Комбинированная топка и способ ее работы

 

Использование: в паровых и водогрейных котлах при сжигании жидкого, пылевидного и газообразного топлива, как поочередно, так и одновременно в различных комбинациях. Сущность изобретения: комбинированная топка содержит поярусно расположенные в камере сгорания и направленные вниз воздушные сопла, пылеугольные горелки для высокореактивного топлива. Попарно расположенные пылеугольные горелки и воздушные сопла лежат в одной вертикальной плоскости, а оси пар горелок для высокореакционного топлива направлены тангенциально к условному горизонтальному цилиндру при противоположном направлении закрутки соседними парами. В холодной воронке могут быть дополнительно установлены сопла сбросного воздуха. Способ работы комбинированной топки включает подачу топлива в соответствующие горелки и вторичного воздуха в воздушные сопла , причем часть вторичного воздуха подают через отключенные по топливу горелки. Приведены модификации способа работы предложенной топки для разных видов топлива. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к технике сжигания топлива, и связано с проблемой эффективного сжигания одновременно или поочередно различных видов топлива в одной топке. Оно может быть использовано в паровых и водогрейных котлах различного назначения, прежде всего на ТЭС.

Уровень техники в этой области характеризуют следующие известные решения.

Известна топка и способ ее работы при совместном сжигании угольной пыли и газа [1] Топка представляет собой вертикальную камеру сгорания с холодной воронкой и установленными поярусно на стенах камеры пылеугольными и газовыми горелками, а также воздушными соплами.

При этом газовые и пылеугольные горелки расположены в разных вертикальных плоскостях. В результате, поскольку соотношение топливо-воздух по горелкам двух видов не определено, перемешивание горючего и окислителя затрудняется, что приводит к недожогу топлива. Кроме того, в [1] не предусмотрена возможность сжигания мазута, что снижает универсальность такой топки.

С точки зрения возможности совместного и попеременного сжигания трех видов топлива более близкой к предлагаемому решению является комбинированная топка [2] содержащая вертикальную призматическую камеру сгорания, и расположенную под ней холодную воронку. В нижней части камеры сгорания, на противоположных ее стенах, расположены пары горелок для высокореакционного топлива. В одних вертикальных плоскостях с ними расположены пылеугольные горелки и воздушные сопла.

Способ работы такой топки включает подачу топливовоздушной смеси в горелки для высокореакционного топлива или в пылеугольные горелки, а вторичного воздуха в воздушные сопла.

При совместном или попеременном сжигании топлив в комбинированной топке [2] обеспечивается более экономичное сжигание по крайней мере высокореакционного топлива, чем в топке [1] поскольку топливо и воздух вводятся в камеру сгорания в одних вертикальных плоскостях. Однако совмещенный характер их ввода исключает возможность работы топки в режиме ступенчатого сжигания, что, во-первых, ухудшает надежность зажигания угольной пыли, а во-вторых, препятствует глубокому подавлению NO_x.

Цель изобретения заключается в создании комбинированной топки, обеспечивающей возможность экономичного сжигания трех видов топлива (жидкого, газового, пылеугольного) при малых величинах образования NO_x.

Цель достигается благодаря предложенной конфигурации топки и возможности реализации в ней предложенного способа работы.

В комбинированной топке, содержащей вертикальную призматическую камеру сгорания, холодную воронку, пары горелок для высокореакционного топлива в нижней части камеры сгорания, а также пылеугольные горелки и воздушные сопла, расположенные в одних вертикальных плоскостях на противоположных стенках камеры сгорания, указанная техническая задача решается тем, что горелки высокореакционного топлива, пылеугольные и воздушные сопла расположены поярусно с установкой в каждом ярусе горелок для одного вида топлива, при чем пылеугольные горелки расположены между горелками для сжигания высокореакционного топлива и воздушными соплами и наклонены вниз, а оси горелок для высокореакционного топлива, составляющих пары, направлены тангенциально к условной поверхности горизонтального цилиндра при противоположном направлении закрутки соседними парами.

При этом целесообразно исполнение, при котором в холодной воронке установлены сопла сбросного воздуха и направлены с наклоном вверх под острым углом к горизонтальной плоскости.

В способе работы такой топки, включающем подачу топливовоздушной смеси соответственно в горелки для высокореакционного топлива или пылеугольные горелки, а вторичного воздуха в воздушные сопла, указанная техническая задача решается также тем, что часть вторичного воздуха подают через отключенные по топливу горелки.

При этом при сжигании угольной пыли 35-55% всего воздуха подают через горелки для высокореакционного топлива. При сжигании высокореакционного топлива через пылеугольные горелки дополнительно подают газы рециркуляции.

