ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к теплотехнике, преимущественно к отопительным котлам, работающим на твердом, жидком и газообразном топливе.
Известен водогрейный котел, содержащий экранированную топочную камеру, конвективную поверхность нагрева и газоплотную стенку, (см. авт св. SU 305312 (1368150/24-6), F22B 21/02, F24H 1/00, 1969). В указанном котле камера отделена от шахты по всему поперечному сечению газоплотной стенкой, у которой часть труб на участке между потолком и началом конвективной поверхности выгнута в сторону камеры, образуя окна для прохода газов в плоскости, параллельной экранам.
Недостатком известного котла является то, что выход топочных газов из камеры предусмотрен вверху последней, что приводит к неполному сгоранию топлива в топочном объеме за счет малой циркуляции топочных газов и наличию застойных зон, которые почти не участвуют в топочном теплообмене. Кроме того в топочной камере скапливаются продукты сгорания, удаление которых в период эксплуатации котла не предусмотрено, что приводит к забиванию камеры и невозможности дальнейшей эксплуатации котла без его остановки.
Известен водогрейный котел, содержащий экранированную топочную камеру и конвективную поверхность нагрева, разделенных газонепроницаемой экранированной перегородкой (см. Отраслевой каталог, НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, “Котлы малой и средней мощности и топочные устройства”, М., 1987, с. 90, рис. 70-71). Отогнутые участки труб перегородки в нижней части заведены в конвективный газоход для размещения в последнем фестона для прохода топочных газов. Кроме этого топочная камера разделена промежуточной экранированной стенкой, не доходящей до потолка, с образованием камеры горения и камеры охлаждения.
Недостатком известного котла также является слабая циркуляция топочных газов, наличие застойных зон, малая интенсификация теплообмена и, как следствие, неполнота сгорания топлива, снижающие КПД котла. Кроме того конвективная поверхность расположена в газоходе шахтного типа, требующая большие габариты по высоте и необходимость отдельного блочного исполнения топочной камеры и конвективной части котла.
Известен также водогрейный котел, содержащий экранированную топочную камеру, отделенную от конвективной части газонепроницаемой экранной стенкой с фестоном в нижней части для прохода топочных газов в конвективную часть (см. авт. св. SU 208921 (1079141/24-6), F24H 1/00, 1966). На расчетном расстоянии от газонепроницаемой стенки установлена оградительная экранированная перегородка, не доходящая до потолка камеры, при этом фестон выполнен с уклоном в сторону задней стенки котла.
Недостатком указанного технического решения также является малое использование тепла сгоревшего топлива, в связи с отсутствием завихрения и наличием застойных зон, а также увеличением габаритов по высоте, в связи с вертикальным расположением конвективных поверхностей нагрева, требующих компоновку в отдельном от топки блоке.
Известен водогрейный котел, частично устраняющий указанные выше недостатки, который содержит экранированную топочную камеру и конвективную часть, имеющие горизонтальную компоновку, расположенные последовательно одна за другой в одном блоке и разделенные между собой экранированной вертикальной перегородкой с фестоном в нижней части, выполненным с уклоном в сторону задней стенки котла. На уровне пода топочной камеры нижние участки труб фестона разведены для образования окон для размещения сопел острого дутья, направленных в сторону фронта котла под углом 15-30о к горизонту. Конвективная часть включает в себя по меньшей мере один подъемный и один опускной газоходы с проемами в разделяющих их экранированных перегородках, при этом в газоходах размещены конвективные поверхности нагрева. Конструкция котла, по мнению разработчиков, позволяет увеличить его кпд (См. п. РФ №2188361, F24H 1/00, 14.11.2000).
