Делитель-концентратор

Изобретение относится к области пылеприготовления и может быть использовано в устройствах, осуществляющих распределение и концентрацию пылегазовых потоков в системах подготовки твердых топлив в области газовой теплоэнергетики, например к сжиганию на теплоэлектростанциях.

К современным котельным установкам предъявляются повышенные экологические требования, для удовлетворения которых сжигание твердого топлива в пылевидном состоянии в топочных камерах котлов осуществляется по ступенчатой схеме, которая требует организации над основной зоной горения восстановительной зоны с недостатком кислорода. В указанную зону требуется подача угольной пыли через сопла в необходимом количестве и определенного фракционного состава с тонкостью помола в несколько раз меньше, по сравнению с тонкостью помола пыли, поступающей в основные горелки. Известные делители пылегазового потока, оснащенные одним завихрителем, не могут обеспечить строго заданное распределение пылевых потоков как по основным горелкам топочной камеры котла, так и по соплам, выполняющим подачу пыли в восстановительную зону.

Известен делитель пылегазового потока (DE 3122476 С2, МПК ВO4С 3/00, F23K 1/00), состоящий из вертикального корпуса, включающего расположенные ярусами цилиндрические обечайки с уменьшающимися диаметрами по ходу пылегазового потока, при этом каждая обечайка снабжена отводящим патрубком, и завихрителя, размещенного на входе в первую обечайку, а каждая обечайка, начиная со второй, имеет диаметр, определяемый по формуле:

; где d_i - диаметр обечайки с i-порядковым номером,

d₁ - диаметр первой обечайки;

n - количество обечаек.

К недостатку приведенного выше делителя относится наличие крупных фракций пыли в его верхнем отводе, что делает невозможным использование пыли указанного отвода в зоне восстановления.

Известен также делитель-концентратор пылегазового потока (RU №2333426 C1 от 07.08.2007 г., МПК F23K 1/00), образованный размещенными одна над другой цилиндрическими обечайками с уменьшающимися диаметрами по ходу пылегазового потока, каждая из которых соединена патрубком с топочной камерой. В нижней обечайке коаксиально расположена цилиндрическая полая вставка и установлен завихритель. Внутри обечаек проходит трубопровод, нижняя часть которого присоединена к цилиндрической полой вставке, а верхняя - к топочной камере. В нижней обечайке перед цилиндрической полой вставкой и соосно с ней установлен рассекатель. На трубопроводе перед топочной камерой установлен регулирующий клапан.

Этот известный делитель пылегазового потока является наиболее близким к предлагаемому делителю-концентратору пылегазового потока по совокупности признаков и принят за прототип.

Недостатком известного делителя-концентратора, принятого за прототип, является невозможность регулирования фракционного состава пыли и ограниченность диапазона регулирования по расходу пылевого потока, поступающего в зону восстановления топочной камеры через трубопровод, расположенный внутри обечаек и присоединенный к топочной камере. К недостатку прототипа также следует отнести недостаточную эффективность отделения крупных частиц пыли от пылегазового потока, поступающего через рассекатель и полую цилиндрическую вставку в трубопровод, расположенный внутри цилиндрических обечаек, а также повышенное аэродинамическое сопротивление входу пылегазового потока из последней, по ходу его движения, цилиндрической обечайки в патрубок, соединенный с топочной камерой.

