КОНСТРУКЦИЯ КОТЛА
BOILER DESIGN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к конструкции котла, приспособленной для работы на угле и различных типах топлива, содержащих серу.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С целью уменьшения выделений NОх в некоторых современных котлах, предназначенных для использования с таким топливом, как уголь и нефть, обеспечивают многоступенчатую подачу воздуха с образованием зоны горения в восстановительной атмосфере, в которой сгорание происходит в активной газовой среде между основной горелкой и участком подачи дополнительного воздуха.
Однако в зоне горения в восстановительной атмосфере поверхности стенок топочной камеры подвергаются действию жесткой агрессивной среды, в которой в большом объеме образуется сероводород, являющийся коррозионно-активным агентом. Это обстоятельство вынуждает выполнять на стенках топочной камеры покрытие распылением или периодически заменять облицовочные панели стенок топочной камеры. Другой проблемой является шлакообразование, поскольку зона горения в восстановительной атмосфере является областью с активной газовой средой и на топочную камеру действует более высокая тепловая нагрузка.
Для устранения подобных проблем в некоторых известных способах предлагается увеличивать концентрацию кислорода посредством подачи воздуха к поверхностям стенок топочной камеры. Например, в соответствии с одним подобным способом горелки располагают в четырех углах топочной камеры, имеющей прямоугольное сечение, с целью образования вихревого потока, причем каждая из горелок создает смещенный к стенке топочной камеры поток воздуха, (например, см. патентный документ 1).
В соответствии со способом, предложенным для котла, работающего с распылением угля и содержащего горелки, расположенные в центрах стенок топочной камеры с целью создания циркуляционного вихревого пламени, выполняют сопла, обеспечивающие воздушную завесу или завесу из выхлопного газа для отклонения факелов пламени с целью предотвращения тем самым шлакообразования вокруг горелок (например, см. патентный документ 2).
Патентный документ 1. Публикация патента США №6237513.
Патентный документ 2. Нерассмотренная заявка на патент Японии, публикация № НЕI-7-119923.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако обычный способ, предлагаемый в вышеуказанном патентном документе 1, не может эффективно повышать концентрацию кислорода, так как содержащийся в воздухе кислород расходуется, прежде чем он достигнет намеченной поверхности стенки. Кроме того, для увеличения концентрации кислорода необходимо увеличить скорость потока, при которой вводится воздух. Это обстоятельство является нежелательным, так как увеличение расхода воздуха приводит к увеличенной добавочной мощности, включая мощность компрессора.
В обычном способе, предлагаемом в патентном документе 2, воздушную завесу или завесу из выхлопного газа необходимо обеспечивать при скорости потока, достаточно высокой, чтобы обеспечить отклонение факелов пламени, что также является нежелательным, так как приводит к увеличенной добавочной мощности, включая мощность компрессора.
При таких условиях для эффективного уменьшения или препятствования образованию коррозии и шлакообразованию на стенках в топочной камере требуется конструкция котла с циркуляционной схемой сгорания, которая охлаждает периферические части вставных блоков удаляющих шлак сопел, которые подвергаются воздействию жестких тепловых режимов.
При этой конструкции котла, в которой подающие воздух компоненты расположены около подвергающихся воздействию пламени участков поверхностей стенок топочной камеры, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, создаваемые соответствующими горелками, для образования областей с более высокой концентрацией воздуха, чем на периферии этих областей, данные области с более высокой концентрацией воздуха могут быть выполнены посредством подачи воздуха с низкой скоростью потока, для которой требуется небольшая добавочная мощность, к участкам, проблематичным с точки зрения образования коррозии или шлакообразования на поверхностях стенок топочной камеры. В вышеуказанном изобретении области с более высокой концентрацией воздуха предпочтительно выполнены так, чтобы покрывать зоны горения в восстановительной атмосфере внутри топочной камеры в вертикальном направлении. Такое решение позволяет создавать области с более высокой концентрацией воздуха посредством подачи воздуха с низкой скоростью потока в верхнюю и нижнюю области, проблематичные с точки зрения образования коррозии или шлакообразования на поверхностях стенок топочной камеры.
