RU2009395C1

RU2009395C1 - Furnace

Info

Publication number: RU2009395C1
Authority: RU
Inventors: Л.М. Цирульников; В.Н. Негуторов; С.В. Удинцев; В.П. Васильев; Н.В. Тимошин; Р.А. Саидахмедов; В.П. Трунов
Original assignee: Научно-исследовательский и проектно-технологический институт "Атмосфера"
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: thermal power engineering. SUBSTANCE: one gate is mounted in each secondary blow nozzle, the longitudinal vertical section of the gate is made in the form of two isosceles triangles joined by bases. The axis of rotation of each gate is aligned with the vertex of the matching first triangle and is equally spaced from lower and upper surfaces of the nozzle. EFFECT: improved structure. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к сжиганию топлива в топках котлов и может быть использовано в котлах с односторонней компоновкой горелочных устройств. The invention relates to the combustion of fuel in boiler furnaces and can be used in boilers with one-sided arrangement of burner devices.

Известна топка, содержащая экранированную камеру сгорания с однофронтовой компоновкой горелочных устройств, шлицами вторичного воздуха, установленными над горелками. Недостатком данного изобретения является неравномерное распределение температуры по высоте топки, что не позволяет достаточно эффективно снижать концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Known firebox containing a shielded combustion chamber with a single-front layout of the burner devices, secondary air slots mounted above the burners. The disadvantage of this invention is the uneven distribution of temperature along the height of the furnace, which does not allow to sufficiently effectively reduce the concentration of nitrogen oxides in flue gases.

Известна также топка, содержащая экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами вторичного дутья, выполненными прямоугольного сечения, расположенными на той же стене. Однако данная топка не обеспечивает достаточное повышение экономичности котла и снижения концентраций вредных выбросов в продуктах сгорания. Also known is a firebox containing a tube shielded by a combustion chamber with burners and secondary blast nozzles made of rectangular cross section located on the same wall. However, this furnace does not provide a sufficient increase in the efficiency of the boiler and in reducing the concentration of harmful emissions in the combustion products.

Это обусловлено тем, что работа котлов на природном газе в буферном режиме приводит к необходимости сжигания в одной топке поочередно или одновременно газа и мазута. Теплообменные характеристики газового и мазутного факелов сильно отличаются друг от друга. Различие теплообменных свойств пламени приводит к тому, что при переходе с одного вида топлива на другой не удается сохранить одинаковое тепловосприятие экранных поверхностей нагрева. Так, например, при сжигании мазута, факел которого обладает сильными радиационными свойствами, экранные поверхности поглощают большое количество теплоты и температура дымовых газов на выходе из топочной камеры заметно снижается по сравнению с тем случаем, когда сжигается газ. При сжигании газа экранные поверхности поглощают значительно меньше тепла и температура дымовых газов на выходе их топки оказывается более высокой. Поэтому при переходе с мазута на газ температурный уровень в топке увеличивается на 30-40 К. This is due to the fact that the operation of natural gas boilers in a buffer mode leads to the necessity of burning gas and fuel oil in the same furnace alternately or simultaneously. The heat transfer characteristics of gas and fuel oil flares are very different from each other. The difference in the heat transfer properties of the flame leads to the fact that when switching from one type of fuel to another, it is not possible to maintain the same heat perception of the screen heating surfaces. So, for example, when burning fuel oil, the torch of which has strong radiation properties, the screen surfaces absorb a large amount of heat and the temperature of the flue gases at the outlet of the combustion chamber decreases markedly compared to the case when the gas is burned. When gas is burned, the screen surfaces absorb much less heat and the temperature of the flue gases at the outlet of their firebox is higher. Therefore, when switching from fuel oil to gas, the temperature level in the furnace increases by 30-40 K.

