Котел с циркулирующим слоем
BOILER WITH CIRCULATING LAYER

Изобретение относится к энергетике и может использоваться при создании котлов с циркулирующим слоем (ЦКС), в том числе большой и средней мощности, надежно работающих на различных топливах и отходах, включая муниципальные.
Известен [1. Лундквист Р.Г. Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое. Электрические станции. 2002, №10, рис. 1-4, с. 61-68] котел с ЦКС, содержащий экранированную камеру сгорания и элементы контура циркуляции частиц с футерованными, отдельно установленными циклонами, которые газоотводящими патрубками подключены к конвективному газоходу с охлаждающими поверхностями нагрева котла. Камера сгорания подключена вверху через газоотводящее сопло по меньшей мере к одному циклону, сливному стояку частиц, вынесенному теплообменнику и дозаторам циркулирующих частиц. Дозаторы циркулирующих частиц также подключены к камере сгорания, но в ее нижней части, и таким образом все эти элементы образуют контур управляемой циркуляции частиц. Выносимый из камеры сгорания поток частиц улавливается в циклонах, ссыпается по стояку. Дозаторы циркулирующих частиц регулируют расход частиц и позволяют пропускать их поток напрямую или через вынесенный теплообменник, обеспечивая экологически эффективное низкотемпературное сжигание различных топлив, причем одновременное, и глубокую регулировку нагрузки котла.
В [1] отмечается, что это эффективные котлы, они широко применяются и на сегодня дают наибольший вклад в развитие мировой энергетики. Котлы ЦКС позволяют сжигать экологически чисто, причем одновременно различные топлива и отходы при минимальной их подготовке - дроблении.
Но здесь же [1] отмечаются следующие недостатки этих котлов:
- низкая эффективность работы котла из-за больших расходов дымовых газов при использовании влажных топлив;
- выполненные из обмуровки футерованные циклоны и сливные стояки изнашиваются, растрескиваются и работают ненадежно;
- они плохо компонуются и значительно увеличены в размерах. Кроме того, среди недостатков следует отметить, что здесь используются не очень эффективная двухступенчатая подача дутья и ненадежная и неэффективная конструкция газоотводящих патрубков циклонов.
Согласно [2. Алехнович А.Н., Богомолов В.В. Конструкции топочно-горелочных устройств для снижения оксидов азота, шлакования и сжигания низкореакционных углей (обзор). // Сб. докладов V научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы». Том III «Проблемы совершенствования угольной энергетики». Челябинск, 7-9 июня 2011 г. С. 72-89, рис. 8, 12, 14, 17], на сегодня трехступенчатая подача дутья эффективнее, чем двухступенчатая, применяемая [1] в котлах ЦКС, и это необходимо учесть.
Наличие больших потоков циркулирующих частиц в котлах с ЦКС позволяет согласно [3. Патент SU, №1645759] существенно повысить их эффективность за счет термоконтактной переработки: сушки или пиролиза топлива путем его соответствующего разогрева при перемешивании с раскаленными частицами. Согласно [3] в котле с ЦКС под регулирующими шиберами подачи частиц расположена камера термоконтактной обработки топлива, подключенная сверху к питателям топлива и системе переработки летучих продуктов обработки топлива, а снизу к дозатору циркулирующих частиц, которые подключены к камере сгорания в ее нижней части.
Перемешивание потоков топлива и циркулирующих частиц в камере термоконтактной обработки производится в режиме псевдоожижения восходящими парами влаги и газами пиролиза, которые выделяются из топлива. Камера термоконтактной обработки и подключенная к ней система переработки летучих продуктов обработки топлива могут работать в режимах сушки или пиролиза топлива. При сушке пары влаги топлива после очистки в пылеуловителях поступают в теплофикационный подогреватель и конденсируются, причем при высокой температуре с полезным использованием теплоты, и не балластируют конвективный газоход котла. При пиролизе топлива летучие продукты после очистки направляются потребителю, например, для использования жидких фракций. Неконденсирующиеся газы сжигаются в котле или направляются потребителю. В обоих случаях, при сушке или пиролизе, расход дымовых газов и габариты конвективного газохода уменьшаются, а эффективность использования топлива и работы котла повышаются.
