MULTIFUNCTIONAL FURNACE UNIT
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на котлах тепловых электростанций и промышленных котельных при комбинированной выработке пара, стройматериалов и активированного угля.
Известно топочное устройство, содержащее вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые стены, фронтовую стену с установленными, по крайней мере, в один горизонтальный ряд газовыми горелками, имеющими каналы для ввода окислителя и газовые сопла, заднюю стену, потолочное и подовое перекрытия, окно для вывода продуктов сгорания, размещенное в задней стене и примыкающее к потолочному перекрытию (В.А. Спейшер, А.Д. Горбаненко. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. Энергоиздат, М., 1982, с.156-157). Недостаток устройства - ограниченные возможности использования, связанные только с выработкой пара Устройство может работать только на природном газе, исключается, в частности, ввод в камеру сгорания угольной пыли и переработка последней в стройматериал или активированный уголь.
Известно топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное перекрытие, окно вывода продуктов сгорания, размещенное на задней стене и примыкающее к потолочному перекрытию, газовые горелки, размещенные на фронтовой стене и имеющие вертикальные плоскости симметрии, каналы для ввода воздуха и встроенные в них сопл для ввода газа, направленные в сторону камеры сгорания, воздушные сопла, размещенные на задней стене и имеющие вертикальные плоскости симметрии, совмещенные с вертикальными плоскостями симметрии газовых горелок, а также подовое перекрытие (патент РФ №2303193; МПК F23С 1/12 от 10.04.2006 г., Б.И. №20 от 2007 г.). Недостаток устройства - отсутствие возможности активирования угля, ограниченное использование только для выработки пара.
Известно также топочное устройство, содержащее вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые стены, фронтовую стену с пылеугольными горелками, установленными на фронтовой стене, по крайне мере, в один горизонтальный ряд, имеющими каналы для ввода окислителя и угольной пыли, а также заднюю стену с соплами для ввода воздуха, потолочное перекрытие, подовое перекрытие со скатами, примыкающими к фронтовой и задней стенам и шнековым узлом вывода шлаковых частиц прогоревшего угля, окно для вывода газообразных продуктов сгорания, размещенное на задней стене и примыкающее к потолочному перекрытию (авторское свидетельство СССР №1059344, МПК F23С 7/02 от 27.10.82 г.; Б.И. №45 от 07.12.83 г.). Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля, его вывода в качестве продукта потребителю.
Известно многофункциональное топочное устройство, содержащее вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное и подовые перекрытия, размещенные на фронтовой стене пылеугольные горелки, установленные на задней стене воздушные сопла, окно для вывода продуктов сгорания, установленные на боковых стенах газовые горелки (патент РФ №2076998; МПК F23С 1/12 от 07.03.1995 г., Б.И. №10 от 1997 г.). Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля, его вывода в качестве продукта потребителю.
Известно топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, ограждающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное и подовое перекрытия, размещенные на стенах горелки, окно для вывода продуктов сгорания, размещенный в поду узел вывода шлаковых частиц из топки и сопла для ввода пара (Перевод котла БКЗ-220 на технологию ступенчатого сжигания топлива / В.В. Осинцев и др. // Электрические станции, №11, 1991. - с.17-22). Устройство является элементом котла, вырабатывающего пар. Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля и его вывода потребителю в качестве продукта.
Известно топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное и подовое перекрытия, окно для вывода продуктов сгорания из топки, размещенные на стенах горелки, размещенный в поду узел вывода шлаковых частиц из топки, воздушный охладитель частиц кипящего слоя с подводящими воздуховодами и отводящим газоходом, узлом вывода частиц потребителю (Результаты испытания и совершенствование парового котла производительностью 58,3 кг/с с газогенератором твердого топлива / В.В. Осинцев и др. // Теплоэнергетика, №5, 2002. - с.36-41). Устройство является элементом котла, вырабатывающего пар и шлаковый стройматериал для производства силикатного кирпича. Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля и его вывода потребителю в качестве продукта.
