топочное устройство

Формула изобретения

1. Топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, горелки, установленные на одной из стен камеры сгорания, воздухопроводы к горелкам с регулирующими клапанами, сопла нижнего дутья, установленные по встречно-смещенной схеме вдоль двух наклонных скатов холодной воронки, воздухопроводы к соплам нижнего дутья с регулирующими клапанами, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сопла верхнего дутья, установленные на стене камеры сгорания, противоположной той, на которой установлены горелки, воздухопроводы к соплам верхнего дутья с регулирующими клапанами, а сопла нижнего дутья выполнены двухканальными, оси каналов каждого двухканального сопла нижнего дутья расположены в одной вертикальной плоскости, при этом угол между осями каналов двухканального сопла нижнего дутья равен 10-30, биссектриса этого угла пересекает скат холодной воронки на расстоянии от верхней плоскости холодной воронки, равном (0,5-0,8) h_вор - (где h_вор - высота холодной воронки), продолжение биссектрисы пересекает плоскость противоположного ската холодной воронки под углом 20-40, и обеспечивает раздельное регулирование подачи воздуха на верхние и нижние каналы сопел.

2. Топочное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждое двухканальное сопло нижнего дутья выполнено в виде двух отдельных сопел, расположенных одно над другим.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к топочным устройствам, и может использоваться в теплоагрегатах различного применения.

Известна топочная камера котельного агрегата по авт. свид. СССР №861847 (опубл. 07.09.81 г., МПК 3 F 23 С 7/02), содержащая холодную воронку с наклонными скатами и размещенный под последней шлаковый комод, в одной из стенок которого установлены воздушные сопла, наклоненные под углом, равным углу наклона противолежащего ската воронки, и дополнительные воздушные наклонные сопла, установленные на противолежащей стенке шлакового комода в шахматном порядке относительно основных воздушных сопел, причем угол наклона дополнительных сопел равен углу наклона противолежащего ската воронки.

Недостатком описанной топочной камеры являются сравнительно высокие потери тепла с механическим недожогом вследствие провала частиц несгоревшего топлива из вихревой зоны в нижней части холодной воронки. Провал вызван тем, что вследствие большого расстояния воздушных сопел от горелок нижнего яруса процесс выгорания крупных частиц топлива замедляется и аэродинамическая завеса, создаваемая системой струй, вытекающих из сопел, не может предотвратить провала крупных несгоревших частиц.

Известно также топочное устройство, защищенное патентом Российской Федерации №2094699 (опубл. 27.10.97 г., МПК 6 F 23 С 7/02), содержащее вертикальную камеру сгорания, воздухопровод горячего воздуха, соединенный посредством горелок с камерой сгорания и воздухопроводом нижнего дутья с воздушными соплами, установленными встречно в шахматном порядке у устья холодной воронки вдоль протяженных скатов, при этом количество воздушных сопел на единицу длины протяженных скатов холодной воронки находится в пределах 0,4-0,8 шт./м, а доля воздуха на нижнее дутье от общего количества воздуха, поступающего на горение, составляет не менее 0,2.

В сравнении с ранее описанной топочной камерой конструкция такого топочного устройства позволяет повысить эффективность дожигания отсепарированных в холодную воронку частиц несгоревшего твердого топлива, снизить шлакование скатов холодной воронки.

Недостатком данного топочного устройства является неучет существования оптимального диапазона расстояний между горелками и соплами нижнего дутья. При слишком близком расположении сопел нижнего дутья относительно горелок нижнего яруса происходит захолаживание факела и увеличение потерь тепла с мехнедожогом. При удалении сопел нижнего дутья от горелок, превышающем оптимальное, также имеют место повышенные потери тепла с мехнедожогом.

Наиболее близким к предлагаемому топочному устройству, совпадающим с ним по назначению и большинству существенных признаков, является топочное устройство, защищенное патентом Российской Федерации №2143639 (опубл. 27.12.99 г., МПК 6 F 23 C 7/02).

Это топочное устройство содержит вертикальную камеру сгорания, воздухопровод горячего дутья, соединенный посредством горелок с камерой сгорания, и сопла, расположенные вдоль одного или двух скатов холодной воронки камеры сгорания, соединенные посредством трубопровода нижнего дутья с трубопроводом горячего воздуха, или сушильного агента пылесистемы, или рециркуляции дымовых газов котельной установки, при этом отношение расстояния между горелками нижнего яруса и соплами нижнего дутья h_гс к высоте топочной камеры h_т находится в пределах h_гс/h_т=0,1-0,5.