Картина теплового напряжения в топке также изменяется при изменении нагрузки котла. The picture of thermal stress in the furnace also changes when the load of the boiler changes.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная в качестве прототипа топка, содержащая экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами прямоугольной в поперечном сечении формы для вторичного дутья, расположенными на стене с горелками, причем сопла снабжены шиберами, закрепленными на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможностью поворота вокруг своих осей. Closest to the technical nature of the present invention is a furnace selected as a prototype, containing a tube shielded by a combustion chamber with burners and nozzles of a rectangular cross-sectional shape for secondary blasting, located on the wall with burners, the nozzles being equipped with gates fixed to their axes at the beginning along the air flow with the possibility of rotation around its axes.

В известной топке в каждом сопле вторичного дутья установлены по два плоских шибера. Каждый из этих шиберов может поворачиваться вокруг своей оси независимо один от другого, благодаря этому при различных взаимных положениях шиберов воздушные потоки вторичного дутья могут быть направлены вверх или вниз на некоторый угол. In the well-known firebox, two flat gates are installed in each nozzle of the secondary blast. Each of these gates can rotate around its axis independently of one another, due to this, for different mutual positions of the gates, the air flows of the secondary blast can be directed up or down at a certain angle.

Это позволяет организовать ступенчатое сжигание топлива путем регулирования расхода и направления подачи вторичного воздуха. Благодаря повороту шиберов вокруг своих осей на угол 0-45^о, в зоне между ярусами появляются циркуляционные токи, в том числе в периферийных и концевых участках факелов. В результате этого происходит отклонение факелов от горизонтальной плоскости и интенсивный прогрев топлива и воздуха в прикорневой зоне каждого факела и частичное балластирование этих зон продуктами полного и неполного горения. Это приводит к изменению уровня максимальных температур в факеле.This allows you to organize stepwise combustion of fuel by controlling the flow rate and direction of secondary air supply. Due to the rotation of the vanes about their axes at an angle ^of 0-45, in the zone between the tiers there are circulating currents, including the peripheral and end portions of the torches. As a result of this, torches deviate from the horizontal plane and the fuel and air are intensely heated in the root zone of each torch and partially ballast these zones with products of complete and incomplete combustion. This leads to a change in the level of maximum temperatures in the flare.

Однако, при направлении воздушного потока вверх или вниз один из шиберов (при направлении потока вверх - нижний шибер, а при направлении вниз - нижний шибер) частично перекрывает воздушный поток (причем степень перекрытия тем больше, чем больше угол отклонения воздушного потока). В силу этого изменение направления потока сопряжено с изменением его расхода. Иначе говоря, при изменении направления воздушного потока неуправляемо изменяется его расход (интенсивность). Однако для организации оптимального процесса горения (особенно в котлах малой мощности) при различных нагрузках необходимо изменять направление воздушных потоков вторичного дутья независимо от его расхода. However, when the airflow is up or down, one of the gates (with the upward flow is the lower gate, and with the downward direction is the lower gate) partially blocks the air flow (the degree of overlap is the greater, the greater the angle of deviation of the air flow). Due to this, a change in the flow direction is associated with a change in its flow rate. In other words, when the direction of the air flow changes, its flow rate (intensity) uncontrollably changes. However, in order to organize an optimal combustion process (especially in low-power boilers) under various loads, it is necessary to change the direction of the secondary blast air flows regardless of its flow rate.

Цель изобретения - обеспечение возможности изменения направления воздушных потоков вторичного дутья независимо от их расходов. The purpose of the invention is the ability to change the direction of air flows of the secondary blast, regardless of their costs.

