Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАМЕРНОЙ ТОПКЕ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ КАМЕРНАЯ ТОПКА

Группа изобретений относится к области теплоэнергетики, в частности к камерным топкам с пылевидно-дисперсным сжиганием топлива (уголь, торф, мазут, суспензия), например к топкам котельных установок в промышленных печах.

Известна аэрофонтанная топка, содержащая камеру воспламенения, снабженную боковым патрубком для подвода топлива и осевым патрубком для подвода воздушного дутья, вертикальную трубу, соосно установленную над камерой воспламенения и соединенную с ней, и камеру сгорания, снабженную патрубком для вывода продуктов сгорания, при этом вертикальная труба расположена коаксиально внутри камеры сгорания, последняя снабжена теплообменными экранами, расположенными по всей ее внутренней поверхности, и средствами с системой регулированного возврата несгоревших частиц топлива, расположенными в нижней части камеры сгорания и соединенными с камерой воспламенения (см. патент на изобретение РФ №2072474, кл. F23C 11/02, оп. в 1997 году). Эта топка предполагает использование фонтанирующего воздушного потока для повышения эффективности сгорания топлива, однако она не предназначена для использования в парогенераторах.

Известен способ сжигания топлива в кипящем слое, в котором топливо подают в кипящий слой, а поток первичного сжатого воздуха - в нижнюю зону реактора, затем вводят в верхнюю зону реактора поток вторичного сжатого воздуха, из которого формируют сильно закрученный поток, создающий внутри зону противотока для возврата топлива в кипящий слой, причем в верхней зоне реактора формируют зону горения и зону дожигания, при этом поток вторичного сжатого воздуха перед подачей в верхнюю зону разделяют на два потока, один из которых подают непосредственно в зону горения, в которой он формирует периферийный, перемещающийся в направлении нижней зоны, и приосевой, перемещающийся от зоны горения к зоне дожигания, сильно закрученные потоки, а другой поток вторичного сжатого воздуха вводят в зону дожигания, в которой он формирует периферийный сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении зоны горения, и индуцируемый приосевой сильно закрученный поток, при этом между периферийным и приосевым потоками зоны горения формируют рециркуляционное торообразное течение, в котором осевые составляющие скорости периферийного и приосевого потоков зоны горения являются тангенциальными скоростями относительно оси вращения, представляющей собой окружность с центром на оси закрученных потоков (см. патент на изобретение РФ №2379587, кл. F23C 10/12, оп. в 2010 году). Этот способ направлен на повышение эффективности сжигания топлива, но поскольку он не предполагает использование водоохлаждаемых экранов, то не может быть применен в топках парогенераторов.

Известна горизонтально расположенная топка, включающая камеру сгорания с горелочным насадком, внутри которого расположена циркуляционная труба с образованием кольцевого зазора (см. патент на изобретение РФ №2310127, кл. F23C 5/08, оп. в 2007 году). Такая конструкция горелочного насадка топки обеспечивает рециркуляцию горячих топочных газов и усреднение температуры по всему сечению периферийной камеры сгорания. Она предназначена для использования при растопке котлов, но не может быть применена в топках парогенераторов с водоохлаждаемыми экранами.

Известно несколько вариантов топки с котлом, камера сгорания которой расположена между двумя вертикально расположенными полыми водоохлаждаемыми экранами, выполненными в виде обечаек, состоящими из сомкнутых трубок с водой с наклоном в разных направлениях (см. патент США №8281750, кл. F22B 25/00, оп. в 2012 году). Такое сложное устройство экранов топки направлено на улучшение водоциркуляции камеры и процессов теплопередачи от топочных газов воде.