В таком топочном устройстве за счет некоторой оптимизации расстояния между горелками нижнего яруса и соплами нижнего дутья потери тепла с мехнедожогом уменьшаются.

Недостатком данного топочного устройства являются невысокие адаптационные возможности к изменению характеристик топлива и нагрузки котельного агрегата. Например, при подаче в топку непроектного топлива с повышенной зольностью необходимо снизить температуру на выходе камеры сгорания, увеличив расход воздуха на соплах нижнего дутья и тем самым улучшив заполнение топки факелом. Однако, расход воздуха на нижнее дутье может быть увеличен только за счет снижения расхода воздуха на горелки, что может привести к отклонению их работы от оптимального режима и увеличению недожога топлива.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности топочного устройства за счет расширения адаптационных возможностей к изменению характеристик топлива и к изменению тепловой нагрузки камеры сгорания.

Для достижения указанного технического результата топочное устройство, содержащее вертикальную камеру сгорания, горелки, установленные на одной из стен камеры сгорания, воздухопроводы к горелкам с регулирующими клапанами, сопла нижнего дутья, установленные по встречно-смещенной схеме вдоль двух наклонных скатов холодной воронки, воздухопроводы к соплам нижнего дутья с регулирующими клапанами, дополнительно содержит сопла верхнего дутья, установленные на стене камеры сгорания, противоположной той, на которой установлены горелки, воздухопроводы к соплам верхнего дутья с регулирующими клапанами, а сопла нижнего дутья выполнены двухканальными, оси каналов каждого двухканального сопла нижнего дутья расположены в одной вертикальной плоскости, при этом угол между осями находится в пределах 10-30, биссектриса этого угла пересекает скат холодной воронки на расстоянии от верхней плоскости холодной воронки, равном 0,5-0,8 высоты этой воронки, продолжение биссектрисы пересекает плоскость противоположного ската холодной воронки под углом =20-40. Каждое двухканальное сопло может быть конструктивно выполнено в виде двух отдельных сопел, расположенных одно над другим. Обеспечивается отдельное регулирование подачи воздуха на верхние и нижние каналы сопел (верхние и нижние ряды сопел), расположенные на каждом из двух наклонных скатов холодной воронки.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображено схематично заявленное топочное устройство; на фиг.2 - расположение сопел нижнего дутья (показаны сопла только на одном из скатов холодной воронки).

Топочное устройство (фиг.1) содержит камеру сгорания 1, на одной из стен которой размещены горелки 2, а на противоположной - сопла 3 верхнего дутья. На наклонных скатах 4 и 5 холодной воронки установлены сопла 6 нижнего дутья по встречно-смещенной схеме, т.е. при шаге между соплами 6, равном S_c, сопла на скате 5 смещены относительно сопел на скате 4 на некоторую долю шага S_c, например на величину ¹/₂ S_c. Каждое из сопел 6 выполнено двухканальным, т.е. содержит верхний канал 6-1 и нижний канал 6-2, оси которых 7-1 и 7-2 расположены в одной вертикальной плоскости и пересекаются под углом =10-30. Каждое из сопел 6 также конструктивно может быть выполнено в виде двух отдельных сопел 6-1 и 6-2, расположенных одно над другим, оси которых 7-1 и 7-2 взаимно расположены так же, как и оси каналов двухканального сопла. Сопла располагаются на скатах холодной воронки таким образом, чтобы биссектриса 8 угла между осями 7-1 и 7-2 (фиг.2) пересекала плоскость ската холодной воронки (например, ската 4) на расстоянии от верхней плоскости 9 холодной воронки, равном (0,5-0,8)h_вор, где h_вор - высота холодной воронки, а продолжение биссектрисы 8-1 пересекало плоскость противоположного ската 5 под углом =20-40. Сопла 3 верхнего дутья соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 11 верхнего дутья с регулирующим клапаном 12. Сопла нижнего дутья 6 соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 13 нижнего дутья с регулирующим клапаном 14. Верхние каналы (сопла) 6-1 сопел нижнего дутья соединены с воздухопроводом 13 через воздухопровод 15-1 верхних каналов (сопел) с регулирующим клапаном 16-1. Нижние каналы (сопла) 6-2 сопел нижнего дутья соединены с воздухопроводом 13 через воздухопровод 15-2 нижних каналов (сопел) с регулирующим клапаном 16-2. Горелки 2 соединены с воздухопроводом 10 горячего воздуха через воздухопровод 17 с регулирующим клапаном 18.

Подача топлива в горелки 2 осуществляется по каналам 19 подачи топлива в горелки.

