Котел с кипящим слоем и сепаратором твердых частиц

 

Использование: в теплоэнергетике, в частности, в котлостроении. Сущность изобретения: котел имеет, по крайней мере, два контура циркуляции твердых частиц, соответственно внутрипоточный и внешний по отношению к топке. В первом контуре в качестве сепаратора твердых частиц используют дожигательный вихрь с вертикальной осью вращения, образуемый тангенциальным вводом к условной, вписанной в среднюю часть надслоевой части топки, цилиндрической поверхности соответственно топливовоздушной смеси и встречно смешанных по горизонтали потоков вторичного воздуха. Во втором контуре циркуляции твердых частиц в качестве сепаратора используют пучок с шахматным расположением V-образных элементов, прикрепленных к трубам фестона, выведенного из заднего экрана, которые в первом и каждом нечетном по ходу газов рядах установлены выступом навстречу к потоку газа, а во втором и каждом четном рядах элементы установлены впадиной навстречу потоку газа, что позволяет снизить аэродинамическое сопротивление, повысить эффективность сепарации, надежность и повысить экономичность путем снижения недожога и вредных выбросов. 6 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлостроении.

Известны котлы с кипящим слоем и сепаратором твердых частиц, встроенным в его верхнюю часть между топкой и конвективной шахтой, который выполнен из паровых или водотрубных пучков с шахматным расположением труб, снабженных каждая двумя ребрами, прикрепленными к их диаметрально расположенным частям так, что плоскости ребер параллельны или почти параллельны друг другу [1] Указанные котлы имеют пониженную экономичность из-за увеличения аэродинамического сопротивления сепаратора, ребра труб которого установлены навстречу потоку газов.

Кроме того, эффективность сепарации сепаратора снижается с повышением скорости выше предела, при котором выдуваются из междуреберных участков твердые частицы и происходит их вторичный захват потоком газов.

Скорость потока запыленного газа выбирают пониженной и из-за предотвращения износа труб частицами, поэтому указанные трубы, внутри которых движется пар или вода, оказываются неэффективной поверхностью нагрева котла.

Известны также котлы с кипящим слоем и сепаратором твердых частиц, встроенным в его верхнюю часть между топкой и конвективной шахтой, который выполнен из пучка V-образных элементов ориентированных выступом по потоку газов [2] Недостатком указанного котла является пониженная надежность, поскольку в зоне высоких температур его элементы, выполненные неохлаждаемыми, подвержены интенсивной коррозии и износу.

Снижается также экономичность котла, поскольку увеличивается аэродинамическое сопротивление указанного пучка сепаратора, поскольку V-образные элементы все ориентированы выступом по потоку газа, а впадиной навстречу потока газа.

При повышении скорости газа выше некоторого предела происходит выдувание частиц из впадин V-образных элементов и вторичный захват частиц потоком газа, что снижает эффективность сепарации.

Цель изобретения повышение эффективности сепарации, экономичности и надежности.

Цель достигается тем, что котел с кипящим слоем и сепаратором твердых частиц содержит топку с огнеупорным корпусом и устройством загрузки топлива, экран из труб, расположенный у передней, задней и боковых стенок котла, и устройство для возврата сепарированного уноса в кипящий слой, при этом сепаратор установлен в верхней части последнего между топкой и конвективной шахтой и выполнен в виде пучка V-образных элементов, размещенных в шахматном порядке, часть которых, находящаяся в четных рядах пучка по отношению к потоку, ориентирована выступами по потоку, а впадинами навстречу потоку, при этом часть V-образных элементов, расположенных в нечетных рядах пучка, ориентирована выступом навстречу к потоку, причем во впадинах этих элементов установлены трубы экрана контура хладагента котла, а в четных рядах пучка упомянутые трубы прикреплены к выступам элементов.

V-образные элементы первого по ходу потока газа ряда имеют постоянную толщину стенки, причем их поперечные сечения увеличиваются в направлении сверху вниз.

Угол между ветвями V-образных элементов первого по ходу газа ряда монотонно увеличивается в направлении в задней стенке котла с образованием сплошной плоской стенки перед входом труб пучка этого ряда в плоскость экрана задней стенки топки, при этом стенка расположена вместе с трубами экрана также и в периферийной опускной части фонтанирующего кипящего слоя, а трубы экрана прикреплены к ней, например, с помощью охватывающих элементов или сварки вдоль лобовых образующих труб.

