RU2841800C1 - Универсальная инверсная топка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области энергетики. Топка содержит сопла вторичного дутья и установленные на выступе, образованном отгибкой по меньшей мере одного экрана, направленные вниз в сторону холодной воронки пылеугольные горелки. Причём в местах выхода горелок и на начальном участке горелочных струй экраны утеплены. Выступ отогнут внутрь топки, а часть сопл вторичного дутья расположена в нижней части холодной воронки на фронтовом и заднем экранах и установлена по встречно смещенной схеме в виде двух горизонтальных рядов отдельных сопл, направленных на противолежащие экраны холодной воронки с наклоном вверх. Изобретение позволяет экономично и экологически эффективно сжигать не только низкореакционные, но и высокореакционные, и шлакующие угли, и углесодержащие отходы. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к организации камерного сжигания различных видов углей, углесодержащих отходов и может использоваться в промышленных и энергетических котлах с различной компоновкой при их реконструкции и разработке нового котельно-топочного оборудования.

Известно топочное устройство [1. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. М.: Энергоатамиздат, 1990. Рис. 22, стр. 43.]. Эта низкотемпературная вихревая топка применяется в котлах с П-образной компоновкой при фронтальном расположении горелок и предназначена для сжигания измельченных высокореакционных топлив: бурых углей, торфа и горючих сланцев. Топка содержит расположенные с наклоном вниз на фронтовом экране прямоточные горелки и установленные внизу, в холодной воронке (ХВ) встречно от заднего экрана сопла нижнего дутья. Струи горелок и сопл нижнего дутья направлены тангенциально к условному телу с горизонтальной осью вращения и, действуя в паре, создают заполняющий ХВ топки вихрь. При этом нижняя часть экранов ХВ включается в конвективный теплообмен, температура топочного процесса и эмиссия вредных оксидов азота и шлакование топочных экранов снижаются.

Недостатками этой топки являются: сложность встраивания такой конструкции в котлы с различной компоновкой, а также проблемы, связанные с заметным уменьшением скорости горения коксозольного остатка твердых топлив и интенсивности топочных процессов при снижении температуры:

- низкая эффективность топочных процессов и теплосъёма экранов в ХВ;

- низкая экономичность, связанная с механическим недожогом топлива в провале и уносе, а также с повышенными потерями тепла с уходящими дымовыми газами из-за необходимости поддержания повышенного избытка воздуха в топке для подавления механического недожога;

- топка непригодна для сжигания углей с малым выходом летучих, а также низкореакционных топлив и углесодержащих отходов.

Всё это предопределяется особенностями аэродинамики топочного устройства. Топливовоздушная смесь истекает из горелок, натекает на задний экран и разделяется на два потока. Поток [1., рис.22], устремляющийся вниз, в ХВ, заполняется частицами топлива, которые хорошо удерживаются в вихре, имеют повышенное время пребывания и медленно горят, так как находятся в восстановительной среде даже при подаче дополнительных 30% дутья снизу. При этом в ХВ поддерживается низкая температура за счёт подавленного нехваткой кислорода горения и теплоотвода от факела к экранам. В итоге в ХВ поддерживается восстановительная среда, опасная по условиям шлакования топки (из-за понижения температуры плавления золы в восстановительной среде), большое накопление частиц топлива, его недожог с провалом через ХВ и замедленный топочный процесс.

С другой стороны, поднимающийся вверх поток топливовоздушной смеси, не задерживаясь, покидает топку и не успевает выгореть даже при повышенных избытках воздуха. Именно уходящий вверх поток требует повышенных избытков воздуха, а это создает недожог топлива с уносом, увеличивает количество уходящих дымовых газов и потери тепла с ними, дополнительно снижает экономичность устройства.

Из известных еще с 1930-х годов технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является инверсная топка с U-образным факелом [2. Ковалёв А.П. Котельные агрегаты. Часть 1. М.-Л.: ГЭИ, 1948, фиг. 75 а), стр. 140.], выбранная в качестве прототипа. В прототипе горелки направлены вниз и устанавливаются на выступе, выступающем плече, образованном отгибкой фронтового топочного экрана наружу. В более мощных котлах под установку горелок наружу выгибают как фронтовой, так и заданий топочные экраны. Оба варианта, так называемые плечевые топки, имеют специфическую, расширенную внизу компоновку котлов с увеличенным пятном застройки.