Работа топочного устройства (фиг.1) осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1 по каналам 19 горелок 2 подаются твердое топливо в пылевидном состоянии и часть предварительно смешанного с ним воздуха, необходимого для горения и обеспечивающего транспорт топлива в камеру сгорания (первичный воздух), другая часть (вторичный воздух) подается через воздухопровод 17.

Суммарный расход первичного и вторичного воздуха соответствует коэффициенту избытка воздуха в горелке _гор<1,0. Топливо воспламеняется на выходе из горелок и на начальном участке факел горит с недостаточным для полного сгорания количеством кислорода. Такой режим способствует пониженной генерации окислов азота.

Воздух, необходимый для дожигания топлива до приемлемой полноты выгорания (третичный воздух) подается в камеру сгорания 1 по воздухопроводам 13, 15-1 и 15-2 через сопла 6 и по воздухопроводу 11 и сопла 12. Распределение воздуха между горелками 2 и соплами 3, 6 осуществляется с помощью регулирующих клапанов 12, 14 и 18. С помощью этих клапанов в камере сгорания 1 устанавливается оптимальный режим в зависимости от характеристик сжигаемого топлива (теплотворная способность, реакционная способность, склонность к шлакованию, содержания азота и др.), а также тепловой нагрузки камеры сгорания 1. Дополнительно степень заполнения факелом холодной воронки регулируется с помощью регулирующих клапанов 16-1 и 16-2. Уменьшение подачи воздуха через верхние каналы (сопла) с помощью регулирующих клапанов 16-1 путем их прикрытия приводит к уменьшению заполнения факелом холодной воронки. Уменьшение подачи воздуха через нижние каналы (сопла) 6-2 путем прикрытия регулирующих клапанов 16-2 приводит к увеличению заполнения факелом холодной воронки.

Задача улучшения адаптационных возможностей топочных устройств весьма актуальна, поскольку при эксплуатации котельных агрегатов нередко приходится сталкиваться с такими проблемами, как:

- изменение характеристик поставляемого топлива, вследствие чего может возникнуть необходимость в перераспределении потоков воздуха между соплами верхнего и нижнего дутья или между горелками и соплами для поддержания оптимального отношения между величинами выбросов окислов азота и потерями тепла с недожогом топлива;

- падение температуры пара при уменьшении нагрузки котельного агрегата, которое требуется предотвратить, не увеличивая коэффициент избытка воздуха в камере горения или степени рециркуляции дымовых газов в камеру горения;

- уменьшение температуры воды на входе в котельный агрегат, при этом требуется сохранение паропроизводительности за счет увеличения тепловосприятия испарительных поверхностей в камере горения.

Повышение эффективности заявленного топочного устройства обеспечивается следующим. Взаимное расположение каналов 6-1 и 6-2 двухканальных сопел нижнего дутья 6 или сопел 6-1 и 6-2 так, что оси каждой пары пересекаются в одной вертикальной плоскости под углом =10-30, позволяет формировать плоские струи, создающие эффективную аэродинамическую завесу в поперечном сечении холодной воронки, что препятствует сепарации в шлаковый комод несгоревших угольных частиц.

При угле менее 10 ширина плоских струй не обеспечивает удовлетворительного заполнения сечения холодной воронки. При угле более 30 для получения требуемой дальнобойности плоских струй потребуется увеличение расхода воздуха на нижнее дутье.

Сопла нижнего дутья размещаются на наклонных скатах холодной воронки таким образом, что биссектриса 8 угла между осями каналов (сопел) пересекает плоскость ската холодной воронки на расстоянии от ее верхней плоскости, равном 0,5-0,8 высоты холодной воронки, а продолжение биссектрисы 8-1 пересекает плоскость противолежащего ската холодной воронки под углом =20-40.

