RU2350837C1

RU2350837C1 - Grate-fired furnace with swirling afterburning

Info

Publication number: RU2350837C1
Application number: RU2007129953/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Викторович Яковлев (RU); Юрий Викторович Яковлев
Original assignee: Юрий Викторович Яковлев
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-03-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: furnace consists of the following: cylindrical combustion chamber, grating which has central charging door meant for bottom fuel supply and installed in combustion chamber; annular swirler installed at the bottom of cylindrical combustion chamber coaxially to grating; and the narrowing ring located in upper combustion chamber. Grating is made in the form of frustrum of pyramid with its minor base directed upwards. Grating sides are composed of individual components of angular L-shaped section with holes for supplying primary air jets to fuel bed towards each other.

EFFECT: invention allows improving design manufacturability, combustion process intensification, and fuel combustion completeness.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к топочной технике и может быть использовано для сжигания твердого мелкофракционного и пылевидного топлива, преимущественно низкой зольности, в топках паровых и водогрейных котлов, в том числе мобильных в модульном исполнении.The invention relates to a furnace technology and can be used for burning solid fine-grained and pulverized fuel, mainly low ash, in the furnaces of steam and hot water boilers, including mobile in a modular design.

Известна слоевая топка с вихревым дожигом и нижней центральной подачей твердого топлива, принятая в качестве прототипа и содержащая цилиндрическую топочную камеру, размещенную в ней колосниковую решетку в виде усеченного конуса с обращенным кверху меньшим основанием, центральным загрузочным окном для нижней подачи топлива и отверстиями для подачи первичного воздуха, шлакозолосборную ленту, примыкающую к решетке, зольник, помещенный под лентой, и сопла для подачи вторичного воздуха в надслоевое пространство, причем отверстия в решетке и выходные отверстия сопел расположены по касательным к соответствующим окружностям и направлены в одну сторону. При работе топки такой конструкции основной процесс сжигания топлива происходит на поверхности колосниковой решетки при постепенном перемещении слоя топлива от верхней части конуса к его нижней части, а для повышения полноты сгорания топлива необходимо обеспечить условия для повышения времени пребывания недогоревших частиц топлива в топочной камере. С этой целью догорание несгоревших частиц происходит в искусственном вихре вторичного воздуха, подаваемого тангенциально, по всей высоте цилиндрической топочной камеры через сопла (см. патент СССР №212864, МПК F23B 7/00, 1968 г.).Known lay furnace with a vortex afterburner and lower central supply of solid fuel, adopted as a prototype and containing a cylindrical combustion chamber, placed in it a grate in the form of a truncated cone with a smaller base facing up, a central loading window for lower fuel supply and holes for supplying the primary air, a slag collecting tape adjacent to the grate, an ash pan placed under the tape, and nozzles for supplying secondary air to the superlayer space, with holes in the grate and the nozzle exit openings are tangent to the respective circles and directed to one side. During the operation of a furnace of this design, the main process of burning fuel occurs on the surface of the grate with a gradual movement of the fuel layer from the upper part of the cone to its lower part, and to increase the completeness of combustion of the fuel, it is necessary to provide conditions for increasing the residence time of unburned fuel particles in the combustion chamber. For this purpose, unburned particles are burned out in an artificial vortex of secondary air, which is supplied tangentially over the entire height of the cylindrical combustion chamber through nozzles (see USSR Patent No. 212864, IPC F23B 7/00, 1968).

Недостатком известной топки является недостаточная технологичность конструкции, обусловленная необходимостью выполнять в цилиндрической стенке топочной камеры по всей ее высоте сопла, обеспечивающие тангенциальный ввод вторичного воздуха, а за стенкой - каналы для подвода вторичного воздуха к соплам с целью образования искусственного вихря. С другой стороны, поставленная задача интенсификации процесса горения и уменьшения потерь с механическим недожогом в данной конструкции топки решается не в полной мере, т.к. недогоревшая частица может совершать перемещение в пределах топочной камеры по спиралеобразной траектории только поступательно в направлении снизу вверх без возможности возвратного перемещения сверху вниз. Это могло бы продлить время пребывания частицы в топочной камере, а значит, повысить полноту сгорания топлива.A disadvantage of the known firebox is the lack of manufacturability of the design, due to the need to perform nozzles in the cylindrical wall of the combustion chamber along its entire height that provide tangential introduction of secondary air, and behind the wall there are channels for supplying secondary air to the nozzles in order to form an artificial vortex. On the other hand, the task of intensifying the combustion process and reducing losses with mechanical underburning in this design of the furnace is not fully solved, because an unburned particle can move within the combustion chamber along a spiral-shaped trajectory only translationally in the direction from the bottom up without the possibility of a return movement from top to bottom. This could extend the residence time of the particle in the combustion chamber, and therefore, increase the completeness of fuel combustion.

Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности конструкции, интенсификация процесса горения, повышение полноты сгорания топлива и обеспечение возможности аэрозолоудаления за пределы топочной камеры.The objective of the present invention is to improve the manufacturability of the design, the intensification of the combustion process, increasing the completeness of combustion of the fuel and providing the possibility of aerosol removal outside the combustion chamber.

Поставленная задача решается за счет того, что слоевая топка с вихревым дожигом, содержащая цилиндрическую топочную камеру и размещенную в ней колосниковую решетку с центральным загрузочным окном для нижней подачи топлива, согласно изобретению снабжена кольцевым завихрителем, установленным в нижней части цилиндрической топочной камеры коаксиально колосниковой решетке, и пережимным кольцом, расположенным в верхней части топочной камеры, а колосниковая решетка выполнена в виде усеченной пирамиды, обращенной кверху меньшим основанием, причем грани решетки выполнены сборными из отдельных элементов углового Г-образного профиля с отверстиями для подачи струй первичного воздуха в слой топлива навстречу друг другу.The problem is solved due to the fact that the layer furnace with a vortex afterburning, containing a cylindrical furnace chamber and placed in it a grate with a central loading window for lower fuel supply, according to the invention is equipped with an annular swirler installed in the lower part of the cylindrical furnace chamber coaxially with the grate, and a pinch ring located in the upper part of the combustion chamber, and the grate is made in the form of a truncated pyramid facing upward with a smaller base, moreover, the lattice faces are prefabricated from separate elements of the angular L-shaped profile with holes for supplying jets of primary air into the fuel layer towards each other.

Поставленная задача решается также за счет того, что отверстия элементов граней решетки могут быть выполнены с осями, пересекающимися под углом 90°.The problem is also solved due to the fact that the holes of the elements of the faces of the lattice can be performed with axes intersecting at an angle of 90 °.

Поставленная задача решается также за счет того, что кольцевой завихритель может быть выполнен в форме турбинного колеса с отогнутыми под углом 3-5° к горизонтали и расположенными по всему периметру лопатками.The problem is also solved due to the fact that the annular swirler can be made in the form of a turbine wheel with the blades bent at an angle of 3-5 ° to the horizontal and located around the entire perimeter.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой топки.Figure 1 presents a diagram of the proposed firebox.

На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.Figure 2 is a section aa in figure 1.

На фиг.3 - вид I (увеличено) на фиг.1.Figure 3 is a view of I (enlarged) in figure 1.

На фиг.4 - вид II (увеличено) на фиг.1.In Fig.4 - view II (enlarged) in Fig.1.