Недостатками этого аналога [3] являются:
- выполненные из обмуровки футерованные циклоны и сливные стояки изнашиваются, растрескиваются и работают ненадежно;
- они плохо компонуются и значительно увеличены в размерах.
- используется неэффективная двухступенчатая подача дутья;
- используется ненадежная конструкция газоотводящих патрубков циклонов.
В статье отмечается, что на сегодня наиболее эффективными являются котлы ЦКС серии «Компакт» [1., рис. 5], выбранные в качестве прототипа, который более подробно описан в [4. Патент РФ №2229345]. Согласно [1, 4] котел ЦКС содержит камеру сгорания, подключенную сверху и снизу к контуру управляемой циркуляции частиц, который включает установленные совмещено с ней газоотводящее сопло, по меньшей мере один циклон с газо-отводящим патрубком, сливной стояк частиц, вынесенный теплообменник и дозаторы циркулирующих частиц, причем их ограждающие стены, в том числе скошенные углы циклонов и общая стенка, выполнены из прямых или изогнутых в одной плоскости газоплотных трубных экранов, защищенных в зонах износа слоями обмуровки.
Совмещенная компоновка и выполнение стен плоскими или с гибами в одной плоскости экранами существенно упрощают конструкцию котла. При этом циклоны с целью минимизации износа при простоте конструкции в горизонтальном сечении представляют собой вписанные в квадрат многоугольники или квадраты со скошенными углами. Они приближены к идеальной форме - окружности, особенно важной при наложении тонких слоев обмуровки в углах многоугольников, и обеспечивают эффективное улавливание частиц.
Недостатками прототипа [1, 4] являются:
- плохая компоновка камеры сгорания с элементами контура управляемой циркуляции частиц и большие размеры котла;
- низкая эффективность работы котла, в том числе из-за больших расходов дымовых газов;
- низкая надежность работы котла.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение компоновки и уменьшение габаритов котла, а также повышение надежности и эффективности его работы. Поставленная цель достигается тем, что в котле с циркулирующим слоем, содержащем камеру сгорания, подключенную сверху и снизу к контуру управляемой циркуляции частиц, который включает установленные совмещено с ней газоотводящее сопло, по меньшей мере один циклон с газоотводящим патрубком, сливной стояк, вынесенный теплообменник и дозаторы циркулирующих частиц, причем их ограждающие стены, в том числе скошенные участки в углах циклонов и общая стенка, выполнены из прямых или изогнутых в одной плоскости газоплотных трубных экранов, защищенных в зонах износа слоями обмуровки, предлагается камеру сгорания в средней части выполнить с наклоном в противоположную от циклона сторону.
Таким образом, в предлагаемой конструкции циклон располагается над камерой сгорания и вписан в ее профиль, что улучшает компоновку и уменьшает габариты котла. Наклон камеры сгорания и внешнего экрана обеспечивает повышенную сепарацию и удержание циркулирующих частиц внутри топки, причем наиболее крупных, а также обеспечивает эффективность выгорания топлива. Контакт частиц с трубами повышает теплосъем внешнего экрана. При этом в циклон и тракт циркуляции попадают более мелкие и поэтому менее абразивные частицы, что повышает надежность работы этих элементов и котла в целом. Благодаря наклону не только внешнего, но и экрана общей стенки, повышенный теплосъем будет и в топке и в циклоне, что позволит уменьшить требуемую площадь экранов и габариты котла.
Дополнительно, в п. 2 предлагается экран, являющийся общей стенкой, ниже газоотводящего сопла выполнить вогнутым в камеру сгорания с образованием аэродинамического выступа. За счет разворота потока и возникновения центробежных сил повышается эффективность сепарации и удержания крупных циркулирующих частиц. Увеличиваются заполнение частицами камеры сгорания и выгорание топлива с соответствующим повышением тепло-съема экранов, эффективности работы и снижением габаритов котла.
