вихревая топка

Формула изобретения

1. Вихревая топка с твердым шлакоудалением, содержащая вертикальную камеру сгорания с верхней горелкой, направленной вниз, установленной на ее фронтовой стенке, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, и нижней горелкой для подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, размещенной под устьем холодной воронки, отличающаяся тем, что продольные оси верхней и нижней горелок размещены в разных вертикальных плоскостях, а топка снабжена дополнительными соплами для подачи воздуха, одно из которых размещено на фронтовой стенке камеры сгорания и направлено вниз, а другое размещено под устьем холодной воронки, при этом продольные оси каждой пары сопло горелка расположены в соответствующих вертикальных плоскостях.

2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что в каждой полутопке размещены по меньшей мере две пары сопло горелка, причем сопла и горелка расположены в шахматном порядке.

3. Топка по п.1, отличающаяся тем, что пары сопло горелка расположены в разных полутопках симметрично относительно вертикальной оси камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам с твердым шлакоудалением для сжигания твердого топлива и наиболее успешно может применяться для сжигания топлива в виде пыли угрубленного помола.

При конструировании топок особое внимание уделяют возможности обеспечения относительно невысокой температуры сжигания топлива и определенного количества подаваемого кислорода. Эти параметры топки являются определяющими для ее экологических и экономических характеристик. Так, при увеличении температуры факела в топке возрастет опасность расплавления минеральных составляющих топлива и, как следствие, шлакования тепловоспринимающих экранов. Это ведет к ухудшению тепловосприятия топки и резкому снижению ее экономических характеристик. Количество подаваемого в топку кислорода определяется прежде всего требованиями обеспечения полного сжигания топлива. Для сжигания определенного количества топлива необходимо строго определенное количество кислорода. При его недостатке возникает недожог топлива с образованием окиси углерода, оказывающей вредное влияние на окружающую среду. Поэтому обычно при организации сжигания топлив подают кислород (воздух) с некоторым избытком. В большинстве известных топок, работающих на твердом топливе, коэффициент избытка воздуха находится на уровне 1,2, поскольку такая его величина является наиболее эффективной с точки зрения экономики. Однако, именно при таком избытке воздуха (кислорода) получается максимальный выход окислов азот NO_x (Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива).

Дальнейшее же увеличение количества подаваемого воздуха (кислорода) нецелесообразно, поскольку в этом случае увеличивается выброс в атмосферу избытка нагретого в топке и не участвующего в реакции с топливом воздуха (кислорода), что ухудшает экономические показатели работы топки и всего котельного агрегата.

Известна вихревая топка с сухим шлакоудалением (авт.св. СССР N 483559, кл. F 23 C 5/08), содержащая вертикальную камеру сгорания с горелкой, направленной вниз и установленной на ее фронтовой стенке. Скаты нижней части стенок камеры сгорания образуют холодную воронку призматической формы со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки установлено сопло для подачи воздуха в камеру сгорания. При работе топки через горелку в верхней части топки подают топливо-воздушную смесь, а снизу, через воздушное сопло, направленное в сторону горелки, воздух. В результате взаимодействия двух потоков в топочной камере обpазуются две зоны горения вихревая и прямоточная. Мелкие частицы топлива сгорают в прямоточной зоне, более крупные частицы топлива опускаются в нижнюю часть топки и сгорают в вихревой зоне в результате многократной циркуляции. Наличие большого количества горящих частиц в вихревой зоне стабилизирует процессы воспламенения и горения. Кроме того, в такой топке резко снижается эмиссия NO_x за счет организации так называемого ступенчатого сжигания топлива, при котором в горелки подается меньшее количество воздуха, чем требуется для полного выгорания всего топлива (коэффициент избытка воздуха < 1). Остальной воздух подводится снизу при помощи вышеназванных сопл. При этом значительно снижается содержание NO_x за счет уменьшения эмиссии "топливных" окислов азота [1]

Однако при использовании относительно мелкого топлива его основная масса сгорает в непосредственной близости от горелки. В результате загрузка вихревой зоны оказывается недостаточной, что не позволяет использовать основные преимущества вихревого сжигания топлива стабильность процесса воспламенения и горения. Кроме того, повышается температура факела вблизи горелки, причем это явление усугубляется эффектом "запирания излучения", т.к. с ростом оптической толщины снижается эффективная степень черноты факела. Указанное явление объясняется тем, что охлаждение вблизи экранов вследствие теплоотдачи продукты горения, имеющие более высокую степень черноты, не пропускают (экранируют) излучение от более высокотемпературных слоев газов в центральной части топки, что еще более повышает температуру факела в центре топки (Блох А. Г. Теплообмен в топках паровых котлов. Л. Энергоатомиздат, 1984, рис. 5-10). Это ведет к шлакованию поверхностей нагрева и ухудшению экономических показателей топки. Кроме того, при сильном повышении температуры факела возникает опасность образованию не только так называемых "топливных" окислов азота, как это имеет место при обычных для открытых топок с сухим шлако-удалением температур горения, но и увеличение доли так называемых "термических" окислов азота, чье появление обусловлено окислением при высоких температурах азота воздуха.