Поставленная цель достигается тем, что в топке, содержащей экранированную трубами камеру сгорания с горелками и соплами прямоугольной в поперечном сечении формы для вторичного дутья, расположенными на стене с горелками, причем сопла снабжены шиберами, закрепленными на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможностью поворота вокруг своих осей, в каждом сопле установлено по одному шиберу, имеющему в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников, ось поворота каждого шибера совмещена с вершиной соответствующего первого треугольника и расположена на равном расстоянии от верхней и нижней поверхностей сопла, причем при расположении шибера в среднем положении верхняя и нижняя поверхности шибера, образующие в продольном сечении две равные стороны второго равнобедренного треугольника, параллельны соответственно верхней и нижней поверхностям сопла, а высота второго равнобедренного треугольника превышает двойную высоту поперечного выходного сечения сопла. This goal is achieved by the fact that in a furnace containing a shielded combustion chamber with burners and nozzles of a rectangular cross-sectional shape for secondary blasting located on a wall with burners, the nozzles are equipped with gates mounted on their axes at the beginning along the air flow with the possibility of of rotation around its axes, in each nozzle, one gate is installed, having in the longitudinal vertical section the shape of two isosceles triangles aligned with the bases, the axis of rotation of each gate is aligned with the apex of the corresponding first triangle and is located at an equal distance from the upper and lower surfaces of the nozzle, moreover, when the gate is in the middle position, the upper and lower surfaces of the gate, forming in longitudinal section two equal sides of the second isosceles triangle, are parallel to the upper and lower surfaces of the nozzle, and the height of the second isosceles triangle exceeds the double height of the transverse output section of the nozzle.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенная топка отличается тем, что шиберы и сопла выполнены особой формы с определенным соотношением размеров, что приводит к появлению нового свойства - возможности изменения воздушных потоков вторичного дутья независимо от расхода воздуха в этих топках. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis with the prototype shows that the proposed furnace is characterized in that the gates and nozzles are made of a special shape with a certain size ratio, which leads to the appearance of a new property - the ability to change the secondary blast air flow regardless of the air flow in these furnaces. This allows us to conclude that the proposed solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify in them the features that distinguish the proposed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показана схема предлагаемой топки с соплами вторичного дутья (продольный разрез); на фиг. 2,3,4 - схема сопла для вторичного дутья при различных положениях шибера (т. е. при различных направлениях образующихся воздушных потоков вторичного дутья); на фиг. 5 - схема предлагаемой топки при наклонном расположении сопел относительно горелок (продольный разрез). In FIG. 1 shows a diagram of the proposed furnace with secondary blast nozzles (longitudinal section); in FIG. 2,3,4 is a diagram of a nozzle for secondary blasting at different positions of the gate (i.e., for different directions of the generated air flows of the secondary blasting); in FIG. 5 is a diagram of the proposed furnace with an inclined arrangement of nozzles relative to the burners (longitudinal section).

Топка содержит (см. фиг. 1) корпус 1, горелки 2, сопла 3 вторичного дутья, в которых установлены шибера 4, имеющие в продольном вертикальном сечении форму двух совмещенных основаниями равнобедренных треугольников. Шибера 4 установлены на своих осях в начале по ходу воздушного потока с возможность поворота вокруг своих осей 5. Ось 5 поворота каждого шибера 4 совмещена с вершиной соответствующего первого равнобедренного треугольника и расположена на равном расстоянии от нижней и верхней поверхностей сопла. При расположении шибера в среднем положении (см. фиг. 3) их верхние и нижние поверхности, образующие в продольном вертикальном сечении две стороны равнобедренных треугольников, параллельны соответственно веpхним и нижним поверхностям сопла 3. Геометрические размеры сопел 3 и шиберов 4 выбраны таким образом, что высота второго равнобедренного треугольника (образованного в продольном сечении шибера 4) превышает двойную высоту поперечного сечения сопла 3. Горелки 2 и сопла 3 сообщены с воздуховодами 6. The furnace contains (see Fig. 1) a housing 1, a burner 2, a secondary blast nozzle 3, in which a gate 4 is installed, having in the longitudinal vertical section the shape of two isosceles triangles aligned with their bases. The gate 4 is mounted on its axes at the beginning along the air flow with the possibility of rotation around its axes 5. The axis of rotation 5 of each gate 4 is aligned with the top of the corresponding first isosceles triangle and is located at an equal distance from the lower and upper surfaces of the nozzle. When the gate is in the middle position (see Fig. 3), their upper and lower surfaces, which form two longitudinal sides of isosceles triangles in longitudinal vertical section, are parallel to the upper and lower surfaces of the nozzle 3, respectively. The geometrical dimensions of the nozzles 3 and the gate 4 are chosen so that the height of the second isosceles triangle (formed in the longitudinal section of the gate 4) exceeds the double height of the cross section of the nozzle 3. Burners 2 and nozzles 3 are in communication with the ducts 6.

