Способ сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке и вертикальная камерная топка

Группа изобретений относится к области теплоэнергетики, в частности к камерным топкам с пылевидно-дисперсным сжиганием топлива (уголь, торф, мазут, суспензия), например к топкам котельных установок в промышленных печах. Способ сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке включает подачу топливовоздушной смеси через горелки в вертикальную камеру сгорания со смещением относительно ее центральной оси, снижение температуры по высоте камеры и отвод горячих топочных газов, в которой из верхней зоны вертикальной камеры часть топочных газов отводят для охлаждения вниз посредством вертикально расположенного в ее центральной зоне полого двухсветного водоохлаждаемого экрана (обечайки), а охлажденные топочные газы направляют в нижнюю зону камеры для смешивания с топочными газами, поступающими из горелок нижнего пояса, обеспечивая процесс рециркуляции топочных газов и подхват выпадающих вниз из кольцевой зоны камеры сгорания частиц топлива с их подачей на догорание. Вертикальная камерная топка содержит кольцевую камеру сгорания, образованную коаксиальными полыми емкостями, с горелками, расположенными на внешней полой емкости, снабжена внутренней полой емкостью, выполненной в виде двухсветного экрана типа обечайки для рециркуляции топочных газов и имеющей верхнюю и нижнюю воронки, расположенные в камере сгорания. Изобретение способствует снижению температуры топочных газов в зоне активного горения, увеличению теплообмена топки и снижению ее загрязнений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Группа изобретений относится к области теплоэнергетики, в частности к камерным топкам с пылевидно-дисперсным сжиганием топлива (уголь, торф, мазут, суспензия), например к топкам котельных установок в промышленных печах.

Известна аэрофонтанная топка, содержащая камеру воспламенения, снабженную боковым патрубком для подвода топлива и осевым патрубком для подвода воздушного дутья, вертикальную трубу, соосно установленную над камерой воспламенения и соединенную с ней, и камеру сгорания, снабженную патрубком для вывода продуктов сгорания, при этом вертикальная труба расположена коаксиально внутри камеры сгорания, последняя снабжена теплообменными экранами, расположенными по всей ее внутренней поверхности, и средствами с системой регулированного возврата несгоревших частиц топлива, расположенными в нижней части камеры сгорания и соединенными с камерой воспламенения (см. патент на изобретение РФ №2072474, кл. F23C 11/02, оп. в 1997 году). Эта топка предполагает использование фонтанирующего воздушного потока для повышения эффективности сгорания топлива, однако она не предназначена для использования в парогенераторах.

Известен способ сжигания топлива в кипящем слое, в котором топливо подают в кипящий слой, а поток первичного сжатого воздуха - в нижнюю зону реактора, затем вводят в верхнюю зону реактора поток вторичного сжатого воздуха, из которого формируют сильно закрученный поток, создающий внутри зону противотока для возврата топлива в кипящий слой, причем в верхней зоне реактора формируют зону горения и зону дожигания, при этом поток вторичного сжатого воздуха перед подачей в верхнюю зону разделяют на два потока, один из которых подают непосредственно в зону горения, в которой он формирует периферийный, перемещающийся в направлении нижней зоны, и приосевой, перемещающийся от зоны горения к зоне дожигания, сильно закрученные потоки, а другой поток вторичного сжатого воздуха вводят в зону дожигания, в которой он формирует периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении зоны горения, и индуцируемый приосевой сильно закрученный поток, при этом между периферийным и приосевым потоками зоны горения формируют рециркуляционное торообразное течение, в котором осевые составляющие скорости периферийного и приосевого потоков зоны горения являются тангенциальными скоростями относительно оси вращения, представляющей собой окружность с центром на оси закрученных потоков (см. патент на изобретение РФ №2379587, кл. F23C 10/12, оп. в 2010 году). Этот способ направлен на повышение эффективности сжигания топлива, но поскольку он не предполагает использование водоохлаждаемых экранов, то не может быть применен в топках парогенераторов.

