Способ и устройство для сжигания угля в вихревом потоке

Изобретение относится к низкотемпературному сжиганию угля в топках промышленных и энергетических котлов. Способ сжигания угля в вихревом потоке включает тангенциальный ввод газа, подачу угля и удаление продуктов сгорания. Процесс сжигания угля ведут с использованием инертного материала в зоне взаимодействия двух вихревых потоков, располагаемых последовательно друг за другом по ходу движения горючего газа, при этом частицы несгоревшего угля и инертного материала улавливают после выхода из второго вихревого потока с помощью центробежного поля и вновь возвращают через узел подачи угля на повторный дожиг в первый вихревой поток. Оптимальное значение скорости витания частиц угля и инертного материала в вихревых потоках достигают за счет изменения проходного сечения каналов с тангенциальным вводом газа. Изобретение обеспечивает эффективный способ сжигания угля с улучшенными технологическими и экологическими параметрами. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, а именно - к низкотемпературному сжиганию угля в топках промышленных и энергетических котлов, и может быть применено в других областях промышленности, в частности в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива.

Большое многообразие способов и устройств для сжигания угля свидетельствует лишь об одном - процесс далек от совершенства и не теряет своей актуальности в силу возрастания цен на другие виды топлива и наличия больших запасов угля в нашей стране.

Известен способ сжигания угля (патент РФ №2230981С2, 2002 г., F23B 7/00), в котором, с целью улучшения процесса сгорания и улучшения экологических параметров, регулируют распределение частиц угля перед впрыском его в топку и обеспечивают оптимальное значение составляющих скорости вихревого потока путем турбулизации и подкрутки газа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе отсутствуют технологические приемы и режимные условия, обеспечивающие более эффективное сжигание угля при минимальном выносе в атмосферу несгоревших частиц угля с горючими газами.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству в заявляемой группе изобретений является вихревая камера сгорания (патент РФ №2132512, 1997 г., F23C 5/24), включающая корпус с экранами, тангенциальные сопла для вдува воздуха, устройство ввода угля и выпускное окно для выхода горючего газа. В известной вихревой камере предусмотрены специальный накопитель с нагревающими поверхностями для несгоревших частиц угля и устройство для возврата этих частиц в вихревую камеру.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве используется несимметричная камера с образованием плоского вихревого потока и сепарационное устройство на пути его следования, а также боковое окно для вывода горючих газов. Данная схема образования вихревого потока малоэффективна и ненадежна в эксплуатации, т.к. сепарационное устройство постоянно будет забито углем и шлаком, ликвидация которых при помощи дополнительного нагрева не даст желаемого результата. К тому же, выход горючих газов через окно боковой стенки камеры также не способствует нормальному вихреобразованию, а следовательно, не позволяет организовать устойчивый вращающийся слой сгораемых частиц угля внутри этой камеры. Следует также заметить, что тангенциальные вводы воздуха расположены в данном устройстве несимметрично относительно оси камеры и выпускного окна для горючего газа. Все это приводит к дополнительному вихреобразованию в зоне их входа и не позволяет образовать в конечном результате большую поверхность сгорания. Частицы угля и шлака будут постоянно отбиваться набегающим потоком воздуха к противоположной стенке и оседать на ней в виде жидкой пленки, самопроизвольно стекающей на дно вихревой камеры и в накопительную емкость сепарационного устройства. Но даже и в том случае, когда частицы угля и золы будут в твердом состоянии, обеспечить их циркуляцию при такой схеме достаточно проблематично.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа и нового устройства для сжигания угля в вихревом потоке.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении более эффективного способа сжигания угля с улучшенными технологическими и экологическими параметрами, включая экономичность и минимальный выброс в атмосферу несгоревших частиц угля.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается известным способом сжигания угля, включающим тангенциальный ввод газа, подачу угля и удаление продуктов сгорания. Отличием предложенного способа является то, что процесс сжигания угля ведут с использованием инертного материала в зоне взаимодействия двух вихревых потоков, располагаемых последовательно друг за другом по ходу движения горючего газа, при этом частицы несгоревшего угля и инертного материала улавливают после выхода из второго вихревого потока с помощью центробежного поля и вновь возвращают через узел подачи угля на повторный дожиг в первый вихревой поток.