В вышеуказанном изобретении подающие воздух компоненты предпочтительно вводят вторичный воздух низкого давления из смежных горелок через перепускные каналы. Такое решение позволяет избежать значительного изменения конструкции или увеличения количества компонентов с упрощением тем самым конструкции. В соответствии с вышеуказанным изобретением в конструкции котла с циркуляционной схемой сгорания, выполненной так, чтобы топливо и воздух для горения сгорали с образованием вихревого потока, подающие воздух компоненты подают воздух с низкой скоростью потока к окрестностям подвергающихся воздействию пламени участков стенок топочной камеры, которая способна работать на угле и других типах топлива, содержащих серу, и которая выполнена так, что подаваемые топливо и воздух для горения в топочную камеру из горелок, расположенных у множества положений на стенках топочной камеры, образующих прямоугольное сечение, сгорают с образованием вихревого потока.
В свете вышеизложенного целью данного изобретения является создание конструкции котла, способной эффективно уменьшать или препятствовать образованию коррозии и шлакообразованию на стенках топочной камеры.
Для решения вышеуказанных проблем данным изобретением предлагаются следующие способы.
Конструкция котла в соответствии с данным изобретением представляет собой конструкцию котла с циркуляционной схемой горения, выполненную так, что топливо и воздух для горения, подаваемые в топочную камеру из горелок, расположенных у множества положений на стенках топочной камеры, образующих прямоугольное сечение, сгорают с образованием вихревого потока. Подающие воздух компоненты расположены около подвергающихся воздействию пламени участков поверхностей стенок топочной камеры, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, создаваемые соответствующими горелками, для создания областей с более высокой концентрацией воздуха, чем на периферии этих областей, причем, по меньшей мере, один из указанных подающих воздух компонентов содержит воздуховод, образованный кольцевым пространством между удаляющим шлак соплом и отверстием, проходящим через стенку топочной камеры. Указанные подающие воздух компоненты затем могут образовывать области с более высокой концентрацией воздуха на поверхностях стенок топочной камеры в областях, в которых имеется тенденция к шлакообразованию, а также могут быть проблематичными с точки зрения образования коррозии или шлакообразования, для создания областей с более высокой концентрацией воздуха чем на периферии этих областей. Эта конструкция котла может, таким образом, поддерживать высокую концентрацию кислорода на подвергающихся действию пламени участках без обеспечения высокой добавочной мощности, необходимой для увеличения скорости потока подаваемого воздуха.
Соответственно, на подвергающихся действию пламени участках в топочной камере образуется воздушный слой с высокой концентрацией кислорода, при этом восстановительная атмосфера замещается окислительной атмосферой. В результате такого решения возможно эффективное уменьшение предотвращения образования коррозии и шлакообразования. Данное изобретение является особенно эффективным в уменьшении шлакообразования в котлах, работающих на угле, и особенно эффективным в повышении сопротивления образованию сероводородной коррозии в котлах, способных работать на различных типах топлива, содержащих серу.