Известна горизонтально расположенная топка, включающая камеру сгорания с горелочным насадком, внутри которого расположена циркуляционная труба с образованием кольцевого зазора (см. патент на изобретение РФ №2310127, кл. F23C 5/08, оп. в 2007 году). Такая конструкция горелочного насадка топки обеспечивает рециркуляцию горячих топочных газов и усреднение температуры по всему сечению периферийной камеры сгорания. Она предназначена для использования при растопке котлов, но не может быть применена в топках парогенераторов с водоохлаждаемыми экранами.

Известно несколько вариантов топки с котлом, камера сгорания которой расположена между двумя вертикально расположенными полыми водоохлаждаемыми экранами, выполненными в виде обечаек, состоящими из сомкнутых трубок с водой с наклоном в разных направлениях (см. патент США №8281750, кл. F22B 25/00, оп. в 2012 году). Такое сложное устройство экранов топки направлено на улучшение водоциркуляции камеры и процессов теплопередачи от топочных газов воде.

Наиболее близким техническим решением к заявленной группе изобретений является топка парогенератора с вертикальной кольцевой камерой сгорания, образованной в виде коаксиальных равносторонних призм, боковые грани которых образованы внешним и внутренним трубчатыми экранами, с горелками и реализуемый в ней способ сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке, включающий подачу топливовоздушной смеси через боковые горелки в вертикальную камеру со смещением относительно ее центральной оси за счет углового расположения горелок, частичное снижение их температуры по высоте камеры и отвод отработанных топочных газов (см. патент на изобретение №2377465, кл. F23C 5/08, оп. в 2009 г., а также патент на полезную модель РФ №82293, кл. F23C 5/08, оп. в 2009 г.). Известное техническое решение направлено на улучшение сжигания топлива, снижение образования окисей азота NO_X и уменьшения их выброса в атмосферу. Но оно не может быть использовано в газоплотных подвесных прямоточных котлах башенной компоновки поверхностей нагрева. В топочном процессе этого устройства не используется внутреннее пространство внутреннего экрана, оно использовано только для размещения металлоконструкций и поясов жесткости внутреннего экрана, при этом плохо охлаждается и как следствие имеет локальную повышенную температуру окружающего воздуха, что затрудняет обслуживание и осмотр металлоконструкции эксплуатирующим персоналом.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи снижения температуры топочных газов в зоне активного горения, увеличения теплообмена топки и снижения ее загрязнений.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке, включающем подачу топливовоздушной смеси через горелки в вертикальную камеру сгорания со смещением относительно ее центральной оси за счет поворота либо наклонного расположения горелок, снижение температуры по высоте камеры и отвод горячих топочных газов, в верхней зоне вертикальной камеры часть топочных газов для охлаждения отводят вниз посредством вертикально расположенного в ее центральной зоне полого двухсветного водоохлаждаемого экрана, выполненного в виде обечайки, а охлажденные топочные газы направляют в нижнюю зону камеры для смешивания с топочными газами, поступающими из горелок нижнего пояса, с обеспечением процесса рециркуляции топочных газов, при этом с помощью охлажденных топочных газов производят подхват выпадающих вниз из кольцевой зоны камеры сгорания частиц топлива и подачу этих несгоревших частиц на догорание в зону активного горения.

А также тем, что в вертикальной камерной топке, включающей кольцевую камеру сгорания, образованную коаксиальными полыми емкостями, с горелками, расположенными на внешней полой емкости, и с трубчатым выполнением стенок внутренней полой емкости, внутренняя полая емкость выполнена в виде двухсветного экрана типа обечайки для рециркуляции топочных газов. Обечайка снабжена верхней и нижней воронками, расположенными в камере сгорания. Камера сгорания выполнена либо многогранной, либо прямоугольной, либо квадратной формы в сечении. Камера сгорания прямоугольного сечения снабжена дополнительной обечайкой, при этом обе обечайки расположены симметрично. Обечайка выполнена либо круглой, либо овальной, либо многогранной формы в сечении.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена топка башенного типа, вертикальное сечение. На фиг. 2 - вариант исполнения топки П-образного типа с боковым выбросом. На фиг. 3 - вариант исполнения топки Т-образного типа с двумя боковыми выбросами. На фиг. 4-6 - возможные варианты исполнения топок (сечение А-А на фиг. 1-3), а именно, на фиг. 4 - квадратное сечение, на фиг. 5 - многогранное сечение, например восьмигранное, на фиг. 6 - прямоугольное сечение с двумя обечайками.