Указанный технический результат достигается тем, что оптимальное значение скорости витания частиц угля и инертного материала в вихревых потоках обеспечивают за счет изменения проходного сечения каналов с тангенциальным вводом газа.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа сжигания угля в вихревом потоке не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся применения двух вихревых потоков непосредственно по ходу движения горючих газов. Не выявлены также аналоги, касающиеся улавливания и возврата несгоревших частиц угля и частиц инертного материала из второго вихревого потока в первый, как и аналоги, касающиеся регулирования основных параметров скорости витания твердых частиц в вихревых потоках за счет изменения проходного сечения каналов тангенциальных подводов газа.

Поставленная задача решается тем, что устройство для сжигания угля в вихревом потоке содержит корпус с узлом для подвода газа и патрубком для вывода продуктов сгорания, а также узел подачи угля, согласно изобретению корпус этого устройства выполнен в виде полого цилиндра, к торцам которого подсоединены две вихревые камеры с тангенциальными щелевыми каналами подвода газа, при этом на нижнем торце первой вихревой камеры закреплен патрубок для удаления зольных отложений, а на выходном патрубке второй вихревой камеры установлен центробежный ловитель для твердых частиц, гидравлически связанный через циклон с узлом подачи угля.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства для сжигания угля в вихревом потоке не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся выполнения конструкции корпуса и установки на нем двух вихревых камер с тангенциальными щелевыми каналами подвода газа. Также не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установки на выходном патрубке второй вихревой камеры специального ловителя твердых частиц и его подсоединения к первой вихревой камере через циклон и узел подачи угля.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой группы изобретений, позволил констатировать, что заявитель не обнаружил источники, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной группы изобретений. Определение из перечня аналогов-прототипов наиболее близких по совокупности признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для заявляемого способа и для заявляемого устройства, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый объект заявляемой группы изобретений соответствует условию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки каждого объекта заявляемой группы условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявляемой группы. Результаты анализа показали, что каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники, поскольку не вытекает из него логически и мог быть получен только при глубоком и всестороннем изучении вопроса. Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявляемой группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ сжигания угля в вихревом потоке осуществим с помощью двух вихревых потоков, стабилизация основных параметров которых может быть осуществлена одним из известных способов (патент РФ №2174875, 1999 г., В04С 5/04). Способ подготовки и ввода угля внутрь вихревого потока также может быть осуществлен одним из известных способов (патент РФ №2273521, 2004 г., В02С 19/18). При этом для сжигания могут быть использованы любые угли, в том числе и высокореакционные бурые угли, а также многозольные с большим содержанием других минералов. Частицы несгоревшего угля и золы из первого вихревого потока поступают во второй вихревой поток, где их сгорание происходит при более высокой температуре и меньшей плотности слоя. После второго вихревого потока несгоревшие частицы угля и другие твердые частицы несгораемых минералов улавливаются с помощью центробежного поля и вновь возвращаются в первый вихревой поток на повторный дожиг. При этом улавливание твердых частиц также может быть осуществлено одним из известных способов (патент РФ №2278741, 2004 г., В04С 5/103). После возврата из второго вихревого потока в первый вихревой поток частицы угля и минералов ведут себя по-разному: если частицы угля быстро догорают, то частицы зольных отложений частично коагулируются и выносятся из вихревого потока, т.к. их масса уже не соответствует той массе частиц, которые могут витать в данном вихревом потоке, мелкие же частицы выносятся из циклона и с уходящими газами улавливаются в системе газоочистки котла. При этом коагуляция частиц минералов происходит как за счет их окисления, так и за счет многократной циркуляции твердых частиц из одного вихревого потока в другой.

Для осуществления заявляемого способа сжигания угля предлагается устройство для сжигания угля в вихревом потоке инертного материала.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для сжигания угля в вихревом потоке. На фиг.2 изображено устройство для подвода газа (сечение А-А).