Эти топки предназначены для сжигания пыли тонкого помола антрацитов, тощих и других низкореакционных углей с высокой температурой плавления золы, поэтому их экраны утеплены, особенно в зоне установки горелок. Они заторкретированы слоем шамотный обмуровки [2. Ковалёв А.П. Котельные агрегаты. Часть 1. М.-Л.: ГЭИ, 1948, фиг. 75 а), стр. 140; фиг. 81, стр. 104.] и работают при повышенной температуре. В горелки подаётся некоторое количество первичного дутья, но не менее необходимого для сгорания летучих, что в совокупности с утеплением топки обеспечивает быстрый разогрев и воспламенение нисходящих горелочный струй от восходящей части факела. Сначала факел горит в потоке вторичного дутья, которое подают на горелочные струи через сопла распределённо по высоте со стороны утепленного экрана, одновременно защищая стену от шлакующей восстановительной среды. Далее факел разворачивается над ХВ, частицы топлива, задерживаясь в топке, проходят путь опускного и затем подъёмного движения, и постепенно догорают в восходящей части U-образного факела, охлаждаясь за счёт излучения тепла на открытые части экранов топки. В итоге ХВ и топка вовлекаются в топочный процесс, причем со значительным увеличением пути частиц топлива, времени их пребывания и горения в топочном объёме, что необходимо в силу их низкой реакционной способности. При этом частицы угля не выпадают в ХВ, так как используется очень тонкий помол в ШБМ.

Касаясь применимости котлов с инверсными топками, то в отечественной энергетике они не получили распространения из-за увеличенных габаритов и соответственно затрат, примерно на 15-25%, при строительстве таких котлов. Для сжигания углей, в том числе низко реакционных, у нас стали применяться более универсальные по топливам, высокотемпературные топки с жидким шлаком. Эти топки наиболее компактны, и они обеспечивают создание котлов с наименьшими габаритами, хотя и не всегда эффективными.

Отметим, что на сегодня инверсные топки получили развитие при сжигании низко реакционных углей благодаря высоким экологическим характеристикам [3. Пузырев Е.М., Голубев В.А., Пузырев М.Е. Технология «Торнадо» для энергетических котлов. / Электрические станции. 2022. №6, стр. 12 - 18]. В них используется разделение пылевоздушного потока с выделением тонкой угольной пыли и её дожиганием над основными горелками, что существенно стабилизирует горение и снижает эмиссию оксидов азота. Сопла вторичного дутья [3. Рис. 1.] направляют вниз вдоль экрана, и этим защищают стены топки от восстановительной среды и шлакования.

Прототип имеет недостатки. Во-первых, он почти непригоден для реконструкции и модернизации типовых котлов, так как при расширении топки за счет выгибания топочных экранов наружу необходимо расширить каркас, на котором подвешен котел, что зачастую невозможно из-за стесненности помещения, или приводит к существенному увеличению габаритов котла и объёма инвестиций в его реконструкцию либо в новое строительство.

Во-вторых, прототип не может использоваться для организации экономичного сжигания бурых и других высокореакционных и шлакующих углей и углесодержащих отходов. Их отличие заключается в том, что они имеют большой выход летучих, легко воспламеняются и быстро горят, поэтому закрытие большой площади экранов топки слоем торкрета, приведет к локальному перегреву и зашлаковыванию топки. Далее, из-за взрыво- и пожароопасности пылеприготовления этих углей типично используется грубый помол, и поэтому при развороте факела над ХВ значительная часть угля будет проваливаться в ХВ, что резко снизит экономичность топки из-за большого мехнедожога топлива с провалом.

Технической задачей изобретения является разработка универсального топочного устройства, пригодного как для встраивания в типичные габариты энергетических котлов с различными типами компоновок, так и универсального по кругу применяемых топлив, применимого для экономичного и экологически эффективного сжигания, причём не только низкореакционных, но и высокореакционных и шлакующих углей и углесодержащих отходов.

Технический результат достигается тем, что в универсальной инверсной топке, содержащей сопла вторичного дутья и установленные на выступе, образованном отгибкой по меньшей мере одного экрана, направленные вниз, в сторону ХВ пылеугольные горелки, причём в местах выхода горелок и на начальном участке горелочных струй экраны утеплены, предлагается выступ отогнуть внутрь топки, а часть сопл вторичного дутья расположить в нижней части ХВ на фронтовом и заднем экранах, и установить их по встречно смещенной схеме в виде двух горизонтальных рядов отдельных сопл, направленных на противолежащие экраны ХВ с наклоном вверх.

