СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
METHOD OF FUEL COMBUSTION IN SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к технологии сжигания топлива, и может быть использовано для сжигания измельченных растительных отходов, лузги, отходов древесины и др.
Известна вихревая топка, при помощи которой осуществляется сжигание растительных отходов(см. патент РФ №2228489 «Вихревая топка»). В известной вихревой топке с двумя камерами сгорания, камерой дожигания, двумя газоперепускными окнами, обмуровкой, конвективной зоной, системами подачи топлива и воздушной смеси, основное сжигание топлива осуществляется в двух расположенных по обе стороны от камеры дожигания камерах сгорания. Выступ, выполненный на газоперепускных окнах в сторону каждой камеры сгорания, уменьшает вынос мелких частиц, в том числе и недогоревшего топлива, поступившего из камеры сгорания в камеру дожигания. За счет подачи топлива эжектором, направленности сопел дутья, соотношения сечений и скоростей топливо горит во взвешенном состоянии без спекания. За счет соотношения поперечных размеров вихревой камеры сгорания к ее глубине, равного 2…6, снижается унос мелких частиц, что, по мнению авторов известного устройства, снижает расход топлива.
К недостаткам известного способа сжигания топлива можно отнести его недостаточную эффективность, вынос большей части мелких частиц в камеру дожигания и их осаждение и спекание на стенах топки.
Известна более совершенная технология сжигания топлива (см. патент РФ №2230980 «Способ подачи вторичного дутья и топочное устройство (варианты)» - прототип). Способ-прототип включает в себя подачу вторичного дутья в топку через газоотводящее окно навстречу потоку продуктов сгорания, выходящих из камеры сгорания, при этом вторичное дутье вводится тангенциально по контуру газоотводящего окна. Сопла газоотводящего окна направлены в топку навстречу выходящему потоку и ориентированы тангенциально к контуру газоотводящего окна, которое может иметь как цилиндрическую, так и коническую форму. Сопла вторичного дутья могут быть установлены непосредственно в выходном сечении газоотводящего окна на воздуховоде, расположенном по оси газоотводящего окна. Выходящий поток отдельными струями вторичного дутья продувается в топку.
К недостаткам известного способа можно отнести низкую эффективность. Вдувание вторичного дутья отдельными струями приводит к хорошему хаотичному перемешиванию потока, но не предотвращает вынос недогоревших частиц топлива из топки.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности создание условий для более полного сгорания частиц топлива и повышение эффективности.
Поставленная задача достигается тем, что более полное сжигание топлива в вихревой топке осуществляется при помощи ограничительного, преимущественно цилиндрической формы, активного воздушного экрана, удерживающего горящее топливо в активной зоне сгорания вихревой топки котла, при помощи воздушного кольцевого канала, образованного воздушным потоком по периметру внутренней поверхности газоперепускного окна и обечайкой.
Скорость дополнительного воздушного потока в зависимости от вида топлива поддерживают равной 10…30 м/сек.
Подача воздушного потока выполнена при помощи воздуховода, подведенного к кольцевому каналу тангенциально со стороны камеры дожигания.
Воздушный ограничительный экран, создаваемый воздушным кольцевым каналом, выполнен с возможностью вращения в направлении вращения вихря сжигаемого топлива.
Воздушный ограничительный экран, создаваемый воздушным кольцевым каналом, выполнен с возможностью вращения в направлении, обратном направлению вращения вихря сжигаемого топлива.
Площадь выходного сечения кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения газоперепускного окна выполнена в соотношении 0,01…0,3 к 1,0.
Новизной предложенного способа является сжигание топлива в вихревой топке при помощи ограничительного, преимущественно цилиндрической формы активного воздушного экрана, создаваемого воздушным потоком по периметру внутренней поверхности газоперепускного окна при помощи воздушного кольцевого канала, удерживающего горящее топливо в активной зоне вихревой топки котла. Воздушный экран при осуществлении дутья постоянно ограничивает (отбрасывает) недогоревшие частицы топлива от газоперепускного 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.
Дополнительные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение, такие как выполнение скорости воздушного потока, равной 10…30 м/с, в зависимости от вида топлива, подвод воздушного потока к кольцевому каналу тангенциально со стороны камеры дожигания, выполнение воздушного ограничительного экрана, создаваемого воздушным кольцевым каналом, в направлении вращения вихревого потока сгораемого топлива, или в обратном направлении вращению вихревого потока сгораемого топлива, а также выполнение площади выходного сечения кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения кольцевого завихрителя в соотношении, равном 0,01…0,3 к 1,0, направлены на достижение поставленной изобретением задачи. Так, чем крупнее горящие частицы топлива, тем с большей скоростью подается дутье через кольцевой канал и наоборот, чем мельче частицы сгораемого топлива, тем скорость должна быть ниже. При скорости воздушного потока, создающего ограничительный экран, менее 10 м/с возрастает расход топлива и возрастает унос топлива из топки. При скорости более 30 м/сек происходит неэффективное отсечение горящего топливного вихря от газовыпускного окна, поскольку воздушный поток в вихревой топке начинает перемешивать потоки, а не отсекать. Ограничительный экран потока воздуха 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 экран, вращение ограничительного экрана выполняют по ходу вращения вихря горящего топлива. При мелких, легко сгораемых частицах топлива вращение ограничительного экрана может быть и противоположным вращению вихря сгораемого топлива.