Кроме того, если воздух, используемый подающими воздух компонентами, является вторичным воздухом низкого давления, вводимым из смежных горелок через перепускные каналы, то значительное изменение конструкции котла или увеличение количества компонентов может быть сведено к минимуму с упрощением тем самым конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1А представляет собой вид в горизонтальном разрезе варианта выполнения конструкции котла в соответствии с данным изобретением, иллюстрирующий зону горения в восстановительной атмосфере;
фиг.1В представляет собой вид в аксонометрии варианта выполнения конструкции котла в соответствии с данным изобретением, показывающий его схематический контур;
фиг.2А представляет собой вид в разрезе топочной камеры, показывающий иллюстративную конструкцию подающего воздух компонента, расположенного на вставном блоке удаляющих шлак сопел;
фиг.2В представляет собой схему, если смотреть со стороны стрелки А, показанной на фиг.2А, иллюстрирующую пример конструкции подающего воздуха компонента, расположенного на вставном блоке удаляющих шлак сопел;
фиг.3А представляет собой вид в горизонтальном разрезе первого варианта конструкции котла в соответствии с данным изобретением, иллюстрирующий зону горения в восстановительной атмосфере топочной камеры;
фиг.3В представляет собой вид в аксонометрии первого варианта конструкции котла в соответствии с данным изобретением, показывающий его схематический контур;
фиг.4А представляет собой вид в горизонтальном разрезе второго варианта конструкции котла в соответствии с данным изобретением, иллюстрирующий зону горения в восстановительной атмосфере топочной камеры;
фиг.4В представляет собой вид в аксонометрии второго варианта конструкции котла в соответствии с данным изобретением, показывающий его схематический контур;
фиг.5 представляет собой схематический вид в продольном разрезе конструкции котла, которая сжигает топливо вместе с воздухом для горения с многоэтапной подачей.
Номера позиций
10: котел
11: топочная камера
11а: стенка топочной камеры
12: горелка
20: подающий воздух компонент (сопло подачи воздуха)
30: вставной блок удаляющего шлак сопла
НАИБОЛЕЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приведено описание варианта выполнения конструкции котла в соответствии с данным изобретением со ссылкой на чертежи.
В соответствии с фиг.5 котел 10 сжигает топливо посредством многоэтапной подачи воздуха для горения в топочную камеру 11 с целью снижения выделения NOx. В этом случае при многоэтапной подаче воздух для горения подается в топочную камеру 11 в два этапа, то есть из участков Ва, которые являются областями, в которых расположено множество горелок 12, и дополнительных участков Аа, которые являются областями, в которых выше участков Ва горелок расположены сопла 13 дополнительной подачи воздуха. Более точно, в котле 10 в качестве меры противодействия выделению NOx выполняют двухэтапное сжигание в зоне сгорания в восстановительной атмосфере и в зоне полного сгорания посредством первоначальной подачи объема воздуха, составляющего около 70% от требуемого объема воздуха для горения, из участков Ва до подачи остальной части воздуха, составляющей около 30%, из участков Аа подачи дополнительного воздуха.
Например, в соответствии с фиг.1А вышеуказанный котел 10 является котлом с вихревой топочной камерой, в котором топочная камера 11 имеет прямоугольное сечение. Котел 10 с вихревой топочной камерой конструктивно решен так, что топливо и воздух для сгорания, подаваемые из множества горелок 12, расположенных на стенках 11а топочной камеры 11 сгорают с образованием вихревого пламени в топочной камере 11.
В иллюстративной конструкции восьмиугольной топочной камеры, показанной на фиг.1А, горелки 12, которые расположены у восьми местоположений в горизонтальном сечении, подают топливо и воздух для сгорания с образованием двух смежных вихревых потоков в топочной камере 11.
В этом варианте выполнения котел 10 содержит подающие воздух компоненты 20, расположенные около подвергающихся воздействию пламени участков поверхности стенок топочной камеры (стенки 11а топочной камеры, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, создаваемые соответствующими горелками, с образованием областей с более высокой концентрации воздуха, чем на периферии этих областей. Более конкретно, в горизонтальном сечении восьмиугольной топочной камеры, показанной на фиг.1А, выполнен один подающий воздух компонент у соответствующего положения на каждой из стенок 11а топочной камеры, которые образуют, например, форму прямоугольника, то есть всего выполнено четыре подающих воздух компонента 20.
Формирование областей с более высокой концентрацией воздуха предполагает формирование областей с более высокой концентрацией кислорода. Таким образом, в этих областях восстановительная атмосфера замещается окислительной атмосферой.
