Энергетический котел
POWER BOILER

Изобретение относится к энергетике, касается разработки котлов для экологически эффективного, экономичного, низкотемпературного и более универсального по кругу применяемых топлив сжигания, в том числе для шлакующих углей, низкореакционных топлив и отходов. Оно может использоваться для реконструкций газомазутных котлов и котлов с удалением шлака в жидком виде на низкотемпературное сжигание. Устройство, благодаря большей универсальности по кругу применяемых топлив, может использоваться в промышленных и энергетических котлах при их переводе на нерасчетное топливо, например, на низкосортные местные топлива или с дорогостоящего жидкого и газообразного топлива на уголь при низкотемпературном сжигании.
В энергетике используются котлы с камерными топками, которые имеют горелочные устройства, сопла вторичного дутья, холодную воронку с системой удаления шлака и подключены к конвективному газоходу с поверхностями нагрева при П-образной, Т-образной N-образной и башенной компоновке [1. Ковалев А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы. М.: Энергоатомиздат, 1985. Рис. 17.1]. Недостатком этих котлов является малое время удержания частиц топлива в топке. Соответственно, требуется неэкономичный тонкий размол угля и быстрое высокотемпературное сжигание, в том числе с удержанием частиц шлакующих углей и низкореакционных топлив в пленке жидкого шлака. Эти высокотемпературные топочные процессы сопровождаются повышенными выбросами вредных веществ. Из-за высокой температуры в топке и на пароперегревателе формируются шлаковые отложения, что приводит к трудностям регулирования перегрева пара, низкой стабильности и неэкономичности работы котлов из-за их остановов на очистку, особенно на нерасчетном топливе.
Из известных технических решений наиболее близким но технической сущности к заявляемому устройству, которое выбрано прототипом, является котел с низкотемпературной вихревой топкой - НТВ [2. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 43, рис. 22]. Котел с НТВ топкой имеет расположенные на фронтовом экране направленные вниз прямоточные горелочные устройства, установленные в устье холодной воронки и направленные встречно горелкам сопла вторичного дутья, систему удаления шлака и конвективный газоход с поверхностями нагрева, подключенные к камерной топке. Пара встречных потоков из горелок и сопел вторичного дутья формирует в небольшом объеме топки вихрь с горизонтальной осью вращения. Вихрь обеспечивает некоторое удержание частиц и низкотемпературный топочный процесс благодаря увеличению теплосъема НТВ топки за счет распространения интенсивного топочного процесса в холодную воронку котла.
Недостатками котлов с НТВ топкой является высокая неравномерность горения, так как активный топочный процесс сосредоточен преимущественно в холодной воронке, сопровождается натеканием мощных горелочных струй на задний экран и износом труб переднего экрана. Кроме того, эти котлы вследствие плохой удерживающей способности частиц топлива имеют низкую экономичность из-за большого мехнедожога с уносом и провалом, а также характеризуются значительными вредными выбросами и сложностью регулирования температуры перегрева пара. Из-за малого увеличения теплосъема НТВ топки непригодны для реконструкции газомазутиых котлов и котлов с жидким удалением шлака на низкотемпературное сжигание и применяются только в пылеугольных котлах с удалением шлака в твердом виде.
Целью изобретения и решаемой технической задачей являются: снижение вредных выбросов и повышение экономичности, включая создание универсальных по кругу применяемых топлив энергетических котлов, как проектируемых, так и существующих с обеспечением возможности их реконструкции.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что в известном энергетическом котле, который имеет горелочные устройства, сопла вторичного дутья, холодную воронку с системой удаления шлака и конвективный газоход с поверхностями нагрева, подключенные к камерной топке, по данному изобретению предлагается камерную топку разделить по меньшей мере на одну камеру дожигания, примыкающую к любой из сторон топки, и одну вихревую топку разделительным экраном с газоотводящим окном, причем горелочные устройства и сопла вторичного дутья, установленные в вихревой топке, предлагается направить по ходу вращения и тангенциально к горизонтальной оси формируемого вихря, проходящей через газоотводящее окно.