Однако сложность конструкции и геометрии циркуляция топочных газов при работе такого котла на твердом топливе, вызывает необходимость предъявления к качеству последнего довольно жестких требований. Необходима подготовка топлива, при этом образуется и довольно большое количество более мелких частиц. При горении такой уголь не везде достаточно продувается первичным воздухом, что приводит к образованию застойных зон, а большое количество мелкой фракции приводит к неравномерному «кратерному» горению, что, во-первых, увеличивает содержание окиси углерода в дымовых газах, а также к идущему в отход недожогу угля в слое, во - вторых к недостаточному использованию гидравлическим контуром тепла сгоревшего топлива в топочном пространстве, и в конечном итоге, к снижению КПД котла до 50-60%.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание водогрейного котла с максимально возможным КПД, по сравнению с известными аналогами такого типа котлов, при одновременном снижении затрат на реконструкцию котла, за счет более эффективного использования гидравлическим контуром тепла сгоревшего топлива в топочном пространстве и уменьшения возможности образования застойных зон.
Указанный технический результат достигается тем, что в водогрейный котел, содержащий экранированную топочную камеру и конвективную часть, сообщенные между собой фестоном для прохода топочных газов, и включающие в себя фронтовую, боковые и конвективные поверхности нагрева, образующие гидравлическую трубопроводную схему для нагрева воды, введены дополнительные боковые и задняя поверхности нагрева, а все поверхности нагрева образованы параллельными патрубками сообщенными между собой соответствующими входным, перепускным и/или выходным трубопроводными коллекторами, при этом выходные коллекторы дополнительных боковых поверхностей нагрева сообщены с входным коллектором дополнительной задней и фронтовой поверхностей топочной камеры, образуя первый контур гидравлической трубопроводной схемы котла, выходной коллектор фронтовой поверхности топочной камеры сообщен с входными коллекторами боковых поверхностей нагрева, по меньшей мере, один выход каждого из которых сообщен с входным коллектором конвективных поверхностей нагрева, образующих второй контур гидравлической трубопроводной схемы, выход которого сообщен с раздаточной трубопроводной арматурой и измерителем температуры.
Кроме того, дополнительные поверхности нагрева расположены в нижней части топочной камеры котла.
Кроме того, фронтовая поверхность нагрева топочной камеры выполнена Π-образной формы с дополнительной наклонной частью, а входной и выходной трубопроводные коллекторы этой поверхности сообщены между собой патрубками через, по меньшей мере, один перепускной трубопроводный коллектор.
Кроме того, конвективные поверхности нагрева выполнены Π-образной формы входной и выходной трубопроводные коллекторы которых сообщены между собой патрубками через, по меньшей мере, один перепускной трубопроводный коллектор.
Кроме того, по меньшей мере, часть трубопроводных коллекторов снабжена, по меньшей мере, одним сливным краном.
На фиг. 1 изображен продольный разрез котла.
На фиг. 2 - разрез А-А и разрез Г-Г на фиг. 1.
На фиг. 3 - гидравлическая схема котла.
Водогрейный котел 1, содержит экранированную топочную камеру 2 и конвективную часть 3, сообщенные между собой фестоном 4 для прохода топочных газов, и включающие фронтовую 5, боковые 6 и конвективные 7 поверхности нагрева, образующие гидравлическую трубопроводную схему 8 (см. фиг. 3) для нагрева воды. В котел введены дополнительные 9 боковые и задняя 19 поверхности нагрева, а все поверхности нагрева образованы параллельными патрубками 10 связанными между собой соответствующими входным 11, перепускным 12 и/или выходным 13 трубопроводными коллекторами, при этом выходные 13 коллекторы дополнительных боковых 9 поверхностей нагрева сообщены с входным 11 коллектором дополнительной задней 19 (17) и фронтовой поверхностей 5 топочной камеры 2, образуя первый контур гидравлической трубопроводной схемы котла, выходной 13 коллектор фронтовой поверхности 5 топочной камеры 2 сообщен с входными 11 коллекторами боковых 6 поверхностей нагрева, по меньшей мере, один выход каждого из которых сообщен с входным 11 коллектором конвективных 7 поверхностей нагрева, образующих второй контур гидравлической трубопроводной схемы, выход которого сообщен с раздаточной трубопроводной арматурой 14 и измерителем температуры 15.
