ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
BURNER DEVICE FOR COMBUSTION OF LIQUID FUEL

Изобретение относится к созданию энергетических котлов для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива и может быть использовано в котельных коммунально-бытового хозяйства и промышленных предприятий для обогрева зданий, горячего водоснабжения и получения технологического тепла.
Известен способ сжигания водоугольного топлива [патент РФ №96108371 от 1998.07.10, МПК 6 F23C 6/04].
Способ включает подачу подогретого и распыленного топлива и подачу возврата уноса в топку котла, причем подогрев жидкого топлива производят в процессе его закрутки в цилиндрический слой тангенциальными потоками горячего газообразного агента и последующим пропусканием последних через слой вращающегося топлива от периферии к оси его вращения, а распыл и вдув смеси топлива и горячего агента в топку котла осуществляют за счет подачи высокоскоростного потока воздуха через внутреннюю полость цилиндрического слоя смеси топлива и горячего агента.
В этом способе подогрев топлива и воздуха осуществляется не только за счет тепла сгорающего топлива и переизлучения тепла от стенок топки, но и путем возврата тепла уходящих газов.
Недостатком данного устройства является малая площадь излучающей поверхности топки. В силу этого для обеспечения устойчивого горения топлива приходится возвращать в топку горячий агент уноса, с целью подогрева вводимого воздуха и топлива. Естественно, агенты уноса играют роль балласта и снижают эффективность работы котла.
Известно устройство для сжигания различных видов топлива - вихревая топка [патент РФ №2185571 от 2001.04.27, МПК 7 F23C 5/28]. Повышение экономичности работы топки за счет снижения мехнедожога достигается тем, что в вихревой топке, содержащей холодную воронку, расположенную над ней призматическую вертикальную камеру сгорания, на двух противоположных стенках которой установлены горелки, наклоненные вниз, и воздушные сопла, а также нижерасположенные комбинированные сопла ввода в топку по меньшей мере одного из компонентов: сушильного агента пылесистем, воздуха, угольной пыли, высокореакционного топлива и газов рециркуляции, причем комбинированные сопла, установленные на стенке под воздушными соплами, направлены наклонно вверх, а выходные сечения горелок, воздушных и комбинированных сопл выполнены в виде вертикальных щелей, вертикальные оси которых размещены в общих плоскостях, согласно изобретению воздушные сопла установлены не ниже уровня размещения горелок, выполнены из двух отсеков, расположенных непосредственно друг над другом и направленных в разные стороны относительно указанных вертикальных плоскостей.
Рациональное перераспределение воздуха в объеме топки за счет расположения, формы и ориентации горелок и воздуховодов с регулирующими клапанами позволяет изменять степень заполнения холодной воронки факелом и управлять тепловосприятием поверхностей нагрева камеры сгорания и, тем самым, снижать степень недожога топлива.
В данном устройстве недостаточно развита отражающая тепло поверхность камеры горения топлива.
Наиболее близким по технической сущности решением является прямоточный котел с циклонной топкой [а.с. СССР №111463 от 1956.09.22. Класс 13а, 18; 13а, 27/12], включающий внешний корпус и внутренний цилиндр меньшего радиуса, топочное устройство которого расположено в кольцевом пространстве между корпусом и внутренним цилиндром. При этом кипятильные трубы котла размещены на стенках корпуса котла и внутреннего цилиндра. Компактное расположение поверхностей нагрева уменьшает габариты котла, а размещение топки внутри котла уменьшает тепловые потери в окружающее пространство.
Недостаток устройства заключается в том, что внутри топочного пространства имеет место интенсивный отбор тепла и отражательная эффективность стенок топочного устройства мала. В топках сравнительно небольших размеров не удается организовать надежное поддержание необходимых условий для горения топлива.
Известным решением такой проблемы является выделение топки котла в автономный отдельный узел без теплообменных поверхностей, в котором происходит подогрев, сушка и сжигание топлива, и после которого горячие газы поступают в теплообменную часть котла. В таких топках необходимая температура для воспламенения топлива поддерживается не только за счет горения топлива, но и за счет излучения тепла от стенок топки. Однако и в этих условиях (см. аналоги) при режимах работы топки на пониженных расходах топлива нередко излучающая поверхность топки оказывается недостаточной для устойчивой работы топки.
В основу изобретения положена задача создания топки, конструкция которой позволяет увеличить площадь излучающей поверхности топки и тем самым повысить устойчивость горения топлива и увеличить эффективность сжигания топлива.
Поставленную задачу решают путем создания топочного устройства, включающего внешний корпус с установленными на нем форсунками для подачи топлива и соплами вторичного дутья воздуха, соосно установленную внутреннюю цилиндрическую вставку и образованную ими вертикальную кольцевую камеру горения.
