УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)
COAL-WATER FUEL COMBUSTION DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.
Известны способы и устройства сжигания жидкого топлива, включая водоугольное топливо, обеспечивающие его распыл и вдув в топку за счет атмосферного воздуха, либо горячего воздуха, либо воздуха и горячих дымовых газов, воспламенение и стабилизацию горения с использованием тангенциальной закрутки потоков [Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Изд-во Акад. Горных наук, 2001. - 176 с.]. Указанные устройства имеют тот недостаток, что сочетания отдельных узлов не оптимизированы.
Для оптимизации работы отдельных узлов устройств для сжигания используется жидкое шлакоудаление.
Известны котлы с жидким шлакоудалением, которые отличаются конструктивно в зависимости от условий их работы.
В котле [RU 2038532 МПК F22B 33/18, опубл. 27.06.1995] используется жидкое шлакоудаление. Котел содержит топку, сообщенную посредством летки и шлакового бункера со шлаковой ванной, причем бункер выходным торцом опущен под уровень воды в ванне с образованием гидрозатвора и охлаждаемый змеевик.
Недостатком данного котла является сложность системы жидкого шлакоудаления.
Известен способ предотвращения засорения стенок агрегатов угольной котельной несгоревшими продуктами сгорания (WO 2004022928, МПК 7 F01K, опубл. 18.03.2004).
Степень отложения несгоревших продуктов сгорания угольной котельной на стенках агрегатов котельной снижают путем снижения температуры на выходе из топки ниже пороговой температуры плавления золы, путем впрыска в отверстия, сформированные в верхней части топки, топочных газов, отобранных на выходе из электростатического осадителя, распыленной воды, водного раствора сорбента, или смеси этих материалов. Температура всех упомянутых материалов ниже температуры основного потока топочных газов или требуется подача дополнительного тепла для их испарения.
Недостатком способа является сложность его промышленной реализации.
Наиболее близким решением к предлагаемому варианту с горизонтальной осью вращения является топочное устройство для сжигания водоугольного топлива (RU 2389948, 13.04.2009, МПК 8 F23C 3/00, 8 F23C 7/00], содержащее футерованную камеру сгорания и камеру охлаждения, экранированную кипятильными трубами и включающую конвективный пучок труб, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, камера сгорания которого имеет цилиндрическую форму с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, в которых вблизи осей вращения размещены газоперепускные окна, на фронтальной стенке камеры сгорания смонтированы топливные форсунки и дутьевые сопла, а внутри камеры сгорания установлена центральная огнеупорная вставка и в нижней части установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки.
Недостаток названной конструкции топки для сжигания водоугольного топлива заключается в том, что она не обеспечивает достаточно однородных температурных долей внутри камеры сгорания во всем диапазоне изменения расхода топлива, необходимом для практики. При некоторых расходах ВУТ в зоне взаимодействия топливного факела и струи дутьевого воздуха происходит интенсивное горение топлива и резкое повышение температуры. В результате частицы угля и золы (особенно в случае использования для приготовления ВУТ высокозольных углей) налипают на стенки камеры сгорания и плавятся. Стекающий по стенкам камеры сгорания шлак, попадая в зоны пониженной температуры, затвердевает и появляются проблемы с золоудалением. Работа топки становится неустойчивой.
Наиболее близким решением к предлагаемому варианту с вертикальной осью вращения является топочное устройство для сжигания жидкого топлива [Патент РФ 2389945, МПК F23C 3/00, опубл. 20.05.2010].
Топочное устройство включает внешний корпус с установленными в корпусе форсунками для подачи топлива и соплами вторичного дутья воздуха, соосно установленную внутреннюю вставку и образованную ими вертикальную кольцевую камеру горения. Внутренняя вставка, имеющая форму полой трубы диаметром 40÷60% диаметра корпуса котла, нижний конец которой открыт внутри камеры, а верхним также открытым концом вставка выведена в теплообменную часть котла. Внутренняя вставка своим нижним концом дополнительно установлена на подставке внутри топки и имеет окна в нижней части. В нижней части корпуса топки на его стенке установлен кольцевой выступ, частично перекрывающий кольцевую камеру. Форсунки для подачи жидкого топлива установлены в средней части кольцевой камеры, оси форсунок в горизонтальной плоскости составляют от 30 до 60 градусов со стенкой топки. Сопла вторичного дутья расположены 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.