Отмеченные недостатки связаны с отсутствием механизма регулирования фракционного состава пыли части пылегазового потока, поступающего через рассекатель в полую вставку и трубопровод, расположенный внутри обечаек. Ограниченный диапазон регулирования расхода пыли изменением положения регулирующего клапана, установленного на трубопроводе перед топочной камерой, определяется дросселированием пылегазового потока в указанном трубопроводе, что приводит не только к снижению расхода пыли, но и расхода транспортирующего ее газа, уменьшая тем самым дальнобойность пылегазовой струи, поступающей в топочный объем зоны восстановления, что, соответственно, ухудшает полноту перемешивания струи с продуктами сгорания факела и, как следствие, приводит к снижению уровня восстановления оксидов азота (NOx) до безопасного атомарного азота (N₂). Пониженная эффективность отделения крупных частиц пыли при прохождении части пылегазового потока через рассекатель, работающий по принципу инерционного пылеуловителя, отделяющего крупные частицы за счет изменения направления потока по сравнению, например, с выделением из потока грубой фракции пыли устройствами центробежного типа, у которых, при создаваемом ими вращательном движении, импульс воздействия на частицу центробежной силы в несколько раз превышает этот параметр для приведенного в прототипе инерционного устройства - рассекателя.

Повышенное аэродинамическое сопротивление входу пылегазового потока из имеющей наименьший диаметр цилиндрической обечайки в патрубок, соединенный с топочной камерой, обусловлено загромождением внутреннего сечения обечайки, расположенным внутри ее трубопроводом, что снижает расход пылегазовой смеси через патрубок в зону активного горения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленному изобретению, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышения коэффициента полезного действия топочной камеры котла за счет более полного сгорания топлива без вредных выбросов.

Для решения поставленной технической задачи предложен делитель-концентратор, образованный размещенными одна над другой цилиндрическими обечайками с уменьшающимися диаметрами по ходу пылегазового потока, каждая из которых соединена патрубком с топочной камерой, в нижней обечайке коаксиально расположена цилиндрическая полая вставка и завихритель. В нижней обечайке перед цилиндрической полой вставкой и соосно с ней установлен рассекатель.

Особенностью делителя-концентратора является то, что внутри обечаек расположен трубопровод, который разъединен на верхнюю и нижнюю части, нижняя часть трубопровода образована уменьшающимися по ходу потока трубами, в которых расположены один или несколько отводов грубой пыли, размещенных напротив патрубков, находящихся на цилиндрических обечайках и соединенных с топочной камерой, а верхняя часть трубопровода своим нижним концом соединена с объемом последней по ходу потока цилиндрической обечайки.

Другой особенностью делителя-концентратора является то, что в нижней трубе, соединенной с цилиндрической полой вставкой, установлен дополнительный завихритель, который выполняет функцию закручивания пылегазового потока в трубопроводе.

Отводы грубой пыли обеспечивают сепарацию и полное сгорание - наиболее крупные частицы пыли оседают в первом по ходу движения отводе грубой пыли, более мелкие оседают в следующей обечайке.

При этом еще одной особенностью делителя-концентратора является то, что диаметр отводов грубой пыли выполнен с условием стабильности движения газового потока внутри трубопровода, т.е. обеспечивается постоянная скорость движения газового потока. Для этого диаметр отвода грубой пыли выбирают равным разнице диаметров соседних нижней и верхней труб трубопровода.

Кроме того, особенностью делителя-концентратора является то, что в верхней части трубопровода установлен регулирующий клапан с целью обеспечения возможности дополнительного регулирования расхода пылегазового потока.

На Фиг. 1 представлен: делитель-концентратор пылегазового потока, образованный размещенными одна над другой цилиндрическими обечайками 1 с уменьшающимися диаметрами по ходу пылегазового потока. Обечайки 1 соединены патрубками 2 с топочной камерой 3. В нижней обечайке 1 коаксиально расположены завихритель 4 и цилиндрическая полая вставка 6.

Внутри обечаек 1 размещен трубопровод 7, нижним концом присоединенный к цилиндрической полой вставке 6, а верхним концом соединен с объемом последней по ходу потока цилиндрической обечайкой 1, внутри трубопровода установлен дополнительный завихритель 9. Также установлен трубопровод 8, нижним концом присоединенный сверху к объему последней по ходу потока цилиндрической обечайке 1, а верхним - к топочной камере 3, с установленным в трубопроводе 8 регулирующим клапаном 10. В нижней обечайке 1 перед цилиндрической полой вставкой 6 может быть установлен рассекатель 5. При этом на трубопроводе 7 установлены один или несколько отводов грубой пыли 11.

