ТОПКА С РЕАКТОРОМ ФОРСИРОВАННОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ
FURNACE UNIT WITH AUGMENTED FLUIDIZED BED REACTOR

Топка с реактором форсированного кипящего слоя относится к области энергетики и предназначена для использования в промышленных и энергетических котлах для высокоэффективного сжигания дробленых твердых топлив и горючих отходов.
Известна топка с реактором форсированного кипящего слоя, содержащая вертикальную топочную камеру, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу и предназначенной для равномерного подвода воздуха под слой, устройство ввода топлива, установленное в стене топочной камеры, воздушный короб, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, с патрубком для подвода, устройство розжига слоя, установленное во фронтовой стенке топочной камеры котла над кипящим слоем, устройство вывода шлака, стенки реактора, ограждающие кипящий слой по периметру. При этом стены топочной камеры в нижней части одновременно являются ограждающими стенами реактора (Баскаков А.П. Котлы и топки с кипящим слоем / А.П. Басков, В.В. Мацнев, И.В. Распопов – М.: Энергоатомиздат, 1966, стр. 191-195, рис. 5.2.).
Настоящая топка с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла предназначена для котлов малой и средней производительности. При увеличении мощности топки требуется увеличение площади воздухораспределительной решетки, что ухудшает условия обеспечения равномерного кипения по всему сечению кипящего слоя.
Наиболее близкой по технической сущности является топка с реактором форсированного кипящего слоя (RU, №142005 U1, МПК F23C 10/20, 2014 г.), содержащая вертикальную топочную камеру, устройство ввода топлива, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу, воздушный короб с патрубками для подвода воздуха, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, устройство розжига слоя, устройство вывода шлака, соединенное с объемом кипящего слоя, при этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенками названного реактора, ограждающими кипящий слой, площадь воздухораспределительной решетки реактора выполнена меньше площади горизонтального сечения топочной камеры, под которой он расположен, а колпачки воздухораспределительной решетки выполнены из хромистого чугуна. Топка снабжена соплами вторичного дутья.
Настоящая топка с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла предназначена для котлов малой и средней производительности. При увеличении мощности топки требуется увеличение площади воздухораспределительной решетки, что ухудшает условия обеспечения равномерного кипения по всему сечению кипящего слоя.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение мощности и тепловосприятия топки с реактором форсированного кипящего слоя.
Поставленная техническая задача решается тем, что топка с реактором форсированного кипящего слоя содержит вертикальную топочную камеру, в нижней части которой расположен реактор форсированного кипящего слоя с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу, воздушный короб с патрубками для подвода воздуха, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, устройство розжига кипящего слоя, устройство вывода шлака, соединенное с объемом кипящего слоя, при этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенами названного реактора, ограждающими кипящий слой, а вдоль стен вертикальной топочной камеры установлены охлаждающие элементы. Новым, согласно изобретению, является установка горизонтально в нижней части топочной камеры по всей ее глубине вдоль ее продольной оси двускатного разделителя, две боковые стенки которого выполнены вертикальными и параллельными друг другу, а две верхние ее стенки выполнены наклонными с углом 30-60° между ними, двускатный разделитель делит топочную камеру на две полутопки, при этом реакторы форсированного кипящего слоя располагаются в каждой полутопке между боковыми вертикальными стенками двускатного разделителя и близлежащими к ним боковыми стенами топочной камеры, а на стенках двускатного разделителя расположены охлаждающие трубчатые элементы.
Расположенные на стенках двускатного разделителя охлаждающие трубчатые элементы продлены в центральной части топочной камеры вдоль ее вертикальной оси до верха топочной камеры.
Высота боковых вертикальных стенок двускатного разделителя больше высоты кипящего слоя.