Наиболее близким техническим решением к заявленной группе изобретений является топка парогенератора с вертикальной кольцевой камерой сгорания, образованной в виде коаксиальных равносторонних призм, боковые грани которых образованы внешним и внутренним трубчатыми экранами, с горелками и реализуемый в ней способ сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке, включающий подачу топливовоздушной смеси через боковые горелки в вертикальную камеру со смещением относительно ее центральной оси за счет углового расположения горелок, частичное снижение их температуры по высоте камеры и отвод отработанных топочных газов (см. патент на изобретение №2377465, кл. F23C 5/08, оп. в 2009 г., а также патент на полезную модель РФ №82293, кл. F23C 5/08, оп. в 2009 г.). Известное техническое решение направлено на улучшение сжигания топлива, снижение образования окисей азота NO_X и уменьшения их выброса в атмосферу. Но оно не может быть использовано в газоплотных подвесных прямоточных котлах башенной компоновки поверхностей нагрева. В топочном процессе этого устройства не используется внутреннее пространство внутреннего экрана, оно использовано только для размещения металлоконструкций и поясов жесткости внутреннего экрана, при этом плохо охлаждается и как следствие имеет локальную повышенную температуру окружающего воздуха, что затрудняет обслуживание и осмотр металлоконструкции эксплуатирующим персоналом.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи снижения температуры топочных газов в зоне активного горения, увеличения теплообмена топки и снижения ее загрязнений.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе сжигания топочных газов в вертикальной камерной топке, включающем подачу топливовоздушной смеси через горелки в вертикальную камеру сгорания со смещением относительно ее центральной оси за счет поворота либо наклонного расположения горелок, снижение температуры по высоте камеры и отвод горячих топочных газов, в верхней зоне вертикальной камеры часть топочных газов для охлаждения отводят вниз посредством вертикально расположенного в ее центральной зоне полого двухсветного водоохлаждаемого экрана, выполненного в виде обечайки, а охлажденные топочные газы направляют в нижнюю зону камеры для смешивания с топочными газами, поступающими из горелок нижнего пояса, с обеспечением процесса рециркуляции топочных газов, при этом с помощью охлажденных топочных газов производят подхват выпадающих вниз из кольцевой зоны камеры сгорания частиц топлива и подачу этих несгоревших частиц на догорание в зону активного горения.

А также тем, что в вертикальной камерной топке, включающей кольцевую камеру сгорания, образованную коаксиальными полыми емкостями, с горелками, расположенными на внешней полой емкости, и с трубчатым выполнением стенок внутренней полой емкости, внутренняя полая емкость выполнена в виде двухсветного экрана типа обечайки для рециркуляции топочных газов. Обечайка снабжена верхней и нижней воронками, расположенными в камере сгорания. Камера сгорания выполнена либо многогранной, либо прямоугольной, либо квадратной формы в сечении. Камера сгорания прямоугольного сечения снабжена дополнительной обечайкой, при этом обе обечайки расположены симметрично. Обечайка выполнена либо круглой, либо овальной, либо многогранной формы в сечении.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена топка башенного типа, вертикальное сечение. На фиг. 2 - вариант исполнения топки П-образного типа с боковым выбросом. На фиг. 3 - вариант исполнения топки Т-образного типа с двумя боковыми выбросами. На фиг. 4-6 - возможные варианты исполнения топок (сечение А-А на фиг. 1-3), а именно, на фиг. 4 - квадратное сечение, на фиг. 5 - многогранное сечение, например восьмигранное, на фиг. 6 - прямоугольное сечение с двумя обечайками.

Вертикальная камерная топка включает вертикальный корпус 1 с горелками 2 и камеру сгорания 3. Корпус 1 может иметь сечение разного вида квадратное (фиг. 4), многогранное (фиг. 5), прямоугольное (фиг. 6). Каждый пояс горения имеет несколько горелок 2 (например, четыре и более), расположенных под необходимым углом к корпусу 1 камеры сгорания 3. Внутри камеры сгорания 3 расположен как минимум один вертикальный полый водоохлаждаемый двухсветный экран 4, выполненный по типу обечайки с газоплотными стенками и открытыми торцами. Экран 4 (обечайка) может иметь в сечении либо цилиндрическую, либо многогранную, либо овальную форму. По сути, корпус 1 представляет собой внешнюю емкость, внутри которой расположена внутренняя открытая с торцов емкость - экран 4 (обечайка). Формы корпуса 1 и экрана 4 не всегда идентичны, т.к. их выбирают с учетом расчета баланса горения топлива в каждом конкретном случае. Угол расположения каждой горелки 2 выбирают таким образом, чтобы горелка 2 была направлена в сторону образующей экрана 4 по касательной к нему или близко к касательной. Экран 4 (обечайка) имеет верхнюю входную воронку 5 и нижнюю выходную воронку 6. Нижней торец выходной воронки 6 расположен под нижним поясом горелок 2, а верхний торец входной воронки 5 расположен выше зоны активного горения. Топка может иметь один или два выхода отвода топочных газов.

