Механизированная слоевая топка
Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может использоваться в твердотопливных котлах, печах и газогенераторах. Механизированная слоевая топка включает расширяющуюся камеру сгорания вихревого типа с забрасывателем топлива, ярусами тангенциальных сопл вторичного дутья и газоотводящим окном, имеющим сопла дожигающего дутья. Камера сгорания расположена над воздухораспределительной решеткой, которая имеет вращающуюся шурующую планку и узел выгрузки золы, выполненные охлаждаемыми. Узел выгрузки золы подключен к бункеру золы через аэродинамический классификатор частиц, присоединенный газоходом к камере сгорания. Охлаждение водой шурующей планки, воздухораспределительной решетки, узла выгрузки золы и вынесенный теплообменник кипящего слоя обеспечат их защиту от выгорания в топочной среде и этим повысят надежность работы их и всей топки, работающей в режимах газификации или полного сгорания топлива в слое, в кипящем слое либо циркуляционном слое с высокой экономичностью. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может использоваться в твердотопливных котлах, печах и газогенераторах.
Известна механизированная слоевая топка [Патент RU №2126933. Устройство для сжигания твердого топлива], которая содержит цилиндрическую камеру сгорания с газоотводящим окном, колосниковой решеткой и шурующей планкой, выполненной с возможностью вращения над колосниковой решеткой, а также загрузочное устройство - трубу, размещенную с торцевым зазором над поверхностью колосниковой решетки.
Данное устройство применяется только для слоевого сжигания угля с загрузкой угля, шуровкой слоя и удалением золы вращающейся шурующей планкой и не может использоваться с кипящим слоем и в других режимах. Недостатками этого изобретения также являются: низкая надежность, вызываемая выгоранием неохлаждаемых колосника и шурующей планки, возможностью затягивания горения в загрузочное устройство и низкая экономичность из-за выноса мелких частиц из слоя, особенно при его ворошении шурующей планкой.
Известно механизированное слоевое топочное устройство [Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М.: «Химия» 1967. Рис.XI-16, стр.423] с кипящим слоем, выбранное в качестве прототипа. Устройство включает питатель топлива и расширяющуюся камеру сгорания с газоотводящим окном и ярусами сопл вторичного дутья, направленных радиально, расположенную над воздухораспределительной решеткой с узлом выгрузки золы, кипящим слоем и шурующей планкой, которая выполнена с возможностью вращения над воздухораспределительной решеткой. Рассмотренное изобретение может применяться за счет установки узла выгрузки золы для топочного процесса с кипящим слоем, причем в данном случае для газификации угля.
Недостатками этого устройства также являются: низкая надежность, вызываемая шлакованием слоя и выгоранием неохлаждаемой воздухораспределительной решетки и неохлаждаемой шурующей планки; узкий рабочий диапазон, топка работает в режиме газификации в кипящем слое, и низкая экономичность из-за выноса мелких частиц из слоя при его ворошении.
Задачей изобретения является увеличение надежности, расширение режимов работы и рабочего диапазона топки от слоевого сжигания до режима кипящего и циркуляционного слоя, повышение экономичности.
Поставленная задача достигается тем, что в механизированной слоевой топке, включающей расширяющуюся камеру сгорания с забрасывателем топлива, газоотводящим окном и ярусами сопл вторичного дутья, расположенную над воздухораспределительной решеткой, которая имеет вращающуюся шурующую планку и узел выгрузки золы, предлагается шурующую планку выполнить водоохлаждаемой, сопла вторичного дутья направить на воздухораспределительную решетку и установить их под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, а газоотводящее окно выполнить в виде выступающего в камеру сгорания образованного воздуховодом отрезка полого цилиндра, имеющего сопла дожигающего дутья, которые установлены на его торцевой и/или боковых поверхностях.