Вертикальная камерная топка включает вертикальный корпус 1 с горелками 2 и камеру сгорания 3. Корпус 1 может иметь сечение разного вида квадратное (фиг. 4), многогранное (фиг. 5), прямоугольное (фиг. 6). Каждый пояс горения имеет несколько горелок 2 (например, четыре и более), расположенных под необходимым углом к корпусу 1 камеры сгорания 3. Внутри камеры сгорания 3 расположен как минимум один вертикальный полый водоохлаждаемый двухсветный экран 4, выполненный по типу обечайки с газоплотными стенками и открытыми торцами. Экран 4 (обечайка) может иметь в сечении либо цилиндрическую, либо многогранную, либо овальную форму. По сути, корпус 1 представляет собой внешнюю емкость, внутри которой расположена внутренняя открытая с торцов емкость - экран 4 (обечайка). Формы корпуса 1 и экрана 4 не всегда идентичны, т.к. их выбирают с учетом расчета баланса горения топлива в каждом конкретном случае. Угол расположения каждой горелки 2 выбирают таким образом, чтобы горелка 2 была направлена в сторону образующей экрана 4 по касательной к нему или близко к касательной. Экран 4 (обечайка) имеет верхнюю входную воронку 5 и нижнюю выходную воронку 6. Нижней торец выходной воронки 6 расположен под нижним поясом горелок 2, а верхний торец входной воронки 5 расположен выше зоны активного горения. Топка может иметь один или два выхода отвода топочных газов.

Способ сжигания топлива, реализованный в вертикальной камерной топке, включает подачу топливовоздушной смеси через горелки 2 в камеру сгорания 3. Для обеспечения оптимальной аэродинамики топочного факела, обеспечивающего эффективное сжигание топлива при исключении активного воздействия факела на наружный экран 4 (обечайку), оси горелок 2 устанавливают по касательной к нему. Выше верхнего пояса горелок 2 можно подавать вторичный воздух в противоположном направлении по отношению к горелкам 2 для обеспечения гашения топочного вихря, образованного горелками 2. Продукты горения поднимаются вверх в зоне камеры сгорания 3, которая образована наружной поверхностью корпуса камеры сгорания 1 и внешней поверхностью экрана 4 (обечайки) за счет естественной тяги. В верхней зоне 7 корпуса 1 камеры сгорания 3 часть горячих топочных газов, отрываясь от основного потока, устремляется в верхнюю входную воронку 5 экрана 4 (обечайки) и опускается во внутреннем объеме экрана 4 вниз к выходной воронке 6 за счет перепада давления в верхней и нижней зонах камеры сгорания 3. При этом происходит активное охлаждение топочных газов, опускаемых во внутренней полости экрана 4 (обечайки), благодаря передаче своего тепла экрану 4. Выходящие из нижней выходной воронки 6 газы в зоне 8 за счет естественной тяги топки опять устремляются вверх в топочную камеру сгорания 3, при этом они подхватывают падающие вниз недогоревшие частицы топлива и увлекают их вверх на догорание. Такой процесс обеспечивает естественную многократную циркуляцию (рециркуляцию) газов из полости, образованной в камере сгорания 3 корпусом 1 и внешней образующей экрана 4 (обечайки), во внутреннюю полость экрана 4 и обратно. Такая циркуляция дает возможность почти полностью исключить выход из камеры сгорания 3 недогоревших частиц топлива, увеличивая коэффициент полезного действия топки и снижая расход топлива. При этом происходит интенсификация процесса снижения температуры топочных газов в зоне активного горения за счет балластирования этой зоны относительно холодными циркулирующими газами, поступающими из нижней выходной воронки 6 экрана 4, а как следствие, снижается уровень окислов азота. При создании увеличенной площади теплообмена с использованием двухсветного экрана 4 (обечайки) повышается эффективность теплообмена в топке за счет возрастающих конвективной и лучистой составляющих. Уменьшается разброс температуры и расхода топочных газов по высоте камеры сгорания 3 и в ее сечении, а также на выходе из корпуса 1 камеры сгорания 3.