Данное устройство включает корпус 7 (фиг.1), вихревую камеру 2 с тангенциальными щелевыми каналами подвода газа 3, вихревую камеру 4 с тангенциальными щелевыми каналами подвода газа 5 (фиг.2), патрубок для удаления зольных отложений 6, центробежный ловитель для твердых частиц 7, циклон 8, узел подачи угля 9 с бункером 10, горелку 11 и патрубок для выхода продуктов сгорания 12.

Устройство работает следующим образом. Через тангенциальные щелевые каналы 3 подается газ. Предварительно подготовленный уголь из бункера 10 через устройство ввода 9 вводится в вихревой поток инертного материала вихревой камеры 2 и включается горелка 11. Одновременно через тангенциальный ввод 5 подается газ в вихревую камеру 4. Из вихревой камеры 2 продукты сгорания и несгоревшие частицы угля совместно с золой поступают в вихревую камеру 4. В вихревой камере 4 происходит дальнейшее горение угля и продуктов его газификации. В то же самое время негорючие частицы минералов, входящие в состав угля, превращаются в твердые окислы и совместно с недогоревшими частицами угля поступают в центробежный ловитель 7. В нем твердые частицы с помощью центробежного поля улавливаются и направляются в циклон 8. В циклоне 8 осуществляется очистка уходящего газа от несгоревших частиц угля и золы. Из циклона 8 через узел подачи угля 9 частицы угля и зола возвращаются в вихревую камеру 2 на повторный дожиг. Во время дожига и циркуляции тяжелые частицы золы под воздействием центробежного поля и высокой температуры начинают коагулироваться, по мере возрастания их массы теряют способность к совместному движению с горючим газом, начинают оседать и накапливаться в патрубке 6 вихревой камеры 2, из которой они уже по мере необходимости выводятся через патрубок 6 для дальнейшей переработки или использования. Продукты сгорания выводятся через патрубок 12 и из циклона 8.

Технический эффект от использования предложенной группы изобретений состоит в следующем.

Предложенный способ сжигания угля в двухстадийном вихревом потоке позволяет добиться более полного сгорания угля с максимальным выделением горючих газов из исходного продукта. Образовавшиеся в результате такого сжигания угля тугоплавкие несгораемые остатки могут найти широкое применение в промышленности.

Предложенное устройство для сжигания угля в вихревом потоке просто в изготовлении и легко поддается автоматизации. С экологической точки зрения оно более эффективно и безопасно в эксплуатации и не требует каких-либо новых решений по очистке горючего газа.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при сжигании угля в топках энергетических установок по новой технологии;

- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретений, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество заявляемой группы изобретений состоит в том, что использование способа и устройства для сжигания угля в вихревом потоке существенно улучшает процесс сжигания угля и уменьшает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокое качество и высокую эффективность в сочетании с высокой надежностью.

Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Способ сжигания угля в вихревом потоке, включающий тангенциальный ввод газа, подачу угля и удаление продуктов сгорания, отличающийся тем, что процесс сжигания угля ведут с использованием инертного материала в зоне взаимодействия двух вихревых потоков, располагаемых последовательно друг за другом по ходу движения горючего газа, при этом частицы несгоревшего угля и инертного материала улавливают после выхода из второго вихревого потока с помощью центробежного поля и вновь возвращают через узел подачи угля на повторный дожиг в первый вихревой поток.

2. Способ сжигания угля по п.1, отличающийся тем, что оптимальное значение скорости витания частиц угля и инертного материала в вихревых потоках достигают за счет изменения проходного сечения каналов с тангенциальным вводом газа.

3. Устройство для сжигания угля в вихревом потоке, включающее корпус с узлом подвода газа и патрубком для вывода продуктов сгорания, а также узел подачи угля, отличающееся тем, что корпус его выполнен в виде полого цилиндра, к торцам которого подсоединены две вихревые камеры с тангенциальными щелевыми каналами подвода газа, при этом на нижнем торце первой вихревой камеры закреплен патрубок для удаления зольных отложений, а на выходном патрубке второй вихревой камеры установлен центробежный ловитель для твердых частиц, гидравлически связанный через циклон с узлом подачи угля.