КОТЕЛ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ СЛОЕМ
BOILER WITH CIRCULATING LAYER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться при создании котлов с циркулирующим слоем, в том числе большой мощности.
Известен котел с циркулирующим слоем, содержащий теплообменник циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева котла, сопла вторичного дутья, конвективные поверхности нагрева и экранированную топку, ограниченную снизу камерой сгорания кипящего слоя с воздухораспределительной решеткой, а сверху подключенную к уловителям циркулирующих частиц и далее к конвективным поверхностям нагрева котла [Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов Н.В. Котлы и топки с кипящим слоем. - М.: Энергоатомиздат, 1996, 352 с., рис.5.32, стр.234]. В качестве уловителя циркулирующих частиц используются два последовательно установленных циклона I и II ступени, которые своими стояками (каналами слива циркулирующих частиц) подключены к теплообменнику циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева котла, к камере сгорания кипящего слоя и образуют контуры управляемой циркуляции выносимых из кипящего слоя камеры сгорания частиц. Благодаря этим контурам циркуляции и теплообменникам с вынесенными поверхностями нагрева котлы с циркулирующим слоем хорошо регулируются. Поэтому на сегодня они являются наиболее универсальными по типам применяемых топлив и утилизируемых горючих отходов. Кроме того, они наиболее эффективны по экологическим характеристикам. Недостатком этих котлов являются большие габариты и сложность конструкции, особенно из-за применения двух отдельно стоящих, последовательно установленных высокотемпературных циклонов I и II ступени, работающих при высокой температуре 800-950°С.
Известен выбранный в качестве прототипа изобретения котел с циркулирующим слоем [Сайт фирмы «Фостер Уиллер», «Котел с ЦКС со встроенными циклонами для установок мощностью до 800 МВт»]. Котел с ЦКС содержит теплообменник циркулирующего слоя со стояками и вынесенными поверхностями нагрева котла, конвективные поверхности нагрева и экранированную топку с соплами вторичного дутья, ограниченную снизу камерой сгорания кипящего слоя с воздухораспределительной решеткой, а сверху подключенную, по крайней мере, к одному уловителю циркулирующих частиц. Уловители циркулирующих частиц выполнены в виде одной ступени, и по мере увеличения мощности котла добавляются циклоны, причем они включаются параллельно. Конструкции циклонов выполнены с паровым или водяным охлаждением. Циклоны примыкают к топке и подключены к теплообменнику циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева и к камере сгорания кипящего слоя, образуя контуры управляемой циркуляции частиц через камеру сгорания и топку.
Это более компактный котел с циркулирующим слоем, но циклоны, охлаждаемые водой или паром, конструктивно сложны. Циклоны названы встроенными условно, практически они пристроены к топке и занимают большой объем. Соответственно, недостатками данного котла с циркулирующим слоем также являются большие габариты и сложность конструкции.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов и упрощение конструкции котла. Поставленная цель достигается тем, что в котле с циркулирующим слоем, содержащем теплообменник циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева котла, конвективные поверхности нагрева и экранированную топку с соплами вторичного дутья, ограниченную снизу камерой сгорания кипящего слоя с воздухораспределительной решеткой, а сверху подключенную, по крайней мере, к одному уловителю циркулирующих частиц, предлагается на выходе из камеры сгорания кипящего слоя установить лопаточный завихритель, уловитель циркулирующих частиц выполнить в виде образованного экранами топки пережима с газоотводящим окном, в котором расположены установленные тангенциально, с наклоном вниз сопла острого дутья, причем сопла вторичного дутья, расположенные в топке, предлагается также установить тангенциально с наклоном вниз и направить в пристенную зону топки, а камеру сгорания кипящего слоя разместить в топке с зазором, к которому подключен теплообменник циркулирующего слоя, и через стояки к зазору также подключается камера сгорания кипящего слоя.
Таким образом, в предлагаемой конструкции уловитель циркулирующих частиц действительно встроен в топку, что существенно уменьшает габариты и упрощает конструкцию котла, причем топка является его элементом, так как благодаря тангенциально установленным соплам вторичного дутья и направленным в пристенную зону топки и к лопаточному завихрителю топки имеет аэродинамику со встречными вихрями. Частицы центробежными силами отбрасываются к стенкам топки, улавливаются нисходящим потоком вторичного дутья, из них эффективно выжигаются горючие и, соответственно, предлагаемая конструкция исполняет как функции собственно топки, так и уловителя циркулирующих частиц.