Экран 4 (обечайка) способствует стабилизации горения и кручения факела в камере сгорания 3 с использованием «тангенциального» принципа сжигания топлива. При этом происходит снижение окислов азота за счет снижения температуры в зоне активного горения благодаря рециркуляции топочных газов через экран 4 (обечайку).

Установка экрана 4 (обечайки) в топочной камере сгорания 3 позволяет снизить шлакование труб, ограждающих топку по стенам, за счет адгезии (налипания) золы и шлаков на наружной поверхности двухсветного экрана 4, а также практически исключить набрасывание факела от горелок 2 на ограждающие стены топки при отключении отдельных горелок 2.

Организованная рециркуляция топочных газов через экран 4 (обечайку) позволяет уменьшить температуру на выходе из топочной камеры сгорания 3, вследствие чего уменьшается высота как камеры 3, так и всего котла, а соответственно снижается металлоемкость котла и уменьшается масса и габариты строительных конструкций здания котельной.

В варианте исполнения на фиг.6 образованы два контура циркуляции топочных газов в камере сгорания 3 за счет установки двух двусветных экранов 4 (обечаек). Процессы рециркуляции и получаемые эффекты аналогичны вышеописанным.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в следующем:

- улучшается выгорание «провала» топлива в «холодной» воронке топки;

- снижается температура топочных газов в зоне активного горения;

- повышается эффективность теплообмена в топке;

- уменьшаются температурные развертки по топочной камере;

- снижается высота топочной камеры и соответственно высота котла;

- снижается шлакование труб, ограждающих топку;

- практически исключается набрасывание факела из горелок на стены;

- снижается уровень окислов азота;

- снижается металлоемкость котла;

- уменьшаются массы и габариты строительных конструкций здания котельной.

1. Способ сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке, включающий подачу топливовоздушной смеси через горелки в вертикальную камеру сгорания со смещением относительно ее центральной оси за счет поворота либо наклонного расположения горелок, снижение температуры по высоте камеры и отвод горячих топочных газов, отличающийся тем, что в верхней зоне вертикальной камеры часть топочных газов для охлаждения отводят вниз посредством вертикально расположенного в ее центральной зоне полого двухсветного водоохлаждаемого экрана, выполненного в виде обечайки, а охлажденные топочные газы направляют в нижнюю зону камеры для смешивания с топочными газами, поступающими из горелок нижнего пояса, с обеспечением процесса рециркуляции топочных газов, при этом с помощью охлажденных топочных газов производят подхват выпадающих вниз из кольцевой зоны камеры сгорания частиц топлива и подачу этих несгоревших частиц на догорание в зону активного горения.

2. Вертикальная камерная топка, включающая кольцевую камеру сгорания, образованную коаксиальными полыми емкостями, с горелками, расположенными на внешней полой емкости, и с трубчатым выполнением стенок внутренней полой емкости, отличающаяся тем, что внутренняя полая емкость выполнена в виде двухсветного экрана типа обечайки для рециркуляции топочных газов.

3. Топка по п. 2, отличающаяся тем, что обечайка снабжена верхней и нижней воронками, расположенными в камере сгорания.

4. Топка по п. 2, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена либо многогранной, либо прямоугольной, либо квадратной формы в сечении.

5. Топка по п. 4, отличающаяся тем, что камера сгорания прямоугольного сечения снабжена дополнительной обечайкой, при этом обе обечайки расположены симметрично.

6. Топка по п. 2, отличающаяся тем, что обечайка выполнена либо круглой, либо овальной, либо многогранной формы в сечении.