УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
WATER-COAL FUEL COMBUSTION DEVICE

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. В результате, режим работы котла недостаточно устойчив.
Наиболее близким решением 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, а также экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения с пучком конвективных труб внутри, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, в котором камера сгорания размещена внутри камеры охлаждения, причем так, что они имеют общую фронтальную стенку, на которой смонтированы форсунки, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу ВУТ, других видов топлива и первичного окислителя, и дутьевые сопла, а внутри камеры сгорания установлена центральная вставка.
Недостаток названной конструкции топки для сжигании водоугольного топлива заключается в том, что она не обеспечивает достаточно однородных температурных полей внутри камеры сгорания. В зоне взаимодействия топливного факела и струи дутьевого воздуха происходит интенсивное горение топлива и резкое повышение температуры. В результате частицы угля и золы налипают на стенки камеры сгорания и плавятся, что приводит к шлакованию поверхностей топки. Кроме того, скорость потока горячих газов в нижней части камеры сгорания оказывается недостаточно высокой, в силу чего со временем происходит накопление золы и ее плавление.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение однородности температур по объему топки, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.
Для достижения поставленной задачи предлагается топочное устройство для сжигания водоугольного топлива, содержащее футерованную камеру сгорания цилиндрической формы с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, вблизи осей симметрии которых размещены газоперепускные окна, и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения с конвективным пучком труб внутри нее, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, причем камера сгорания установлена внутри камеры охлаждения, на фронтальной стенке камеры сгорания смонтированы топливные форсунки, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу разных видов топлива и первичного окислителя, и дутьевые сопла, установленные с касательной подачей окислителя, а внутри камеры сгорания установлена центральная огнеупорная вставка. Согласно изобретению дополнительно в нижней части камеры сгорания установлено щелевое сопло, соединенное с зоной позади конвективного пучка труб камеры охлаждения газоходом для принудительной перекачки газов из этой зоны в камеру сгорания с возможностью регулирования расхода газа и скорости на выходе из сопла, при этом угол отклонения оси сопла от касательной к образующей цилиндра камеры сгорания изменяется от 0 до 30 градусов, а также установлен газоход от камеры охлаждения из зоны позади конвективного пучка труб до дутьевого сопла с возможностью регулирования расхода газа. Газоход от камеры охлаждения соединен с дутьевым соплом посредством струйного эжектора с активной дутьевой воздушной струей. Щелевое сопло в нижней части камеры сгорания выполнено в виде линейки цилиндрических трубок. Струи газа, формируемые цилиндрическими трубками, более устойчивы по сравнению со струями, создаваемыми щелевым соплом, особенно при пониженных расходах газа.
Возвращенные уходящие газы практически не содержат кислорода и имеют температуру на уровне 150°С. Температура газов в области интенсивного горения топлива принимает значения выше 1000°С.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшить температуру в топке за счет затрат тепла на нагрев возвратных уходящих газов, а также снизить концентрацию кислорода в воздушно-топливной среде в зоне впрыска водоугольной суспензии и, тем самым, снизить здесь интенсивность горения углерода. При этом зона интенсивного горения углерода может быть увеличена вплоть до размеров всей камеры горения, а максимальная температура газов внутри камеры приближена к среднему значению. Кроме того, в нижней части камеры сгорания увеличится скорость потока газов, что обеспечит вынос мелких легких частиц золы из камеры сгорания. Такой режим горения обеспечивает полноту выгорания ВУТ, снижение максимальных температур в топке, снижение выхода токсичных газовых выбросов (в частности, оксидов азота) и предотвращает шлакование котлоагрегатов. Теплота, затраченная на дополнительный нагрев возвратных газов, забирается от потока газов в теплообменной части топочного устройства, при этом кпд котла изменяется мало.
На фиг.1 и 2 показаны продольное и поперечное сечения предлагаемого топочного устройства. Где: 1 - камера охлаждения; 2 - кипятильные трубы; 3 - конвективный пучок труб камеры охлаждения; 4 - камера сгорания; 5 - торцевые стенки камеры сгорания; 6 - газоперепускные окна; 7 - центральная вставка; 8 - дутьевые сопла; 9 - фронтальная стенка камеры сгорания; 10 - топливные форсунки; 11 - зона позади конвективного пучка труб; 12 - щелевое сопло; 13 - струйный эжектор; 14, 15 - газоходы; 16 - устройство регулирования расхода газа.
