КОТЁЛ ПАРОВОЙ С ВИХРЕВОЙ ТОПКОЙ
STEAM BOILER WITH SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, к устройствам для выработки насыщенного, перегретого пара или горячей воды за счет сжигания измельченных растительных отходов, лузги подсолнечника, шелухи пшеницы, гречихи, овса и других сельскохозяйственных культур, включая резаную солому.
Известна вихревая топка, при помощи которой осуществляется сжигание растительных отходов. См. патент РФ №2228489 «Вихревая топка». Известная вихревая топка содержит, по меньшей мере, одну вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое снабжено направленным в сторону вихревой топки сгорания аэродинамическим выступом с размером 100…200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2…6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1…5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30…45 градусов и ориентированы под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25…2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8…0,5, а также газовую горелку.
По мнению авторов известного устройства (патент РФ №2228489 «Вихревая топка»), упрощается конструкция котла, повышается эффективность сжигания топлива, появляется возможность глубокого регулирования мощности топки.
К недостаткам известной вихревой топки можно отнести ее недостаточную эффективность, в связи с необходимостью тщательной подготовки топлива до заданного фракционного состава. При попадании большого количества топлива другого размера нарушается аэродинамика, прекращается процесс горения. При сжигании нефракционного топлива происходит постоянный вынос большей части недогоревших частиц из камеры сгорания в камеру дожигания и их последующее осаждение и спекание золы в экономайзере, что снижает теплопередачу и эффективность.
Известна более совершенная технология сжигания топлива (см. патент РФ №2230980 «Способ подачи вторичного дутья и топочное устройство (варианты)» - прототип), осуществляемая при помощи топочного устройства вихревого типа. Топочное устройство содержит питатель топлива, систему первичного дутья, газоперепускное окно с соплами вторичного дутья, которые направлены в топку навстречу выходящему потоку и ориентированы тангенциально к контуру газоперепускного окна. При этом газоперепускное окно имеет форму усеченного конуса с полууглом раскрытия 0…35 градусов и отношением длины к диаметру выходного сечения, равным 0,2…2,0, причем сопла вторичного дутья расположены в выходном сечении газоперепускного окна. Сопла вторичного дутья установлены тангенциально в выходном сечении газоперепускного окна на воздуховоде, расположенном по оси газоперепускного окна. Сопло вторичного дутья выполнено кольцевым с расположенными в кольцевом зазоре закручивающими лопатками и/или с закручивающей улиткой для подводя дутья. Выходящий поток отдельными струями вторичного дутья продувается в топку.
К недостаткам известного топочного устройства можно отнести низкую эффективность сжигания топлива и накопление несгоревшего до конца топлива в золоуловителях установки с возможным последующим возгоранием, приводящим к возникновению пожара или взрывам. Вдувание вторичного дутья отдельными струями или вдувание вторичного дутья через кольцевой зазор (кольцевой экран) в полость газоперепускного окна, создающий веерообразный экран перед выходом газов из газоперепускного окна, приводит к хорошему хаотичному перемешиванию потока как в полости камеры сгорания топлива, так и непосредственно в полости газоперепускного окна, но не предотвращает вынос недогоревших частиц топлива из топки.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности создание условий для более полного и стабильного сгорания частиц топлива, возможность регулирования нагрузки, обеспечение более полной передачи тепла нагретых газов теплоносителю и, как следствие, повышение эффективности.
Поставленная задача достигается тем, что котел снабжен кольцевым завихрителем, выполненным в виде кольцевого канала вторичного дутья, создающего ограничительный воздушный экран, образованный обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону вихревой топки, и связанного при помощи распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья, разделительный топочный экран выполнен в виде плоского экрана из ряда труб с теплоносителем, соединенных друг с другом металлическими проставками.
Трубы разделительного топочного экрана соединены с кольцевыми коллекторами, смонтированными по периметру корпуса газоперепускного окна.
Обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал, смонтированы по отношению друг к другу концентрично.
Обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал, создающие ограничительный воздушный экран, смонтированы по отношению друг к другу со смещением и образованием между ними зазоров, различных по величине на 15…30%.
Тангенциальное соединение патрубка вторичного дутья с распределительным каналом по отношению к цилиндрическому корпусу газоперепускного окна и обечайки выполнено с возможностью закручивания потока вторичного дутья как по часовой стрелке, так против часовой стрелки.