Возможность установки пылеугольных горелок на выступе, образованном отгибкой внутрь топки по меньшей мере одного топочного экрана, обеспечивает не только компактность предлагаемого устройства, но и универсальность его конструкции, так как допускается расположение горелок на любом из экранов, фронтовом, боковом, заднем, причём не только на одном, а на двух и более экранах. В итоге, конструкция предлагаемого топочного устройства универсальна, пригодна для встраивания в энергетические котлы с различными типами компоновок при сохранении их габаритов.

При работе предлагаемой универсальной инверсной топки топливовоздушные струи пылеугольных горелок устремляются вниз в ХВ вдоль экрана в виде горящего факела, далее факел разворачивается над ХВ по U-образной траектории, обеспечивая значительное увеличение пути частиц топлива, времени их пребывания и горения в топочном объёме, со снижением мехнедожога. В местах выхода горелок и на начальном участке горелочных струй экраны утеплены, закрыты со стороны топки торкретной обмазкой, и это обеспечивает быстрое воспламенение и устойчивое горение факела при прохождении начального участка. Естественно, что длина начального участка и соответственно площадь утепления подбираются с учётом свойств используемого топлива: для низкореакционных топлив они максимальны и минимальны для быстро горящих высокореакционных топлив.

Далее разгоревшийся факел движется вблизи экранов ХВ по U-образной траектории, при этом подача струй воздуха через сопла вторичного дутья из ХВ оттесняет факел от экранов ХВ, создает окислительную атмосферу на экранах с подавлением их шлакования. Постепенное поступление кислорода поддерживает равномерное горение с охлаждением факела без его перегрева, с равномерным восприятием тепла экранами. При этом экраны холодные и не подвержены шлакованию, не закрываются шлаковой коркой и хорошо воспринимают тепло. Воспламенение, поддержание и стабилизация горения на начальном участке факела обеспечивается ещё и за счёт прямого контакта и передачи тепла от восходящего к нисходящему потоку, начиная от корня факела, во-первых, благодаря его U - образной форме, во-вторых, за счёт размещения горелок на отогнутом внутрь топки выступе.

Предлагаемое встречно смещённое вторичное дутьё из ХВ в виде струй, расширяющихся под углом 13-15 градусов во всех направлениях по их ходу и плотно контактирующих в зоне их пересечения, полностью перекрывает сечение ХВ под U - образным факелом. Поэтому струи, поднимаясь далее вдоль экранов ХВ, выдувают выпавшие из факела в ХВ недогоревшие частицы обратно в топку. Таким образом, за счёт удержания в топке горящих частиц любых топлив, в том числе углей с крупным помолом, подавляется мехнедожог с провалом, а топочное устройство становится универсальным, применимым для использования широкого круга топлив.

В итоге предлагаемое топочное устройство обеспечивает решение заявленной технической задачи: является универсальным, пригодным как для встраивания в типичные габариты энергетических котлов с различными типами компоновок, так и по кругу применяемых топлив, оно универсально и пригодно для камерного сжигания не только низкореакционных, но и высокореакционных и шлакующих углей и углесодержащих отходов, в том числе крупного помола.

Зависимые пункты формулы пп.2-4 ф.и. уточняют наиболее универсальные схемы установки топочного устройства в составе котла. Следует указать, что типично, исходя из условий удобства обслуживания горелок, в котлах при всём разнообразии их собственных компоновок, горелки устанавливаются по трём схемам: на фронтовом экране - п.2 ф.и., встречно на фронтовом и заднем экранах - п.3 ф.и. и встречно на боковых экранах - п.4 ф.и.

Круг малопригодных для экономичного и эффективного сжигания в существующих энергетических котлах бурых и низкосортных местных углей, включая углесодержащие отходы, велик, поэтому в зависимых пунктах формулы пп.5 - 9.ф.и. предлагается применение дополнительных технических решений, учитывающих особенности этих топлив.

Пункты пп.5 и 6 формулы направлены на стабилизацию воспламенения и горение факела. В качестве дожигающего топлива, п.5 ф.и. используется более высокореакционное топливо, например, тот же уголь, но более тонкого помола, который быстрее воспламеняется, или жидкое топливо. Стабильное горение близко расположенных факелов горелок обеспечивается за счёт их взаимного поддерживания и их лучистого подогрева от раскалённых утеплённых участков. В итоге это позволит экономично и эффективно использовать низкосортные местные угли, включая углесодержащие отходы с нестабильными теплотехническими характеристиками в энергетических котлах Утепление топки может быть избыточным или недостаточным, что предопределяется характеристиками топлива или углесодержащих отходов, поэтому оно должно быть оптимальным, обеспечивать устойчивое горение при отсутствии шлакования топочных экранов, п.6 ф.и.