Положительный эффект от введения наклона внешнего экрана предлагается дополнительно усилить, п. 3, путем снижения габаритов котла за счет применения этого экрана для отбора циркулирующих частиц с использованием их для организации дополнительного регулируемого теплосъема в вынесенных теплообменниках. Кроме того, применение отбора циркулирующих частиц, п. 4, с камерами термоконтактной обработки топлива позволяет уменьшить объем дымовых газов и соответственно размеры газоходов котла. К тому же, при термоконтактной сушке пары влаги топлива конденсируются в теплофикационном подогревателе с полезным использованием теплоты. При пиролизе топлива, п. 4, выделенные продукты пиролиза направляются для использования внешнему потребителю. В обоих случаях, п. 3 и п. 4, расход дымовых газов и соответственно габариты циклона, конвективного газохода и котла уменьшаются, а эффективность использования топлива и работы котла повышается.
Дополнительно, п. 5, предлагается газоотводящий патрубок циклона выполнить в виде образованного двумя цилиндрическими обечайками сопла острого дутья кольцевой формы с закручивающими лопатками на выходе. Это создает охлаждаемую воздухом и поэтому надежно работающую простую конструкцию газоотводящего патрубка, а подача на выхлоп циклона вихревого потока острого дутья обеспечивает экологически наиболее чистое и эффективное дожигание частиц по трехступенчатой схеме [2].
Дополнительно, п. 6, выполнение циклонов с квадратным сечением и образованием скошенных участков в углах плоскими газоплотными экранами, которые устанавливают с зазорами, не только увеличивает площадь теплосъема и снижает габариты котла, но и формирует в углах слабо продуваемые застойные зоны с повышенной сепарацией частиц, что увеличивает эффективность работы котла.
Дополнительно, п. 7, защита зон износа экранов установкой износостойких съемных накладок, например, чугунных, повышает надежность работы котла, в том числе за счет большей прочности и быстроты ремонта.
На фиг. 1 показан профиль предлагаемого котла ЦКС и его основные элементы, а на фиг. 2 в горизонтальном разрезе А-А дано пояснение по конструкции циклонов.
Котел 1 с ЦКС содержит камеру сгорания 2 с газоотводящим соплом 3, циклоны 4 с газоотводящими патрубками 5 и сливными стояками 6 частиц, а также вынесенные теплообменники 7 и дозаторы 8 циркулирующих частиц, на фиг. 1 пневматического типа, и эти элементы образуют контур управляемой циркуляции частиц через придонный слой 9. Ограждающие стены всех этих элементов просты. Они выполнены из прямых или изогнутых преимущественно в одной плоскости газоплотных трубных экранов 10, защищенных в зонах износа слоями обмуровки.
В предлагаемой конструкции общий экран 11 и внешний экран 12 выполнены с наклоном в противоположную от циклонов 4 сторону. Циклоны 4 совмещены с камерой сгорания 2, располагаются над ней и вписаны в ее профиль. Это улучшает компоновку котла 1 и уменьшает его габариты. Кроме того, наклон экранов 11 и 12 обеспечивает сепарацию, удержание и циркуляцию частиц в камере сгорания 2, как показано стрелками 13. Резкий разворот газов на аэродинамическом выступе 14 дополнительно повышает эффективность топочных процессов и удержание частиц, защищает циклон 4 от наиболее абразивных крупных частиц и повышает надежность его работы.