Недостатками названной конструкции являются те же, что и у вышеописанного топочного устройства с горизонтальной осью вращения.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение температуры в топках с вертикальной или горизонтальной осями вращения до температуры плавления золы и организация жидкого шлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.
Поставленная задача решается с помощью предложенной группы изобретений.
По первому варианту для достижения поставленной задачи предлагается топочное устройство для сжигания водоугольного топлива, включающее футерованную камеру сгорания цилиндрической формы с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения с конвективным пучком труб внутри нее, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, внутри камеры сгорания установлены топливные форсунки, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу разных видов топлива и первичного окислителя, в нижней части топочного устройства установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, а дутьевые сопла установлены внутри камеры сгорания с касательной подачей окислителя и установлена центральная огнеупорная вставка.
Дополнительно ниже золоуловителя установлена камера золошлакоудаления, имеющая в поперечном сечении размер, превышающий диаметр горловины воронки, с открытым нижним торцом, установленным в ванне с водой, с одной наклонной стенкой, над дном и наклонной стенкой ванны смонтирован скребковый транспортер для удаления золы и шлаков, камера золошлакоудаления выполнена с возможностью нагрева ее стенок.
Предпочтительно камера сгорания размещена внутри камеры охлаждения, причем камера сгорания и камера охлаждения, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, имеют общую нижнюю стенку, на которой установлен золоуловитель.
Предпочтительно золоуловитель установлен по центру камеры сгорания, газоперепускные окна размещены вблизи осей ее симметрии.
Предпочтительно футерованная камера сгорания вынесена за пределы камеры охлаждения, причем внизу камера сгорания связана с камерой охлаждения посредством газоперепускных окон через газоперепускной канал.
Предпочтительно в нижней стенке газоперепускного канала установлен золоуловитель.
Предпочтительно камера золошлакоудаления выполнена в форме цилиндра и имеет диаметр, больший диаметра горловины воронки золоуловителя в 2 раза и более.
Предпочтительно для нагрева камеры золошлакоудаления она соединена с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором, а перед вентилятором дополнительно установлен теплообменник.
Предпочтительно горловина золоуловителя оснащена индуктивной системой нагрева ее стенок, с возможностью управления температурой стенок.
Поставленная задача также решается с помощью второго варианта топочного устройства, включающего внешний корпус камеры сгорания с установленными в корпусе форсунками для подачи топлива и соплами вторичного дутья воздуха, соосно установленную внутреннюю вставку, имеющую форму полой трубы, и образованную ими вертикальную кольцевую камеру сгорания, камера сгорания связана с камерой охлаждения посредством газоперепускных окон, в нижней части топочного устройства установлен золоуловитель.
Золоуловитель выполнен в форме наклонного лотка, переходящего в воронку, дополнительно ниже золоуловителя установлена камера золошлакоудаления, имеющая в поперечном сечении размер, превышающий диаметр горловины воронки, с открытым нижним торцом, установленным в ванне с водой, с одной наклонной стенкой, над дном и наклонной стенкой ванны смонтирован скребковый транспортер для удаления золы и шлаков, камера золошлакоудаления выполнена с возможностью нагрева ее стенок.
Предпочтительно полая труба имеет диаметр 20-60% диаметра корпуса камеры сгорания.
Предпочтительно футерованная камера сгорания вынесена за пределы камеры охлаждения, причем внизу камера сгорания связана с камерой охлаждения посредством газоперепускных окон через газоперепускной канал.
Предпочтительно в нижней стенке газоперепускного канала установлен золоуловитель.
Предпочтительно камера золошлакоудаления выполнена в форме цилиндра и имеет диаметр, больший диаметра горловины воронки золоуловителя в 2 раза и более.
Предпочтительно для нагрева камеры золошлакоудаления она соединена с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором, а перед вентилятором дополнительно установлен теплообменник.
Предпочтительно горловина золоуловителя оснащена индуктивной системой нагрева ее стенок, с возможностью управления температурой стенок.
Техническим результатом предложенной группы изобретений является увеличение температуры в топках с вертикальной или горизонтальной осями вращения до температуры плавления золы и организация жидкого шлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.
