МЕХАНИЗИРОВАННАЯ СЛОЕВАЯ ТОПКА
MECHANISED GRATE-FIRED FURNACE

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может использоваться в твердотопливных котлах, печах и газогенераторах.
Известна механизированная слоевая топка [Патент RU №2126933. Устройство для сжигания твердого топлива], которая содержит цилиндрическую камеру сгорания с газоотводящим окном, колосниковой решеткой и шурующей планкой, выполненной с возможностью вращения над колосниковой решеткой, а также загрузочное устройство - трубу, размещенную с торцевым зазором над поверхностью колосниковой решетки.
Данное устройство применяется только для слоевого сжигания угля с загрузкой угля, шуровкой слоя и удалением золы вращающейся шурующей планкой и не может использоваться с кипящим слоем и в других режимах. Недостатками этого изобретения также являются: низкая надежность, вызываемая выгоранием неохлаждаемых колосника и шурующей планки, возможностью затягивания горения в загрузочное устройство и низкая экономичность из-за выноса мелких частиц из слоя, особенно при его ворошении шурующей планкой.
Известно механизированное слоевое топочное устройство [Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М.: «Химия» 1967. Рис.XI-16, стр.423] с кипящим слоем, выбранное в качестве прототипа. Устройство включает питатель топлива и расширяющуюся камеру сгорания с газоотводящим окном и ярусами сопл вторичного дутья, направленных радиально, расположенную над воздухораспределительной решеткой с узлом выгрузки золы, кипящим слоем и шурующей планкой, которая выполнена с возможностью вращения над воздухораспределительной решеткой. Рассмотренное изобретение может применяться за счет установки узла выгрузки золы для топочного процесса с кипящим слоем, причем в данном случае для газификации угля.
Недостатками этого устройства также являются: низкая надежность, вызываемая шлакованием слоя и выгоранием неохлаждаемой воздухораспределительной решетки и неохлаждаемой шурующей планки; узкий рабочий диапазон, топка работает в режиме газификации в кипящем слое, и низкая экономичность из-за выноса мелких частиц из слоя при его ворошении.
Задачей изобретения является увеличение надежности, расширение режимов работы и рабочего диапазона топки от слоевого сжигания до режима кипящего и циркуляционного слоя, повышение экономичности.
Поставленная задача достигается тем, что в механизированной слоевой топке, включающей расширяющуюся камеру сгорания с забрасывателем топлива, газоотводящим окном и ярусами сопл вторичного дутья, расположенную над воздухораспределительной решеткой, которая имеет вращающуюся шурующую планку и узел выгрузки золы, предлагается шурующую планку выполнить водоохлаждаемой, сопла вторичного дутья направить на воздухораспределительную решетку и установить их под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, а газоотводящее окно выполнить в виде выступающего в камеру сгорания образованного воздуховодом отрезка полого цилиндра, имеющего сопла дожигающего дутья, которые установлены на его торцевой и/или боковых поверхностях.
Дополнительно предлагается воздухораспределительную решетку, нижнюю часть топки и узел выгрузки золы выполнить охлаждаемыми водой. Кроме того, узел выгрузки золы предлагается выполнить в виде охлаждаемого водой шнека, который подключен к бункеру золы через аэродинамический классификатор частиц, присоединенный газоходом к камере сгорания.
Дополнительно также предлагается установить внесенные теплообменники кипящего слоя, по крайней мере, один, расположенные под расширениями камеры сгорания и подключенные каналами слива частиц с регулирующими клапанами к камере сгорания над воздухораспределительной решеткой.
Кроме того, предлагается установить на входе в образующий газоотводящее окно полый воздуховод закручивающую улитку, и некоторые сопла дожигающего дутья выполнить кольцевыми, с расположенными в кольцевом зазоре закручивающими лопатками.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения указанного технического результата.
Применение в предлагаемом изобретении охлаждаемых водой шурующей планки, а также воздухораспределительной решетки, нижней части топки и узла выгрузки золы обеспечит их защиту от выгорания в топочной среде, охлаждение слоя и повысит надежность работы их и топки в целом.