Дополнительно предлагается воздухораспределительную решетку, нижнюю часть топки и узел выгрузки золы выполнить охлаждаемыми водой. Кроме того, узел выгрузки золы предлагается выполнить в виде охлаждаемого водой шнека, который подключен к бункеру золы через аэродинамический классификатор частиц, присоединенный газоходом к камере сгорания.
Дополнительно также предлагается установить внесенные теплообменники кипящего слоя, по крайней мере, один, расположенные под расширениями камеры сгорания и подключенные каналами слива частиц с регулирующими клапанами к камере сгорания над воздухораспределительной решеткой.
Кроме того, предлагается установить на входе в образующий газоотводящее окно полый воздуховод закручивающую улитку, и некоторые сопла дожигающего дутья выполнить кольцевыми, с расположенными в кольцевом зазоре закручивающими лопатками.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения указанного технического результата.
Применение в предлагаемом изобретении охлаждаемых водой шурующей планки, а также воздухораспределительной решетки, нижней части топки и узла выгрузки золы обеспечит их защиту от выгорания в топочной среде, охлаждение слоя и повысит надежность работы их и топки в целом.
Механизация топки, то есть применение забрасывателя и вращающейся шурующей планки создает равномерное распределение топлива по площади слоя, ворошение слоя и выгрузку очаговых остатков в узел выгрузки золы. Механизированная работа топки обеспечивается как в режиме слоевой газификации при недостатке дутья, так и с полным слоевым сжиганием топлива при достаточной подаче воздуха в сопла вторичного дутья. Причем при подаче измельченного топлива можно сразу перейти соответственно к кипящему слою с газификацией или к полному сжиганию топлива при добавке в топку вторичного дутья. Кроме того, сепарация (отделение частиц) и возврат в слой частиц с псевдоожижаемым размером через аэродинамический классификатор обеспечивают постепенное накопление в топке материала кипящего слоя и далее естественный переход топки в режим работы с кипящим слоем, причем и на топливе с большими размерами подаваемых частиц.
Использование вместе с рассмотренными техническими решениями внесенных теплообменников кипящего слоя, расположенных под расширениями камеры сгорания и подключенных каналами с регулирующими клапанами слива частиц к камере сгорания над воздухораспределительной решеткой, дополнительно позволит путем управления теплосъемом глубокое регулирование. И это обеспечит контроль не только температуры слоя и топочного процесса, но и параметров теплоносителя, например, перегрева пара.
Таким образом, совокупность предлагаемых технических решений обеспечивает заявляемое расширение рабочего диапазона механизированной слоевой топки от слоевого сжигания до режимов кипящего и циркуляционного слоя, причем как с газификацией, так и с полным сжиганием топлива.
Применение сопл вторичного дутья, направленных на воздухораспределительную решетку и установленных под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, обеспечивает, во-первых, горение слоя с верхним подводом дутья и искровое зажигание свежего топлива в слоевом режиме, во-вторых, формирование над слоем вихря. Касаясь обоснования принятых значений углов, отметим следующее. Сопла вторичного дутья при углах менее 10 градусов от радиального направления из-за неточности и ошибок при их практической установке могут получить встречное направление струй, что недопустимо, а при углах более 70 градусов возникает опасность износа стенок топки набегающими струями с потоком частиц, что также недопустимо.
При работе топки вихрь, сужаясь и увеличивая скорость вращения, втягивается в кольцевой воздуховод, образующий газоотводящее окно, и при этом центробежные силы очищают вихрь от выносимых частиц, которые отбрасываются обратно в топку. Подача через сопла дожигающего дутья потока, богатого кислородом, в выходящий поток газов и в возвращаемый поток частиц обеспечивает дожигание уноса и продуктов неполного сгорания. Таким образом, создаются условия для удержания и выжигания горючего из частиц уноса и уходящего потока, а также для интенсивного, равномерного горения топлива во всем объеме топки. В итоге эти предлагаемые технические решения обеспечивают заявляемое повышение экономичности топки.