Известна вихревая топка (авт. св. СССР N 613161), предназначенная для сжигания относительно мелкого топлива. Топка содержит вертикальную камеру сгорания с направленной вниз горелкой, установленной на ее фронтовой стенке. В нижней части камеры сгорания фронтовая и задняя стенки последней имеют некоторый наклон. Скаты указанных стенок вместе с боковыми стенками образуют холодную воронку призматической формы с щелевым устьем. Под устьем холодной воронки по всей ее ширине установлена нижняя горелка для подачи топливо-воздушной смеси через щелевое устье холодной воронки в камере сгорания [2]

При работе такой топки через обе горелки одновременно подают топливно-воздушную смесь. В результате взаимодействия потоков этой смеси в нижней части топки образуется вихревая зона, в которой в основном протекает процесс горения топлива. Подача топлива одновременно через обе горелки позволяет увеличить загрузку топливом вихревого потока и одновременно несколько растянуть факел горения по вертикали. При этом обеспечивается снижение температуры горения, что в свою очередь предотвращает шлакование и повышает тепловосприятие топки, а значит и экономичность ее работы. Снижение температуры факела предотвращает появление "термических" окислов азота. Однако, поскольку топливо-воздушная смесь содержит обычное для таких топок количество кислорода (коэффициент избытка воздуха около 1,2), вблизи горелок создаются условия для образования "топливных" окислов азота. Изменить же соотношение количества воздуха и топлива в топливо-воздушной смеси невозможно из-за уже упомянутых экономических соображений. Кроме того, в такой топке не обеспечивается выравнивание температурных полей в поперечном сечении топки.

В основу изобретения поставлена задача создать такую вихревую топку, в которой обеспечилось бы регулирование подачи кислорода в разные зоны топки для обеспечения снижения эмиссии окислов азота при более равномерном заполнении факелом топочного объема и снижении максимальной температуры горения.

Поставленная задача решается тем, что в вихревой топке с твердым шлакоудалением, содержащей вертикальную камеру сгорания с верхней горелкой направленной вниз, установленной на ее фронтовой стенке, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованной скатами стенок нижней части камеры сгорания, и нижней горелкой для подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания, размещенной под устьем холодной воронки, в соответствии с изобретением оси верхней и нижней горелок расположены в разных вертикальных плоскостях, а камера сгорания снабжена дополнительными соплами для подачи воздуха, одно из которых размещено на фронтовой стенке камеры сгорания и направлено вниз, а другое под устьем холодной воронки, при этом продольные оси каждой пары "сопло-горелка" расположены в соответствующих вертикальных плоскостях.

При работе такой топки происходит эффективное взаимодействие потока топливо-воздушной смеси из верхней горелки и потока воздуха из сопла, расположенного под устьем холодной воронки, а также взаимодействие потока топливо-воздушной смеси из нижней горелки и потока воздуха из направленного вниз сопла, расположенного на фронтовой стенке камеры сгорания. Расположение продольных осей пар "сопло-горелка" в соответствующих вертикальных плоскостях приводит к образованию вихревых потоков, а значит и условий для наиболее полного сжигания топлива, особенно наиболее крупных его частиц, циркулирующих в вихревом потоке. Благодаря этому предлагаемая конструкция обеспечивает эффективную работу топки при сжигании топлива в виде пыли угрубленного состава. Подача воздуха в каждой паре "горелка-сопло" регулируется независимо друг от друга. Этим обеспечивается возможность подавать через горелку обедненную воздухом, а значит и кислородом, топливо-воздушную смесь. Это обеспечивает снижение "топливных" окислов азота и существенно улучшает экологические характеристики такой топки. Оставшуюся часть воздуха (кислорода) в такой конструкции подается через воздушное сопло, обеспечивая таким образом требуемое суммарное количество кислорода в топке, определяющее наилучшие экономические показатели ее работы.