В случае, если струя воздуха подается только горизонтально, возникают следующие сложности при эксплуатации котла. If the air stream is supplied only horizontally, the following difficulties arise during operation of the boiler.

При сжигании мазута и понижении нагрузки котла смешение продуктов частичного выгорания мазута и вторичного воздуха происходит слишком далеко от зоны активного горения, что приводит к появлению СО в продуктах сгорания. Для снижения СО в уходящих газах возникает необходимость увеличивать количество воздуха, подаваемого через горелку, что ведет к росту концентрации оксидов азота в уходящих газах. When burning fuel oil and lowering the load of the boiler, the mixing of the products of partial burning of fuel oil and secondary air occurs too far from the active combustion zone, which leads to the appearance of CO in the combustion products. To reduce the CO in the exhaust gases, there is a need to increase the amount of air supplied through the burner, which leads to an increase in the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases.

При сжигании газа эффект уменьшения количества оксидов азота в продуктах сгорания тем значительней, чем дальше от активной зоны горения подается вторичный воздух. В случае, если струя воздуха подается только горизонтально, при изменении нагрузки котла необходимо изменять количество воздуха, подаваемого во вторую ступень. Это, в свою очередь, в некоторых случаях приводит к появлению продуктов химического недожога в уходящих газах. Поэтому сопла 3 вторичного дутья целесообразно расположить наклонно к горелкам. Угол наклона зависит от вида сжигаемого топлива (жидкое или газообразное) и способа подачи топлива и составляет при сжигании природного газа - 0^о; при сжигании мазута и распыла его с помощью паромеханических форсунок - 20-25^о; при сжигании мазута с высокой вязкостью и распыла его с помощью механических форсунок - 40-45^о. (Кроме того, угол наклона сопл зависит от степени подогрева мазута). Такое взаимное расположение сопел 3 и горелок 2 показано на фиг. 5.When gas is burned, the effect of reducing the amount of nitrogen oxides in the combustion products is greater, the farther from the active combustion zone secondary air is supplied. If the air stream is supplied only horizontally, when changing the load of the boiler, it is necessary to change the amount of air supplied to the second stage. This, in turn, in some cases leads to the appearance of products of chemical underburning in flue gases. Therefore, the nozzles 3 of the secondary blast should be positioned obliquely to the burners. The inclination angle depends on the type of combustion of fuel (liquid or gaseous) and a method of fuel delivery and is the combustion of natural gas - 0 ^o; when burning fuel oil and spraying it using steam-mechanical nozzles - 20-25 ^о ; when burning fuel oil with high viscosity and spraying it using mechanical nozzles - 40-45 ^about . (In addition, the angle of the nozzles depends on the degree of heating of the fuel oil). Such a mutual arrangement of nozzles 3 and burners 2 is shown in FIG. 5.

Предлагаемая топка работает следующим образом. Топливо (газ или мазут) через горелки 2 поступает в топку. Воздух через воздуховод 6 поступает к горелкам 2 и соплам 3 вторичного дутья. При повороте шибера 4 в верхнее крайнее положение (см. фиг. 2) его верхняя часть прижимается к верхней поверхности сопла 3. При этом образуется воздушный канал между нижней поверхностью шибера 4 и нижней поверхностью сопла 3, по которому вторичный воздух подается в верхнюю часть топочного пространства. Аналогично при повороте шибера 4 в крайнее нижнее положение вторичный воздух подается в нижнюю часть топочного пространства. The proposed furnace works as follows. Fuel (gas or fuel oil) through the burner 2 enters the furnace. Air through the duct 6 enters the burners 2 and nozzles 3 of the secondary blast. When the gate 4 is rotated to the upper extreme position (see Fig. 2), its upper part is pressed against the upper surface of the nozzle 3. An air channel is formed between the lower surface of the gate 4 and the lower surface of the nozzle 3, through which secondary air is supplied to the upper part of the furnace space. Similarly, when the gate 4 is turned to its lowest position, secondary air is supplied to the lower part of the furnace space.