Устройство для возврата сепарированного уноса образовано установкой стенки с трубами экрана задней стенки топки с зазором относительно огнеупорного корпуса топки с образованием сосуда, сообщающего нижнюю часть сепаратора с опускной частью фонтанирующего кипящего слоя.

Сосуд снабжен патрубком для вывода избыточного количества уноса из последнего, подключенным к топке выше уровня фонтанирующего слоя.

Топка снабжена призматической камерой дожигания с нижней частью в форме воронки, в устье которой размещена продольная воздухораспределительная решетка с воздухоподводящими трубами, имеющими выхлопные участки, ориентированные вдоль контура устья воронки, при этом впускные участки труб выполнены прямыми и закреплены в вертикальных стенках воздухоподводящего короба, установленного симметрично в устье воронки с соответствующими провальными зазорами от стен устья, а оставшиеся участки труб установлены с возможностью поворота относительно осей упомянутых впускных участков.

Топка снабжена устройствами для ввода вторичного воздуха в надслоевую часть над воронкой, выхлопные участки которых размещены встречно-смещенно по горизонтали на противолежащих боковых стенах корпуса и ориентированы вдоль контура устья воронки.

На фиг. 1 показан предлагаемый котел, продольный разрез; на фиг. разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 вид по стрелке Б на фиг.1; на фиг.4 вид по стрелке В на фиг.2; на фиг.5 разрез Г-4Г на фиг.1; на фиг.6 узел I на фиг.5; на фиг.7 вариант узла I.

Котел имеет топку 1 с огнеупорным корпусом 2 и устройством загрузки 3 топлива, экран 4 из труб, расположенных у передней 5, задней 6 и боковых 7 стенок котла и устройство 8 для возврата сепарированного уноса в кипящий слой, при этом сепаратор 9 установлен в верхней части последнего между топкой 1 и конвективной шахтой 10 и выполнен в виде пучка V-образных элементов 11, размещенных в шахматном порядке, часть которых, находящаяся в четных рядах 12 пучка по отношению к потоку газа, ориентированы выступами 13 по потоку, а впадинами 14 навстречу потоку, при этом часть V-образных элементов 11, расположенных в нечетных рядах 15 пучка, ориентирована выступом 13 навстречу к потоку, причем во впадинах 14 этих элементов 11 установлены трубы 16 экрана 4 контура циркуляции хладагента котла, а в четных рядах 12 пучка упомянутые трубы 16 прикреплены к выступам 13 элементов 11.

V-образные элементы 11 первого по ходу потока газа ряда 15 имеют постоянную толщину стенки, причем их поперечные сечения 17 увеличиваются в направлении сверху вниз.

Угол между ветвями V-образных элементов 11 первого по ходу газа ряда 15 монотонно увеличивается в направлении к задней стенке 6 котла с образованием сплошной плоской стенки 18 перед входом труб 16 пучка этого ряда 15 в плоскость экрана 4 задней стены 6 топки 1, при этом стенка 18 расположена вместе с трубами 16 также и в периферийной опускной части 19 фонтанирующего кипящего слоя 20, а трубы 16 экрана 4 прикреплены к ней, например, с помощью охватывающих элементов 21 или сварки вдоль лобовых образующих труб 16.

Устройство 8 для возврата сепарированного уноса образовано установкой стенки 18 с трубами 16 экрана 4 с зазором относительно задней стенки 6 огнеупорного корпуса 2 топки 1 с образованием сосуда 22, сообщающего нижнюю часть сепаратора 9 с опускной частью 19 фонтанирующего кипящего слоя 20.

Сосуд 22 снабжен патрубком 23 для вывода избыточного количества уноса из последнего, подключенным к топке 1 выше уровня фонтанирующего слоя 20.

Топка 1 снабжена призматической камерой 24 дожигания с нижней частью в форме воронки 25, в устье 26 которой размещена провальная воздухораспределительная решетка с воздухоподводящим коробом 27 и трубами 28, имеющими выхлопные участки 29, ориентированные вдоль контура устья 26 воронки 25, при этом впускные участки 30 труб 28 выполнены прямыми и закреплены в вертикальных стенках воздухоподводящего короба 27, установленного симметрично в устье 26 воронки 25 с соответствующими провальными зазорами от стен устья 26, а оставшиеся участки труб 29 установлены с возможностью поворота труб 28 относительно осей упомянутых впускных участков 30.