Предлагаемая слоевая топка содержит цилиндрическую топочную камеру 1 (фиг.1), размещенную в ней колосниковую решетку 2 с центральным загрузочным окном 3 для нижней подачи топлива на решетку 2 посредством шнекового питателя 4, кольцевой завихритель 5, установленный в нижней части цилиндрической топочной камеры 1 коаксиально колосниковой решетке 2, и расположенное в верхней части топочной камеры 1 пережимное кольцо 6 из огнеупорного материала, образующее горловину, препятствующую свободному выносу недогоревших частиц из топки, и служащее формированию обратных газовых токов по периферии топочной камеры 1 в направлении колосниковой решетки 2. Колосниковая решетка 2 (фиг.2) выполнена в виде усеченной пирамиды, обращенной кверху меньшим основанием, причем грани решетки 2 (фиг.3) выполнены сборными из отдельных элементов 7 углового Г-образного профиля с отверстиями 8 для подачи струй первичного воздуха в слой топлива навстречу друг другу. Отверстия 8 элементов граней решетки 2 могут быть выполнены с осями, пересекающимися под углом 90°. К кольцевому завихрителю 5 через каналы 9 подводится вторичный воздух. Для создания искусственного вихря кольцевой завихритель 5 (фиг.4) может быть выполнен в форме турбинного колеса с отогнутыми под углом 3-5° к горизонтали и расположенными по всему периметру лопатками 10.The proposed layer furnace contains a cylindrical combustion chamber 1 (Fig. 1), a grate 2 placed in it with a central loading window 3 for lower fuel supply to the grid 2 by means of a screw feeder 4, an annular swirler 5 installed coaxially in the lower part of the cylindrical combustion chamber 1 grate 2, and a pinch ring 6 made of refractory material located in the upper part of the combustion chamber 1, forming a neck that impedes the free removal of unfinished particles from the furnace, and serves as a mold the generation of reverse gas currents along the periphery of the combustion chamber 1 in the direction of the grate 2. The grate 2 (Fig. 2) is made in the form of a truncated pyramid facing upward with a smaller base, and the faces of the grate 2 (Fig. 3) are made of prefabricated individual elements 7 of the corner L-shaped profile with holes 8 for supplying jets of primary air into the fuel layer towards each other. Holes 8 of the elements of the faces of the lattice 2 can be made with axes intersecting at an angle of 90 °. Secondary air is supplied to the annular swirler 5 through channels 9. To create an artificial vortex, the annular swirler 5 (Fig. 4) can be made in the form of a turbine wheel with blades 10 bent at an angle of 3-5 ° to the horizontal and located around the entire perimeter.

Предлагаемая топка работает следующим образом.The proposed furnace works as follows.

Мелкофракционное топливо шнековым питателем 4 через центральное загрузочное окно 3 подается в верхнюю часть колосниковой решетки 2. При взаимодействии с потоком первичного воздуха, подаваемым в слой топлива в виде струй через отверстия 8 в элементах 7, топливо сгорает, постепенно перемещаясь сверху вниз под действием собственного веса и веса новых порций подаваемого свежего топлива. Выполнение граней решетки 2 сборными из отдельных элементов 7 углового Г-образного профиля, которые при их взаимном соединении на каждой ступени решетки образуют отдельные кольцевые микрозоны горения, обеспечивает оптимальную по условиям топочного процесса скорость перемещения топлива по поверхности решетки 2. Струи первичного воздуха, проходя через отверстия 8 в элементах 7 навстречу друг другу, пересекаются. В результате встречного столкновения струй происходит дополнительная турбулизация потока первичного воздуха, за счет чего взрыхляется слой топлива, тем самым способствуя лучшему распределению первичного воздуха между частицами топлива, повышая реакционную способность окислителя и интенсифицируя процесс горения в каждой кольцевой микрозоне. Для повышения полноты сгорания топлива через каналы 9 подается поток вторичного воздуха, который, пройдя через лопатки 10 кольцевого завихрителя 5, образует искусственный вихрь, который подхватывает снизу колосниковой решетки 2 частицы золы и несгоревшего топлива и перемещает их вверх по спиралеобразной траектории. В процессе витания продолжается догорание частиц топлива. При этом под действием центробежной силы наиболее массивные частицы движутся по виткам спирали в непосредственной близости у стенки цилиндрической топочной камеры 1 и, встречая на своем пути препятствие в виде пережимного кольца 6, возвращаются обратно вниз к колосниковой решетке 2, совершая повторный виток. Таким образом, повышается время удержания частиц в топочной камере 1, что способствует повышению полноты сгорания топлива. В центральной части вихревого потока, как следует из законов газовой динамики, имеет место область пониженного давления, в которой концентрируются частицы золы, образующие шнуровидный газопылевой поток, перемещающийся снизу вверх по оси топочной камеры 1 и выносимый из нее наружу через горловину, образованную пережимным кольцом 6. Таким образом, в топке обеспечивается возможность аэрозолоудаления. Полная очистка потока топочных газов от пылевидных частиц золы происходит за пределами топки в обычном циклоне (не показан).Fine fuel with a screw feeder 4 is fed through the central loading window 3 to the upper part of the grate 2. When interacting with the primary air stream supplied to the fuel layer in the form of jets through openings 8 in elements 7, the fuel burns up, gradually moving from top to bottom under its own weight and the weight of new servings of fresh fuel supplied. The implementation of the faces of the lattice 2 by teams of separate elements 7 of an angular L-shaped profile, which, when connected together at each stage of the lattice, form separate annular combustion microzones, provides the optimal speed of fuel movement along the surface of the lattice according to the conditions of the furnace process 2. The jets of primary air passing through holes 8 in the elements 7 towards each other, intersect. As a result of the collision of the jets, an additional turbulization of the primary air flow occurs, due to which the fuel layer is loosened, thereby contributing to a better distribution of primary air between the fuel particles, increasing the reactivity of the oxidizing agent and intensifying the combustion process in each ring microzone. To increase the completeness of combustion of fuel through the channels 9, a stream of secondary air is supplied, which, passing through the blades 10 of the annular swirler 5, forms an artificial vortex, which picks up particles of ash and unburned fuel from the bottom of the grate 2 and moves them upward along a spiral path. In the process of soaking, the combustion of fuel particles continues. In this case, under the action of centrifugal force, the most massive particles move along the coils of the spiral in the immediate vicinity of the wall of the cylindrical combustion chamber 1 and, encountering an obstacle in the form of a pinch ring 6, return back down to the grate 2, making a second round. Thus, the retention time of particles in the combustion chamber 1 is increased, which contributes to an increase in the completeness of fuel combustion. In the central part of the vortex flow, as follows from the laws of gas dynamics, there is a region of reduced pressure in which ash particles are concentrated, forming a cord-like gas and dust stream, moving from bottom to top along the axis of the combustion chamber 1 and carried out from it out through the neck formed by the pinch ring 6 Thus, the furnace provides the possibility of aerosol removal. Complete purification of the flue gas stream from dust particles of ash occurs outside the furnace in a conventional cyclone (not shown).