Величина угла отклонения воздушного потока в крайнее верхнее или нижнее положение зависит от соотношения поперечных (вертикальных) и продольных размеров шибера 4. При большем соотношении угол отношения больше, и наоборот. The magnitude of the angle of deviation of the air flow to the extreme upper or lower position depends on the ratio of the transverse (vertical) and longitudinal dimensions of the gate 4. With a larger ratio, the angle of the ratio is larger, and vice versa.

При нахождении шибера 4 в промежуточном положении между крайним верхним и крайним нижним положениями поток вторичного воздуха формируется при его прохождении через два канала, образующихся выше и ниже шибера 4. В зависимости от соотношения сечений этих двух каналов суммарный воздушный поток, образованный путем суперпозиции верхнего и нижнего воздушных потоков имеет то или иное промежуточное (между крайним верхним и крайним нижним) направление. When the gate 4 is in an intermediate position between the extreme upper and lower extreme positions, a secondary air flow is formed when it passes through two channels formed above and below the gate 4. Depending on the ratio of the cross sections of these two channels, the total air flow formed by superposition of the upper and lower air flows has one or another intermediate (between the extreme upper and extreme lower) direction.

Благодаря тому, что высота второго равнобедренного треугольника, образованного в продольном вертикальном сечении крайними поверхностями шибера 4, согласно изобретению превышает двойную высоту поперечного выходного сечения соответствующего сопла, воздушный поток вторичного дутья, выходящий из сопла, оказывается хорошо сформированным по направлению, т. е. угол расхождения воздушного потока оказывается небольшим. Это позволяет осуществлять ступенчатое сжигание путем направления потока вторичного воздуха в нужную часть топочного пространства с достаточной степенью точности. Due to the fact that the height of the second isosceles triangle formed in a longitudinal vertical section by the extreme surfaces of the gate 4, according to the invention exceeds the double height of the transverse output section of the corresponding nozzle, the air flow of the secondary blast emerging from the nozzle is well formed in the direction, i.e., the angle discrepancies in air flow are small. This allows staged combustion by directing the flow of secondary air to the desired part of the furnace space with a sufficient degree of accuracy.

Поскольку сечение каждого сопла 3, по которому подается вторичный воздух, остается практически постоянным при различных пространственных положениях каждого шибера 4 (а значит, и при различных направлениях подачи вторичного воздуха в ту или иную часть топки по ее высоте), то и расход вторичного воздуха при этом остается практически постоянным. Иначе говоря, изменение направления подачи вторичного воздуха никак не влияет на величину его расхода. При необходимости расход вторичного воздуха может осуществляться при помощи дополнительно устанавливаемого перед соплом 3 регулирующего устройства. Since the cross section of each nozzle 3, through which the secondary air is supplied, remains almost constant for different spatial positions of each gate 4 (and, therefore, for different directions of the secondary air supply to one or another part of the furnace along its height), the flow of secondary air at this remains almost constant. In other words, a change in the direction of supply of the secondary air does not affect the value of its flow rate. If necessary, the flow of secondary air can be carried out using an additional control device installed before the nozzle 3.

П р и м е р. Котел КВГМ-100 был оборудован соплами вторичного дутья с шиберами согласно предлагаемому изобретению. Сопла были расположены выше горелок на расстоянии, равном двум диаметрам горелок. Через сопла вторичного дутья подавались 20% воздуха от его общего расхода. PRI me R. The boiler KVGM-100 was equipped with secondary blast nozzles with gates according to the invention. Nozzles were located above the burners at a distance equal to two diameters of the burners. Through the nozzles of the secondary blast, 20% of the air of its total flow rate was supplied.