При компоновке в котле 1 наибольшую ширину и площадь общего экрана 11 обеспечивают циклоны с квадратным сечением, фиг. 2, причем их количество может быть произвольным. Для приближения к идеальной форме сечения циклона - окружности с сохранением простоты конструкции предлагается образовывать скошенные участки в углах плоскими газоплотными экранами 15, которые устанавливают с зазорами. Это не только увеличивает площадь теплосъема и снижает габариты котла, но и формирует в углах слабо продуваемые застойные зоны с повышенной сепарацией частиц, что увеличивает эффективность работы котла. Газоотводящие патрубки 5 циклонов 4 выполняются охлаждаемыми, в виде образованного двумя цилиндрическими обечайками 16 сопла острого дутья кольцевой формы. На выходе оно имеет закручивающие лопатки 17 и подключено к системе подачи дутья 18 с вентиляторами 19. Это создает охлаждаемую воздухом и поэтому надежно работающую простую конструкцию газоотводящего патрубка 5 циклона 4.
На наклонном участке внешний экран 12 имеет сливные отверстия 20 с установленными в них регулирующими шиберами 21 подачи частиц, и под ними расположены вынесенные теплообменники 7 и по меньшей мере одна камера 22 термоконтактной обработки топлива. Эта камера 22 подключена сверху к питателям топлива 23 и системе переработки летучих продуктов обработки топлива, которая включает теплофикационный подогреватель 24 сетевой воды и собственно блок 25 переработки. Снизу к камере 22 термоконтактной обработки топлива подключается дозатор частиц 26, показан дозатор шнекового типа, соединенный с камерой сгорания 2. При этом вынесенные теплообменники 7 и камера 22 удобно компонуются практически без увеличения габаритов котла.
Котел 1 ЦКС также включает различные необходимые для его работы элементы и устройства. Помимо системы дутья 18 с вентиляторами 19 в котле 1 имеются воздухораспределительные решетки 27, сопла вторичного дутья 28, конвективный газоход 29 с поверхностями нагрева 30. Для защиты экранов на них с помощью резьбовых соединений установлены плотно прилегающие износостойкие съемные чугунные накладки 31, условно показанные на стенках газоотводящих сопел 3 и в зоне придонного слоя 9 с высокой концентрацией частиц. Накладки 31 повышают надежность работы котла за счет большей прочности и быстроты ремонта в сравнении с обмуровкой.
При работе котла 1 с ЦКС в камере сгорания 2 осуществляется низкотемпературный топочный процесс, распространяющийся через газоотводящее сопло 3 в циклоны 4. Циркулирующие частицы и частицы топлива в придонном слое 9 поддерживаются в состоянии псевдоожижения на воздухораспределительной решетке 27. Топливо горит в потоке воздушного дутья, подаваемого в камеру сгорания 2 через воздухораспределительную решетку 27 и сопла вторичного дутья 28 из системы дутья 18 вентиляторами 19. Температурный режим поддерживается работой контура управляемой циркуляции частиц. Частицы улавливаются в циклоне 4, ссыпаются по сливным стоякам 6 к дозаторам 8 напрямую или через вынесенные теплообменники 7, где они охлаждаются, и далее регулируемо вводятся в камеру сгорания 2. При этом дозаторами 8 регулируется как заполнение частицами камеры сгорания 2, ее работа и теплосъем, так и теплосъем через вынесенный теплообменник 7, поддерживая оптимальный низкотемпературный топочный процесс. Подачей дутья частицы в вынесенных теплообменниках 7 также поддерживаются в состоянии псевдоожижения на их воздухораспределительных решетках 27.
Благодаря наклону камеры сгорания 2, в ней обеспечивается гравитационная сепарация и удержание наиболее крупных частиц с их циркуляцией, как показано стрелками 13, и повышенная эффективность выгорания топлива. На наклонных участках создается лучший контакт частиц с трубами и повышается теплосъем, причем не только внешнего экрана 12, но всех экранов 10 камеры сгорания 2 и общего экрана 11 со стороны циклонов 4. Аэродинамический выступ 14 обеспечивает резкий разворот газов перед газоотводящим соплом 3, дополнительную инерционную сепарацию и циркуляцию частиц. Этим дополнительно повышается теплосъем и эффективность выгорания топлива.