Ширина распределительного канала выполнена равной 0,3…0,8 ширины газовыпускного окна.
Площадь выходного сечения кольцевого воздушного канала-сопла по отношению к площади сечения кольцевого завихрителя выполнена в соотношении, равном 0,01…0,3 к 1,0.
В корпусе газоперепускного окна выполнены направляющие, смонтированные под углом в 5°…45° к его внутренней поверхности.
Новизной предложенного изобретения является наличие кольцевого завихрителя потока вторичного дутья, создающего ограничительный воздушный экран при помощи кольцевого канала, образованного корпусом окна и обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону вихревой топки, связанного при помощи дополнительного распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья, а разделительные топочные экраны выполнены в виде ряда труб с теплоносителем, соединенных друг с другом металлическими проставками.
Так, наличие кольцевого завихрителя позволяет предотвратить прохождение недогоревших крупных частиц топлива через газоперепускное окно из вихревой топки в камеру дожигания топлива, поскольку выходящий из завихрителя с заданной скоростью кольцевой воздушный поток ограничивает попадание недогоревших частиц топлива в газоперепускное окно, обеспечивая тем самым более полное сгорание топлива в камерах сгорания, а наличие разделительного топочного экрана, выполненного в виде ряда труб с теплоносителем, соединенных друг с другом металлическими проставками, в сочетании с кольцевыми коллекторами позволяет дополнительно передавать тепло от нагретых газов теплоносителю, протекающему по трубам разделительных топочных экранов, в том числе и со стороны камеры дожигания.
Дополнительные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение, такие как монтаж по периметру корпуса газоперепускного окна кольцевых коллекторов, соединенных с трубами разделительного топочного экрана, концентричный монтаж обечайки по отношению к цилиндрическому корпусу газоперепускного окна с образованием между ними кольцевого воздушного канала с равными по периметру зазорами или их монтаж по отношению друг к другу со смещением, с образованием различных по величине зазоров, на 15…30%, тангенциальное соединение патрубка вторичного дутья к образованному обечайкой и корпусом окна кольцевому каналу с возможностью закручивания потока вторичного дутья как по часовой стрелке, так против часовой стрелки, являются признаками, дополняющими конструктивное исполнение основных признаков, направлены на достижение поставленной изобретением задачи.
Наличие коллекторов по периметру газоперепускного окна позволяет получить двойной положительный результат - предотвратить перегрев и коробление элементов газоперепускного окна и дополнительный подогрев теплоносителя, протекающего через трубы разделительных топочных экранов и коллектора.
Признаки связанные с геометрическими размерами по ширине дополнительного распределительного канала, выполненной равной 0,3…0,8 ширины газовыпускного окна, по площади выходного сечения дополнительного кольцевого воздушного канала по отношению к площади поперечного сечения кольцевого завихрителя, выполненной в соотношении, равном 0,01…0,3, и выполнение корпуса газоперепускного окна смонтированных под углом в 5°…45° градусов направляющих позволяют получить заданные параметры сгорания топлива и последующего получения тепла.
Ограничительный воздушный экран в зависимости от вида топлива его фракционности, влажности, веса и др. под действием тангенциальной подачи в кольцевой воздушный канал может вращаться либо по ходу вращения вихря сгораемого топлива, либо в обратном направлении. Так, при крупных или тяжелых частицах сгораемого топлива, когда возможен их вылет сквозь ограничительный воздушный экран, его вращение выполняют по ходу вращения вихря горящего топлива. При мелких, легкосгораемых частицах топлива вращение воздушного ограничительного экрана может быть и противоположным вращению вихря сгораемого топлива.
На фиг.1 схематично изображен продольный разрез котла по вихревой топке с газовыпускным окном, установленным в разделительном экране, и конвективной части котла с верхним и нижним барабанами.
На фиг.2 схематично изображен разделительный экран из ряда труб, соединенных друг с другом металлическими проставками.
На фиг.3 схематично изображен поперечный разрез котла по вихревой топке с газовыпускным окном и камере дожигания.
На фиг.4 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке.
На фиг.5 показано газоперепускное окно, смонтированное в ограничительной топочной панели с кольцевыми коллекторами.
На фиг.6 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки.
На фиг.7 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки в разрезе при виде сбоку.