Дополнительно для упрощения конструкции котла более конкретно предлагается использовать несколько простых в реализации конструкций пережима и лопаточного завихрителя. Например, пережим предлагается выполнить простой в реализации отгибкой труб боковых экранов топки к контуру газоотводящего окна с образованием бункеров сбора уноса, подключенных стояками к теплообменникам циркулирующего слоя и камере сгорания кипящего слоя. Либо выполнить пережим еще проще, в виде потолочного экрана с кольцевым коллектором и выступающим через него в топку соплом острого дутья кольцевой формы с закручивающими лопатками, установленными на выходе. Лопаточный завихритель, устанавливаемый на выходе из камеры сгорания кипящего слоя, предлагается выполнить с лопатками из керамики, из пучка труб, охлаждаемых водой, или многофункциональными в виде плоских охлаждаемых воздухом воздуховодов с соплами дутья. Это обеспечивает простоту и надежную работу конструкции в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды.
Дополнительно в котлах большой мощности предлагается обеспечивать требуемую повышенную производительность простым увеличением числа однотипных секций с лопаточными завихрителями и уловителями циркулирующих частиц, разделенных двухсветными экранами.
Схематично предлагаемый котел с циркулирующим слоем и его элементы показаны на фиг.1-6. На фиг.1 показаны основные элементы предлагаемого котла с циркулирующим слоем, и на фиг.2 - котла с увеличенной в два раза мощностью, состоящего из двух секций, разделенных двухсветным экраном. На фиг.3-6 дано пояснение по конструкции охлаждаемых водой или воздухом лопаток лопаточного завихрителя.
Котел с циркулирующим слоем, фиг.1., включает следующие основные элементы: собственно котел 1, теплообменник 2 циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева 3, стояки 4, конвективные поверхности нагрева 5, образованную экранами 6 топку 7 с газоотводящим окном 8, соплами вторичного дутья 9 и камеру дожигания 10. Котел также имеет камеру сгорания 11, которая образована стенами 12, выполненными обмуровкой или экранами. Камера сгорания 11 включает кипящий слой 13, состоящий из циркулирующих и более крупных частиц, который поддерживается воздухораспределительной решеткой 14. Сверху камера сгорания 11 имеет лопаточный завихритель 15 осевого типа с лопатками 16, который благодаря своей конструкции создает закрутку потока, выходящего из камеры сгорания 11. Камера сгорания 11 размещается в топке 7 с зазором, через который уловленные в топке циркулирующие частицы могут ссыпаться в стояки 4, подключенные к теплообменникам 2 циркулирующего слоя и камере сгорания 11. Здесь, фиг.1 и 2, этот зазор частично перекрыт трубами экранов 6 и частицы ссыпаются между ними. Сопла вторичного дутья 9 установлены в топке 7 тангенциально, то есть не радиально, а по касательной к условным окружностям, причем с наклоном вниз и направлены в пристенную зону топки. Благодаря такой конструкции завихритель 15 создает центральный восходящий вихрь, выходящий через газоотводящее окно 8, а вторичное дутье формирует в пристенной зоне топки 7 нисходящий вихревой, богатый кислородом поток. При этом нисходящий вихрь усиливается при увеличении размера топки 7 и, соответственно, зазора между топкой 7 и камерой сгорания 11. Аэродинамика со встречными вихревыми потоками обеспечивает выжигание горючих в нисходящем пристенном потоке, улавливание и вывод частиц через зазор между камерой сгорания 11 и топкой 7 по стоякам 4 обратно в камеру сгорания 11 и в кипящий слой 13.
Сверху в топке 7 установлен уловитель циркулирующих частиц, выполненный в виде образованного отгибкой труб экранов 6 пережима 17 с газоотводящим окном 8 и сборного бункера 18 циркулирующих частиц, причем в пережиме 17 расположены сопла острого дутья 19. Они установлены тангенциально, с наклоном вниз и позволяют совместно с пережимом 17 усилить циркуляцию вихря и, соответственно, сепарацию частиц. Пережим, то есть сужение потока, может быть также выполнен в виде газоплотного потолочного экрана 20 с кольцевым коллектором 21 и выступающим через него в топку кольцевым соплом 22 острого дутья конической формы с закручивающими лопатками 23, установленными на выходе сопла 22, фиг.2. При этом коническая форма кольцевого сопла 22 существенно упрощает укладку на нем обмуровки, которая защищает кольцевое сопло 22 от высокотемпературного воздействия топочной среды. Лопатки 16 лопаточного завихрителя 15 работают в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды. Для обеспечения надежности конструкции они выполняются из керамики, либо охлаждаемыми в виде газоплотного пучка труб 24, охлаждаемых водой, фиг.3 и 4, либо в виде плоских воздуховодов 25 с соплами 26 дутья, фиг.5 и 6.