Известно топочное устройство, содержащее вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное перекрытие с окнами для вывода продуктов сгорания, пылеугольные горелки, размещенные на стенах, подовое перекрытие со скатами, примыкающими к стенам, и шнековыми узлами вывода прогоревших угольных частиц, воздушные сопла, наклоненные в сторону пода и направленные вдоль его скатов (авторское свидетельство СССР №1150433, МПК F23С 6/02 от 06.04.83 г.; Б.И. №14 от 15.03.85 г.). Устройство является элементом котла, вырабатывающего пар заданных параметров. Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля, его вывода в качестве продукта потребителю.
Известно многофункциональное топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное и подовое перекрытия, с установленными на фронтовой стене, по крайней мере в один горизонтальный ряд газовыми горелками, имеющими вертикальные плоскости симметрии, вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя, направленные в сторону камеры сгорания газовые сопла, размещенные между газовыми горелками вертикально-щелевые каналы для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания, имеющие вертикальные плоскости симметрии, установленные в один горизонтальный ряд на задней стене основные воздушные сопла, имеющие вертикальные плоскости симметрии, совмещенные с вертикальными плоскостями симметрии газовых горелок, размещенное на задней стене с примыканием к потолочному перекрытию окно для вывода газообразных продуктов сгорания, дополнительные воздушные сопла, размещенные на фронтовой стене под каналами для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания и имеющие вертикальные плоскости симметрии, совмещенные с вертикальными плоскостями симметрии этих вертикально-щелевых каналов (Особенности и организация факельного процесса в топке с многофункциональными горелками / В.В. Осинцев и др. // Электрические станции, №11, 2002. - с.14-19, рис.1, 2; патент РФ №2228491; МПК F23D 17/00 от 15.04.2003 г., Б.И. №13 от 2007 г.). Устройство является элементом котла, вырабатывающего пар заданных параметров. Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля, его вывода в качестве продукта потребителю.
Известно наиболее близкое многофункциональное топочное устройство, содержащее вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное перекрытие, подовое перекрытие со скатами со стороны фронтовой и задней стен, установленные на фронтовой стене, по крайней мере, в один горизонтальный ряд газовые горелки, имеющие вертикальные плоскости симметрии, вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя и направленные в сторону камеры сгорания газовые сопла, размещенные между газовыми горелками вертикально-щелевые каналы для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания, имеющие вертикальные плоскости симметрии, установленные, по крайней мере, в один горизонтальный ряд на задней стене основные воздушные сопла, вертикальные плоскости симметрии которых совмещены с вертикальными плоскостями симметрии газовых горелок, размещенное на задней стене с примыканием к потолочному перекрытию окно для вывода газообразных продуктов сгорания, размещенные в охлаждаемом кожухе в центре подового перекрытия шнековые узлы для вывода из камеры сгорания коксовых частиц, воздушные охладители кипящего слоя с подводящими воздуховодами и сбросными газоходами, дополнительные воздушные сопла первой ступени, размещенные на фронтовой стене под вертикально-щелевыми каналами, вертикальные плоскости симметрии которых совмещены с вертикальными плоскостями симметрии этих вертикально-щелевых каналов, а также паровые сопла и размещенные на задней стене с наклоном к подовому скату и имеющие собственные вертикальные плоскости симметрии дополнительные воздушные сопла второй ступени (патент РФ №2267055; МПК F23С 1/12 от 31.01.2005 г., Б.И. №36 от 2005 г.). Устройство является элементом котла, вырабатывающего пар заданных параметров. Недостаток устройства - отсутствие возможности ведения управляемого процесса активирования угля, его вывода в качестве продукта потребителю.
Задача изобретения - организация процесса активирования угольных частиц, вывода их потребителю в качестве продукта с сохранением независимой выработки пара.