Благодаря тому, что пара "верхняя горелка-сопло" обеспечивает загрузку преимущественно средней части камеры сгорания, а вторая пара "нижняя горелка

сопло" обеспечивает загрузку преимущественно нижней части камеры сгорания, такая конструкция обеспечивает равномерную загрузку всего топочного объема и обеспечивает выравнивание температурных полей при одновременном снижении максимальной температуры горения. Благодаря этому предотвращается шлакование топочных поверхностей нагрева и появление и "термических" окислов азота, что может иметь место при повышении максимальной температуры горения.

При реализации изобретения целесообразно размещать в каждой полутопке по меньшей мере по две пары "сопло-горелка" и располагать сопла и горелки в шахматном порядке. В этом случае происходит наиболее эффективное выравнивание температурных полей и загрузки топливо всего топочного объема.

Вихревая топка может быть выполнена таким образом, что пары "сопло-горелка" располагаются в разных полутопках симметрично относительно вертикальной оси камеры сгорания. Такую конструкцию целесообразно использовать в тех случаях, когда котлы на теплоэлектростанциях выполнены таким образом, что система подвода топливо-воздушной смеси и воздуха требует размещения сопл и горелок на противоположных стенках камеры сгорания в разных полутопках.

На фиг.1 изображена предлагаемая топка, сечение вертикальной плоскостью, в которой лежат продольные оси пары "верхняя горелка-сопло"; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 поперечное сечение топки с симметричным относительно вертикальной оси камеры сгорания расположением пар "горелка-сопло"; на фиг. 4 содержание различных видов окислов азота в топочных газах в зависимости от температуры факела в топке.

Вихревая топка (фиг. 1) содержит вертикальную камеру сгорания 1 с верхней горелкой 2, установленной на фронтовой стенке 3 камеры сгорания 1. В нижней части стенки камеры 1 наклонены. Их скаты 4 и 5 вместе с боковыми стенками 6 и 7 образуют холодную воронку 8 призматической формы. Холодная воронка 8 имеет щелевое устье 9. Топка снабжена нижней горелкой 10, размещенной под устьем 9 холодной воронки 8, для подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания 1. Топка снабжена дополнительным соплом 11, размещенным на фронтовой стенке 3 камеры сгорания 1 и направленным вниз так же, как и верхняя горелка 1. Топка снабжена еще одним воздушным соплом 12, размещенным под устьем 9 холодной воронки 8, для подачи воздуха. Продольные оси верхней горелки 2 и нижней горелки 10 (фиг. 2) размещены в разных вертикальных плоскостях. Продольная ось верхней горелки 2 и продольная ось воздушного сопла 12 расположены в одной вертикальной плоскости. Продольная ось воздушного сопла 11 и продольная ось нижней горелки 10 размещены в другой вертикальной плоскости.

В топке могут быть установлены несколько пар "сопло-горелка". В этом случае они устанавливаются аналогично тому, как это показано на фиг.2, но в каждой полутопке следует размещать по меньшей мере две пары "сопло-горелка" и устанавливать их в шахматном порядке.

В том случае, если котлы на теплоэлектростанции выполнены таким образом, что система подвода топливо-воздушной смеси и воздуха требует размещения горелок и сопел на противоположных стенках камеры сгорания в разных полутопках, целесообразно размещать пары "сопло-горелка" симметрично относительно вертикальной оси камеры сгорания 1, как это показано на фиг.3. На стенке камеры сгорания установлена горелка 13, а под устьем холодной воронки установлено воздушное сопло 14. На этой же стенке установлено воздушное сопло 15, а под устьем холодной воронки нижняя горелка 16. Симметрично относительно вертикальной оси в другой полутопке установлена нижняя горелка 17 и воздушное сопло 18, а также верхняя горелка 19 и воздушное сопло 20. Как и в описанной выше конструкции, продольные оси пар "сопло-горелка" расположены в соответствующих вертикальных плоскостях.

Топка работает следующим образом.

