Котел с двухкамерной вихревой топкой
BOILER WITH DOUBLE-CHAMBER SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к промышленной энергетике, касается разработки котлов для сжигания сухих шлакующих топлив и отходов, включающих, в том числе, легко уносимые частицы, с организацией экономичного вихревого сжигания с повышенными экологическими показателями. Примерами подобных топлив являются лузга подсолнечника, пыли углей, сухие отходы глубокой переработки древесины типа стружки и пыли шлифования, в том числе включая отходы, содержащие клеевые и пластиковые массы.
В котлах промышленной энергетики для сжигания топлив используются различные типы простых топочных устройств слоевого типа. Например, в простейшем случае применяют топки с поворотными колосниками [1. Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. М.: Энергия, 1972. Рис. 1-12]. Недостатки этих котлов: ручное обслуживание, большой унос и недожог из-за слабого удержания частиц в топке и повышенные выбросы вредных веществ при низкой стабильности и интенсивности горения.
Известны механизированные котлы с топками ретортного типа, которые имеют нижнюю подачу топлива [2. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой и средней мощности. Энергия, 1968. Рис. 2-1в, рис. 2-9]. При этом топливо выдвигается на колосники в горящем виде.
Однако и эти котлы также требуют ручное обслуживание при выгрузке шлака, они характеризуются большим уносом, недожогом из-за слабого удержания частиц в топке и повышенными выбросами вредных веществ при низкой стабильности и интенсивности горения.
Более эффективны котлы с шурующей планкой [3. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. Рис. 6-3]. Планка возвратно-поступательными движениями загружает топливо, перемешивает горящий слой, выгружает шлак и обеспечивает сжигание угля при минимальном вмешательстве персонала. Котлы с шурующей планкой также характеризуются большим уносом, недожогом из-за слабого удержания частиц в топке и повышенными выбросами вредных веществ при низкой стабильности.
Касаясь рассмотренных аналогов [1-3] укажем, что рассмотренные котлы со слоевыми топками могут сжигать шлакующие топлива и отходы с легко уносимыми частицами за счет того, что частицы выгорают не полностью. При этом температура в топке из-за неполного сгорания невысока, а частицы уносятся в озоленном виде и удаляют большую часть золы из топки. Но такой топочный процесс имеет низкую экономичность и экологически грязный.
Известен котел [4. Патент РФ №2406927], выбранный в качестве прототипа. Котел с двухкамерной вихревой топкой содержит две экранированные вихревые камеры сгорания, имеющие эжекторы подачи топлива и сопла вторичного дутья, ориентированные тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с осью, проходящей через газоотводящие окна, которыми они подключены к расположенной между ними камере дожигания, причем газоотводящие окна выполнены в виде выступающего кольцевого воздуховода с кольцевым соплом на его торцевой поверхности, служащим для подачи закрученного потока дожигающего дутья, направленного в камеру сгорания. Экранирование вихревых камер газоплотными панелями обеспечивает низкотемпературный топочный процесс.
Этих котлы имеют ряд недостатков. Из-за полного экранирования, переохлаждения и низкой температуры в вихревых камерах сгорания возникает проблема нестабильности горения, котлы не имеют стабилизирующих горелок, плохо растапливаются, топливо плохо выгорает и при этом формируется недожог и вредные выбросы. С другой стороны, подача и сжигание всего потока топлива эжектором создает повышенную температуру в ядре факела, сопровождается возгонкой золы и образованием ее отложений на холодных экранах и конвективных поверхностях нагрева котла, что приводит к заполнению газоходов котла окомкованной золой и его останову. Особенно интенсивно шлакуются, закрываются отложениями золы и выключаются из работы застойные зоны, формирующиеся в верхних углах вихревых камер сгорания. Эти толстые отложения золы также создают ее возгонку. В итоге котел работает неэкономично, с низкими экологическими характеристиками и нестабильно, требуются частые остановы котла для очистки от отложений золы.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение экономичной и стабильной работы котла с высокими экологическими характеристиками при сжигании сухих шлакующих топлив и отходов.
Поставленная задача решается путем использования котла с двухкамерной вихревой топкой, содержащей две экранированные вихревые камеры сгорания, имеющие установленные внизу эжекторы подачи топлива и сопла вторичного дутья, ориентированные тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с осью, проходящей через газоотводящие окна, которыми они подключены к расположенной между ними камере дожигания, причем газоотводящие окна выполнены в виде выступающего кольцевого воздуховода с установленным на его торцевой поверхности и направленным в камеру сгорания соплом подачи закрученного потока дожигающего дутья, в котором предлагается выполнить вихревые камеры сгорания с сечением в виде описанного вокруг условной окружности многоугольника, и в них установить горелки, аппараты золоочистки, а также слоевые топочные устройства с системами подачи топлива и узлами выгрузки золы.