Введение вертикального разделительного экрана с газоотводящим окном образует надежно работающий охлаждаемый пережим и выделяет вихревую топку. Подачей топлива и воздушных потоков из горелочных устройств и сопел вторичного дутья тангенциально (не радиально) к горизонтальной оси, проходящей через центр газоотводящего окна в вихревой камере сгорания, формируется вихрь с интенсивным перемешиванием и горением. Газоотводящее окно обеспечивает высокоэффективное удержание и сжигание частиц топлива в вихре, так как при его сужении на входе в газоотводящее окно вихрь очищается центробежными силами от частиц. Этим снижаются избытки воздуха и мехнедожог с уносом и соответственно повышаются экологические показатели и экономичность котла.
Введение разделительного экрана и активная вихревая аэродинамика существенно, 1,5÷4,8 раз, увеличивают поверхность топочных экранов и в еще большей степени теплосъем в топке, что необходимо для обеспечения низкотемпературного топочного процесса. В совокупности с длительным удержанием частиц в вихре это обеспечивает низкотемпературное выжигание горючих из любых видов топлив, включая низкореакционные, шлакующие, горючие отходы и другие, по отдельности и совместно, и обеспечивает универсальность по кругу применяемых топлив.
Предлагаемая в п. 2-4 установка дополнительно двух и трех разделительных экранов позволяет еще больше, до 4 раз, увеличить поверхность и теплосъем топочных экранов и гарантированно обеспечить низкотемпературный топочный процесс. При этом количество вихревых тонок, камер дожигания и конкретный вид камерной топки согласуется с типом компоновки котла и выбирается оптимальным.
В итоге, предлагаемое в п. 1-4 многократное увеличение поверхности теплосъема введением экранов и за счет выполнения газоотводящих окон отгибкой труб разделительных экранов согласно п. 5 дает возможность реконструкции действующих котлов с малой площадью теплосъема. Например, на низкотемпературное сжигание угля можно перевести котлы с удалением шлака в жидком виде или газомазутные котлы с 2-4 кратным увеличением площади топочных экранов, что недоступно с применением существующих способов и устройств.
Предлагаемая в п. 5-7 дополнительно установка на выходе из газоотводящего окна сопел дожигающего дутья, которые направлены встречно вращению вихря, и вихревых горелок, в том числе с регулируемой круткой и изменяемым направлением закрутки, подключенных к трактам подачи высокореакционного топлива и дожигающего дутья, позволяет организовать регулируемую, экологически наиболее эффективную схему с низкотемпературным дожиганием выхлопа вихревых топок, регулирование температуры перегретого пара и равномерное заполнение камеры дожигания и конвективного газохода потоком дымовых газов.
Предлагаемые в п. 8-10 дополнительно системы удаления шлака, в том числе в виде дожигающего колосникового полотна или открытых охлаждаемых водой шнеков с дополнительными соплами вторичного дутья, которые направлены по ходу вращения формируемого вихря и с наклоном в сторону системы удаления шлака, дополнительно повышают экономичность котла, так как обеспечивают как дожигание провала, так и допускают экономию электроэнергии за счет загрубления помола топлива.
Таким образом, в сравнении с прототипом [2], предлагаемое изобретение обеспечивает: снижение вредных выбросов и регулирование температуры перегрева пара за счет ступенчатой подачи дутья и управляемого дожигания недожога и высокореакционного топлива на выходе из топки, а также повышение экономичности за счет снижения мехнедожога с уносом и провалом и универсальность по применению различных топлив, в том числе более дешевых местных и других отходов, с возможностью замены расчетного топлива.
Изобретение иллюстрируется разрезами предлагаемого энергетического котла в некоторых вариантах исполнения:
- вертикальным продольным разрезом в варианте котла с одним разделительным экраном для П-образной компоновки котла, фиг. 1;
- продольным разрезом котла по вихревой топке, фиг. 2;
- вертикальным поперечным разрезом в варианте котла с одной вихревой топкой, выделенной двумя разделительными экранами и разделенной центральным разделительным двухсветным экраном в Т-образной компоновке, фиг. 3;
- горизонтальным разрезом по газоотводящим окнам в варианте котла с двумя вихревыми топками при П-образной компоновке котла, фиг. 4;
- горизонтальным разрезом по газоотводящим окнам в варианте котла с двумя вихревыми топками при Т-образной компоновке котла, фиг. 5.