Предлагаемый котел состоит из вихревой топки 1 и камеры дожигания топлива 2, ограниченных боковыми топочными панелями 3 и 4 и разделительным топочным экраном 5, выполненными в виде набора труб 6, соединенных друг с другом при помощи металлических проставок 7. В разделительном экране выполнено газоперепускное окно 8, соединяющее вихревую топку 1 с камерой дожигания топлива 2. Вокруг газоперепускного окна 8 смонтированы кольцевые коллекторы 9 и 10, связанные с трубами 6. В конвективной части котла смонтированы верхний барабан 11 и нижний барабан 12, связанные с конвективным пучком труб 13. Топливо в камеры сгорания подается шлюзовым питателем 14 через узел ввода 15. В объеме вихревой топки 1 смонтированы дутьевые сопла 16, 17, 18, направляющие и закручивающие воздушно-топливный поток. Газоперепускное окно 8 снабжено кольцевым завихрителем, выполненным в виде обечайки 19, смонтированной по периметру корпуса 20 с зазором 21, который может быть как одинаковым по всему периметру корпуса окна, так и отличающимся на величину в 15…30%. К кольцевому зазору 21, образующему кольцевой воздушный канал при помощи воздуховода 22, патрубка 23 и распределителя 24, осуществляется подвод вторичного дутья. Барабаны 11 и 12 с топочными панелями 3 и 4 связаны системой питательных и пароотводящих трубопроводов 25.
Предлагаемый котел работает следующим образом.
Топливо из бункера при помощи шлюзового питателя 14 и воздушного потока эжекционно через узел ввода 15 подается в разожженную вихревую топку 1, где дополнительно подхватывается воздушным потоком, исходящим из сопел 16, 17, 18, и закручивается во вращающийся вихрь. Одновременно с подачей топливовоздушной смеси при помощи воздуховода 23, патрубка 24 и распределителя 25 через канал, образованный обечайкой 19 и корпусом 20, создается ограничительный воздушный экран, выходящий со скоростью 10... 30 м/сек, который отбрасывает не до конца сгоревшие частицы топлива обратно в вихрь камеры сгорания.
Наиболее крупные частицы топлива, поднявшись вверх, стремятся опуститься вниз. Однако более мощный по толщине стенки воздушный кольцевой поток, выходящий из кольцевого канала, ориентированный по месту вылета недогоревших частиц топлива, вновь вовлекает их во вращательное движение вихря. Под воздействием избыточного давления, создаваемого воздушными и воздушно-топливными потоками, наиболее легкая часть несгоревшего топлива поступает в камеру дожигания топлива 2, где и догорает. Находясь в камере дожигания 2, догорающие частицы топлива отдают тепло через трубы 6 и коллекторы 9 и 10 теплоносителю, увеличивая тем самым эффективность теплопередачи и эффективность работы котла. Нагретые до температуры 800°…950° газы через окно 26 поступают в конвективную зону котла, где и отдают тепло через стенки труб теплоносителю. Теплоноситель, протекая по трубам 6 и коллекторам 9 и 10, дополнительно охлаждает наружную поверхность газоперепускного окна. Внутреннюю поверхность газоперепускного окна охлаждает воздушный поток вторичного дутья.
Барабаны 11 и 12 связаны с топочными панелями 3 и 4 системой питательных и пароотводящих трубопроводов 25, образуя единый водяной контур естественной циркуляции воды. Камера дожигания топлива 2 сглаживает возникающие в топке пульсации температуры, позволяет плавно регулировать тепловую нагрузку котла, а пароперегреватель обеспечивает заданную температуру пара.
Несгоревшие зольные остатки и спеки песка и земли, случайно попавшие с топливом, удаляются из топок при шуровках во время плановых очисток котла.
Воздушный экран при осуществлении дутья постоянно ограничивает (отбрасывает) недогоревшие частицы топлива от газоотводящего окна, направляя вихревой поток горящего топлива по кольцевой траектории вращения, увеличивая тем самым время горения топлива и предотвращая его спекание и осаждение на стенках камеры сгорания. Поскольку обечайка 19 может быть смонтирована по отношению к корпусу окна 20 не концентрично с разными зазорами сверху и снизу, то по большему по величине зазору подается более мощный воздушный поток, который ориентированно устанавливается при изготовлении котла в месте преимущественного выхода недогоревших частиц из вихря.
В настоящее время на предлагаемый котел разработана конструкторская документация, изготовлено несколько опытных образцов, проведены испытания.
Предварительные результаты испытаний дали положительные результаты. Принято решения о производстве котлов, осуществляющих предлагаемый способ.