Дополнительные поверхности нагрева расположены в нижней части 16 топочной камеры 2 котла 1.
Фронтовая поверхность 5 топочной камеры 2 выполнена Π-образной формы с дополнительной наклонной частью 17 входной 11 и выходной 13 трубопроводные коллекторы которой сообщены, по меньшей мере, одним перепускным 12 трубопроводным коллектором.
Конвективные 7 поверхности нагрева выполнены Π-образной формы входной 11 и выходной 13 трубопроводные коллекторы которого сообщены, по меньшей мере, одним перепускным 12 трубопроводным коллектором.
Часть трубопроводных коллекторов 11, 12, 13 снабжена, по меньшей мере, одним сливным краном 18.
Конкретное выполнение трубной системы топочного блока котла конструктивно представляет собой экраны из труб (60×4) мм. На фронтовой поверхности котла обрезаются нижние камеры боковых поверхностей нагрева на расстоянии 70 мм от оси первой трубы, и к ним пристыковывается фронтовой поверхностью дополнительная поверхность нагрева. Гидравлическая схема фиг. 3 котельной установки показывает движение теплоносителя по контурам, места входа и выхода воды по контурам.
Топочная камера котла условно разделена на два объема: верхний, образованный топочным блоком котла и нижний 16, образованный дополнительной поверхностью нагрева, топкой и кирпичной фронтовой стеной.
Дополнительная поверхность состоит из двух боковых 9, заднего 19 и фронтового экранов 5. Камеры экранов вверху и внизу образуют жесткую конструкцию. Верхняя камера фронтового экрана перепускными трубами вваривается в нижние коллекторы топочного блока. Дополнительная поверхность нагрева, топка НТКС и обмуровка стен опираются на раму 20 топки.
Боковые экраны выполнены трехходовыми по воде и состоят из верхнего и нижнего коллекторов (⌀219×10 мм) и 52 труб ⌀51×4 мм. Шаг труб боковых экранов-55 мм. В коллекторах установлены разделительные перегородки.
Задний экран выполнен двухходовым по воде и состоит из верхнего и нижнего коллекторов (⌀219×10 мм) и 32 труб ⌀51×4 мм. Шаг труб заднего экрана 55 мм.
Фронтовой экран выполнен двухходовым по воде и состоит из верхнего и нижнего коллекторов (⌀219×10 мм) и 36 труб ⌀51×2,5 мм. Шаг труб фронтового экрана 75 мм. Конвективная часть выполнена из труб ⌀32 с коллекторами ⌀76.
Гидравлическая схема котла двухконтурная: первый контур - дополнительная поверхность и топочный блок котла, второй контур - конвективный блок котла. Выход воды из первого и второго контура на левой стороне котла патрубками ⌀ 159×4,5 в сборную камеру или в общий трубопровод.
Согласно тепловому расчету расходы воды через первый и второй контуры котла соответственно Gв1=148 т/ч и Gв2=73 т/ч.
Необходимое соотношение расходов воды достигается установкой дроссельной шайбы во втором контуре котла. Расчетный внутренний диаметр плоской дроссельной шайбы dвн=32,6 мм. Диаметр дроссельной шайбы уточняется во время проведения пусконаладочных работ.
На воздухораспределительной решетке 21 организуется низкотемпературный кипящий слой. Через слой угля и инертной насадки высотой 200-450 мм, продувается воздух в таком количестве, что все частицы находятся во взвешенном состоянии (скорость в слое wсл=4…7 м/с). Частицы угля, падая в слой, интенсивно перемешиваются с разогретыми до 900 (С частицами слоя (насадкой), быстро прогреваются до температуры слоя, высыхают и воспламеняются. Из-за очень высоких скоростей нагрева выход водяных паров и летучих из частиц угля носит взрывной характер, поэтому некоторая часть из них в этот момент рассыпается на части. В процессе выгорания, истирания и растрескивания размеры частиц уменьшаются. Достигнув определенной величины, они выносятся из слоя. Мелкие частицы подаваемого в топку угля подхватываются газами в надслоевое пространство, воспламеняются и сгорают вместе с частицами, вынесенными из слоя, образуя факел. Частицы, размером менее граничного значения, определяемого скоростью и температурой газов в слое, плотностью частиц, фракционным составом слоя и др., выносятся из слоя в объем топки. В топке по мере падения скорости топочных газов частицы сепарируется на боковые экраны дополнительной поверхности и по ним возвращаются в слой, образуя, таким образом, внутритопочную циркуляцию.