Энергетический котел 1, фиг. 1, имеет горелочные устройства 2, сопла вторичного дутья 3, пароперегреватели 4, конвективные газоходы 5 с поверхностями 6 нагрева, системы 7 удаления шлака и камерную топку 8, образованную топочными экранами 9. Камерная тонка 8 разделена разделительным экраном 10 с газоотводящим окном 11 на камеру дожигания 12 и вихревую топку 13, фиг. 2, причем газоотводящее окно 11 выполнено разводкой труб разделительного экрана 10. Введение дополнительного разделительного экрана 10 с выполненным разводкой труб экрана газоотводящим окном 11 заметно, в 1,5÷4,8 раз, увеличивает поверхность топочных экранов, их теплосъем и обеспечивает низкотемпературный топочный процесс.
Вихревая топка 13 может примыкать к любой стороне камерной топки 8, например, примыкать к заднему топочному экрану, как показано на фиг. 1, и при этом над ней удобно располагать пароперегреватель 4. Вихревую топку 13 при ее примыкании к фронтовому экрану удобнее обслуживать, к ней проще подводить топливо и дутье. Несимметричные варианты с примыканием вихревой топки 13 к правой или левой боковой стороне рекомендуется использовать в конструкциях котла с двумя параллельными конвективными газоходами 5 для газового регулирования температуры перегретого пара.
Разделительных экранов может быть два и даже три, фиг. 3, в соответствии с теплосъемом, необходимым для организации низкотемпературного режима работы котла без его шлакования. Как и топочные экраны 9 они устанавливаются преимущественно вертикально и образуют в нижней части холодную воронку 14 - сужение, служащее для сбора выпадающих твердых частиц в системы 7 удаления шлака, которые расположены в нижней части камер дожигания 12 и вихревых топок 13. При этом в вихревых топках 13 над системами 7 удаления шлака расположены дополнительные сопла 15 вторичного дутья, направленные по ходу вращения формируемого вихря и с наклоном в сторону системы удаления шлака 7. В качестве систем 7 удаления шлака устанавливаются подвижные дожигающие колосниковые полотна или охлаждаемые водой шнеки.
Аэродинамическая обстановка в вихревых топках 13 характеризуется формированием вращающегося потока - вихря с горизонтальной осью 16, проходящей через газоотводящее окно 11, фиг. 2, а также имеющим форму тора, заполненного вращающимися частицами вихревого образования 17. В вихревой топке 13 на выходе из газоотводящего окна 11 установлены сопла 18 дожигающего дутья, направленные встречно вращению вихря и/или вихревые горелки 19, подключенные к трактам подачи высокореакционного топлива и дожигающего дутья. Эти вихревые горелки могут быть выполнены с регулируемой круткой и изменяемым направлением закрутки, например, за счет возможности разворота установленных в вихревой горелке закручивающих лопаток вправо и влево относительно нейтрального положения.
Касаясь расположения и числа вводимых экранов и выделяемых вихревых топок 13 и камер дожигания 12, укажем, что схема выбирается как оптимальная в соответствии с компоновкой котла. Для котлов с П-образной и N-образной компоновкой [1] при одностороннем выходе из камерной топки помимо рассмотренных выше схем с одним разделительным экраном 10, фиг. 1, могут применяться обеспечивающие большее снижение топочной температуры схемы с двумя разделительными экранами 10, фиг. 4.
Для наиболее мощных энергетических котлов [1] с Т-образной, фиг. 3 и фиг. 5, и с башенной компоновкой по условию симметрии рекомендуются схемы с двумя разделительными экранами 10. Они обеспечивают симметрию и возможность контроля параметров обоих исходящих из камерной топки 8 потоков. Разделительные экраны 10 могут устанавливаться параллельно, фиг. 5, и перпендикулярно, фиг. 3, фронту котла. При этом схема, фиг. 3, с дополнительным центральным разделительным экраном 20 обеспечивает не только наибольший теплосъем, но также независимое регулирование нагрузки, в том числе кратковременный ремонт и обслуживание одного из двух конвективных газохода 5, поверхностей нагрева 6 и системы удаления шлака 7 на работающем котле. Это дополнительно повышает экономичность работы энергетического котла 1. Вихревые горелки 19 и сопла 18 дожигающего дутья вводятся через топочные экраны 9, как показано на фиг. 1-4, или через камеру дожигания 12, фиг. 5.
