поток горячего газа, вытекающего из окна 8, быстро прогревается и воспламеняется. В силу малого времени пребывания топлива внутри камеры 1 и малого значения α, коэффициент недожога топлива в камере сгорания 1 может принимать значительные значения. Однако наличие дополнительной камеры сгорания позволяет свести суммарный недожог угля практически до нуля.
Численные расчеты показали, что в однокамерной топке уменьшение расхода дутьевого воздуха в окрестности значения α=1, позволяет существенно повысить температуру внутри топочной камеры, однако при этом может увеличиться и недожог угля. Использование дополнительной камеры сгорания позволяет поддерживать более высокую температуру в топке и увеличить время пребывания топлива в зоне высокой температуры, что приводит к минимизации недожога и дает возможность управлять производительностью котла.