Топка представляет собой конструкцию с плоской водоохлаждаемой решеткой (ВВР) 21 и воздушным коробом 22 под ней.
2
Решетка выполнена водоохлаждаемой для защиты от воздействия высоких температур. Охлаждение решетки и труб слива слоя производится по отдельным контурам хим. очищенной водой давлением не более 0,6 МПа (6,0 кгс/см) и температурой на входе - не более 20°С, на выходе - не более 60°С. Расход воды на охлаждение топки и труб слива слоя - 2 т/ч. Поддержание заданных температур обеспечивается изменением расхода воды через решетку. Нагретую при охлаждении воду используют на собственные нужды котельной. Трубопроводы подвода и отвода охлаждающей воды к ВВР выполняют из труб ⌀38×3 мм. Подвод воды производится с фронта котла в патрубки, вваренные сверху. На выходном трубопроводе в удобном для визуального контроля месте устанавливается устройство слива (не показано) с разрывом струи.
Для организации воздушных струй на решетке в коридорном порядке установлено 124 чугунных колпачка с восьмью отверстиями ⌀9 мм на каждом (не показаны). Для обеспечения ремонта решетки колпачки выполнены съемными. Подача воздуха в топку НТКС производится от высоконапорного вентилятора снизу воздушного короба и через растопочное устройство. Воздух подается в топку с температурой окружающей среды (для расчетов принято t=30°С).
Изнутри воздушный короб защищен изоляцией из огнеупорного кирпича, в случае установки растопочной камеры.
Уголь в дробленом виде подается из бункера двумя питателями 23 и двумя течками 24 в короба ввода топлива, установленными на фронтовой стене топки. Ввод топлива в топку осуществляется на заданной высоте от плоскости воздухораспределительной решетки. Короб ввода топлива представляет собой сварную конструкцию из листов углеродистой стали толщиной 5 и 8 мм, внутренним сечением 234 (340) мм. В полость под дном короба трубой (51 мм) постоянно подается холодный воздух, который обеспечивает охлаждение, подверженного излучению из топки, дна короба. Воздух подхватывает и разгоняет частицы топлива, выходя через щель высотой 10 мм по всей ширине короба со скоростью 30…60 м/с. Это способствует более равномерному распределению топлива по поверхности «кипящего» слоя.
Первоначально в топку насыпается слой насадки высотой 300…500 мм (1,5…2 т), по мере выгорания, истирания и уноса мелких частиц из слоя насадку добавляют. На нулевой отметке устанавливают емкость с запасом материала насадки (около 1,5 т) для добавления или засыпки в случае аварийного слива слоя. Подача насадки из емкости в котел производится через лаз на фронтовой стене топки. Для первоначальной загрузки насадки в котел возможно использование системы подачи угля (при пустом бункере угля).
Выполнение трубной системы котла в соответствии с гидравлической схемой на фиг. 3 обеспечивает подачу воды в котел с температурой входа порядка 70°C при заданной температуре выхода 115°C и повышает КПД котла до 84% и выше.
Полезная модель водогрейного котла может быть использована на других промышленных топочных устройствах, а именно топках механических типа ТЛЗМ, ТЧЗМ, ТЛПХ.
Таким образом, предлагаемой полезной моделью достигается технический результат, которым является создание водогрейного котла с максимально возможным КПД, по сравнению с известными аналогами такого типа котлов, при одновременном снижении затрат на реконструкцию котла, за счет более эффективного использования гидравлическим контуром тепла сгоревшего топлива в топочном пространстве и уменьшения возможности образования застойных зон.