Согласно зависимым пп. 7 и 8 ф.и. применение механизированной слоевой дожигающей колосниковой решетки или дожигающего провал транспортера пластинчатого типа с коробом подачи дутья под слой и соплами вторичного дутья, направленными на слой, обеспечат дожигание провала и высокую экономичность топки при сильной загрузке горелочных струй крупными частицами породы. При этом дожигание горючих из выпавших частиц и их выгрузка обеспечит надежную, экономичную работу топки и трактов дымоудаления котла без балластирования, износа и заполнения отложениями оборудования. Кроме того, работа слоя обеспечивает повышение мощности топочного устройства и стабилизирует горение U - образного факела, что особенно необходимо при сжигании низкосортных углей и углесодержащих отходов с нестабильными теплотехническими характеристиками.

Зависимый п. 9 ф.и. с подключением сопел вторичного дутья и короба подачи дутья под слой к тракту рециркуляции уходящих дымовых газов, направлен на дополнительный контроль за процессами шлакования при сжигании шлакующих топлив. Регулируемая подача в зоны шлакования совместно со вторичным дутьём холодных дымовых газов подавляет горение и охлаждает места шлакования, в том числе в слое на дожигающем провал топлива транспортере пластинчатого типа и подавляет эти негативные процессы.

На фигуре показано вертикальное продольное сечение предлагаемой универсальной инверсной топки, далее сокращенно топки 1, которая образована фронтовым 2, задним 3 и боковыми 4 экранами. На выступе 5, сформированном отгибкой фронтового 2 экрана наружу, установлены пылеугольные горелки 6, направленные вниз, и они благодаря геометрии схемы создают характерный факел 7 U - образной формы, опускающийся в ХВ 8, которая образована наклонными участками 9 и 10 экранов 2 и 3. Ниже горелок 6 установлены верхние сопла 11 вторичного дутья, направленные вниз вдоль фронтового 2 экрана в ХВ 8, как показано стрелками 12. Часть сопел вторичного дутья (нижние сопла 13 вторичного дутья), расположена в нижней части ХВ 8 и установлены по встречно смещенной схеме в виде двух горизонтальных рядов отдельных сопл. Эти сопла направлены вверх на противолежащие наклонные участки 9 и 10 экранов и создают ряды взаимно проникающих потоков струй 14. Причем струи 14 контактируют в зоне их пересечения, полностью перекрывают сечение ХВ и формируют восходящие потоки 15, поднимающиеся по экранам ХВ.

Помимо пылеугольных горелок 6, подключенных к тракту 16 подачи основного топлива в виде топливовоздушной смеси с первичным воздухом, рядом с ними могут быть установлены стабилизирующие горение дожигающие горелки 17, подключенные к тракту 18 подачи дожигающего топлива, например, более высокореакционной тонкой угольной пыли. Кроме того, под ХВ 8 может быть установлен дожигающий провал транспортер 19 пластинчатого типа, на фигуре дано его поперечное сечение с коробом 20 подачи дутья. Стрелками 21 показано дожигающее дутье под слой 22, а стрелками 23 на слой 22 выгружаемого коксозольного остатка. Фронтовой экран 2 утеплён в местах выхода горелок 6 и 17 на начальном участке горелочных струй и ниже при использовании низкореакционных углей и углесодержащих отходов, закрыт слоем 24 шамотной обмуровки.

При работе топки 1 экраны: фронтовой 2, задний 3 и боковые 4 воспринимают тепло, выделяющееся в факелах 7 U - образной формы, которые истекают из установленных на выступе 5 и направленных вниз пылеугольных горелок 6. Факелы 7 глубоко заныривают и заполняют ХВ 8, обеспечивая хорошее тепловосприятие также и наклонными участками 9 и 10 экранов ХВ. При этом обеспечивается надежное воспламенение, поддержание и стабилизация горения на начальном участке факела за счёт прямого контакта и передачи тепла от восходящего к нисходящему потоку, начиная от корня факела 7.

