Низкотемпературная вихревая топка

Полезная модель относится к организации камерного сжигания измельченного топлива и может использоваться при реконструкции существующих и создании новых промышленных и энергетических котлов.
Известна применяемая в энергетике низкотемпературная вихревая топка (НТВ) [Котлер В. Р. Специальные топки энергетических котлов. -М.: Энергоатомиздат, 1990, рис.22], содержащая расположенные на вогнутом внутрь топки участке фронтового экрана с наклоном вниз прямоточные горелки с каналом топливовоздушной смеси и сопла нижнего дутья, установленные на противоположной стенке в нижней части холодной воронки (ХВ), причем сопла нижнего дутья и прямоточные горелки направлены встречно и тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения. Струи горелок и нижнего дутья, действуя в паре, создают горящий вихрь, заполняющий ХВ. При этом нижняя часть экранов и топочный объём ХВ включаются в активный топочный процесс и теплообмен, соответственно температура топочного процесса снижается. Благодаря более низкой температуре топочного процесса снижается эмиссия вредных оксидов азота и уменьшается шлакование топочных экранов.
Недостатками этой НТВ топки являются
низкая экономичность из-за большого недожога с уносом. Горящая топливовоздушная струя после разворота в ХВ совместно с вторичным дутьем восходит вдоль фронтового экрана и налетает на выходящую из горелки струю, отклоняет горелочную струю вверх почти до горизонтального натекания на задний экран. Соответственно значительная часть, примерно 50% топливовоздушной смеси, движется вверх по кратчайшему пути вдоль заднего экрана, причем при недостатке воздуха только с первичным дутьём и с недожогом до 5-10% покидает топку. Именно этот поток требует повышенных избытков воздуха, создает повышенный недожог топлива и снижает экономичность топки.
Набегающие на задний экран горящие топливовоздушные струи являются восстановительной средой, и в этой зоне топки НТВ будут склонны к шлакованию, что снижает надежность её работы.
Активная аэродинамика и интенсивный теплообмен сосредоточен преимущественно в зоне ХВ, поэтому для обеспечения низкотемпературного топочного процесса необходима особая конструкция топки.
Конструкции собственно НТВ топки сложны. Требуется аэродинамический выступ и вогнутый внутрь топки участок фронтового экрана под установку с наклоном вниз прямоточных горелок, что существенно удорожает стоимость новых котлов или проведение реконструкций.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа, является НТВ топка [Патент РФ № 2132016]. НТВ топка содержит расположенные в ряд на фронтовом экране с наклоном вниз две прямоточные горелки с двумя V образно расположенными каналами топливовоздушной смеси и сопла нижнего дутья, установленные на противоположной стенке в нижней части ХВ, причем сопла нижнего дутья и каналы топливовоздушной смеси направлены встречно и тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения, а в верхней части каналов топливовоздушной смеси расположены сопла вторичного дутья. Кроме того в прототипе крайние каналы топливовоздушной смеси ориентированы под свои горелки, а средние направлены на задний экран со слиянием топливовоздушных струй в одну.
При этом создается вихрь, причем поток после слияния топливовоздушных струй из средних каналов в одну устремляется вниз, в ХВ и далее с нижним дутьем восходит по фронтовому экрану и, только проходя вдоль него, постепенно сгорая и охлаждаясь, он покидает топку. Соответственно имеется повышенное время пребывания и хорошие условия для выгорания топлива и охлаждения этой части горящего потока. Доля горящей смеси, идущей по заднему экрану, снижается примерно в два раза, причем она горит более эффективно за счет подачи вторичного дутья. Конструкция этой НТВ топки проста, но желательно с аэродинамическим выступом, поэтому она неэффективна при реконструкции типовых котлов.
Недостатками этой НТВ топки, прототипа, является
Низкая экономичность из-за недожога с уносом.