При работе энергетического котла 1, фиг. 1, обогащенный топливом поток первичного дутья подается через горелочные устройства 2, воспламеняется, газифицируется и горит в вихревой топке 13 с участием потока поступающего через сопла 3 вторичного дутья, фиг. 2, и далее догорает в камере дожигания 12 в потоке дожигающего дутья. Камерная топка 8 работает в экологически эффективном низкотемпературном режиме, который обеспечивается большой площадью разделительных 10, 20, фиг. 3, и топочных 9 экранов при высокоэффективной передаче выделяющегося от сгорания топлива тепла к технически чистым топочным экранам 9, 10 и 20 при активной вихревой аэродинамике. Наиболее крупные частицы топлива при этом могут выпадать из вихревой топки 13 через холодную воронку 14 в систему удаления шлака 7. Здесь они догорают в потоке вторичного дутья, поступающего из наклоненных в ее сторону дополнительных сопел 15, фиг. 2, обеспечивая высокую экономичность котла. Выпадающая из вихревых топок 13 и камер дожигания 12 зола удаляется системами 7 удаления шлака.
Горелочные устройства 2, сопла вторичного дутья 3 и дополнительные сопла 15 направлены по ходу вращения тангенциально к горизонтальной оси 16, и исходящие из них потоки формируют в вихревой топке 13 вращающийся поток или вихрь с горизонтальной осью 16, проходящей через газоотводящее окно 11, фиг. 2. Вращающийся поток при входе в газоотводящее окно 11 сжимается с резким увеличением скорости вращения и центробежных сил, обеспечивая очистку уходящего потока газов с высокоэффективным отбрасыванием к периферии, удержанием частиц и формированием вращающегося, заполненного частицами вихревого образования 17. Твердое топливо надежно удерживается и преимущественно сгорает в вихревом образовании 17 при недостатке кислорода. Благодаря низкотемпературному режиму и хорошему удержанию частиц с выжиганием горючих и дожиганием крупных частиц в системе удаления 7 шлака в котле 1 можно использовать топливо с экономичным укрупненным помолом. Отсутствие шлакования позволяет применять различные топлива, в том числе дешевые местные угли и измельченные отходы, с экономией средств на закупку и обеспечивает универсальность котла по кругу применяемых топлив.
Мелкий унос и химнедожог дожигают на выходе из газоотводящего окна 11 в струях дожигающего дутья, поступающих из сопел 18 дожигающего дутья совместно с высокореакционным топливом, подаваемым из вихревых горелок 19 локализовано и соответственно высокоэффективно, с минимальными избытками дутья и по наиболее экологически эффективным схемам подавления эмиссии оксидов азота. При этом изменение доли дожигаемого топлива и недожога в камере дожигания 12 влияет на температуру дымовых газов перед пароперегревателем 4, что позволяет экономично регулировать температуру перегрева пара, а также устранять температурные перекосы в пароперегревателях 4 и конвективных газоходах котлов с Т-образной компоновкой, фиг. 3. Направленные из сопел 18 и/или вихревых горелок 19 встречно вращению вихря, как условно показано стрелками на фиг. 2, струи дожигающего дутья не только активизируют горение, но также создают раскрытие вихря и равномерное заполнение камеры дожигания 12, далее конвективных газоходов 5, обеспечивая глубокое, экономичное охлаждение потока дымовых газов поверхностями 6 нагрева.
Таким образом, в сравнении с прототипом [2], предлагаемое изобретение при работе обеспечивает низкотемпературный топочный процесс со снижением вредных выбросов и регулированием температуры перегрева пара за счет ступенчатой подачи дутья и управляемого дожигания недожога и высокореакционного топлива на выходе из вихревой топки. Оно имеет повышенную экономичность за счет снижения мехнедожога с уносом и провалом и универсальности по применению различных топлив, в том числе более дешевых местных и/или отходов, с возможностью замены ими расчетного топлива и пригодно для реконструкции действующих котлов.