То есть подающие воздух компоненты 20, выполненные на стенках 11а топочной камеры 11, подают воздух при низкой скорости от местоположений, проблематичных с точки зрения образования коррозии или шлакообразования, образуя тем самым области с более высокой концентрацией воздуха, чем на периферии этих областей, по существу, вдоль поверхностей стенок. Другими словами, области с более высокой концентрацией воздуха по сравнению с периферическими участками образуются не за счет подачи воздуха к стенкам 11а топочной камеры в участки, проблематичные с точки зрения образования коррозии или шлакообразования при сравнительно высокой скорости потока (например, 40 м/с или более того), а за счет подачи воздуха из компонентов 20, выполненных на стенках 11а в участках, проблематичных с точки зрения образования коррозии или шлакообразования, при низкой скорости потока (например, около 10 м/с).
Например, подающие воздух компоненты 20 являются соплами, предназначенными для создания областей с более высокой концентрацией воздуха посредством подачи вторичного воздуха низкого давления, который вводится из смежных горелок 12 через перепускные каналы в топочную камеру 11 с низкой скоростью потока. В виде топочной камеры 11 сверху воздух, подаваемый из компонентов 20, образует области с более высокой концентрацией воздуха вдоль стенок 11а около участков, подвергающихся воздействию пламени. Кроме того, подающие воздух компоненты расположены в вертикальном направлении топочной камеры на нескольких ступенях, чтобы покрыть зону горения в восстановительной атмосфере внутри топочной камеры по вертикали.
В зоне горения в восстановительной атмосфере помимо того, что поверхности 11а стенок подвергаются воздействию жесткой агрессивной среды, также существует проблема шлакообразования, поскольку эта зона является областью образования в больших объемах сероводорода, являющегося коррозионно-активным агентом, а также областью активной газовой среды, в которой тепловая нагрузка в топочной камере 11 является более высокой. Таким образом, в зоне горения в восстановительной атмосфере подающие воздух компоненты 20 выполнены в периферических участках на стенках 11а топочной камеры, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, по существу, на уровне расположения горелок 12. Это обусловлено тем, что участки стенок 11а, которые подвергаются воздействию пламени, выполнены по существу на тех же высотах, что и горелки 12, поскольку пламя образуется с прохождением от горелок 12, по существу, в горизонтальном направлении.
Кроме того, подвергающиеся воздействию факелов пламени участки стенок 11а топочной камеры образуются у множества положений в вертикальном направлении, так как горелки 12 в зоне горения в восстановительной атмосфере обычно расположены многоступенчатым способом по вертикали. Соответственно, и подающие воздух компоненты 20 расположены в вертикальном направлении в количестве ступеней, равном количеству ступеней горелок 12, другими словами, равном количеству ступеней факелов пламени, сформированных по вертикали. Такое решение позволяет обеспечивать образование областей с более высокой концентрацией воздуха посредством подачи воздуха с низкой скоростью потока в верхнем и нижнем участках, проблематичных с точки зрения образования коррозии или шлакообразования в топочной камере 11.
В результате такого решения в зоне горения в восстановительной атмосфере воздух, подаваемый при низкой скорости потока из компонентов 20, выполненных около участков стенок 11а топочной камеры, подвергающихся воздействию пламени, которые создают горелки 12, образует области с более высокой концентрацией воздуха, чем на периферических участках так, что данный воздух образует воздушный слой по периферии подвергающихся воздействию пламени участков, изолируя стенки 11а от факелов пламени. Образование воздушного слоя уменьшает тепловое воздействие и т.д. пламени, а также частично окисляет атмосферу, уменьшая или препятствуя тем самым образованию коррозии и шлакообразованию на стенках 11а топочной камеры в областях, в которых в противном случае могли быть образованы участки, подвергающиеся воздействию пламени.
Кроме того, можно использовать воздух с низкой скоростью потока, для которого требуется малая добавочная мощность, так как компоненты 20 подают воздух из окрестностей подвергающихся воздействию пламени участков к периферическим участкам. То есть в этом случае не требуется обеспечивать подачу воздуха с высокой скоростью потока под высоким давлением, например, с использованием компрессора, который работает с потреблением большой мощности, в отличие от случая, когда подача воздуха выполняется к удаленному положению. В частности, использование вторичного воздуха низкого давления, вводимого из горелок 12, уменьшает добавочную мощность, а также позволяет избежать значительного изменения конструкции или увеличения числа компонентов с упрощением тем самым конструкции.