Возможность перераспределения воздуха между верхними и нижними каналами (соплами) 6-1 и 6-2 позволяет изменять ориентацию плоских струй. При одинаковых расходах воздуха через каналы (сопла) 6-1 и 6-2 плоская струя развивается в бисекторной плоскости, при увеличении расхода воздуха через верхние каналы (сопла) 6-1 по сравнению с расходом воздуха через нижние каналы (сопла) плоская струя отклоняется от бисекторной плоскости вниз, причем это отклонение тем больше, чем больше величины отношения расходов через верхние каналы (сопла) 6-1 к расходу через нижние каналы (сопла) 6-2. При увеличении отношения расходов воздуха через нижние каналы (сопла) 6-2 к расходу воздуха через верхние сопла 6-1 происходит отклонение плоской струи от бисекторной плоскости вверх. Изменение угла наклона плоских струй позволяет изменять степень заполнения холодной воронки факелом и тем самым управлять тепловосприятием поверхностей нагрева камеры сгорания 1. Указанные выше диапазоны двух конструктивных параметров - относительного расстояния от верхней плоскости холодной воронки до пересечения биссектрисы угла между осями каналов (сопел) с наклонным скатом холодной воронки и угла пересечения продолжения биссектрисы с противолежащим наклонным скатом холодной воронки - в совокупности определяют область, в которой изменение аэродинамики в нижней части камеры сгорания за счет изменения отношения расходов воздуха нижнего дутья на верхние и нижние каналы (сопла) эффективно влияет на тепловосприятие поверхностей нагрева камеры сгорания и не оказывает негативного влияния на экономичность сжигания топлива. Возможность перераспределения воздуха между соплами 3 верхнего дутья и соплами 6 нижнего дутья, а также между соплами 3, 6 и горелками 2 позволяет поддерживать режим горения с оптимальным отношением между величинами потерь тепла с недожогом топлива и выбросами оксидов азота и влиять на величину тепловосприятия поверхностей нагрева в камере сгорания 1 при изменении характеристик топлива и тепловой нагрузки камеры сгорания.

Пример реализации возможностей заявленного топочного устройства

В топочном устройстве сжигается проектное топливо - бурый уголь с заданными техническими характеристиками. Коэффициент избытка воздуха в горелках равен _гор=0,85, а оптимальный режим по экономичности сжигания, отсутствию шлакования поверхностей нагрева в камере сгорания 1 и за ней, уровню выбросов окислов азота соответствует распределению третичного воздуха между соплами нижнего дутья 6 и соплами 3 верхнего дутья соответственно 0,65 и 0,35, что достигается соответствующей установкой регулирующих клапанов 12, 14 и 18. Клапаны 16-1 и 16-2 полностью открыты.

При использовании бурого угля с более низкой температурой шлакования, чем проектное топливо, следует прикрыть регулирующие клапаны 16-2 и приоткрыть регулирующий клапан 14 для сохранения доли воздуха, идущего на нижнее дутье. В результате увеличится заполнение факелом холодной воронки и понизится температура на выходе из камеры сгорания. В случае, если главной проблемой при сжигании непроектного топлива будет шлакование ограждающих поверхностей камеры сгорания 1, следует увеличить расход третичного воздуха на сопла верхнего дутья 3, увеличив степень открытия регулирующих клапанов 12, и для сохранения вторичного воздуха, идущего на горелки 2, увеличить степень открытия регулирующих клапанов 10. Такое перераспределение воздуха между соплами нижнего и верхнего дутья будет препятствовать шлакованию стены камеры сгорания, на которой расположены сопла 3.

На фиг.1 и 2 цифрами обозначены:

1 - камера сгорания; 2 - горелки; 3 - сопла верхнего дутья; 4, 5 - скаты холодной воронки; 6 - двухканальные сопла нижнего дутья; 6-1 - верхний канал двухканального сопла нижнего дутья (верхнее сопло нижнего дутья); 6-2 - нижний канал двухканального сопла нижнего дутья (нижнее сопло нижнего дутья); 7-1 - ось верхнего канала (сопла) нижнего дутья; 7-2 - ось нижнего канала (сопла) нижнего дутья; 8 - биссектриса угла между осями верхнего и нижнего каналов (сопел) нижнего дутья; 8-1 - продолжение биссектрисы угла между осями верхнего и нижнего каналов (сопел) нижнего дутья; 9 - верхняя плоскость холодной воронки; 10 - воздухопровод горячего воздуха; 11 - воздухопровод верхнего дутья; 12 - регулирующий клапан воздухопровода верхнего дутья; 13 - воздухопровод нижнего дутья; 14 - регулирующий клапан воздухопровода нижнего дутья; 15-1 - воздухопровод верхних каналов (сопел) нижнего дутья; 15-2 - воздухопровод нижних каналов (сопел) нижнего дутья; 16-1 - регулирующий клапан воздухопровода верхних каналов (сопел) нижнего дутья; 16-2 - регулирующий клапан воздухопровода нижних каналов сопел нижнего дутья; 17 - воздухопровод к горелкам; 18 - регулирующий клапан воздухопровода к горелкам; 19 - канал подачи топлива в горелки.

Буквами обозначены:

- угол между осями верхнего и нижнего каналов двухканальных сопел нижнего дутья (верхнего и нижнего сопел нижнего дутья); - угол пересечения продолжения биссектрисы угла с наклонной плоскостью ската холодной воронки.