Здесь стабильный топочный процесс обеспечивается, во-первых, благодаря U - образной форме факела 7 и, во-вторых, за счёт сближения U - образных ветвей факела 7 благодаря размещению горелок 6, 17 на выступе 5, отогнутом внутрь топки 1. Дополнительный эффект здесь даёт закрытие экрана 2 слоем 24 шамотной обмуровки в местах выхода горелок 6 и 17, на начальном участке горелочных струй и ниже, что особенно важно при использовании низкореакционных углей и углесодержащих отходов. Работа дожигающих горелок 17 за счёт подачи высокореакционного дожигающего топлива по тракту 18 также стабилизирует горение в пылеугольных горелках 6, подключенных к тракту 16 подачи основной топливовоздушной смеси.

Через верхние сопла 11 и нижние сопла 13 вторичного дутья вдоль экранов 2 и 3 и их наклонные участки 9 и 10 из ХВ 8, как показано стрелками 12, 14 и 15, подают пристенное вторично дутьё. Это дутьё обеспечивает постепенный подвод кислорода, экономичное и глубокое выгорание горючих элементов из угля, равномерные горение факела 7 и его тепловыделение, охлаждает и оттесняет факелы 7 от экранов 2, 3, обеспечивая на их поверхности охлаждённую окислительную зону с повышенной температурой плавления шлака. В итоге подавляется шлаковывание экранов, повышается их тепловосприятие, идёт топочный процесс со ступенчатой подачей дутья.

Встречно смещённое вторичное дутьё из ХВ 8 через сопла 13 в виде струй 14, расширяющихся под углом 13-15 градусов по их ходу и плотно контактирующих в зоне их пересечения, полностью перекрывает сечение ХВ под U - образным факелом 7. Поэтому струи 15, поднимаясь далее вдоль экранов 9,10 из ХВ 8, выдувают выпавшие из факела 7 в ХВ недогоревшие частицы обратно в топку 1. Таким образом, за счёт удержания в топке горящих частиц любых топлив, в том числе углей с крупным помолом, подавляется мехнедожог с провалом, и топка 1 становится универсальной, применимой для использования широкого круга топлив.

Транспортер 19 пластинчатого типа с коробом 20 подачи дутья не только разгружает факел 7 от балластирующих частиц, например, имеющихся в углесодержащих отходах, но за счёт подачи дожигающего дутья 21 и 23 выжигает горючие из выгружаемого слоя 22 коксозольного остатка. Этим повышается мощность и экономичность предлагаемой топки, и дополнительно расширяеся круг пригодных для применения топлив.

Claims (9)

1. Универсальная инверсная топка, содержащая сопла вторичного дутья и установленные на выступе, образованном отгибкой по меньшей мере одного экрана, направленные вниз в сторону холодной воронки пылеугольные горелки, причём в местах выхода горелок и на начальном участке горелочных струй экраны утеплены, отличающаяся тем, что выступ отогнут внутрь топки, а часть сопл вторичного дутья расположена в нижней части холодной воронки на фронтовом и заднем экранах и установлена по встречно смещенной схеме в виде двух горизонтальных рядов отдельных сопл, направленных на противолежащие экраны холодной воронки с наклоном вверх.

2. Универсальная инверсная топка по п. 1, отличающаяся тем, что под установку пылеугольных горелок отогнут фронтовой экран.

3. Универсальная инверсная топка по п. 1, отличающаяся тем, что под установку пылеугольных горелок отогнуты фронтовой и задний экраны.

4. Универсальная инверсная топка по п. 1, отличающаяся тем, что под установку пылеугольных горелок отогнуты оба боковых экрана.

5. Универсальная инверсная топка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что рядом с пылеугольными горелками установлены дожигающие горелки.

6. Универсальная инверсная топка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что степень утепления подбирается исходя из возможности поддержания устойчивого горения при отсутствии шлакования топочных экранов, в зависимости от характеристик применяемого топлива.

7. Универсальная инверсная топка по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что под холодной воронкой расположена механизированная слоевая дожигающая колосниковая решетка.

8. Универсальная инверсная топка по п. 7, отличающаяся тем, что дожигающая колосниковая решетка выполнена в виде транспортера пластинчатого типа с коробом подачи дутья под слой и соплами вторичного дутья, направленными на слой.

9. Универсальная инверсная топка по п. 8, отличающаяся тем, что сопла вторичного дутья и короб подачи дутья под слой подключены к тракту рециркуляции уходящих дымовых газов.