Способ сжигания топлива, реализованный в вертикальной камерной топке, включает подачу топливовоздушной смеси через горелки 2 в камеру сгорания 3. Для обеспечения оптимальной аэродинамики топочного факела, обеспечивающего эффективное сжигание топлива при исключении активного воздействия факела на наружный экран 4 (обечайку), оси горелок 2 устанавливают по касательной к нему. Выше верхнего пояса горелок 2 можно подавать вторичный воздух в противоположном направлении по отношению к горелкам 2 для обеспечения гашения топочного вихря, образованного горелками 2. Продукты горения поднимаются вверх в зоне камеры сгорания 3, которая образована наружной поверхностью корпуса камеры сгорания 1 и внешней поверхностью экрана 4 (обечайки) за счет естественной тяги. В верхней зоне 7 корпуса 1 камеры сгорания 3 часть горячих топочных газов, отрываясь от основного потока, устремляется в верхнюю входную воронку 5 экрана 4 (обечайки) и опускается во внутреннем объеме экрана 4 вниз к выходной воронке 6 за счет перепада давления в верхней и нижней зонах камеры сгорания 3. При этом происходит активное охлаждение топочных газов, опускаемых во внутренней полости экрана 4 (обечайки), благодаря передаче своего тепла экрану 4. Выходящие из нижней выходной воронки 6 газы в зоне 8 за счет естественной тяги топки опять устремляются вверх в топочную камеру сгорания 3, при этом они подхватывают падающие вниз недогоревшие частицы топлива и увлекают их вверх на догорание. Такой процесс обеспечивает естественную многократную циркуляцию (рециркуляцию) газов из полости, образованной в камере сгорания 3 корпусом 1 и внешней образующей экрана 4 (обечайки), во внутреннюю полость экрана 4 и обратно. Такая циркуляция дает возможность почти полностью исключить выход из камеры сгорания 3 недогоревших частиц топлива, увеличивая коэффициент полезного действия топки и снижая расход топлива. При этом происходит интенсификация процесса снижения температуры топочных газов в зоне активного горения за счет балластирования этой зоны относительно холодными циркулирующими газами, поступающими из нижней выходной воронки 6 экрана 4, а как следствие, снижается уровень окислов азота. При создании увеличенной площади теплообмена с использованием двухсветного экрана 4 (обечайки) повышается эффективность теплообмена в топке за счет возрастающих конвективной и лучистой составляющих. Уменьшается разброс температуры и расхода топочных газов по высоте камеры сгорания 3 и в ее сечении, а также на выходе из корпуса 1 камеры сгорания 3.

Экран 4 (обечайка) способствует стабилизации горения и кручения факела в камере сгорания 3 с использованием «тангенциального» принципа сжигания топлива. При этом происходит снижение окислов азота за счет снижения температуры в зоне активного горения благодаря рециркуляции топочных газов через экран 4 (обечайку).

Установка экрана 4 (обечайки) в топочной камере сгорания 3 позволяет снизить шлакование труб, ограждающих топку по стенам, за счет адгезии (налипания) золы и шлаков на наружной поверхности двухсветного экрана 4, а также практически исключить набрасывание факела от горелок 2 на ограждающие стены топки при отключении отдельных горелок 2.

Организованная рециркуляция топочных газов через экран 4 (обечайку) позволяет уменьшить температуру на выходе из топочной камеры сгорания 3, вследствие чего уменьшается высота как камеры 3, так и всего котла, а соответственно снижается металлоемкость котла и уменьшается масса и габариты строительных конструкций здания котельной.

В варианте исполнения на фиг.6 образованы два контура циркуляции топочных газов в камере сгорания 3 за счет установки двух двусветных экранов 4 (обечаек). Процессы рециркуляции и получаемые эффекты аналогичны вышеописанным.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в следующем:

- улучшается выгорание «провала» топлива в «холодной» воронке топки;

- снижается температура топочных газов в зоне активного горения;

- повышается эффективность теплообмена в топке;

- уменьшаются температурные развертки по топочной камере;

- снижается высота топочной камеры и соответственно высота котла;

- снижается шлакование труб, ограждающих топку;

- практически исключается набрасывание факела из горелок на стены;

- снижается уровень окислов азота;

- снижается металлоемкость котла;

- уменьшаются массы и габариты строительных конструкций здания котельной.