Поставленную задачу решает многофункциональное топочное устройство, вертикальную призматическую камеру сгорания, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены, потолочное перекрытие, подовое перекрытие со скатами со стороны фронтовой и задней стен, установленные на фронтовой стене, по крайней мере, в один горизонтальный ряд газовые горелки, имеющие вертикальные плоскости симметрии, вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя и направленные в сторону камеры сгорания газовые сопла, размещенные между газовыми горелками вертикально-щелевые каналы для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания, имеющие вертикальные плоскости симметрии, установленные, по крайней мере, в один горизонтальный ряд на задней стене основные воздушные сопла, вертикальные плоскости симметрии которых совмещены с вертикальными плоскостями симметрии газовых горелок, размещенное на задней стене с примыканием к потолочному перекрытию окно для вывода газообразных продуктов сгорания, размещенные в охлаждаемом кожухе в центре подового перекрытия шнековые узлы для вывода из камеры сгорания коксовых частиц, воздушные охладители кипящего слоя с подводящими воздуховодами и сбросными газоходами, дополнительные воздушные сопла первой ступени, размещенные на фронтовой стене под вертикально-щелевыми каналами, вертикальные плоскости симметрии которых совмещены с вертикальными плоскостями симметрии этих вертикально-щелевых каналов, а также паровые сопла и размещенные на задней стене с наклоном к подовому скату и имеющие собственные вертикальные плоскости симметрии дополнительные воздушные сопла второй ступени, где, согласно изобретению, вертикальные плоскости симметрии дополнительных воздушных сопл второй ступени совмещены с вертикальными плоскостями симметрии вертикально-щелевых каналов для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания и дополнительных воздушных сопл первой ступени, паровые сопла установлены равномерно в кожухе выводящего коксовые частицы шнекового узла навстречу выводимому потоку частиц, а сбросные газоходы охладителей кипящего слоя подключены к дополнительным воздушным соплам первой и второй ступени.
Совмещение вертикальных плоскостей симметрии дополнительных воздушных сопл второй ступени с вертикальными плоскостями симметрии вертикально-щелевых каналов для ввода смеси угольных частиц и газообразных продуктов сгорания и дополнительных воздушных сопл первой ступени позволяет вести управляемые реакции активирования угольных частиц с нагревом, выделением и сжиганием легких фракций летучих веществ; установкой паровых сопл в кожухе выводящего коксовые частицы шнекового узла навстречу выводимому потоку частиц достигается эффективный вывод тяжелых фракций летучих веществ; подключение газоходов охладителей кипящего слоя к дополнительным воздушным соплам минимизирует расход газа на нагрев водимых в топку угольных частиц за счет использования выводимой из охладителя теплоты.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема многофункционального топочного устройства, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.
Многофункциональное топочное устройство на фиг.1, 2, 3 содержит вертикальную призматическую камеру сгорания 1, ограничивающие боковые, фронтовую и заднюю стены 2, 3, 4, 5 соответственно, потолочное перекрытие 6, подовое перекрытие 7 со скатами 8, 9 со стороны фронтовой и задней стен 4, 5 соответственно, установленные на фронтовой стене 4, по крайней мере, в один горизонтальный ряд газовые горелки 10, имеющие вертикальные плоскости симметрии а, вертикально-щелевые каналы 11 для ввода окислителя 12 и направленные в сторону камеры сгорания 1 газовые сопла 13 для ввода газа 14, размещенные между газовыми горелками 10 вертикально-щелевые каналы 15 для ввода смеси угольных частиц 16 и газообразных продуктов сгорания 17, имеющие вертикальные плоскости симметрии β, установленные, по крайней мере, в один горизонтальный ряд на задней стене 5 основные воздушные сопла 18, имеющие вертикальные плоскости симметрии γ, совмещенные с вертикальными плоскостями симметрии α газовых горелок 10, размещенное на задней стене 5 с примыканием к потолочному перекрытию 6 окно 19 для вывода газообразных продуктов сгорания 20, размещенные в охлаждаемом кожухе 21 в центре подового перекрытия 7 шнековые узлы 22 для вывода из камеры сгорания 1 коксовых частиц 23, воздушные охладители 24 коксовых частиц 23 кипящего слоя с подводящими воздуховодами 25 и сбросными газоходами 26, дополнительные воздушные сопла 27 первой ступени, размещенные на фронтовой стене 4 под вертикально-щелевыми каналами 15 для ввода смеси угольных частиц 16 и газообразных продуктов сгорания 17, имеющие вертикальные плоскости симметрии δ, совмещенные с вертикальными плоскостями симметрии β каналов 15, а также паровые сопла 28 и размещенные на задней стене 5 с наклоном к подовому скату 9 и имеющие собственные вертикальные плоскости симметрии ε дополнительные воздушные сопла 29. Особенностью устройства на фиг.1, 2, 3 является совмещение вертикальных плоскостей симметрии ε дополнительных воздушных сопл 29 с вертикальными плоскостями симметрии α, β вертикально-щелевых каналов 15 для ввода смеси угольных частиц 16 и газообразных продуктов сгорания 17 и дополнительных воздушных сопл 27 первой ступени, равномерная установка в кожухе 21 выводящего коксовые частицы 23 шнекового узла 22 навстречу выводимому потоку частиц 23 паровых сопл 28, подключение сбросных газоходов 26 охладителей 24 кипящего слоя к дополнительным воздушным соплам 27, 29 первой и второй ступеней соответственно.