Конкретные варианты выполнения топочного устройства с горизонтальной и вертикальной осями вращения камеры сгорания представлены на чертежах.
На фиг.1 и 2 показаны продольное и поперечное сечения предлагаемого топочного устройства с горизонтальной осью вращения камеры сгорания в варианте, когда камера горения размещена внутри камеры охлаждения. На фиг.2а показано продольное сечение устройства, когда камера горения размещена вне камеры охлаждения.
На фиг.3, фиг.4, фиг.5 показаны продольные и поперечные сечения топочного устройства с вертикальной осью вращения.
Устройство для сжигания водоугольного топлива (варианты) включает (фиг.1, фиг.2, фиг.2а, фиг.3, фиг.4, фиг.5)
1 - камеру охлаждения; 2 - кипятильные трубы; 3 - конвективный пучок труб камеры охлаждения; 4 - камеру сгорания; 5 - торцевые стенки камеры сгорания; 6 - газоперепускные окна; 7 - центральную вставку; 8 - дутьевое сопло; 9 - фронтальную стенку камеры сгорания; 10 - топливные форсунки; 11 - золоуловитель; 12 - горловину воронки золоуловителя; 13 - короб камеры золошлакоудаления; 14 - трубопровод; 15 - вентилятор; 16 - ванну; 17 - транспортер, 18 - теплообменник; 19 - газоперепускной канал, 20 - наклонный лоток.
Внутри камеры охлаждения 1 топочного устройства установлены кипятильные трубы 2, конвективный пучок труб 3. Камера сгорания 4 с торцевыми стенками 5, в которых установлены газоперепускные окна 6, установлена внутри камеры охлаждения (фиг.1).
Камера сгорания 4 и камера охлаждения 1 сообщаются между собой посредством газоперепускных окон 6, имеют общую нижнюю стенку, на которой установлен золоуловитель 11.
На фиг.2а показан вариант топочного устройства, в котором камера сгорания 4 установлена вне камеры охлаждения 1.
Внутри камеры сгорания 4 смонтирована центральная вставка 7. На фронтальной стенке 9 установлены дутьевое сопло 8 и топливные форсунки 10. В нижней части камеры сгорания 4 или в нижней стенке газоперепускного канала 19 установлен золоуловитель 11 с горловиной 12. Ниже золоуловителя 11 установлен вертикальный короб 13 камеры золошлакоудаления, который выполнен в форме цилиндра и имеет диаметр, больший диаметра горловины воронки 12 золоуловителя в 2 раза, с подсоединенным к нему трубопроводом 14, включающим вентилятор 15. Открытым нижним торцом короб 13 камеры золошлакоудаления погружен в воду, содержащуюся в ванне 16. Внутри ванны 16 установлен скребковый транспортер 17 для выгрузки из ванны золы и шлака.
В качестве форсунок используются известные из уровня техники топливные форсунки. Предпочтительно используют форсунки, описанные в патенте РФ №2346756.
На фиг.3, 4, 5 показано одно из возможных топочных устройств по второму варианту изобретения с вертикальной осью вращения.
На фиг.3 показана футерованная камера сгорания 4, вынесенная за пределы камеры охлаждения 1, причем внизу камера сгорания 4 связана с камерой охлаждения 1 посредством газоперепускного окна 6 через газоперепускной канал 19.
По центру камеры сгорания 4 установлена полая труба. Золоуловитель 11 выполнен в форме наклонного лотка 20, переходящего в воронку.
Все остальные позиции, указанные на фиг.3, аналогичны позициям, указанным на фиг.2а.
Работа устройства по первому варианту изобретения осуществляется следующим образом.
При запуске топочного устройства в камеру сгорания 4 через топливные форсунки 10 подают высокореакционное жидкое топливо, например дизельное топливо, через сопла 8 вдувают окислитель и в камере сгорания 4 организуется режим горения. За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания 4 и центральной вставки 7. После разогрева стенок камеры сгорания 4 до температуры 400-500°С к дизельному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания 4 доля дизельного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы на водоугольном топливе без дизельного топлива.