Из основных элементов котел 1, фиг.1 и 2, имеет бункеры 27 топлива с питателями топлива 28, дозаторы расхода циркулирующих частиц, в данном случае L-клапаны 29, и систему подачи дутья с вентиляторами 30 и шиберами 31. Мощность котла 1 повышается простым увеличением количества секций стандартной производительности, которые разделены двухсветными экранами 32, фиг.2.
В предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом [Сайт фирмы «Фостер Уиллер», «Котел с ЦКС со встроенными циклонами для установок мощностью до 800 МВт»] действительно применяются встроенные в топку циклоны простой, их и других элементов, конструкции, что позволяет уменьшить габариты и упростить конструкцию котла.
При работе котла 1, фиг.1 и 2, топливо из бункера 27 дозируется питателями 28 топлива. Оно совместно с потоком циркулирующих частиц, подаваемых L-клапанами 29, поступает в камеру сгорания 11, образованную стенками 12, и горит в кипящем слое 13, реагируя с потоком первичного дутья, поступающего через воздухораспределительную решетку 14. Далее образующиеся газы с потоком циркулирующих частиц и мелкого топлива поступают в топку 7 через завихритель 15 с лопатками 16. При этом для обеспечения защиты от высокотемпературного воздействия топочной среды лопатки 16 охлаждаются, например, водой в варианте исполнения их из газоплотного пучка труб 24, фиг.3 и 4. В варианте исполнения охлаждаемых лопаток 16 в виде плоских воздуховодов 25 эти лопатки используются также и для подачи дутья через сопла 26, фиг.5 и 6, то есть работают многофункционально, что дополнительно упрощает конструкцию котла. Проходя завихритель 15, поток закручивается лопатками 16 с формированием в топке 7 центрального вихря, уходящего через газоотводящее окно 8 на охлаждение в камеру дожигания 10 и далее в конвективные поверхности нагрева 5. За счет струй воздуха, поступающих через сопла вторичного дутья 9, которые установлены в топке тангенциально и с наклонном вниз и направлены в пристенную зону топки, в топке 7 формируется аэродинамика со встречными вихревыми потоками. Восходящий центральный вихрь центробежными силами очищается от частиц. Отсепарированные частицы попадают в нисходящий вихревой, богатый кислородом пристенный поток, который обеспечивает выжигание горючих и вывод частиц через зазор между камерой сгорания 11 и топкой 7 и далее по стоякам 4, через теплообменник 2 циркулирующего слоя и L-клапаны 29 в кипящий слой 13. Затем восходящий центральный вихрь очищается от частиц в уловителе циркулирующих частиц, который выполнен в виде образованного отгибкой труб экранов 6 пережима 17 с газоотводящим окном 8 за счет того, что при входе потока в газоотводящее окно, сохраняя момент количества движения, поток еще более закручивается и его очистка от частиц усиливается. Причем дутье через сопла острого дутья 19 дожигает и отбрасывает сепарирующиеся частицы обратно в топку 7. Мелкие циркулирующие частицы, не уловленные в топке, за газоотводящим окном 8 оседают в сборном бункере 18 и так же как и уловленные в топке 7, по стоякам 4 возвращаются в кипящий слой 13. При этом за счет регулирования расходов циркулирующих частиц с помощью L-клапанов 29 можно регулировать температуру в топке 7, кипящем слое 13 и камере сгорания 11 за счет регулируемого отвода тепла к топочным экранам 6 и к вынесенным поверхностям нагрева 3. Воздух, необходимый для сгорания топлива, подается вентиляторами 30 и регулируется шиберами 31 с обеспечением низкотемпературного топочного процесса при условии минимальной эмиссии вредных выбросов. Работа котла с несколькими секциями, которые разделены двухсветными экранами 32, и в варианте исполнения пережима в виде газоплотного потолочного экрана 20 с кольцевым коллектором 21 и выступающим через него в топку кольцевым соплом 22 острого дутья конической формы с закручивающими лопатками 23, фиг.2, принципиально не отличается от описанной.
Использование предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом [Сайт фирмы «Фостер Уиллер», «Котел с ЦКС со встроенными циклонами для установок мощностью до 800 МВт»] позволяет уменьшить габариты и упростить конструкцию котла с циркулирующим слоем, так как уловитель циркулирующих частиц размещен в топке. Это достигается тем, что на выходе из камеры сгорания установлен лопаточный завихритель, а уловитель циркулирующих частиц выполнен в виде образованного экранами пережима с газоотводящим окном, в котором расположены установленные тангенциально с наклоном вниз сопла острого дутья, как и сопла вторичного дутья, расположенные в топке и направленные в пристенную зону топки, а камера сгорания кипящего слоя размещается в топке с зазором, к которому подключен теплообменник циркулирующего слоя и через стояки камера сгорания кипящего слоя.