Механизация топки, то есть применение забрасывателя и вращающейся шурующей планки создает равномерное распределение топлива по площади слоя, ворошение слоя и выгрузку очаговых остатков в узел выгрузки золы. Механизированная работа топки обеспечивается как в режиме слоевой газификации при недостатке дутья, так и с полным слоевым сжиганием топлива при достаточной подаче воздуха в сопла вторичного дутья. Причем при подаче измельченного топлива можно сразу перейти соответственно к кипящему слою с газификацией или к полному сжиганию топлива при добавке в топку вторичного дутья. Кроме того, сепарация (отделение частиц) и возврат в слой частиц с псевдоожижаемым размером через аэродинамический классификатор обеспечивают постепенное накопление в топке материала кипящего слоя и далее естественный переход топки в режим работы с кипящим слоем, причем и на топливе с большими размерами подаваемых частиц.
Использование вместе с рассмотренными техническими решениями внесенных теплообменников кипящего слоя, расположенных под расширениями камеры сгорания и подключенных каналами с регулирующими клапанами слива частиц к камере сгорания над воздухораспределительной решеткой, дополнительно позволит путем управления теплосъемом глубокое регулирование. И это обеспечит контроль не только температуры слоя и топочного процесса, но и параметров теплоносителя, например, перегрева пара.
Таким образом, совокупность предлагаемых технических решений обеспечивает заявляемое расширение рабочего диапазона механизированной слоевой топки от слоевого сжигания до режимов кипящего и циркуляционного слоя, причем как с газификацией, так и с полным сжиганием топлива.
Применение сопл вторичного дутья, направленных на воздухораспределительную решетку и установленных под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, обеспечивает, во-первых, горение слоя с верхним подводом дутья и искровое зажигание свежего топлива в слоевом режиме, во-вторых, формирование над слоем вихря. Касаясь обоснования принятых значений углов, отметим следующее. Сопла вторичного дутья при углах менее 10 градусов от радиального направления из-за неточности и ошибок при их практической установке могут получить встречное направление струй, что недопустимо, а при углах более 70 градусов возникает опасность износа стенок топки набегающими струями с потоком частиц, что также недопустимо.
При работе топки вихрь, сужаясь и увеличивая скорость вращения, втягивается в кольцевой воздуховод, образующий газоотводящее окно, и при этом центробежные силы очищают вихрь от выносимых частиц, которые отбрасываются обратно в топку. Подача через сопла дожигающего дутья потока, богатого кислородом, в выходящий поток газов и в возвращаемый поток частиц обеспечивает дожигание уноса и продуктов неполного сгорания. Таким образом, создаются условия для удержания и выжигания горючего из частиц уноса и уходящего потока, а также для интенсивного, равномерного горения топлива во всем объеме топки. В итоге эти предлагаемые технические решения обеспечивают заявляемое повышение экономичности топки.
Предлагаемая механизированная слоевая топка показана на чертеже Она включает камеру 1 сгорания, образованную стенами, выполненными из обмуровки 2 и топочных экранов 3, при использовании топки в составе котла. Камера 1 сгорания в верхней части имеет забрасыватель 4 топлива с бункером 5 топлива, сопла 6 вторичного дутья, газоотводящее окно 7. Причем газоотводящее окно 7 выполнено отрезком полого цилиндрического воздуховода 8 с закручивающей улиткой 9 на входе и установленными на его торцевой и/или боковых поверхностях соплами дожигающего дутья, кольцевыми 10 и одиночными 11. В основании камера 1 сгорания имеет охлаждаемую водой воздухораспределительную решетку 12, поддерживающую слой 13 с горящим топливом и охлаждаемые водой вращающуюся шурующую планку 14 с приводом 15 и шнек 16 выгрузки золы. Шнек 16 соединен с аэродинамическим классификатором 17 частиц, который подключен снизу к бункеру 18 золы, а сверху газоходом 19 к камере 1 сгорания.
Механизированная топка имеет систему подачи дутья с вентилятором 20 и раздающими воздуховодами 21, подключенными к соплам и системам распределения дутья. Благодаря тангенциальной подаче дутья за счет установки сопл 6 вторичного дутья под углом 10-70 градусов к радиальному направлению в расширяющейся камере сгорания 1 формируется восходящий вихрь, показанный стрелками 22, выходящий из топки в газоотводящее окно 7. В пристенной зоне, наоборот, отброшенные частицы создают нисходящий поток, и здесь, под расширением камеры 1 сгорания установлены внесенные теплообменники 23 кипящего слоя, которые имеют поверхности нагрева 24, и подключены каналами с клапанами 25 слива частиц к камере 1 сгорания над воздухораспределительной решеткой 12.