Топка 1 снабжена устройствами 31 для ввода вторичного воздуха в надслоевую часть над воронкой 25, выхлопные участки которых размещены встречно-смещенно по горизонтали на противолежащих боковых стенах 7 корпуса 2 и ориентированы вдоль контура устья 26 воронки 25.

Котел работает следующим образом.

Включают устройства для ввода в котел питательной воды, воздуха, инертного материала, сорбента и топлива, а также включают устройства для вывода из котла горячей воды или перегретого пара, газообразных продуктов сгорания и золы.

Через устройство 3 заполняют инертным материалом, например кварцевым песком или золой топлива, воронку 25 для уровня расположения самой верхней части короба 27 и известным способом разогревают его над трубами 28 до температуры, достаточной для воспламенения топлива, подлежащего сжиганию, например, с помощью подачи через короб 27 и трубы 28 предварительно нагретого от постороннего источника воздуха, вызывающего при истечении через выхлопные участки 29 труб 28 псевдоожижение материала слоя над трубами 28 решетки, например, в режиме фонтанирования и быстрого разогрева материала до указанной температуры.

Топливо вводят в топку 1 через устройство 3 в соответствующем воздушном потоке, который направляют тангенциально к условной цилиндрической поверхности, вписанной в среднюю часть надслоевой части топки 1 и над воронкой 25, а через устройства 31 тангенциально к упомянутой цилиндрической поверхности вводят потоки вторичного воздуха с образованием общего вихря с вертикальной осью вращения, благодаря которому достигается интенсивное перемешивание топлива и окислителя с соответствующим перемещением твердых частиц к периферийной части топки 1 и последующим выпадением их в опускную периферийную часть 19 фонтанирующего слоя 20 воронки 25.

При этом топливо смешивается с нагретым инертным материалом и воспламеняется в среде воздуха, вводимого через трубы 28 решетки в фонтане слоя 20, и горит в режиме газификации и самоизмельчения и его измельченные горящие частицы в фонтане выносятся в надслоевую часть топки 1, где в среде воздуха, вводимого через устройства 31 и 3, продолжают гореть в вихре с вертикальной осью вращения и способствуют устойчивому воспламенению и горению вводимого топлива.

Поскольку под воздействием центробежных сил, проявляющихся в вихре с вертикальной осью вращения, твердые частицы отбрасываются к периферийной части топки 1, то происходит наброс нагретых до температуры на 200-300^оС меньше температуры размягчения золы топлива твердых частиц на стены 5, 7 и 18 с соответствующим контактом частиц с трубами экрана 4.

В пристенных зонах корпуса 2 топки 1 твердые частицы под действием сил гравитации опускаются вниз и достигают периферийной опускной части 19 фонтанирующего слоя 20.

Поскольку в надслоевой части топки 1 образуются различные по высоте протяженности контуры циркуляции твердых частиц в зависимости от скорости витания частиц соответственно с подъемным в фонтане и опускным вблизи стен корпуса 2 движением, то при взаимодействии с топочной средой и между собой образуются дополнительные системы вихрей как с вертикальной осью вращения в углах топки 1, так и вихри с горизонтальными осями вращения, простирающимися вдоль контура поперечного сечения топки 1, способствующие увеличению массообмена между центральной и периферийной частями топки 1, а также способствующие интенсификации теплообмена из топочной среды к трубам экрана 4 и стенки 18.

За счет перераспределения воздуха между коробом 27 и устройствами 31 при общем его расходе по отношению к стехиометрическому с коэффициентом 1,2 регулируют интенсивность и долю внутритопочной циркуляции твердых частиц и внешнего контура через сепаратор 9.

При этом вихрь с вертикальной осью вращения, образуемый в надслоевой части топки, выполняет роль сепаратора частиц и позволяет выносить в сепаратор 9 внешнего контура только те частицы, скорость витания которых оказывается значительно меньше скорости подъемного движения потока газа в топке 1 на уровне входа в сепаратор 9, т.е. таких частиц, на поверхности которых практически успевают сгореть все горючие составляющие в результате взаимодействия с окислителем в упомянутом вихре с вертикальной осью вращения надслоевой части топки 1.

При входе в сепаратор 9 поток газа плавно обтекают V-образные элементы 11 первого ряда 15 пучка труб 16, поскольку указанные элементы 11 установлены выступами 13 навстречу к потоку газа, что позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление сепаратора 9.