Благодаря установке пылеугольных горелок между горелками для высокореакционного топлива и воздушными соплами, причем в одних вертикальных плоскостях, т.е. проходящих через те и другие, а также благодаря наклону осей пылеугольных горелок вниз обеспечивается надежное зажигание угольной пыли в первой ступени горения и своевременное перемешивание реагентов сначала во второй ступени горения, а затем в третьей. Вторая ступень горения угольной пыли реализуется в движущейся подушке вторичного воздуха, поступающего из горелок, предназначенных для сжигания высокореакционного топлива и выполняющих в этом случае функцию сопл вторичного воздуха. Комбинированная топка позволяет при сжигании любого вида топлива осуществить наиболее экономичный и экологически чистый процесс сжигания, в частности, благодаря предложенным способам ее работы.

На фиг. 1 и 2 схематично представлены два варианта предложенной комбинированной топки, продольные разрезы; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1.

Комбинированная топка содержит вертикальную призматическую камеру 1 и холодную воронку 2. На двух противоположных стенках 3 и 3' камеры 1 в ее нижней части размещены в данном случае 6 пар горелок для высокореакционного топлива 4-4', 5-5', 6-6', 7-7', 8-8' и 9-9'. Они могут быть установлены в двух ярусах (фиг. 1) и в одном ярусе (фиг. 2) и направлены тангенциально к условной поверхности горизонтального цилиндра при противоположном направлении тангенциальной закрутки соседними парами. Выше горелок (4-9) (4'-9') в вертикальных плоскостях, проходящих через пары горелок (4-4') (9-9') на стенах 3, 3' размещены в данном случае в двух ярусах с наклоном осей вниз на 60^о пылеугольные горелки (10-15) (10'-15'). Еще выше, в тех же вертикальных плоскостях, размещены центры выходных сечений воздушных сопл (16-21) (16'-21'). В данном случае они установлены на стенах 3, 3' в одном ярусе с наклоном вниз на 35^о, причем горизонтальные проекции осей сопл 16-16', 17-17' и т.д. установленные на противоположных стенах 3, 3', направлены с поочередным пересечением плоскости симметрии камеры 1, параллельной стенам 3, 3'. На скатах 22, 22' холодной воронки 2 установлены сопла (23-25) (23'-25') сбросного воздуха пылесистем, направленные наклонно вверх под острым углом к горизонтальной плоскости.

Рассмотрим способ работы комбинированной топки при сжигании угольной пыли В этом случае в камеру 1 через пылеугольные горелки (10-15) (10'-15') подают смесь первичного воздуха и угольной пыли с избытком воздуха, в данном случае α_перв= 0,2. Благодаря наклонному вниз движению свежих пылевоздушных струй в поднимающихся вверх потоках факела и благодаря малому значению α_перв угольная пыль быстро прогревается и загорается (прежде всего летучие ее компоненты). На этих участках реализуется первая ступень горения. Через отключенные по топливу горелки для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9') в камеру 1 подают вторичный воздух, струи которого в нижней части камеры 1 создают движущуюся воздушную подушку, в которую внедряется загоревшаяся (тлеющая) пыль. Инерционное скольжение горящей пыли в потоках вторичного воздуха создает условия для интенсивного подвода кислорода к поверхности угольных частиц и интенсивного их горения во II ступени. При этом расход вторичного воздуха составляет 35-55% от всего подаваемого в топку воздуха, т. е. α_вт=0,4-0,5. В I и II ступени горения подают сбросной воздух пылесистем, содержащей до 15% уносимой из циклонов мелкой пыли и имеющий α_сбр 0,13 0,17. Этот сбросной воздух может подаваться по своим каналам через часть пылеугольных горелок (10-15) (10'-15'), либо через часть горелок для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9'). В данном примере сбросной воздух подают через 6 сопл (23-25) (23'-25'), установленных на скатах 22 и 22' холодной воронки 2 под углом порядка 50^о к горизонтальной плоскости. Причем сопла (23-25) (23'-25') сбросного воздуха размещены в вертикальных плоскостях, проходящих через оси горелок 4, 6, 8, 5', 7', 9' для высокореакционного топлива. Струи сбросного воздуха, двигаясь наклонно вверх, будут способствовать увеличению времени витания крупных частиц золы, выпадающих в холодную воронку 2 из зоны расположения II ступени горения, тем самым способствуя полному выгоранию коксового остатка в шлаке. В зоне расположения I и II ступеней горения, по исследованиям (от уровня верхней границы холодной воронки 2), до среднего уровня размещения пылеугольных горелок (10-15) (10'-15') произойдет выгорание 70-90% угольной пыли. Догорание остальной пыли произойдет в III ступени горения, расположенной между уровнями размещения воздушных сопл (16-21) (16'-21') и пылеугольных горелок (10-15)-(10'-15'), за счет интенсивного перемешивания догорающего факела с третичным воздухом, поступающим в камеру 1 из сопл (16-21) (16'-21'). Интенсивность перемешивания возрастает при обеспечении высоких скоростей истечения струй третичного воздуха (W_тр=40-60 м/с) из сопл (16-21) (16'-21').