Например, в соответствии с фиг.1В подающие воздух компоненты 20 выполнены вокруг удаляющих шлак сопел 31 во вставных блоках 30, расположенных между участками Ва горелок и участками Аа подачи дополнительного воздуха. Вставные блоки 30 с удаляющими шлак соплами являются устройствами, удаляющими шлакообразование на стенках 11а топочной камеры. Например, в соответствии с фиг.2А вставные блоки 30 с удаляющими шлак соплами очищают стенки 11а с помощью пара, выпускаемого из сопел 31, которые вставлены в топочную камеру 11.
То есть создание областей с более высокой концентрацией воздуха посредством подачи воздуха является эффективным способом, так как вставные блоки 30 с удаляющими шлак соплами выполнены на местах, проблематичных с точки зрения шлакообразования, обусловленного высокой тепловой нагрузкой, создаваемой активной газовой средой в топочной камере 11.
Далее приведено описание иллюстративной конструкции подающих воздух компонентов 20, выполненных вокруг вставных блоков 30 с удаляющими шлак соплами, со ссылкой на фиг.2А и 2В.
В соответствии с фиг.2А удаляющее шлак сопло 31 прикреплено к вставному блоку 30 посредством введения сопла 31 в отверстие 32, проходящее через стенку 11а топочной камеры. Удаляющее шлак сопло 31 вводит подводимый к нему пар для удаления шлака через паропровод 33. Позицией 34 на данном чертеже обозначен уплотнительный элемент, расположенный между корпусом 21 подающего воздух сопла 20 (подающего воздух компонента), рассмотренного в дальнейшем, и удаляющим шлак соплом 31.
С другой стороны, подающее воздух сопло 20 содержит воздуховод 22, образованный кольцевым пространством между соплом 31 и отверстием 32, при этом корпус 21 сопла у одного конца его цилиндрической формы имеет кольцевой выступ 21а и прикреплен к топочной камере 11. Например, корпус 21 прикреплен к периферической поверхности сопла 31 уплотнительным элементом 34, расположенным между ними, при этом выступ 21а в топочной камере 11 обращен к стенке 11а так, чтобы располагаться, по существу, параллельно ей на заданном расстоянии. Соответственно, воздух, подаваемый из корпуса 21 в топочную камеру 11, сталкивается с выступом 21а, проходя наружу вдоль стенки 11а по всей периферии.
Подающее воздух сопло 20 содержит дутьевую камеру 23, выполненную снаружи топочной камеры 11. Дутьевая камера 23 сообщается с корпусом 21 сопла в топочной камере 11 посредством воздуховода 22 для подачи воздуха из источника 24 воздуха. В этом случае используемый источник 24 воздуха предпочтительно, например, является вторичным воздухом низкого давления, вводимым из горелок 12, хотя при необходимости можно использовать первичный воздух или сжатый воздух.
Подающее воздух сопло 20 может создавать область с более высокой концентрацией воздуха вдоль стенки 11а топочной камеры 11 в участке возможного шлакообразования, а также может охлаждать периферию вставного блока 30 с удаляющими шлак соплами, который подвергается воздействию жесткого теплового режима. Соответственно, вокруг стенки 11а в участке возможного шлакообразования формируется воздушный слой с более высокой концентрацией воздуха, чем на периферических участках, при этом частичная окислительная атмосфера может предотвратить или уменьшить образование коррозии на поверхности стенки с продлением тем самым срока службы стенки топочной камеры.
Кроме того, воздух, подводимый в корпус 21 подающего воздух компонента 20, проходит около периферической поверхности удаляющего шлак сопла 31. Таким образом, данный поток воздуха может охлаждать, например, уплотнительный элемент 34, который подвергается воздействию жесткого теплового режима.