Через горелки 2 и 10 подают топливно-воздушную смесь, а через сопла 11 и 12 подают воздух. Поток топливно-воздушной смеси благодаря наклонному расположению верхней горелки 2 двигается навстречу воздушному потоку, выходящему из сопла 12 и движущемуся вдоль ската 4 холодной воронки 8. Поскольку потоки топливно-воздушной смеси и воздуха благодаря расположению продольных осей верхней горелки 2 и воздушного сопла 12 в одной вертикальной плоскости направлены навстречу друг другу происходит эффективное взаимодействие этих потоков и образование вихревого потока, циркулирующего преимущественно в средней части камеры сгорания. В вихревом потоке циркулирует основная масса частиц топлива, что обеспечивает эффективное сжигание этих частиц, особенно наиболее крупных из них. Таким образом, пара "верхняя горелка 2 воздушное сопло 12", обеспечивает загрузку топливом в основном средней части камеры сгорания. Вторая пара "нижняя горелка 10 воздушное сопло 11" работает аналогичным образом. Поток воздуха из воздушного сопла 11 двигается навстречу потоку топливно-воздушной смеси, исходящему из нижней горелки 10 и протекающему вдоль ската 4 холодной воронки 8. При взаимодействии этих потоков образуется вихревой поток, расположенный преимущественно в нижней части камеры 1 сгорания. Таким образом, при работе обеих пар "горелка-сопло" в такой топке происходит загрузка топливом как средней, так и нижней частей камеры 1 сгорания. Этим обеспечивается выравнивание температурных полей и обусловленное этим снижение максимальной температуры горения.

На фиг.4 изображена зависимость содержания различных видов окислов азота от максимальной температуры горения в топке. По оси абсцисс отложены значения температуры горения T_max в градусах Кельвина, а по оси ординат - содержание окислов азота, г/м³. Кривая 1 представляет зависимость суммарного количества окислов азота от температуры, зона между кривыми 1 и 2 представляет зависимость доли так называемых "топливных" окислов, появление которых в топочных газах обусловлено окислением азота топлива, зона между кривыми 2 и 3 представляет зависимость доли так называемых "термических" окислов азота, наличие которых обусловлено окислением азота воздуха при высоких температурах, а кривая 3 показывает содержание "быстрых" окислов азота, зависящих в основном от вида используемого топлива, в зависимости от максимальной температуры. Как видно из фиг. 4, доля "топливных" окислов меняется в диапазоне температур от 1300 до 2000 К от 0,75 до 0,2 г/м³, содержание "термических" окислов азота меняется от 0 до 0,7 г/м³, а содержание "быстрых" окислов практически не меняется и составляет около 0,1 г/м³. Очевидно, что при повышении максимальной температуры горения сверх 1700 К суммарное количество окислов азота резко возрастает, в основном за счет доли "термических" окислов. В известных топках существует опасность повышения максимальной температуры факела, особенно при увеличении топливной загрузки топки. В предлагаемой топке, благодаря выравниванию температурных полей, предотвращается опасность повышения температуры факела выше 1600 К. Это показали и проведенные авторами эксперименты. Кроме того, наиболее экономичным является подача такого количества воздуха, которое обеспечивает коэффициент избытка последнего на уровне 1,2. Благодаря раздельной подаче топливо-воздушной смеси и воздуха, как это имеет место в предлагаемой топке, можно подавать через горелки топливо-воздушную смесь, обедненную воздухом, а остальную часть воздуха, необходимую для полного сгорания топлива за счет обеспечения указанного коэффициента избытка воздуха, подают через воздушные сопла. Так, при проведении экспериментов через горелки подавали топливо-воздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха меньшим, чем 1. Поэтому при сгорании наиболее мелких частиц топлива в непосредственной близости от горелки, как это имеет место в большинстве известных топок при использовании относительно мелкого топлива, существенно уменьшалось количество окислов азота за счет снижения доли "топливных" окислов.

При реализации предлагаемого устройства в каждой полутопке могут быть размещены несколько пар "сопло-горелка". Наиболее успешно такое устройство функционирует, если в каждой полутопке размещены по меньшей мере по две пары "сопло-горелка", причем сопла и горелки располагаются в шахматном порядке. Такая топка работает аналогично описанной выше, однако обеспечивает еще более эффективное заполнение факелом топочного объема камеры сгорания и выравнивание температурных полей.

Работа топки, показанной на фиг.3, осуществляется аналогично тому, как это описано выше. Пара "верхняя горелка 13 воздушное сопло 14" обеспечивает заполнение средней части топочного объема в первой полутопке, а пара "нижняя горелка 16 воздушное сопло 15" заполняет нижнюю часть этой же полутопки. Во второй полутопке среднюю часть топочного объема заполняет пара "верхняя горелка 19 сопло 18", а нижнюю часть соответственно пара "нижняя горелка 17 сопло 20". Как уже упоминалось выше, использование такой топки определяется конструктивными особенностями конкретной котельной установки электростанции.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность регулированной подачи воздуха в различные зоны топки, тем самым обеспечивая снижение содержания "топливных" окислов азота, и одновременно, благодаря равномерному заполнению факелом топочного объема и снижению максимальной температуры горения, позволяет уменьшить суммарное количество окислов азота за счет доли "термических" окислов.