Внутри камеры охлаждения 1 топочного устройства установлены кипятильные трубы 2, конвективный пучок труб 3 и камера сгорания 4 с торцевыми стенками 5, в которых установлены газоперепускные окна 6. Внутри камеры сгорания 4 смонтирована центральная вставка 7. На фронтальной стенке 9 установлены дутьевые сопла 8 и топливные форсунки 10. От зоны позади конвективного пучка труб 11 камеры охлаждения 1 установлены газоход 14 к щелевому соплу 12, расположенному в нижней части камеры сгорания 4, и газоход 15 к дутьевым соплам 8. При этом подвод газов от камеры охлаждения к щелевому соплу 12 может быть организован, например, с помощью вентилятора или компрессора, к дутьевым соплам и выполнен в форме струйного эжектора 13, где роль активной струи играет дутьевой воздух. Оба газохода оснащены устройствами 16 для регулировки расходов горячих газов, поступающих из камеры охлаждения в камеру сгорания через щелевое сопло и дутьевое сопло.
Работа устройства 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 организуется режим горения. За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания и центральной вставки. После разогрева стенок камеры до температуры 400-500°С к дизельному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания доля дизельного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы, когда подача дизельного топлива прекращается полностью. Создаваемая форсункой воздушно-капельная струя, примыкая к стенкам центрального тела за счет эффекта Коанда, закручивается в кольцевом канале в вихревой поток. Дутьевой газ попадает в камеру сгорания по касательной к ее стенкам и поддерживает закрутку потока внутри камеры. Таким образом, газ поступает в камеру сгорания тангенциально к ее стенкам и уходит из камеры через газоперепускные окна 6, расположенные на торцевых стенках камеры сгорания вблизи их осей вращения. Поэтому скорости потока газа практически во всем объеме камеры имеют тангенциальную составляющую и радиальную составляющую, направленную к оси симметрии камеры сгорания. Капля ВУТ (или частица угля), попавшая в такой поток, под действием центробежных сил, обусловленных тангенциальными составляющими скорости потока, стремится выбраться на стенку камеры сгорания, 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. За счет тепла, получаемого от сгорания дизельного топлива на начальном этапе, а затем и 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 топки.
Интенсивность горения частиц угля зависит еще и от концентрации кислорода в данном месте. В области взаимодействия воздушно-топливной струи, формируемой форсункой, и воздуха, поступающего через дутьевое сопло, концентрация кислорода максимальна. Интенсивность горения здесь особенно велика, и, как следствие, температура принимает максимальные значения. Подмешивание уходящих газов, имеющих температуру порядка 150 градусов и практически не содержащих кислорода, к воздуху, подаваемому через дутьевые сопла, уменьшает местную температуру газов, снижает локальную концентрацию кислорода и, тем самым, уменьшает интенсивность горения топлива, увеличивает скорость газов в их вихревом движении. Благодаря этому горение угля становится более равномерным по всему объему топки.
Вдув уходящих газов через нижнее щелевое сопло 12 приводит к увеличению как местной скорости газов, так и скорости в более удаленных частях топки. Это позволяет выносить из топки мелкие легкие частицы золы, скапливающиеся в нижней части топки.
Осуществление изобретения.
На заводе стеновых блоков, г.Новосибирск, и в поселке Мошково Новосибирской области, котлы со слоевым сжиганием угля были переоборудованы на сжигание угля в виде ВУТ. На первом этапе на котлах не была организована переброска части уходящих газов в камеру сгорания. При эксплуатации котлов возникли проблемы со шлакованием поверхностей нагрева. Установка газоходов от зоны позади конвективного пучка труб до камеры сгорания и переброска части уходящих газов с температурой порядка 150°С в камеру сгорания позволили снизить максимальную температуру в камере сгорания и решить проблему со шлакованием.