Удержание частиц в камере сгорания 2 защищает циклоны 4 от наиболее абразивных крупных частиц, и это повышает надежность работы котла. Для защиты экранов 10 в зонах их контакта с интенсивными потоками частиц, прежде всего в придонном слое 9 и на входе в газоотводящее сопло 3, на экраны устанавливают плотно прилегающие износостойкие съемные, например, чугунные накладки 31.
Тангенциальный ввод потока из камеры сгорания 2 по газоотводящим соплам 3 обеспечивает его закрутку в циклонах 4, фиг. 2. При вращении потока частицы отбрасываются центробежными силами к стенкам циклона 4 и ссыпаются вниз, в сливные стояки 6. При этом значительная часть частиц попадает в отгороженные в углах плоскими газоплотными экранами 15 слабо продуваемые застойные зоны, в которых частицы задерживаются. Это не только повышает улавливание частиц, но увеличивает теплосъем и снижает габариты котла. Поток циркулирующих частиц распространяет интенсивное горение в циклон 4. Благодаря подаче из системы 18 острого дутья через кольцевой зазор между двумя цилиндрическими обечайками 16, которые формируют газоотводящий патрубок 5, они охлаждаются и надежно работают. Подача завихренного закручивающими лопатками 17 потока острого дутья встречно выходящим из циклона 4 газам обеспечивает перемешивание потоков, удержание частиц и экологически наиболее чистое и эффективное на сегодня дожигание уносимых частиц по трехступенчатой схеме.
Наличие больших потоков раскаленных циркулирующих частиц на наклонном участке внешнего экрана 12 позволяет организовать их управляемый отбор через сливные отверстия 20 с регулирующими шиберами 21 и использовать их теплоту для повышения эффективности работы котла. Например, можно повысить теплосъем в дополнительных вынесенных теплообменниках 7, расположенных под внешним экраном 12, описанным выше способом, здесь они не показаны. Разогрев топлива при термоконтактной обработке топлива при смешивании его с раскаленными циркулирующими частицами в камере 22 позволяет удалить из загружаемого питателем 23 топлива влагу, высушить топливо или, при необходимости, провести пиролиз. Удаляемые при пиролизе летучие компонент топлива, включая смолы, используются в блоке 25 переработки для получения жидкого топлива.
В итоге из камеры 22 термоконтактной обработки топлива дозатор 26 подает в камеру сгорания 2 сухое топливо или бездымный коксозольный остаток. Соответственно снижается объем дымовых газов с уменьшением сечения конвективного газохода 29, площади поверхностей нагрева 30 и габаритов котла. Кроме того, пары влаги топлива конденсируются в теплофикационном подогревателе 24 с полезным использованием теплоты и повышением КПД котла. При пиролизе топлива выделенные продукты пиролиза направляются для использования внешнему потребителю в виде горючего газа или жидкого топлива, что также повышает эффективность работы котла. В обоих случаях, сушки или пиролиза, расход дымовых газов и соответственно габариты циклона 4, конвективного газохода и котла уменьшаются, а эффективность использования топлива и работы котла повышаются.
Таким образом, в сравнении с прототипом [1, 4], предлагаемый наклон внешнего экрана 12 улучшает компоновку котла и снижает его габариты. Это обеспечивает удержание наиболее крупных, в том числе наиболее абразивных частиц внутри камеры сгорания 2, повышает эффективность выгорания топлива и теплосъем в ней, разгружает циклон 4 от абразивных частиц и увеличивает надежность работы его и котла в целом, особенно при установке аэродинамического выступа 14.
Наклон внешнего экрана 12 также обеспечивает установку под ним камеры 22 термоконтактной обработки топлива и вынесенных теплообменников. Камера 22 дополнительно снижает габариты и повышает эффективность работы котла благодаря переводу его на сжигание сухого или бездымного топлива, причем система переработки летучих продуктов обработки топлива 24 и 25 обеспечивает полезную утилизацию тепла и собственно продуктов, выделяющихся при термоконтактной обработке топлива.