Делитель-концентратор пылегазового потока работает следующим образом. Пылегазовый поток поступает в нижнюю обечайку 1, в которой разделяется на две части. Первая часть проходит через завихритель 4 и приобретает при этом вращательное движение. Крупные частицы пыли, за счет вращательного движения, отбрасываются на периферию к стенкам обечаек 1 и движутся вдоль них. Далее пылегазовый поток поступает последовательно по ходу движения в патрубки 2 и по патрубкам 2 через горелки (не показаны) поступает в зону активного горения топочной камеры 3. Вторая часть пылегазового потока обтекает рассекатель 5, изменяя свое направление, вследствие которого происходит отделение части крупных фракций пыли, отбрасываемых к завихрителю 4, и поступает далее в цилиндрическую полую вставку 6. Из полой вставки 6 пылегазовый поток входит в нижнюю часть трубопровода 7 и проходит через завихритель 9, после которого также приобретает вращательное движение.

Затем вращающийся пылегазовый поток входит в объем последней по ходу его движения цилиндрической обечайки 1, в котором крупные частицы пыли, за счет центробежной силы, отбрасываются к стенкам обечайки 1 и поступают по патрубку 2 через горелку (не показана) в активную зону горения топочной камеры 3. Центральная часть пылегазового потока, содержащего тонкую фракцию, поступает из объема последней цилиндрической обечайки 1 в верхней части трубопровода 8 и далее в восстановительную зону топочной камеры 3. При этом после завихрителя 9 крупные частицы пыли из вращающегося потока отбрасываются к стенкам нижней части трубопровода 7 и поступают в установленные на этом трубопроводе в один или несколько отводов грубой пыли 11 (на фиг. 1 показано два отвода). Из отводов 11 часть пылевого потока с крупными частицами направляется в расположенные напротив патрубки 2, по которым через горелки (не показаны), в нижнюю часть зоны активного горения топочной камеры 3.

Использование отводов грубой пыли 11 позволяет, с одной стороны, обеспечить более глубокую очистку от грубых частиц пылегазового потока, поступающего через объем последней по ходу потока цилиндрической обечайки 1 в трубопровод 8 и далее в восстановительную зону топочной камеры 3. С другой стороны, подача крупных частиц через отводы 11 позволяет осуществить более дозированный расход грубой пыли в нижнюю часть топочной камеры 3, что увеличивает время ее пребывания в зоне активного горения и уменьшает тем самым потери от неполноты сгорания топлива. Количество отводов грубой пыли 11, установленных на стенках трубопровода 7 зависит от организации топочного процесса для котлов различной мощности, характеристик топлива, типа мельниц и т.д.

Установка завихрителя 9 в трубопроводе 7 позволяет за счет изменения угла наклона лопаток завихрителя регулировать фракционный состав пыли, поступающей из объема последней по ходу движения потока цилиндрической обечайки 1 в трубопровод 8 и далее в восстановительную зону топочной камеры 3 и, тем самым, обеспечивать необходимые экологические и экономические показатели работы котла.

Использование двух трубопроводов 7 и 8, соединенных с объемом последней по ходу потока цилиндрической обечайки 1, позволяет снизить аэродинамическое сопротивление входу пылегазового потока из обечайки 1, имеющей наименьший диаметр, в патрубок 2 и тем самым избежать уменьшения расхода пылегазового потока через этот патрубок. С целью обеспечения возможности дополнительного регулирования расхода пылегазового потока в верхней части трубопровода 8 установлен регулирующий клапан 10.

Заявленный делитель-концентратор пылегазового потока позволит на 10-15% увеличить экологические и экономические показатели котельных установок за счет повышения коэффициента полезного использования топлива, обусловленного его более полным сгоранием.