Недостаточно эффективный теплообмен для обеспечения низкотемпературного топочного процесса, так как часть топливовоздушной смеси покидает топку по кратчайшему пути вдоль заднего экрана.
Набегающие на задний экран горящие топливовоздушные струи являются восстановительной средой, и в этой зоне этой топки НТВ возможно шлакование экранов, что снижает надежность её работы.
Мощность топки ограничена, так как имеется только две горелки.
Техническим результатом полезной модели является повышение:
экономичности; эффективности теплообмена с поддержанием низкотемпературного топочного процесса; надежности работы; мощности НТВ топки.
Технический результат достигается тем, что в НТВ топке, содержащей расположенные в ряд на фронтовом экране с наклоном вниз прямоточные горелки с двумя V-образно распложенными каналами топливовоздушной смеси и сопла нижнего дутья, установленные на противоположной стенке в нижней части ХВ, причем сопла нижнего дутья и прямоточные горелки направлены встречно и тангенциально к условному телу, горящему вихрю, с горизонтальной осью вращения, по предлагаемой полезной модели устанавливается не менее двух горелок, причем крайние каналы крайних прямоточных горелок ориентированы в углы между прилежащими боковыми и задним экранами, а другие их каналы ориентированы под соседние горелки.
В итоге топливовоздушные струи горелок и воздушные струи нижнего дутья, действуя в паре, создают в ХВ горящий вихрь, ХВ включается в активный топочный процесс и теплообмен. При этом топливовоздушные струи из крайних каналов устремляются вниз, в ХВ и далее, сливаясь с нижним дутьем, они восходят в угловых зонах между фронтовым и боковыми экранами вверх к потолочному экрану. Струи из средних каналов, так как они направлены под соседние горелки, сталкиваются, сливаются в среднем сечении между горелками и создают общие струи, которые ныряют в ХВ и с нижним дутьем восходят по фронтовому экрану между горелок вверх к потолочному экрану. При этом, хотя в ХВ струи расширяются и постепенно сливаются, но восходящие горящие струи сталкиваются с исходящими из горелок топливовоздушными струями горелок периферийно. Они обеспечивают зажигание и стабилизацию горения исходящих топливовоздушных струй, но не отклоняют их, что минимизирует поток, отклоняющийся по заднему экрану. В итоге, почти весь горящий поток топливовоздушной смеси сначала натекает на задний экран, по нему движется вниз, сливается с нижним дутьем, далее восходит по фронтовому экрану до потолочного экрана и покидает топку.
На этом, наиболее длинном и длительном по времени пребывания частиц пути, причем с гравитационной сепарацией и удержанием крупных частиц топлива, горящий поток глубоко выгорает, активно охлаждается по мере выгорания топлива, эффективно обеспечивая низкотемпературный режим горения во всем объёме НТВ топки. Конструкция этой НТВ топки наиболее проста, возможно применять НТВ топки без аэродинамического выступа, поэтому она эффективна при реконструкции котлов, причем число горелок и соответственно мощность котлов может быть любой. В итоге предлагаемые технические решения обеспечивают заявленные: высокую экономичность, эффективный теплообмен с поддержанием низкотемпературного топочного процесса и простую конструкцию НТВ топки с произвольным числом горелок и соответственно с любой мощностью котла.
В дополнительных пп.2 и 3 предлагается установить на заднем экране в один и более рядов сопла верхнего дутья, которые располагают на уровне встречи топливовоздушных струй с задним экраном и ниже, причем эти сопла направлены вниз по экрану. При этом обеспечивается подача в виде верхнего дутья вниз по экрану. Соответственно воздух оттесняет восстановительную среду, имеющуюся в натекающих на задний экран горящих топливовоздушных струях, защищает экран от шлакования, что повышает надежность работы предлагаемой топки НТВ.
На фиг.1 условно показано вертикальное продольное сечение НТВ топки, на фиг.2 вариант выполнения сопл верхнего дутья на газоплотном заднем экране и на фиг.3 - горизонтальное сечение НТВ топки.