Создаваемая форсункой 10 воздушно-капельная струя закручивается в кольцевом канале в вихревой поток. Дутьевой газ попадает в камеру сгорания 4 по касательной к ее стенкам и поддерживает закрутку потока внутри камеры. Таким образом, газ поступает в камеру сгорания 4 тангенциально к ее стенкам и уходит из камеры через газоперепускные окна 6, расположенные на торцевых стенках 5 камеры сгорания 4 вблизи их осей вращения. Поэтому скорости потока газа практически во всем объеме камеры сгорания 4 имеют тангенциальную составляющую и радиальную составляющую, направленную к оси симметрии камеры сгорания 4. Капля ВУТ (или частица угля), попавшая в такой поток, под действием центробежных сил, обусловленных тангенциальными составляющими скорости потока, стремится выбраться на стенку камеры сгорания 4, но радиальные потоки газа препятствуют такому движению. В результате происходит расслоение потока капель (и частиц угля): наиболее крупные капли выносятся на внешние орбиты, мелкие располагаются ближе к оси камеры сгорания 4. За счет тепла, получаемого от сгорания дизельного топлива на начальном этапе, и затем угля, а также тепла, переизлучаемого стенками камеры сгорания 4 и внутренней вставки 7, происходят нагрев, сушка, воспламенение, а затем интенсивное горение частиц угля. По мере выгорания угля, масса частиц уменьшается, уменьшаются центробежные силы, действующие на эти частицы, и частицы перемещаются на круговые орбиты с меньшим радиусом. При этом частицы с большей массой находятся в зоне горения больший интервал времени и, как результат, все частицы угля успевают прогореть в пределах камеры сгорания 4.
На рабочих режимах работа котла наиболее эффективна при высоких температурах в топке. ВУТ имеет свою специфику. Если в камере сгорания 4 не допускать значений температуры выше температуры плавления золы, попадая в зоны пониженной температуры, в капле ВУТ уголь не успевает просохнуть, воспламениться и сгореть. Если же средняя температура в камере сгорания 4 близка к температуре плавления золы, то в одних местах зола плавится, в других нет, и возникают проблемы с золошлакоудалением. Наиболее эффективными оказываются режимы, при которых температура внутри камеры сгорания 4 практически повсеместно превышает температуру плавления золы. Частицы расплавленной золы имеют достаточно высокую плотность и малую парусность. Поэтому даже малые частицы шлака высаживаются на стенки камеры сгорания 4. Здесь они образуют тонкий слой шлака, который стекает сначала по стенкам камеры сгорания 4, потом золоуловителя 11 и затем через горловину 12 золоуловителя 11 падает в воду, не касаясь стенок короба камеры золошлакоудаления 13. За счет прокачки вентилятором 15 горячего газа из короба камеры золошлакоудаления 13 в камеру сгорания 4 по трубопроводу 14 внутри камеры золошлакоудаления 13 поддерживается высокая температура, не допускающая затвердевания шлака в горловине 12 золоуловителя.
Альтернативой такому техническому решению является установка, например, индуктивной системы подогрева горловины 12 золоуловителя. В качестве индуктивных систем подогрева могут быть использованы известные из уровня техники и используемые для аналогичных целей.
Работа устройства по второму варианту с вертикальной осью вращения, фиг.3, 4, 5, аналогична работе устройства по первому варианту, описанному выше. Этот вариант предпочтительно используется в котлах большой мощности, когда топочная камера имеет большие размеры и изготовление корпуса камеры с горизонтальной осью симметрии и монтаж центрального тела затруднительны.
Предлагаемая группа изобретений позволяет достигать технического результата при использовании их на различных по составу топливах.
При эксплуатации котлов не возникает проблем со шлакованием поверхностей нагрева топок.
Осуществление изобретения.
В поселке Мошково Новосибирской области котел со слоевым сжиганием угля переоборудован на сжигание угля в виде ВУТ. На первом этапе на котлах не была организована предлагаемая система жидкого шлакоудаления. При эксплуатации котла возникли проблемы со шлакованием поверхностей нагрева и золоудалением при использовании углей с высокой зольностью для производства ВУТ. Установка системы жидкого шлакоудаления позволила увеличить температуру внутри топки до значений порядка 1500 градусов, существенно увеличить генерацию тепла и обеспечить высокую устойчивость работы топки котла.