УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ПРОДУВОЧНОЙ ВОДЫ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для утилизации тепла продувочной воды в форсунках для распыливания вязких горючих жидкостей в паровых котлах, работающих на жидких топливах.

Известна установка для очистки дымовых газов котлов (пат. РФ №2334548, опубл. 27.09.2008). В установке продувочная вода после сепаратора насосом подается через теплообменник в специальную форсунку для распыливания в продукты сгорания с целью нейтрализации окислов серы и азота. Изобретение направлено на решение только одной задачи: нейтрализации окислов серы и азота. При этом для этого требуются дополнительные устройства, такое как насос, емкость для продувочной воды, сепаратор, подогреватель.

Известна форсунка, работающая на перегретой воде (пат. РФ №2468293, опубл. 27.11.2012), содержащая цилиндрический корпус с размещенным в нем центральным каналом, навинченную на корпус накидную гайку, внутри которой размещены: упорная шайба; отбойник, выполненный в форме гриба с плоским верхом. Форсунка работает за счет смешивания топлива с распыливающим агентом - парами перегретой воды, масса которой может составлять до 30% от массы топлива. В форсунки распыливающий агент подается через одно осевое отверстие и смешивается с закрученным потоком топлива только при выходе из общей камеры, что требует дополнительных конструктивных решений для обеспечения должного качества распыла топлива, таких как два дополнительных грибообразных отбойника и кольцевой щели, что сильно усложняет конструкцию.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства утилизации продувочной воды, которое бы обеспечивало полную утилизацию тепла продувочной воды, возвращение чистого конденсата для подпитки котла, эффективное распыливание топлива и нейтрализацию окислов серы и азота в продуктах сгорания топлива.

Технический результат состоит в упрощении конструкции; экономии топлива за счет замены пара как распыливающего агента на продувочную воду, использовании всей теплоты продувочной воды и продуктов сгорания при помощи конденсационного подогревателя топлива и возврата образовавшегося конденсата на питание котла; уменьшении выбросов окислов серы и азота за счет нейтрализации их веществами, выносимыми из котла продувочной водой.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для утилизации тепла продувочной воды паровых котлов, содержащем горелочное устройство с топливной форсункой, работающей на распыливающем агенте, подогреватель топлива, получающий тепло из продуктов сгорания, нейтрализатор окислов серы и азота, золоуловитель, одновременно с распыливающим и нейтрализующим агентом используют продувочную воду парового котла, направляемую по трубопроводу из солевого отсека барабана котла в форсунку для качественного распыления и качественного смешивания жидкого топлива с парами продувочной воды и воздуха при помощи соударения струй топлива и продувочной воды, выходящих из спаренных сопел, равномерно распределенных по окружности, находящихся в одной плоскости и оси которых пересекаются под прямым углом друг к другу и под углом 45° к оси форсунки с дополнительно выполненным осевым соплом продувочной воды; подогреватель топлива выполнен в виде нисходящего газохода с противоточной схемой движения продуктов. В устройстве обеспечивается качественное распыливание топлива в форсунке при помощи соударения струй топлива и продувочной воды, выходящих из сопел, находящихся в одной плоскости и оси которых пересекаются под прямым углом друг к другу и под углом 45° к оси форсунки, дополнительно выполнено осевое сопло продувочной воды; обеспечивается нейтрализация окислов серы и азота в продуктах сгорания топлива за счет взаимодействия их с NaOH, который образуется из NaHCO₃ продувочной воды; обеспечивается концентрация водяных паров из продуктов сгорания и возврат полученного конденсата в систему питания котла.

Приводим расчет форсунки на продувочной воде.

Исходные данные:

Котел ДКВр-6,5-13ГМ

Производительность D=6,5 т/ч=1,805 кг/с

Расход мазута B=0,2 кг/с

Продувка p=2%

Расход на продувку D_пр=0,01pD=0,036 кг/с

Давление в котле Р_к=1,3 МПа

Давление мазута Р_м=1,3 МПа

Температура продувочной воды t_в=190°С

Температура мазута t_в=90°С

Примем скорость воды в подводящей трубе v_1v=1 м/c.

Диаметр подводящей трубы d_1в=2[D_пр/(πv_1в)]^0,5=0,007 м

Чтобы обеспечить давление перед распыляющими отверстиями, мы должны подобрать число отверстий определенного диаметра. Принимаем число отверстий n=8, коэффициенты местных сопротивлений на входе в отверстие ξ_pc=0,5 и на выходе ξ_pp=1. Тогда общее сопротивление будет:

v_2в=1715 м/с

Диаметр отверстия d_2в=2[D_пр/(πv_2в)]^0,5=0,00016 м=0,16 мм

При n=16 будут: v_2в=1213 м/с и d_2в=0,19 мм.