Дополнительно повышение концентрации воздуха в окрестности стенки 11а, на которой выполнено подающее воздух сопло 20, обусловливает повышение концентрации кислорода с образованием тем самым окислительной атмосферы. Окислительная атмосфера может уменьшить шлакообразование, поскольку повышается температура плавления шлака.
В данной конструкции котла с целью создания областей с более высокой концентрацией воздуха по сравнению с периферическими участками подающие воздух компоненты 20 расположены около подвергающихся воздействию пламени участков стенок 11а, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, создаваемые соответствующими горелками 12. Поскольку вокруг подвергающихся воздействию пламени участков повышается концентрация кислорода, то восстановительная атмосфера частично замещается окислительной атмосферой. В результате указанного замещения может быть уменьшено образование коррозии или шлакообразование с увеличением срока службы поверхностей стенок. Данная конструкция котла особенно эффективно уменьшает шлакообразование в котлах, работающих на угле, и особенно эффективно повышает сопротивление коррозии в котлах, работающих на различных типах топлива, содержащих серу.
Оптимальные положения подающих воздух компонентов 20 в горизонтальном сечении изменяются в зависимости от условий, включая форму топочной камеры 11, расположение и количество горелок 12 и тип создаваемого вихревого пламени. То есть области подвергающиеся воздействию пламени участков стенок 11а, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, создаваемые соответствующими горелками 12, изменяются в зависимости, например, от расположения горелок 12 и типа создаваемого вихревого пламени. Соответственно, взаимное расположение горелок 12 и подающих воздух компонентов 20 будет отличаться в различных конструкциях котлах, например в восьмиугольной топочной камере, показанной на фиг.1А и 1В и четырехугольной топочной камере, показанной на фиг.3А и 3В, а также фиг.4А и 4В.
В иллюстративной конструкции, показанной на фиг.1А и 1В, топочная камера 11 является прямоугольной, при этом четыре горелки 12 расположены на каждой из двух противоположных длинных сторон, обеспечивающих создание двух вихревых потоков слева и справа. В этом случае горелки 12 по существу наклонены к центрам соответствующих вихревых потоков, то есть по существу к центрам квадратов, образованных делением прямоугольника пополам, при этом каждый из указанных двух вихревых потоков имеет, по существу, овальную форму.
Таким образом, в этом случае подвергающиеся воздействию пламени участки, к которым приближаются или входят с ними в контакт факелы пламени, образуются около двух углов и центров длинных сторон, а подающие воздух компоненты 20 расположены у четырех местоположений так, чтобы покрывать эти участки.
В иллюстративной конструкции (первый вариант), показанной на фиг.3А и 3В, топочная камера 11 является квадратной, при этом четыре горелки 12 расположены в четырех положениях, смещенных от центра соответствующих сторон, для создания единого вихревого потока. В этом случае вихревой поток формируется посредством смещения горелок 12, так как горелки 12 направлены к противоположным поверхностям стенок. В этой схеме расположения горелок 12 пламя проходит к окрестностям центров поверхностей стенок на нижней по потоку стороне вихревого потока под воздействием пламени, формируемого на верхней по потоку стороне.
Таким образом, в этом случае подвергающиеся воздействию пламени участки образуются около центров соответствующих сторон, и, соответственно, подающие воздух компоненты 20 выполнены у четырех местоположений в центрах соответствующих сторон так, чтобы покрыть эти участки.
В иллюстративной конструкции (второй вариант), показанной на фиг.4А и 4В, топочная камера 11 является квадратной, а горелки 12 расположены у четырех углов для создания единого вихревого потока. В этом случае подвергающиеся воздействию пламени участки образуются около центров соответствующих сторон, и, соответственно, подающие воздух компоненты 20 выполнены у четырех местоположений в центрах соответствующих сторон так, чтобы покрыть эти участки.
Таким образом, оптимальные положения подающих воздух компонентов 20 могут быть выбраны, исходя, например, из схемы расположения горелок 12.
Данное изобретение не ограничивается вышерассмотренными вариантами выполнения и может быть видоизменено в той степени, в которой данное видоизменение не отклоняется от сущности данного изобретения.