Предлагаемая механизированная слоевая топка показана на чертеже Она включает камеру 1 сгорания, образованную стенами, выполненными из обмуровки 2 и топочных экранов 3, при использовании топки в составе котла. Камера 1 сгорания в верхней части имеет забрасыватель 4 топлива с бункером 5 топлива, сопла 6 вторичного дутья, газоотводящее окно 7. Причем газоотводящее окно 7 выполнено отрезком полого цилиндрического воздуховода 8 с закручивающей улиткой 9 на входе и установленными на его торцевой и/или боковых поверхностях соплами дожигающего дутья, кольцевыми 10 и одиночными 11. В основании камера 1 сгорания имеет охлаждаемую водой воздухораспределительную решетку 12, поддерживающую слой 13 с горящим топливом и охлаждаемые водой вращающуюся шурующую планку 14 с приводом 15 и шнек 16 выгрузки золы. Шнек 16 соединен с аэродинамическим классификатором 17 частиц, который подключен снизу к бункеру 18 золы, а сверху газоходом 19 к камере 1 сгорания.
Механизированная топка имеет систему подачи дутья с вентилятором 20 и раздающими воздуховодами 21, подключенными к соплам и системам распределения дутья. Благодаря тангенциальной подаче дутья за счет установки сопл 6 вторичного дутья под углом 10-70 градусов к радиальному направлению в расширяющейся камере сгорания 1 формируется восходящий вихрь, показанный стрелками 22, выходящий из топки в газоотводящее окно 7. В пристенной зоне, наоборот, отброшенные частицы создают нисходящий поток, и здесь, под расширением камеры 1 сгорания установлены внесенные теплообменники 23 кипящего слоя, которые имеют поверхности нагрева 24, и подключены каналами с клапанами 25 слива частиц к камере 1 сгорания над воздухораспределительной решеткой 12.
Предлагаемая механизированная слоевая топка работает следующим образом. В камере 1 сгорания, выделенной стенами из обмуровки 2 и топочными экранами 3, осуществляется сгорание топлива, которое поступает из бункера 5 и распределяется по площади слоя 13 забрасывателем 4. При этом воздух, необходимый для топочного процесса, подается вентилятором 20 по воздуховодам 21 и с помощью шиберов распределяется в необходимой пропорции по зонам дутья. Первичное дутье подается в слой 13 через воздухораспределительную решетку 12, вторичное дутье через сопла 6 и дожигающее дутье через сопла 10, 11. Дополнительно дутье подается также в классификатор 17 через бункер золы 18.
Топливо горит или газифицируется в зависимости от режима в неподвижном или кипящем слое 13 в потоке первичного и вторичного дутья. Слой перемешивается по всей площади решетки 12 шурующей планкой 14, вращающейся от привода 15, и этим обеспечивается равномерное горение без каналообразования и шлакования в слое 13. Шурующая планка 14 также обеспечивает выгрузку очаговых остатков и избытка золы в шнек 16, особенно крупных частиц и спеков из кипящего слоя, нарушающих его работу.
Воздухораспределительная решетка 12, шурующая планка 14 и шнек 16 выгрузки золы, работающие в условиях агрессивной топочной среды, охлаждаются водой. Это обеспечивает их защиту от выгорания, надежную работу механизированной топки и выгрузку избытка золы шнеком 16 в бункер золы 18 в охлажденном виде, без потерь тепла.
Стабильная работа топки может обеспечиваться в четырех режимах: при слоевом сжигании или газификации и при сжигании или газификации топлива в кипящем слое золы. Накопление достаточного количества золы в кипящем слое, состоящем из частиц с «псевдоожижаемым» размером, обеспечивается удержанием уноса и сепарацией частиц из потока выводимой шнеком 16 золы в аэродинамическом классификаторе 17. Крупные частицы ссыпаются в бункер 18 золы, а мелкие частицы возвращаются потоком дутья по газоходу 19 в камеру 1 сгорания. Даже при работе с большими размерами подаваемых частиц топлива аэродинамический классификатор 17 может обеспечить постепенное накопление в топке материала кипящего слоя и естественный переход топки в режим работы с кипящим слоем. Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают заявляемое расширение рабочего диапазона топки от слоевого сжигания до режима кипящего слоя, причем как с газификацией, так и с полным сжиганием топлива.