Выполнение экранами вихревых камер сгорания с сечением в виде описанного вокруг условной окружности многоугольника, то есть по геометрии наиболее близкими к форме вихря, обеспечивает активную аэродинамическую обстановку и распределенное интенсивное горение, близкое к изотермическому во всем их объеме без застойных зон, а также и срыв отложений золы еще на стадии рыхлых отложений первичного типа.
Установка в вихревых камерах сгорания горелок и слоевых топочных устройств с системами подачи топлива и узлами выгрузки золы обеспечивает надежную растопку котла, стабилизацию горения, снижение вредных выбросов, минимизацию накопления и возгонки золы. В горелки по мере необходимости подается резервное или растопочное топливо, а в слое сжигается часть топлива, и этим поддерживается горение основного топлива, которое подается установленным внизу, над слоем, эжектором. При этом слой и эжектор за счет тепло- и массообмена взаимно поддерживают свои топочные процессы, что стабилизирует горение и снижает мощность факела с уменьшением температуры в его ядре и подавлением возгонки золы. Аппараты золоочистки за счет струй пара или ударно-волнового воздействия сбрасывают образующиеся отложения золы с экранов с удалением их из котла узлами выгрузки золы, обеспечивают чистоту экранов и стабильный теплосъем.
Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает более экономичную и стабильную работу котла при высоких экологических характеристиках с использованием дополнительного топлива.
В изобретении приведены также уточняющие и конкретизирующие технические решения, отраженные в дополнительных пунктах формулы.
В дополнительном п. 2 формулы предлагается направленное в камеру сгорания сопло подачи закрученного потока дожигающего дутья выполнить в виде группы тангенциально ориентированных патрубков, расположенных на торцевой поверхности выступающего в вихревую камеру сгорания кольцевого воздуховода. В сравнении с прототипом [4. Патент РФ №2406927], где используется кольцевое щелевое сопло, которое создает полый вихрь в виде слабоустойчивой пленки (пелены), здесь отдельные струи, истекающие из патрубков тангенциально в сторону вихревой камеры сгорания, имеют большую дальнобойность и могут эффективнее воздействовать на топочный процесс, более эффективно отбрасывая и дожигая уносимые частицы.
В дополнительном п. 3 формулы предлагается защищать трубами разводки экрана образующий газоотводящие окно воздуховод, выступающий в вихревую камеру сгорания, от высокотемпературного воздействия топочной среды. Это обеспечивает его более надежную и стабильную работу в сравнении с прототипом.
В дополнительном п. 4 формулы предлагается установить горелки в камере дожигания, и это обеспечивает защиту горелок от высокотемпературного воздействия топочной среды, их более надежную и стабильную работу.
В дополнительных п. 5-7 предлагается использовать конкретные слоевые топочные устройства из числа наиболее простых, необходимых для взаимного поддержания горения топлива в слое и топлива, подаваемого эжектором. Это слоевые топки: с поворотными колосниками, ретортного типа и с шурующей планкой. Их применение обеспечивает стабильную работу котла, причем с возможностью сжигать и другие, резервные топлива, если они подключены к бункерам с резервным топливом согласно дополнительному п. 8.
Поворотный колосник позволяет дожигать выпадающие частицы топлива и периодически удалять выпадающую золу, и это защищает котел от ее отложений, которые образуются из возгонов. Топка ретортного типа кроме этого позволяет дозировано выдвигать на колосники и вспомогательное топливо (уголь), причем в горящем виде, и этим перераспределять тепловыделение от горения в слое и в вихре и оптимизировать топочный процесс, например настроить его на минимум эмиссии вредных выбросов. Топка с шурующей планкой кроме этого позволяет прямыми и обратными ходами ворошить слой, управлять его горением, удалять золу и также использовать в качестве резервного топлива, например, широко доступный дробленый уголь.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется разрезами котла: вертикальным А-А, на фигуре 1 (основной разрез) и горизонтальным, Б-Б на фигуре 2 (дополнительный разрез).
Котел 1 с двухкамерной вихревой топкой содержит две вихревые камеры 2 сгорания, имеющие установленные внизу сопла 3 вторичного дутья и эжекторы 4 подачи основного топлива. Сопла 3 и эжекторы 4 ориентированы тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря, условно показанного стрелками 5 с осью, проходящей через газоотводящие окна 6, которыми они подключены к расположенной между ними камере 7 дожигания. Каждое газоотводящее окно 6 выполнено в виде выступающего в вихревые камеры 2 сгорания кольцевого воздуховода 8, причем на его торцевой поверхности расположены группы тангенциально ориентированных и одновременно направленных в вихревую камеру 2 патрубков, условно показанных стрелками 9, через которые струями подается встречно выходящему вихрю 5 закрученный поток дожигающего дутья.
Каждая вихревая камера 2 сгорания образована парой прямых боковых панелей 10 и расположенными между ними изогнутыми экранами 11, которые отогнуты в виде описанного вокруг условной окружности 12 многоугольника, и по геометрии она близка к круговой форме вихря 5, формируемого потоками, поступающими через тангенциально расположенные сопла 3 и эжектор 4. Это обеспечивает активную аэродинамическую обстановку, интенсивный срыв рыхлых первичных отложений золы с топочных экранов, их чистоту и эффективный топочный процесс без застойных зон.