Повышение технологичности топки предлагаемой конструкции обеспечивается тем, что для создания вихревого потока вторичного воздуха отпадает необходимость выполнять на разной высоте ряд отдельных сопел в стенке топочной камеры и соответствующих каналов для подвода к ним воздуха. В предлагаемой топке для создания вихревого потока используется одна деталь, независимая от топочной камеры 1, - кольцевой завихритель 5. Это существенно упрощает технологию изготовления наиболее габаритного элемента топки - топочной камеры. Кроме того, для упрощения монтажа колосниковой решетки 2 ее грани выполнены сборными из отдельных унифицированных по форме и размеру элементов углового Г-образного профиля.Improving the manufacturability of the furnace of the proposed design is ensured by the fact that to create a vortex stream of secondary air there is no need to perform at different heights a number of separate nozzles in the wall of the combustion chamber and the corresponding channels for supplying air to them. In the proposed furnace, to create a vortex flow, one part is used that is independent of the combustion chamber 1, the annular swirler 5. This greatly simplifies the manufacturing technology of the most dimensional element of the furnace - the combustion chamber. In addition, to simplify the installation of the grate 2, its faces are prefabricated from individual elements of an angular L-shaped profile, uniform in shape and size.

Claims

1. A lay furnace with a vortex afterburning comprising a cylindrical combustion chamber and a grate with a central loading window for lower fuel supply, characterized in that it is equipped with an annular swirler installed in the lower part of the cylindrical combustion chamber with a coaxial grate and a pinch ring located in the upper part of the combustion chamber, and the grate is made in the form of a truncated pyramid facing upward with a smaller base, and the edges of the grate are made prefabricated from individual elements of the angular L-shaped profile with holes for supplying jets of primary air into the fuel layer towards each other.

2. The furnace according to claim 1, characterized in that the holes of the elements of the faces of the lattice are made with axes intersecting at an angle of 90 °.

3. The furnace according to claim 1 or 2, characterized in that the annular swirler is made in the form of a turbine wheel with the blades bent at an angle of 3-5 ° to the horizontal and located around the entire perimeter.