Рассмотрим истечение перегретой воды через отверстия как истечение через насадок.

Примем n=9.

Тогда расход через одно отверстие на входе:

где плотность воды ρ_1в=1/v′.

Напор в метрах составит: Н=Р_к/(ρ_1вg)=130 м в.ст.

Площадь сечения отверстия составит:

И тогда диаметр отверстия:

d_2в=2(S/π)^0,5=0,00131 м=1,31 мм.

Примем d_2в=1 мм.

Площадь составит:

Состав среды на выходе из отверстия при давлении 0,1 МПа найдем из материального и теплового баланса (потерями пренебрегаем):

где J_пр=192,9 ккал/кг - энтальпия продувочной воды на входе в отверстие;

β - массовая доля пара в смеси на выходе из отверстия;

J_прж=100,1 ккал/кг - энтальпия продувочной воды на выходе из отверстия (при насыщении на давлении 0,1 МПа);

J_прп=639,1 ккал/кг - энтальпия пара на выходе из отверстия (при насыщении на давлении 0,1 МПа).

Плотность воды на входе в отверстия при давлении 1,3 МПа и температуре 190°С:

Объем 1 кг смеси воды и пара на выходе из отверстия при давлении 0,1 МПа и температуре 100°С:

Плотность смеси воды и пара на выходе из отверстия при давлении 0,1 МПа и температуре 100°С:

Скорость на входе в отверстие:

Скорость на выходе из отверстия:

Скорость пара при паровом распыливании при одинаковом расходе и давлении пара 0,6 МПа на входе в сопло будет:

где

- удельный объем пара на входе.

Скорость пара при паровом распыливании при одинаковом расходе и давлении пара 0,6 МПа на выходе из сопла будет:

где - удельный объем пара на выходе (плотность ).

Эффект распыливания от перегретой жидкости в сравнении с паровым распыливанием по скорости уступает на 27%.

Удельный расход мазута на производство 1 кг пара:

в=В/D=0,2/1,805=0,111 кг(т)/кг(п)

Экономия топлива при замене парового распыливания на распыливание продувочной водой для котла ДКВр-6,5-13ГМ составит:

В процентах: 100·0,00399/0,2=2%.

Работа форсунок с соударением струй основана на взаимном разбивании на капли нескольких струй, вытекающих из соответствующих насадок. Из точки столкновения двух цилиндрических струй результирующий поток растекается радиально, образуя плоскую пленку, распадающуюся на капли. При столкновении трех и более цилиндрических струй предотвращается выброс части жидкости в верхнюю полуплоскость.

При равном массовом расходе плотность струи от продувочной воды будет в 5,05/0,6=8,45 раз больше паровой струи. Это обстоятельство увеличит распыливающий эффект от соударения струи от продувочной воды со струей мазута при одинаковых температурах (мазута 100…160°С) и обеспечит более качественное распыливание мазута в сравнении с паровым.

Форсунка обеспечивает четырехкратное пересечение каждой мазутной струи с двумя струями продувочной воды и одной противоположной мазутной. Дополнительно обеспечивается пересечение всех мазутных струй между собой и центральной струи продувочной воды. Такое многократное соударение, проходящее при взрывном парообразовании обеспечивает максимальное распыливание мазутных струй и достаточно широкий угол раскрытия топливного факела.

Анализ аналогов показал, что заявляемая конструкция форсунки является новой. Новизна конструкции заключается в том, что сопла для топлива и продувочной воды равномерно распределены по торцу форсунки и находятся попарно напротив друг друга в одной плоскости и оси каждой пары пересекаются под прямым углом друг к другу и под углом 45° к оси форсунки, также дополнительно выполнено осевое сопло продувочной воды.

Из изложенного следует, что при реализации заявляемого технического решения достигается положительный результат, заключающийся в возможности использования предлагаемого устройства в котельных для утилизации продувочной воды при помощи топливной форсунки, работающей на распыливающем агенте - продувочной воде, конденсационного поверхностного подогревателя топлива, получающего тепло и скрытую теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания, каплеуловителя и сборника конденсата, которые совместно обеспечивают качественное распыливание топлива в форсунке при помощи соударения струй топлива и продувочной воды, нейтрализацию окислов серы и азота в продуктах сгорания топлива за счет взаимодействия их с NaOH, который образуется из NaHCO₃ продувочной воды; получение из водяных паров продуктов сгорания конденсата, который возвращается в систему питания котла.

Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, дающих положительный эффект, и обладает признаками соответствия критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемое устройство для утилизации тепла продувочной воды паровых котлов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 - вид А (разрез головки форсунки), на фиг. 3 - вид Б.

Устройство представляет собой горелочное устройство 1 устанавливаемое на фронтовой стенке 2 котла 3, связанное с трубопроводом продувочной воды 4, с топливным трубопроводом 5, в который топливо подается насосом 6 через конденсационный подогреватель 7, через который проходят продукты сгорания через отсечной шибер и золоуловитель 9. В поворотном газоходе 10 установлен каплеуловитель 11 со сборником конденсата 12, из которого через гидравлический затвор 13 сливается в цистерну. Горелочное устройство 1 состоит из центральной трубы 14, в которую подается продувочная вода, топливной трубы 15, которая охватывает трубу 14, воздуховода 16, который охватывает трубу 15 и имеет раструб на выходе в топочное пространство с радиальными отверстиями 17 для подсасывания горячих топочных газов к корню топливовоздушной струи. На трубу 15 навинчивается гайка 18, которая буртом 19 прижимает топливный коллектор 20 через прокладку 21 к торцу трубы 15, с осевыми отверстиями 22, сборной проточкой 23 и соплами 24, оси которых направлены под углом 45 градусов к оси форсунки. На трубу 14 навинчивается гайка 25, которая имеет сопловые отверстия, расположенные в плоскостях отверстий 24 под углом 45 градусов к оси форсунки, и одно центральное осевое сопло 26.

Устройство работает следующим образом.

По центральному каналу 14 горелочного устройства 1 подается вода постоянной продувки, а по трубе 15 - топливо (мазут). При этом масса перегретой воды может составлять до 30% массы топлива. Работа форсунок с соударением струй топлива, выходящих из сопел 24, и струй перегретой продувочной воды, выходящих из сопел 25 и 26, основана на взаимном разбивании на капли нескольких струй, вытекающих из соответствующих насадок. Из точки столкновения двух цилиндрических струй результирующий поток растекается радиально, образуя плоскую пленку, распадающуюся на капли. При столкновении трех и более цилиндрических струй предотвращается выброс части жидкости в верхнюю полуплоскость. При равном массовом расходе плотность струи от продувочной воды будет в 5,05/0,6=8,45 раз больше паровой струи. Это обстоятельство увеличит распыливающий эффект от соударения струи от продувочной воды со струей мазута при одинаковых температурах (мазута до 100°С) и обеспечит более качественное распыливание мазута в сравнении с паровым.

Форсунка обеспечивает четырехкратное пересечение каждой мазутной струи с двумя струями продувочной воды и одной противоположной мазутной. Дополнительно обеспечивается пересечение всех мазутных струй между собой и центральной струи продувочной воды. Такое многократное соударение, проходящее при взрывном парообразовании, обеспечивает максимальное распыливание мазутных струй и достаточно широкий угол раскрытия топливного факела. Подсос высокотемпературных топочных газов через отверстия 17 к корню факела обеспечит полное испарение остаточных капель продувочной воды. Это все в комплексе обеспечивает высокое качество выгорания топлива, нейтрализацию окислов серы и азота солевыми компонентами продувочной воды. Продукты сгорания проходя через золоуловитель 9, очищаются от минеральных частиц продуктов нейтрализации и поступают через открытый шибер 8 в конденсационный подогреватель топлива 7, топливо при этом подогревается до 120-140°С, а продуты сгорания на выходе из подогревателя 9 остынут ниже точки росы до 40-50°С. При этом выделившийся водяной конденсат отделяется из продуктов сгорания в поворотном газоходе 10 каплеуловителем 11 и собирается в сборнике 12, из которого через гидрозатвор 13 сливается в цистерну 14 для дальнейшего использования для подпитки котла.

Заявляемое устройство является промышленно применимым, так как включает в себя реально существующие элементы, изготовление и монтаж которых не вызывает затруднений.

Заявляемое устройство по принципу действия, обеспечиваемому новой совокупностью существенных признаков, позволяет осуществлять хорошую гомогенизацию топливовоздушной струи факела в паровых котлах, обеспечивая при этом высокую эффективность горения топлива, утилизацию тепла продувочной воды и продуктов сгорания с конденсацией водяных паров, используемых для питания котла, снижение окислов серы и азота в продуктах сгорания, покидающих котел.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции; экономию топлива за счет замены пара как распыливающего агента на продувочную воду, использование всей теплоты продувочной воды и продуктов сгорания при помощи конденсационного подогревателя топлива и возврата образовавшегося конденсата на питание котла; уменьшение выбросов окислов серы и азота за счет нейтрализации их веществами, выносимыми из котла продувочной водой.