Работа слоя 13, особенно в режиме кипения, характеризуется большим уносом и потерями с мехнедожогом. Сопла 6 вторичного дутья направлены на слой 13, и это обеспечивает, во-первых, горение слоя с верхним подводом дутья и искровое зажигание свежего топлива в слоевом режиме, позволяет вернуть часть уноса в слой 13. Кроме того, сопла 6 установлены под углом 10-70 градусов к радиальному направлению, и за счет тангенциальной подачи дутья формируют над слоем 13 вихрь 22. Вихрь в свою очередь постоянно очищается от выносимого из слоя 13 потока частиц, отбрасывая их к стенкам 2 и экранам 3. Процессы особенно интенсивны, когда вихрь 22, сужаясь и увеличивая скорость вращения, входит в газоотводящее окно 7.
Подача через сопла 10, 11 закрученного улиткой 9 дожигающего дутья, богатого кислородом, в выходящий поток и в возвращаемый поток обеспечивает быстрое перемешивание потоков, дожигание уноса и продуктов неполного сгорания. Таким образом, создаются условия для удержания и выжигания горючего из частиц уноса и уходящего потока, а также для интенсивного, равномерного горения топлива во всем объеме топки.
Кроме того, вверху камеры 1 сгорания, в ее пристенной зоне, отброшенные частицы формируют нисходящий поток, который внизу разворачивается над расширением камеры 1 и вновь увлекается вверх вихрем 22 - циркулирует. При развороте потока над расширением камеры циркулирующие частицы выпадают во внесенный теплообменник 23 кипящего слоя. Здесь частицы контролируемо охлаждаются, отдавая тепло поверхности нагрева 24, и по каналам с клапанами 25 слива частиц подаются на охлаждение кипящего слоя 13 в камеру 1 сгорания.
Предлагаемое изобретение соответствует критерию промышленная применимость, поскольку осуществима с использованием известных технических средств и по известным технологиям.
1. Механизированная слоевая топка, включающая расширяющуюся камеру сгорания с забрасывателем топлива, газоотводящим окном и ярусами сопл вторичного дутья, расположенную над воздухораспределительной решеткой, которая имеет вращающуюся шурующую планку и узел выгрузки золы, отличающаяся тем, что шурующая планка выполнена водоохлаждаемой, сопла вторичного дутья установлены под углом 10-70 градусов к радиальному направлению и направлены на воздухораспределительную решетку, причем газоотводящее окно выполнено в виде выступающего в камеру сгорания образованного воздуховодом отрезка полого цилиндра с соплами дожигающего дутья, которые установлены на его торцевой и/или боковых поверхностях.
2. Механизированная слоевая топка по п.1, отличающаяся тем, что воздухораспределительная решетка, нижняя часть топки и узел выгрузки золы выполнены охлаждаемыми водой.
3. Механизированная слоевая топка, по п.1, отличающаяся тем, что узел выгрузки золы выполнен в виде охлаждаемого водой шнека, который подключен к бункеру золы через аэродинамический классификатор частиц, присоединенный газоходом к камере сгорания.
4. Механизированная слоевая топка по п.1, отличающаяся тем, что она имеет внесенные теплообменники кипящего слоя, по крайней мере, один, расположенные под расширением камеры сгорания и подключенные каналами слива частиц к камере сгорания над воздухораспределительной решеткой.
5. Механизированная слоевая топка по п.1, отличающаяся тем, что образующий газоотводящее окно полый воздуховод на входе имеет закручивающую улитку, причем некоторые сопла дожигающего дутья выполнены кольцевыми и имеют расположенные в кольцевом зазоре закручивающие лопатки.