Предлагаемая механизированная слоевая топка работает следующим образом. В камере 1 сгорания, выделенной стенами из обмуровки 2 и топочными экранами 3, осуществляется сгорание топлива, которое поступает из бункера 5 и распределяется по площади слоя 13 забрасывателем 4. При этом воздух, необходимый для топочного процесса, подается вентилятором 20 по воздуховодам 21 и с помощью шиберов распределяется в необходимой пропорции по зонам дутья. Первичное дутье подается в слой 13 через воздухораспределительную решетку 12, вторичное дутье через сопла 6 и дожигающее дутье через сопла 10, 11. Дополнительно дутье подается также в классификатор 17 через бункер золы 18.
Топливо горит или газифицируется в зависимости от режима в неподвижном или кипящем слое 13 в потоке первичного и вторичного дутья. Слой перемешивается по всей площади решетки 12 шурующей планкой 14, вращающейся от привода 15, и этим обеспечивается равномерное горение без каналообразования и шлакования в слое 13. Шурующая планка 14 также обеспечивает выгрузку очаговых остатков и избытка золы в шнек 16, особенно крупных частиц и спеков из кипящего слоя, нарушающих его работу.
Воздухораспределительная решетка 12, шурующая планка 14 и шнек 16 выгрузки золы, работающие в условиях агрессивной топочной среды, охлаждаются водой. Это обеспечивает их защиту от выгорания, надежную работу механизированной топки и выгрузку избытка золы шнеком 16 в бункер золы 18 в охлажденном виде, без потерь тепла.
Стабильная работа топки может обеспечиваться в четырех режимах: при слоевом сжигании или газификации и при сжигании или газификации топлива в кипящем слое золы. Накопление достаточного количества золы в кипящем слое, состоящем из частиц с «псевдоожижаемым» размером, обеспечивается удержанием уноса и сепарацией частиц из потока выводимой шнеком 16 золы в аэродинамическом классификаторе 17. Крупные частицы ссыпаются в бункер 18 золы, а мелкие частицы возвращаются потоком дутья по газоходу 19 в камеру 1 сгорания. Даже при работе с большими размерами подаваемых частиц топлива аэродинамический классификатор 17 может обеспечить постепенное накопление в топке материала кипящего слоя и естественный переход топки в режим работы с кипящим слоем. Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают заявляемое расширение рабочего диапазона топки от слоевого сжигания до режима кипящего слоя, причем как с газификацией, так и с полным сжиганием топлива.
Работа слоя 13, особенно в режиме кипения, характеризуется большим уносом и потерями с мехнедожогом. Сопла 6 вторичного дутья направлены на слой 13, и это обеспечивает, во-первых, горение слоя с верхним подводом дутья и искровое зажигание свежего топлива в слоевом режиме, позволяет вернуть часть уноса в слой 13. Кроме того, сопла 6 установлены под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, и за счет тангенциальной подачи дутья формируют над слоем 13 вихрь 22. Вихрь в свою очередь постоянно очищается от выносимого из слоя 13 потока частиц, отбрасывая их к стенкам 2 и экранам 3. Процессы особенно интенсивны, когда вихрь 22, сужаясь и увеличивая скорость вращения, входит в газоотводящее окно 7.
Подача через сопла 10, 11 закрученного улиткой 9 дожигающего дутья, богатого кислородом, в выходящий поток и в возвращаемый поток обеспечивает быстрое перемешивание потоков, дожигание уноса и продуктов неполного сгорания. Таким образом, создаются условия для удержания и выжигания горючего из частиц уноса и уходящего потока, а также для интенсивного, равномерного горения топлива во всем объеме топки.
Кроме того, вверху камеры 1 сгорания, в ее пристенной зоне, отброшенные частицы формируют нисходящий поток, который внизу разворачивается над расширением камеры 1 и вновь увлекается вверх вихрем 22 - циркулирует. При развороте потока над расширением камеры циркулирующие частицы выпадают во внесенный теплообменник 23 кипящего слоя. Здесь частицы контролируемо охлаждаются, отдавая тепло поверхности нагрева 24, и по каналам с клапанами 25 слива частиц подаются на охлаждение кипящего слоя 13 в камеру 1 сгорания.
Предлагаемое изобретение соответствует критерию промышленная применимость, поскольку осуществима с использованием известных технических средств и по известным технологиям.