Работа многофункционального топочного устройства на фиг.1, 2, 3 осуществляется в режимах выработки активированного угля и тепловой энергии (пара), выработки стройматериала и тепловой энергии, а также выработки только тепловой энергии. В режиме выработки активированного угля и тепловой энергии в камеру сгорания 1 через горелки 10 вводят струи газа 14 и окислителя 12. При взаимодействии топливных и окислительных потоков 14, 12 в камере образуются газовые факелы 30, выделяющие теплоту. Через сопла 15 в топку вводят потоки двухфазной смеси из частиц угля 16 и продуктов сгорания 17. Угольные частицы 16 предварительно фракционируют по размеру, что исключает вынос в выходное окно 19 мелочи. При попадании в топку частицы угля 16 под воздействием теплового излучения прогреваются. Потоки продуктов сгорания газовых факелов 30 отводятся вдоль задней стены 5 в выходное окно 19. Частицы угля 16 в потоке 17 направляют на заднюю стену 5 и вдоль ската 9 с помощью потоков воздуха 31 из дополнительных сопл 29 второй ступени вводят в плотные шнековые узлы 22. При движении потока вдоль ската 9 из частиц 16 выделяются легкие фракции летучих веществ. В шнек попадают коксовые частицы 23 без части упомянутых фракций летучих веществ. В шнековом узле 22 в противоток частицам 23 через сопла 28 вводят струи пара, что инициирует выход тяжелых фракций летучих веществ; последние, выделяясь из частиц 23, вместе с паром выносятся в объем камеры сгорания 1 и сгорают. Очищенные от легких и тяжелых летучих веществ коксовые частицы 32 попадают в охладитель 24, где охлаждаются потоками воздуха 33 и водонагревателями 34. Охлажденные коксовые частицы 32 представляют собой активированный узкофракционированный порошкообразный уголь, готовый продукт, выводимый потребителю. Нагретые и загрязненные потоки воздуха 35 из охладителей 24 направляют в газовые фильтры 36, далее в газоходы 26, подключенные к соплам 27, 29. Фильтры 36 имеют системы продувки (очистки) 37.
Совмещение вертикальных плоскостей симметрии 8 дополнительных воздушных сопл 29 второй ступени с вертикальными плоскостями симметрии α, β вертикально-щелевых каналов 15 для ввода смеси угольных частиц 16 и газообразных продуктов сгорания 17 и дополнительных воздушных сопл 27 первой ступени позволяет вести управляемые реакции активирования угольных частиц 16 с нагревом, выделением и сжиганием легких фракций летучих веществ; установкой паровых сопл 28 в кожухе 21 выводящего коксовые частицы 32 шнекового узла навстречу выводимому потоку частиц 16 достигается эффективный вывод тяжелых фракций летучих веществ; подключение газоходов 26 охладителей 24 кипящего слоя к дополнительным воздушным соплам 27, 29 минимизирует расход газа 14 на нагрев водимых в топку угольных частиц 16 за счет использования выводимой из охладителей 24 теплоты.
В режиме выработки стройматериалов и тепловой энергии в камеру сгорания 1 вводят те же реагенты, используют те же узлы ввода и вывода продуктов сгорания, поддерживая более высокий уровень температуры, что позволяет выделять и выжигать из угольных частиц не только летучие вещества, но и большую часть коксового остатка. Выводимый из охладителей 24 продукт 32 направляют на производство огнеупорного и силикатного кирпича.
В режиме выработки только тепловой энергии в камеру сгорания 1 вводят только потоки газа 14 и окислителя 12 через горелки 10 и воздух через сопла 18. В этот период осуществляется наладка и ремонт оборудования по выработке активированного угля и стройматериалов.
Практическое использование предлагаемого многофункционального топочного устройства связано с котлами промышленных котельных и тепловых электростанций. Особенно выгодно данное устройство при использовании коксового газа как сопутствующего продукта коксования на крупных промышленных предприятиях.