Стенки двускатного разделителя снабжены износостойкими накладками.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен продольный разрез топки с реактором форсированного кипящего слоя - на стенках двускатного разделителя расположены охлаждающие трубчатые элементы; на фиг. 2 - продольный разрез, вид топки с реактором форсированного кипящего слоя - на стенках двускатного разделителя расположены охлаждающие трубчатые элементы, продленные до верха топочной камеры; на фиг. 3 - поперечный разрез А-А по фиг. 1; на фиг. 4 - поперечный разрез Б-Б по фиг. 2. На фиг. 1 и 2 сплошными стрелками указаны направления движения нагреваемой жидкости, а пунктирными стрелками - траектории движения частиц в топке.
Топка с реактором форсированного кипящего слоя содержит вертикальную топочную камеру 1, образованную стенами 2, вдоль которых установлены охлаждающие элементы 3. В нижней части топочной камеры 1 вдоль ее продольной оси и по всей ее глубине установлен горизонтально двускатный разделитель 4, две боковые стенки 5 которого выполнены вертикальными и параллельными друг другу, а две верхние ее стенки 6 выполнены наклонными с углом 30-60° между ними. Такое расположение двускатного разделителя 4 позволяет разделить топочную камеру 1 на две полутопки 7, при этом реакторы 8 кипящих слоев 9 располагаются в каждой полутопке 7 между боковыми вертикальными стенками 5 двускатного разделителя 4 и близлежащими к ним стенами 2 топочной камеры 1. При этом стены 2 топочной камеры 1 в нижней части одновременно являются стенами 10 обоих реакторов 8, ограждающими кипящие слои 9. Под кипящими слоями 9 установлены воздухораспределительные решетки 11 с колпачками 12, выполненными из хромистого чугуна. По стенкам 5 и 6 двускатного разделителя 4 расположены охлаждающие трубчатые элементы 13. Они могут быть продлены в центральной части топочной камеры 1 вдоль ее вертикальной оси до верха топочной камеры 1. В этом случае увеличивается поверхность тепловосприятия трубчатых элементов 13. В стенах 2 топочной камеры 1 над кипящими слоями 9 расположены патрубки 14 ввода недогоревших золотопливных частиц и устройства ввода сжигаемого топлива, содержащие загрузочный бункер топлива 15, питатель-дозатор 16 с регулируемой производительностью, соединенные с течкой 17 ввода топлива. К воздухораспределительным решеткам 11 снизу пристыкованы воздушные короба 18, которые содержат патрубки 19 для подвода воздуха, а также устройства 20 розжига кипящих слоев 9. К кипящим слоям 9 подведены устройства вывода шлака 21, которые содержат транспортеры-дозаторы 22.
Охлаждающие элементы 3 внизу топочной камеры 1 подсоединены к нижним входным коллекторам 23, вверху топочной камеры 1 они соединены с верхними сборными коллекторами 24. Входы охлаждающих трубчатых элементов 13 под двускатным разделителем 4 подсоединены к водоподводящему коллектору 25, а их выходы подсоединены под двускатным разделителем 4 к водоотводящему коллектору 26. В зависимости от конструкции топки водоотводящий коллектор 26 может быть расположен над топочной камерой 1.
В верхней части боковых стен 2 топочной камеры 1 выполнены сопла 27 вторичного дутья, подсоединенные к воздуховодам 28. Сопла 27, патрубок 14 и загрузочный бункер 15 могут быть выполнены на любой стене 2 топочной камеры 1.
Высота боковых вертикальных стенок 5 двускатного разделителя 4 должна быть больше высоты кипящих слоев 9. Боковые стенки 5 и 6 двускатного разделителя 4 защищены износостойкими накладками (не показаны) и могут быть выполнены водоохлаждаемыми, например, с помощью трубчатых элементов 13 или кессонов (не показаны).
Топка с реактором форсированного кипящего слоя работает следующим образом.