Внутреннюю вставку выполняют в форме полой трубы, подвешенной к потолку кольцевой камеры горения, при этом нижний конец трубы открыт внутри камеры топки, а верхний - также открытый - выведен в теплообменную часть котла. Диаметр вставки составляет 40÷60% диаметра корпуса котла. Кроме того, из конструктивных и прочностных соображений внутреннюю вставку нижним концом можно устанавливать на подставке внутри топки, при этом в стенках вставки в ее нижней части проделаны окна.
С целью удержания крупных частиц топлива в камере горения до полного выгорания, в нижней части корпуса топки на его стенке устанавливают кольцевой выступ, частично перекрывающий кольцевую камеру.
Форсунки для подачи жидкого топлива в количестве двух или более штук устанавливают в средней части кольцевой камеры равномерно по сечению котла, а оси форсунок направляют под положительным углом к горизонтальной плоскости. В этом случае струи водоугольного топлива попадают в наиболее разогретую зону горения. Кроме того, частицы топлива в вихревом потоке сначала поднимаются в верхнюю часть топки, а затем опускаются вниз, благодаря чему время их пребывания в зоне горения увеличивается. Форсунки для подачи жидкого топлива устанавливают в средней части кольцевой камеры, оси форсунок в горизонтальной плоскости составляют угол от 30 до 60 градусов со стенкой топки. Воздушно-топливные струи при этом интенсивно перемешиваются с воздухом вторичного дутья и, кроме того, создают дополнительный импульс в вихревом течении смеси топлива и воздуха.
На фиг.1 показано схематическое изображение топки с внутренней вставкой, подвешенной к потолку топки. На фиг.2 показано схематическое изображение топки, установленной на подставке внутри топки.
Призматический или цилиндрический корпус топки 1 и внутренняя цилиндрическая вставка 2 образуют кольцевую камеру горения 3. В стенке топки 1 устанавливают две или более форсунок для подачи жидкого топлива 4 и сопла вторичного дутья 5. Сопла вторичного дутья, выполняют в виде вертикальных щелей и располагают в горизонтальных плоскостях форсунок примерно через 90 градусов от форсунок вдоль дуги в пересечении корпуса топки горизонтальной плоскостью, а углы между осями сопел и стенками топки в месте их расположения составляют от 30 до 60 градусов. В своей нижней части корпус 1 содержит кольцевой выступ 6, а еще ниже переходит в конус 7. Внутреннюю вставку закрепляют в потолочной части камеры сгорания, фиг.1, или в нижней части вставку устанавливают, например, на крестообразной арочной конструкции 8, фиг.2.
Топка работает следующим образом. Жидкое топливо, например, дизельное топливо или водоугольное топливо (ВУТ), подают в камеру 3 через форсунки 4. Воздушно-капельная струя за счет собственного импульса, а также струями вторичного дутья воздуха в кольцевом канале, закручивается в вихревой поток. Поскольку оси топливных форсунок направлены вверх, капельки топлива (частицы угля) поднимаются сначала вверх, а затем под действием сил тяжести и вихревого опускного потока воздуха, опускаются по кольцевой камере сверху вниз. За счет тепла, получаемого от сгорания угля, а также тепла, переизлучаемого стенками корпуса топки 1 и внутренней вставки 2, происходит нагрев и воспламенение, а затем интенсивное горение капель в случае дизельного топлива или нагрев, сушка, воспламенение и интенсивное горение частиц угля в случае ВУТ. При этом стенки трубы - вставки, обдуваемые и снаружи, и изнутри горячими газами, имеют высокую температуру и, следовательно, высокую теплоизлучающую способность. Мелкие частицы угля успевают прогореть в пределах топки. Образующаяся зола или выпадает в накопитель через конус 7, или уносится вместе с горячими газами через внутреннюю цилиндрическую вставку 2. Крупные частицы центробежными силами выносятся на стенку корпуса 1 и сползают вниз. Кольцевая перегородка 6 удерживает частицы у стенки до тех пор, пока уголь не выгорит, а затем более легкие частицы золы радиальным потоком уходящих газов уносятся из топки котла и попадают в накопитель золы, или улетают вместе с газами.
Пример реализации.
На ООО «Завод стеновых блоков», г.Новосибирск, в 2007 году была спроектирована, изготовлена и запущена тепловая станция, включающая топку и экономайзер, частично использующая признаки предлагаемого решения. Станция ориентирована на обогрев цеховых помещений площадью порядка 10000 кв.м и производство технологического пара. Топка рассчитана на использование водоугольного топлива. Диаметр топки - 2 м, диаметр вставки - 800 мм, высота топки - 2 м. Топливо подается в топку с помощью пневматических форсунок. Вывод горячих газов из топки и перевод их в экономайзер производится через окно, расположенное внизу наружного корпуса топки. Расход топлива составляет до 200 г/с. Начиная с зимы 2007 года и по настоящее время тепловая станция успешно выполняет свои функции. При работе станции температуру в топке удается уверенно держать на уровне 850÷950 градусов. При этом не возникает проблем со шлакованием и удалением золы.