При сгорании высокореакционного топлива (газа или мазута) его подают в камеру 1 через соответствующие горелки (4-9) (4'-9') в смеси с первичным воздухом (α_перв= 0,45-0,5). Через пылеугольные горелки (10-15) (10'-15') (свободные от топлива) подают вторичный воздух ( α_втор0,2-0,15), а через сопла (16-21) (16'-21') третичный воздух ( α_трет ≈ 0,35). При необходимости (например, для повышения тепловосприятия пароперегревателя) вместе с вторичным воздухом через пылеугольные горелки (4-9) (4'-9') дополнительно подают газы рециркуляции, а вытесняемый вторичный воздух подают в камеру 1 за счет увеличения α_перв до 0,55-0,65, а α_трет до 0,4. Газы рециркуляции могут быть поданы также наиболее распространенным на практике способом в смеси с первичным воздухом, через горелки для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9').

Трехступенчатый ввод воздуха в процессе горения как пылеугольного, так и высокореакционного топлива с расположением III ступени горения относительно высоко над зоной максимального тепловыделения (пояс размещения горелок (4-9) (4'-9')) обеспечивает низкий уровень выброса NO_x, соответствующий самым жестким международным нормам. Наклон осей сопл (16-21) (16'-21') и пылеугольных горелок (4-9) (4'-9') вниз, двухъярусное движение струй, вытекающих из газомазутных горелок (4-9) (4'-9') при противоположном направлении тангенциальной закрутки факела в центральной зоне камеры соседними парами струй горелок 4-4', 5-5' и т.д. а также встречно-смещенный характер движения струй третичного воздуха создает условия для надежного и экономичного сжигания трех видов топлива в предложенной топке. Для исключения проскока большого количества несгоревшей пыли в холодную воронку доля вторичного воздуха, вытекающего из отключенных по высокореакционному топливу горелок (4-9) (4'-9'), должна быть не менее 35% от всего подаваемого в камеру 1 воздуха. В то же время для сохранения трехступенчатого характера горения угольной пыли доля вторичного воздуха не должна превышать 55% Как показали расчеты и модельные исследования предложенной комбинированной топки, концентрация оксидов азота на выходе из топки должна составить не более 300, 100 и 185 мг/м³ соответственно при сжигании угля, газа и мазута, что удовлетворяет самым жестким международным нормам. В то же время топка обеспечивает надежное и экономичное сжигание указанных топлив, по крайней мере не уступающее по своим показателям стехиометрическому сжиганию.

Формула изобретения

1. Комбинированная топка, содержащая вертикальную призматическую камеру сгорания, холодную воронку, пары горелок для высокореакционного топлива в нижней части камеры сгорания, а также пылеугольные горелки и воздушные сопла, расположенные в одних вертикальных плоскостях на противоположных стенках камеры сгорания, отличающаяся тем, что горелки высокореакционного топлива, пылеугольные и воздушные сопла расположены поярусно с установкой в каждом ярусе горелок для одного вида топлива, причем пылеугольные горелки расположены между горелками для сжигания высокореакционного топлива и воздушными соплами и наклонены вниз, а оси горелок для высокореакционного топлива, составляющих пары, направлены тангенциально к условной поверхности горизонтального цилиндра при противоположном направлении закрутки соседними парами.

2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена соплами сбросного воздуха пылесистем, установленными в холодной воронке и направленными с наклоном вверх под острым углом к горизонтальной плоскости.

3. Способ работы комбинированной топки путем подачи топливовоздушной смеси соответственно в горелки для высокореакционного топлива или пылеугольные горелки и воздуха в воздушные сопла, отличающийся тем, что часть воздуха подают через отключенные по топливу горелки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при сжигании угольной пыли через горелки для высокореакционного топлива подают 35 - 55% всего воздуха.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что при сжигании высокореакционного топлива через пылеугольные горелки дополнительно подают газы рециркуляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4