Дробленое топливо подают в реакторы 8 топочной камеры 1 над кипящими слоями 9 через устройства ввода топлива, включающими загрузочный бункер 15, питатели-дозаторы 16 с регулируемой производительностью и течку 17 ввода топлива. Попадая в кипящие слои 9 топливо подвергается прогреву, сушке, выходу летучих, воспламенению и выгоранию. Рабочие температуры кипящих слоев 9, в зависимости от вида сжигаемого топлива, поддерживаются в диапазоне 800-950°С. Указанный уровень температур связан с необходимостью предотвращения спекания золы. Требуемая температура кипящих слоев 9 поддерживается регулированием расхода топлива и расхода воздуха, подаваемого под воздухораспределительные решетки 11 из воздушных коробов 18, снабженных патрубками 19 для подвода воздуха. Воздухораспределительные решетки 11 предназначены для обеспечения равномерного прохождения воздуха через кипящие слои 9, чтобы гарантировать хорошее ожижение кипящих слоев 9. Содержащие в воздухораспределительных решетках 11 колпачки 12 также способствуют повышению надежности ожижения слоев 9 и, кроме того, препятствуют просыпанию материала кипящих слоев 9 в воздушные короба 18.
Предварительно кипящие слои 9 подогреваются с помощью устройств 20 розжига кипящих слоев 9 до температуры воспламенения топлива, при этом устройства 20 розжига работают на жидком или газообразном растопочном топливе. Затем начинают подавать рабочее топливо, с постепенным увеличением подачи. Температура кипящих слоев 9 начинает возрастать, и скорость сгорания частиц топлива увеличивается. Устройства 20 розжига кипящих слоев 9 не выключаются, пока температура каждого из слоев 9 не превысит 700°С°. Далее подачу топлива можно увеличивать, не опасаясь накопления коксовых частиц. Расход топлива питателями-дозаторами 16 увеличивают, пока не будет достигнута требуемая мощность топки.
Обеспечение возможности сжигания крупнодробленого топлива и снижения энергетических затрат на его измельчение обусловлены повышением скорости ожижения кипящих слоев 9, что, в свою очередь, является следствием уменьшения площадей воздухораспределительных решеток 11. Так, применение реактора 8 форсированного кипящего слоя 9 с меньшей, по сравнению с площадью горизонтального сечения топочной камеры 1, позволяет поднять скорость ожижения кипящего слоя 9 до 5 м/с и более - реальные скорости ожижения форсированного кипящего слоя 9 могут составлять 5-10 м/с, что дает возможность сжигать крупнодробленое топливо с максимальным куском вплоть до 50 мм и, следовательно, существенно уменьшить затраты на дробление.
а
кс
Габариты двускатного разделителя 4 определяются из размеров топки и из конструктивных соображений. Ширина основания () двускатного разделителя 4 выбирается с учетом требуемой ширины (С) реакторов 8. Высота (В) боковой вертикальной стенки 5 должна быть больше высоты (h) кипящего слоя 9. Это необходимо для создания хорошо работающего кипящего слоя 9 и стабильной работы внутритопочной сепарации (возврата) крупных частиц в кипящий слой 9. Все это обеспечивает стабильную работу реакторов 8 и всей топочной камеры 1. Высота (Б) двускатного разделителя 4 при выбранных размерах (а) и (В) определена задаваемым углом 30-60° между верхними наклонными стенками 6.
Двускатный разделитель 4 уменьшает размеры и, соответственно, площади воздухораспределительных решеток 11 и площади расположенных на них кипящих слоев 8. Это позволяет при увеличении мощности котла сохранить или даже повысить скорость ожижения форсированного кипящего слоя 8 до 5-10 м/с и более. Обе полутопки 7 могут работать совместно с одинаковой нагрузкой, а также раздельно с разной нагрузкой. Это позволяет оперативно регулировать работу топки и котла на разных режимах по нагрузке. Боковые вертикальные стенки 5 двускатного разделителя 4 и стены 2 топочной камеры 1 обеспечивают постоянную площадь кипящего слоя 9 во время работы, что обеспечивает надежность работы топочной камеры 1.