НТВ топка 1, фиг.2 и фиг.3, образована фронтовым 2, задним 3 и боковыми 4 экранами котла. На фронтовом экране 2 расположены с наклоном вниз не менее двух прямоточных горелок 5 с двумя V-образно распложенными каналами 6 топливовоздушной смеси, сопла 7 нижнего дутья и сопла 8 верхнего дутья, установленные на заднем 3 экране. Сопла 7 нижнего дутья располагаются в нижней части ХВ 9, а сопла 8 верхнего дутья в два (возможно и более) ряда на уровне встречи топливовоздушных струй 10 с задним экраном 3 и ниже, и они направлены вниз по экрану 3. Сопла нижнего дутья 7 и прямоточные горелки 5 направлены встречно и тангенциально к условному телу формируемого горящего вихря 11 с горизонтальной осью вращения. Кроме того в топке формируются горящие потоки: восходящий по заднему экрану 3 поток 12, основной поток 13, восходящий по фронтовому экрану 2 до потолочного экрана 14 и далее, а также пристенный слой 15 воздуха.
В варианте НТВ топки, изготавливаемой из газоплотных экранов путем вварки между труб 16 экрана проставок 17, предлагаются сопла 8 верхнего дутья выполнять в виде щелей между проставками 17, устанавливаемыми с зазором, фиг.2.
Конструкция этой НТВ топки проста, в виде призмы, она эффективна при реконструкции котлов, так как не требует изменения экранов, причем число горелок и соответственно мощность котлов может быть любой.
При работе НТВ топки 1 струи, истекающие из прямоточных горелок 5 и сопл 7 нижнего дутья, действуя в паре, создают горящий вихрь 11, заполняющий ХВ 9, топочный объём ХВ, включаются в активный топочный процесс и теплообмен. Топливовоздушные струи 10 из крайних каналов 6 устремляются вниз, в ХВ 9, и далее они с нижним дутьем восходят в угловых зонах между фронтовым 2 и боковыми 4 экранами. Струи из средних каналов 6 сталкиваются попарно и создают общие струи, которые восходят по фронтовому экрану 2 между прямоточных горелок 5. Таким образом, в НТВ топке 1 формируется восходящий горящий поток, поднимающийся по фронтовому экрану 2 до потолочного экрана 14 и далее. На этом наиболее длинном и длительном по времени пребывания частиц пути, причем с гравитационной сепарацией и удержанием крупных частиц топлива, горящий поток глубоко выгорает, активно охлаждается по мере выгорания топлива, эффективно обеспечивая низкотемпературный режим горения.
Весь горящий поток топливовоздушной смеси, который поступает из прямоточных горелок 5, сначала натекает на задний экран 3, по нему движется вниз в ХВ, сливается с нижним дутьем, далее как основной горящий поток 13 восходит по фронтовому экрану 2 до потолочного экрана 14 и покидает топку. Горящий вихрь 11 и восходящий основной горящий поток 13 зажигают исходящие из горелок 5 топливовоздушные струи 10, причем горящий поток 13 почти не сталкивается с этими струями, не отклоняет их, что минимизирует поток 12 по заднему экрану 3.
Расположенные на заднем экране 3 сопла 8 верхнего дутья, в том числе выполняемые в виде щелей между проставками 17, устанавливаемыми с зазором в варианте газоплотного экрана 3 с их вваркой между труб 16, фиг.2, и направленные вниз обеспечивают подачу воздуха с образованием на экране 3 пристенного слоя. Этот слой 15 воздуха защищает экран 3 от шлакования восстановительной средой, имеющейся в натекающих на задний экран горящих топливовоздушных струях, что повышает надежность работы предлагаемой топки НТВ.
В итоге предлагаемые технические решения обеспечивают заявленные: высокую экономичность, эффективный теплообмен с поддержанием низкотемпературно топочного процесса и простую конструкцию НТВ топки с произвольным числом горелок.