В каждой вихревой камере 2 установлены горелки 13, аппараты 14 золоочистки, а также слоевое топочное устройство, в данном случае топка 15 ретортного типа со слоем 16, подключенная шнеком 17 подачи топлива к бункеру 18 резервного топлива (угля) и к узлу 19 выгрузки золы. Горелки 13 и аппараты 14 золоочистки могут быть установлены и в камере 7 дожигания, фиг. 2. Для более надежной работы газоотводящего окна образующий его воздуховод, выступающий в вихревую камеру 2, защищен от высокотемпературного воздействия топочной среды трубами 20 разводки экрана, фиг. 2.
В состав котла входят бункер основного топлива 21 с питателем 22, вентиляторы 23 и другое оборудование котельной. Кроме того, в котле имеются трубы 24 конвективных поверхностей нагрева. Вентиляторы и тракты подачи необходимого дутья в горелки 13, в ретортные топки 15, в кольцевые воздуховоды 8 и в сопла 9 здесь не показаны.
Котел 1 с двухкамерной вихревой топкой работает следующим образом. В вихревых камерах 2 благодаря циркуляции вихря 5 осуществляется центробежное удержание и сгорание топлива при смешивании его с потоками первичного воздуха и вторичного дутья, которое подается через сопла 3. Важно, что здесь при организации топочного процесса в плоских цилиндрических вихревых камерах 2 сгорания, образованных прямыми боковыми панелями 10 и расположенными между ними изогнутыми вокруг условной окружности 12 экранами 11, за счет потоков дутья из тангенциально расположенных сопл 3, эжекторов 4 и патрубков 9 формируется активная аэродинамическая обстановка. Это создает активное, без застойных зон, вихревое перемешивание топлива и дутья, его интенсивное горение. Вихрь обеспечивает срыв рыхлых первичных отложений золы с топочных экранов, поддерживает их чистоту, обеспечивает эффективный теплосъем и стабильный топочный процесс. Вихрь 5 и топливовоздушный поток, поступающий из эжектора 4, интенсивно взаимодействуют со слоем 16 горящего угля, раздувают в нем горение, которое в свою очередь поддерживает воспламенение и стабилизирует горение в факеле потока топлива, поступающего из эжектора 4.
Недожог топлива и экологические характеристики котла предопределяются конструкцией газоотводящего окна 6 и дожиганием выхлопа топки. Выступающий в вихревую камеру 2 сгорания кольцевой воздуховод 8 и условно показанные стрелками 9 дальнобойные тангенциальные струи дожигающего дутья, которые подаются встречно выходящему вихрю 5, улучшают удержание и дожигание частиц уноса, повышают экологические характеристики за счет ступенчатой системы подачи дутья. При этом трубы 20 разводки экрана защищают воздуховод 8 от высокотемпературного воздействия топочной среды, обеспечивают его надежную и стабильную работу.
Для обеспечения стабильности работы в котле 1 может использоваться несколько видов топлива. Основное топливо вентилятором 23 подается с первичным воздухом эжекторами 4 и дозируется питателями 22 из бункеров 21. Вспомогательное или растопочное топливо (газ или жидкое) сжигается с помощью горелок 13, которые могут располагаться как в вихревых камерах 2 сгорания, так и в камере 7 дожигания, причем установка горелки 13 в камере 7 дожигания защищает ее от высокотемпературного воздействия топочной среды. Резервное топливо (уголь) дозировано подается из бункера 18 шнеком 17 и горит в слое 16 ретортной топки 15 в потоке первичного воздуха. Одновременно ретортная топка 15 удаляет через узел 19 выгрузки золы всю образующуюся золу, в том числе сбиваемую с топочных экранов 10 и 11 с помощью аппаратов 14 золоочистки за счет струйного или ударного воздействия.
Например, основное топливо - лузга подсолнечника - условно бесплатное (отход производства масла), но отличающаяся сильным шлакованием. При пуске используются горелки 13, установленные в вихревых камерах 2, и сжигается дорогое жидкое топливо. На режиме в котле 1 сжигается лузга. При недостатке лузги переходят частично или полностью на сжигание сравнительно дешевого угля в ретортных топках 15 со стабильным поддержанием требуемой нагрузки.
Выделяющееся от сгорания топлива в камерах сгорания 2 тепло воспринимается теплоносителем через трубы экранов 10, 11, затем продукты сгорания перед сбросом через дымовую трубу охлаждаются трубами 24 конвективных поверхностей нагрева котла.
Таким образом, в сравнении с прототипом, предлагаемое изобретение обеспечивает более экономичную и стабильную работу котла при высоких экологических характеристиках с возможностью использования дополнительных топлив.