Из водоподводящего коллектора 24 в охлаждающие трубчатые элементы 13 подают воду, которая в них нагревается под действием высокой температуры сжигаемого топлива и сливается в водоотводящий коллектор 26. Охлаждение стенок 5 и 6 двускатного разделителя 4 посредством трубчатых элементов 13 повышает надежность их работы и удлиняет срок их эксплуатации.
Охлаждающие трубчатые элементы 13 являются дополнительной тепловоспринимающей поверхностью в топочной камере 1, которая усиливает действие охлаждающих элементов 3, расположенных вдоль стен 2. При продлении охлаждающих трубчатых элементов 13 в центральной части топочной камеры 1 вдоль ее вертикальной оси до верха топочной камеры 1 длина их увеличивается и, соответственно, увеличивается площадь их нагрева и тепловосприятие. Все это значительно повышает тепловосприятие топки с реактором форсированного кипящего слоя и, следовательно, повышает ее мощность.
Из нижних входных коллекторов 23, расположенных в нижней части топочной камеры 1, подают воду в охлаждающие элементы 3. Вода, протекающая в охлаждающих элементах 3, нагревается, а затем ее отводят в верхние сборные коллекторы 24.
В полутопке 7, в зоне расширения ее сечения топочной камеры 1, с увеличением ширины от размера (С) до размера (Д), вследствие уменьшения скорости газов, происходит выпадение несгоревших крупных фракций сжигаемого топлива, вынесенных из кипящего слоя 9 на верхние наклонные стенки 6 двускатного разделителя 4, и скатывание их обратно в кипящий слой 9. Стенки 5 и 6 двускатного разделителя 4 снабжены износостойкими накладками (не показаны), что улучшает условия их работы и удлиняет срок их эксплуатации. Описанный механизм внутритопочной сепарации частиц обеспечивает хорошее выжигание топлива, а значит и повышение КПД котла.
При угле менее 30° между верхними наклонными стенками 6 двускатного разделителя 4 степень расширения сечения топочной камеры 1 относительно сечения кипящих слоев 9 становится малой, что отрицательно скажется на эффективности внутритопочной сепарации недогоревших частиц, выносимых из кипящих слоев 9 и падающих на верхние наклонные стенки 6.
При угле более 60° между верхними наклонными стенками 6 на них будут задерживаться остатки недогоревшего топлива, которые будут сверху падать. Они не будут скатываться по верхним наклонным стенкам 6 двускатного разделителя 4 вниз в кипящий слой 9, что может привести к зашлакованию верхних наклонных стенок 6, ухудшить внутритопочную сепарацию частиц и снизить общую надежность работы топки.
Стенки 5 и 6 двускатного разделителя 4 защищены износостойкими накладками (не показаны), что позволит их защитить от падающих на них недогоревших крупных частиц топлива. Стенки 5 и 6 двускатного разделителя 4 выполнены охлаждаемыми, например, посредством охлаждающих трубчатых элементов 13 или с помощью кессонов (не показаны), что улучшит условия их работы и удлинит срок их эксплуатации.
Устройства 21 вывода шлака из кипящего слоя 9 снабжены транспортерами-дозаторами 22, что позволяет повысить надежность работы топки котла в целом.
Уловленные в хвостовой части котла недогоревшие в топочной камере 1 золотопливные частицы возвращаются через патрубки 14 обратно в топочную камеру 1, где они попадают в кипящий слой 9 и дожигаются.
В верхней части топочной камеры 1 вдоль ее стен 2 установлены сопла 26 вторичного воздуха, к которым подведены воздуховоды 27, что позволяет улучшить сжигание топлива и уменьшить выбросы оксидов азота.
Изобретение повышает тепловосприятие топки с реактором форсированного кипящего слоя и увеличивает мощность котла. При этом улучшается работа топки и котла на разных режимах по нагрузке и уменьшаются выбросы оксидов азота.