При проходе второго ряда 12 (каждого четного ряда) V-образных элементов 11 поток газа выдувается из впадин 14 последних в направлении впадин 14 первого (и каждого нечетного) ряда 15 элементов 11 (предшествующего соответствующему четному ряду 12) и затем разворачивается при очень малом радиусе поворота в направлении третьего (или следующего нечетного) ряда 15.

В результате проявления инерционных сил при повороте происходит интенсивная сепарация твердых частиц из потока газа с выпадением частиц во впадинах 14 нечетных рядов 15, а затем под действием гравитационных сил указанные сепарированные частицы по сосуду 22 возвращаются в опускную часть 19 фонтанирующего слоя 20, попутно подвергаясь охлаждению при контакте с трубами 16 экрана 4.

Количество возвращаемых сепарированных твердых частиц в фонтанирующий слой 20 регулируют путем слива избыточного их количества через патрубок 23 из сосуда 22 для регулирования температуры слоя с удержанием на уровне на 200-300^оС ниже температуры размягчения золы топлива.

Сепарированные частицы, которые возвращают в фонтанирующий слой 20, в последнем подвергают размолу с образованием новых поверхностей, через которые окислитель (кислород воздуха), вводимый через короб 27, трубы 28 и устройства 31, или сорбент (известняк) вступают в реакцию горения или поглощения серы, что способствует снижению недожога и вредных выбросов.

Формула изобретения

1. КОТЕЛ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ И СЕПАРАТОРОМ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ, содержащий топку с огнеупорным корпусом и устройством загрузки топлива, экран из труб, расположенный у передней, задней и боковых стенок котла, и устройство для возврата сепарированного уноса в кипящий слой, при этом сепаратор установлен в верхней части последнего между топкой и конвективной шахтой и выполнен в виде пучка V-образных элементов, размещенных в шахматном порядке, часть которых, находящаяся в четных радах пучка по отношению к потоку, ориентирована выступами по потоку, а впадинами навстречу потока, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности сепарации, экономичности и надежности, часть V-образных элементов, расположенных в нечетных рядах пучка, ориентирована выступом навстречу потоку, причем во впадинах этих элементов установлены трубы экрана контура циркуляции хладагента котла, а в четных рядах пучка упомянутые трубы прикреплены к выступам элементов.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что V-образные элементы первого по ходу потока газа ряда имеют постоянную толщину стенки, причем их поперечное сечение увеличивается в направлении сверху вниз.

3. Котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между ветвями V-образного элемента первого по ходу потока газа ряда монотонно увеличивается в направлении к задней стенке котла с образованием сплошной стенки перед входом труб пучка этого ряда в плоскость экрана задней стенки топки, при этом стенки расположены вместе с трубами экрана также и в периферийной опускной части фонтанирующего кипящего слоя, а трубы экрана прикреплены к ней, например, с помощью охватывающих элементов или сварки вдоль лобовых образующих труб.

4. Котел по пп.1 3, отличающийся тем, что устройство для возврата сепарированного уноса образовано установкой стенки с трубами экрана задней стенки топки с зазором относительно огнеупорного корпуса топки с образованием сосуда, сообщающего нижнюю часть сепаратора с опускной частью фонтанирующего кипящего слоя.

5. Котел по пп.1 4, отличающийся тем, что сосуд снабжен патрубком для вывода избыточного количества уноса из последнего, подключенным к топке выше уровня фонтарирующего слоя.

6. Котел по пп.1 5, отличающийся тем, что топка снабжена призматической камерой дожигания с нижней частью в форме воронки, в устье которой размещена провальная воздухораспределительная решетка с воздухоподводящими трубами, имеющими выхлопные участки, ориентированные вдоль контура устья воронки, при этом впускные участки труб выполнены прямыми и закреплены в вертикальных стенках воздухоподводящего короба, установленного симметрично в устье воронки соответствующими провальными зазорами от стен устья, а оставшиеся участки труб установлены с возможностью поворота относительно осей упомянутых впускных участков.

7. Котел по пп.1 6, отличающийся тем, что топка снабжена устройствами для ввода вторичного воздуха в надслоевую часть над воронкой, выхлопные участки которых размещены встречно смещенно по горизонтали на противолежащих боковых стенах корпуса и ориентированы вдоль контура устья воронки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7