При работе котла на мазуте для организации оптимального процесса горения при 100% нагрузке котла вторичный воздух подавался горизонтально (т. е. шибер 4 находился в среднем положении); при 70% -ной нагрузке котла шибер 4 поворачивался вниз на 20-25^о, а при 50% -ной нагрузке - на 35-40^о.When the boiler was operated on fuel oil to organize the optimal combustion process at 100% load of the boiler, secondary air was supplied horizontally (i.e., gate 4 was in the middle position); at 70% load of the boiler gate 4 turned down to ^20-25, and at 50% load - 35-40 ^o.

При работе же котла на природном газе при 100% -ной нагрузке шибер 4 поворачивался вверх на 35-40^о, при 70% -ной - шибер 4 поворачивался вверх на 20-25^о, при 70% -ной - шибер 4 поворачивался вверх на 20-25^о, а при 50% -ной нагрузке шибер 4 устанавливался в среднем положении (т. е. угол отклонения его от горизонтали составлял 0^о).When operating the boiler with natural gas at 100% load vane 4 rotated up to ^about 35-40, at 70% - vane 4 rotated up to ^about 20-25, at 70% - vane 4 rotated up to ^20-25, and at 50% load gate 4 installed in the middle position (m. e. its angle of deflection from the horizontal is ^about 0).

При такой организации процесса горения концентрация вредных веществ в дымовых газах оказывалась минимальной независимо от величины нагрузки котла. При сжигании газа концентрации оксидов азота не превышала 125 мг/м³, а при сжигании мазута - 180 мг/м³. Оксид углерода (СО) в продуктах сгорания отсутствовал.With this organization of the combustion process, the concentration of harmful substances in the flue gases turned out to be minimal, regardless of the size of the boiler load. When burning gas, the concentration of nitrogen oxides did not exceed 125 mg / m ³ , and when burning fuel oil - 180 mg / m ³ . Carbon monoxide (CO) was absent in the combustion products.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет при ступенчатом сжигании топлива изменять направление подачи вторичного воздуха в зону горения независимо от величины его расхода и тем самым позволяет снижать концентрации вредных веществ в дымовых газах до минимальных величин независимо от коэффициента загрузки топки котла. Thus, the present invention allows for the stepwise combustion of fuel to change the direction of supply of secondary air into the combustion zone, regardless of its flow rate, and thereby reduces the concentration of harmful substances in flue gases to minimum values, regardless of the load factor of the boiler furnace.

(56) Заявка Японии N 62-29682, кл. F 23 С 1/00, опубл. 1987. (56) Japanese Application N 62-29682, cl. F 23 C 1/00, publ. 1987.

Авторское свидетельство СССР N 1366786, кл. F 23 С 5/08, 1988. USSR author's certificate N 1366786, cl. F 23 C 5/08, 1988.

Claims

1. A burner containing a shielded combustion chamber with burners and rectangular nozzles for secondary blasting located on a wall with burners, characterized in that, in order to ensure the possibility of changing the direction of air flows of the secondary blast, regardless of their flow rate, each nozzle has one gate, having in the longitudinal vertical section the shape of two isosceles triangles aligned with the bases, the axis of rotation of each gate is aligned with the top of the corresponding first triangular and is located at an equal distance from the upper and lower surfaces of the nozzle, and when the gate is in the middle position, the upper and lower surfaces of the gate, forming in longitudinal vertical section the two sides of the second isosceles triangle, are parallel to the upper and lower surfaces of the nozzle, respectively, and the height of the second isosceles triangle exceeds the double height of the transverse outlet section of the nozzle.

2. The furnace according to claim 1, characterized in that the secondary blast nozzles are installed at an angle of 0 - 45 ^o to the axes of the burners.