Предлагаемый способ схематично поясняется изображением, показанным на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 схематично изображена вихревая топка котла с двумя камерами сгорания и одной камерой дожигания топлива.
На фиг.2 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке.
На фиг.3 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке в разрезе при виде сбоку.
На фиг.4 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки.
На фиг.5 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки в разрезе при виде сбоку.
На фиг.6 схематично показано движение воздушного потока по дополнительному распределительному воздушному каналу.
На фиг.7 схематично показано газоперепускное окно с выходом воздушного потока в виде кольцевого воздушного ограничительного экрана в разрезе при виде сбоку.
Вихревая топка, в которой осуществляется предлагаемый способ, состоит из двух камер сгорания 1 и 2, ограничительных топочных панелей 3 и 4, камеры дожигания топлива 5, двух газоперепускных окон 6 и 7 и воздуховодов подачи воздуха в камеры сгорания 8, подачи воздуха к газоперепускному окну 9 и подачи топливовоздушной смеси 10 в камеры сгорания 1 и 2. Конвективная часть котла через окно связана с камерой дожигания топлива 5.
Каждое из газоперепускных окон выполнено в виде внутренней цилиндрической обечайки 11 и наружной обечайки 12. Воздуховод 9 при помощи кольцевого канала 13 с уменьшающимся по ходу движения воздушного потока поперечным сечением связан со щелевым воздушным каналом 14, выполненным между обечайками 11 и 12. Обечайки 11 и 12 могут быть смонтированы концентрично с равными зазорами в верхней, боковых и нижней частях, или могут быть смонтированы с неравными зазорами сверху, с боков и снизу. На внутренней поверхности внутренней обечайки 12 установлены направляющие 15, способствующие дополнительному закручиванию воздушного экрана как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Топливо при помощи дозатора и воздушного потока эжекционно по воздуховоду 10 одновременно подается в разожженные камеры сгорания 1 и 2, где начинает гореть и отдавать тепло. Одновременно с подачей топливовоздушной смеси для создания топливного вихря в камеры сгорания подается дутье по воздуховодам 8, сопла которых, расположенные по ходу воздушного потока последовательно закручивают поток, придавая ему вращательное движение. Наиболее крупные частицы топлива стремятся опуститься вниз, где их вновь подхватывают воздушный и воздушно-топливный потоки, вовлекая во вращательное движение. Более мелкие, но еще не сгоревшие частицы топлива, находящиеся в средней части камер сгорания отбрасываются воздушным ограничительным экраном, созданным закрученным потоком воздуха, выходящим из кольцевого канала-сопла между обечайками 11 и 12. Поскольку несгоревшие легкие частицы все еще имеют вес, то под действием воздушных потоков, подаваемых в камеры сгорания, и сил инерции они стремятся сместиться к периферии, а ограничительный экран уменьшает выход недогоревших частиц из камер сгорания. Под воздействием избыточного давления, создаваемого воздушными и воздушно-топливными потоками, наиболее легкая часть несгоревшего топлива поступает в камеру 5 дожигания, где и догорает. Нагретые до температуры 800°…950° газы поступают в конвективную зону котла, где и отдают тепло через стенки труб теплоносителю.
Конкретный пример осуществления предлагаемого способа.
Топливо (лузгу подсолнечника) при помощи дозатора и воздушного потока эжекционно по воздуховоду 10 подавали в разожженные камеры сгорания 1 и 2, где лузга начинала гореть и отдавать тепло стенкам котла. Одновременно с подачей лузги подавали дутье воздушным потоком воздуховодов 8 и их сопел в центре каждой камеры сгорания, при помощи которого создавался топливный вихрь - вращающийся и горящий топливовоздушный поток. Наиболее крупные частицы топлива стремились опуститься вниз, но их вновь подхватывали и возвращали в вихрь. Мелкие частицы топлива воздушным ограничительным экраном, созданным закрученным потоком воздуха, выходящим из кольцевого канала между обечайками 11 и 12, отсекались от газовыпускного окна и отбрасывались назад в вихрь. Под воздействием избыточного давления, создаваемого воздушными и воздушно-топливными потоками, наиболее легкая часть несгоревшего топлива вытеснялась в камеру 5 дожигания, где и догорала. Нагретые до температуры 800°…950° газы поступали в конвективную часть котла, где и отдавали тепло через стенки труб теплоносителю.
В настоящее время на котел для осуществления способа сжигания топлива разработана конструкторская документация, изготовлено несколько опытных котлов, проведены испытания.
Предварительные результаты испытаний дали положительные результаты. Принято решение о производстве котлов, осуществляющих предлагаемый способ.