Котел-утилизатор
Владельцы патента RU 2365818:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "Котлоэнергопром" (UA)
Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности. Котел-утилизатор содержит патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов. Котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов. Реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью: 0,43<V1/V2≤0,85,
где: V1 - объем камеры дожига, м3; V2 - рабочий объем реактора, м3. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой степени очистки дымовых газов от примесей, а также увеличение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов. 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, включающий горелочное устройство, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности теплообменников (см. авт.свидетельство СССР №1572145, МПК F22B 1/18, опубл. 27.12.1995).
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, что приводит к налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности теплообменников. Известный котел-утилизатор не позволяет полностью дожечь примеси, содержащиеся в дымовых газах, что снижает эффективность работы теплообменных поверхностей.
Известен котел-утилизатор, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов (см. авт.свидетельство СССР №1188454, МПК F23G 7/06, опубл. 30.10.1985). Система утилизации тепла содержит радиационный теплообменник, который примыкает к камере сгорания, а также конвективный теплообменник.
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, обусловленная тем, что радиационный теплообменник примыкает к камере сгорания, что приводит к резкому падению температуры на выходе из реактора, а также приводит к интенсивному налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности радиационного и конвективного теплообменников. Также недостатком котла-утилизатора является низкая эффективность смешивания горючих компонентов, содержащихся в дымовых газах, с воздухом и топливом, которые подаются через горелочное устройство в реактор, что, в свою очередь, приводит к нестабильному температурному полю и к неполному сгоранию примесей, содержащихся в дымовых газах. Наличие в дымовых газах несгоревших примесей приводит к недостаточной степени обезвреживания дымовых газов, с одной стороны, а, с другой стороны, к загрязнению теплообменных поверхностей радиационного и конвективного теплообменников смолами и углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях теплообменников, что приводит к низкой степени утилизации тепла и снижению надежности работы котла-утилизатора.
Интенсивное образование отложений на теплообменных поверхностях приводит к их быстрому загрязнению, что снижает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла (КПД) котла-утилизатора.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание котла-утилизатора с высокой степенью очистки дымовых газов от примесей, а также повышение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, например коксовых печей.
Поставленная задача решается тем, что в известном котле-утилизаторе, содержащем патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, согласно заявляемому изобретению котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
где:
V1 - объем камеры дожига, м3;
V2 - рабочий объем реактора, м3.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которой связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется следующей зависимостью:
где:
S1 - площадь выходного отверстия диафрагмы, м2;
S2 - площадь основания камеры дожига, м2.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней поверхности камеры дожига и имеющий следующие размеры:
где:
а - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
α - угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
где:
S3 - площадь отверстия, м2;
S4 - площадь основания циклонной камеры сгорания, м2.
Предложенное техническое решение позволяет повысить степень очистки дымовых газов от примесей, а также надежность котла-утилизатора за счет введения дополнительной системы обогащения дымовых газов топливом и воздухом перед подачей дымовых газов в реактор. Это способствует эффективному смесеобразованию и приводит к интенсификации процесса горения в рабочем объеме реактора, что обеспечивает эффективную очистку дымовых газов от примесей. Оснащение реактора камерой дожига позволяет увеличить время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора, а также позволяет стабилизировать температурное поле в рабочем объеме реактора, в котором происходит процесс горения и очистка дымовых газов от примесей. Введение в реактор дополнительной циклонной камеры сгорания приводит к образованию в камере дожига встречных вихревых потоков дымовых газов, которые выходят из циклонных камер сгорания, что обеспечивает увеличение эффективности обезвреживания дымовых газов за счет интенсивного перемешивания дымовых газов с топливом и воздухом, а также за счет эффективного дожигания смолистых и углеродистых примесей в рабочем объеме реактора. Это уменьшает загрязнение теплообменных поверхностей системы утилизации тепла смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях, и повышает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла, а также снижает «чувствительность» котла-утилизатора к загрязненным дымовым газам, которые имеют значительное содержание смолистых и углеродистых примесей.
ЧЕРТЕЖИ
Заявляемый котел-утилизатор изображен на следующих чертежах:
Фиг.1 - общий вид котла-утилизатора;
Фиг.2 - вид спереди фиг.1;
Фиг.3 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.4 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.5 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.6 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.7 - сечение А-А фиг.2;
Фиг.8 - сечение В-В фиг.2;
Фиг.9 - вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания;
Фиг.10 - вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Котел-утилизатор содержит патрубки подвода дымовых газов 11, 12, патрубок отвода дымовых газов 2, реактор 3, снабженный циклонными камерами сгорания 41, 42, каждая из которых включает аксиально установленное горелочное устройство 5. Котел-утилизатор содержит систему утилизации тепла 6, включающую теплообменные поверхности 7 и соединенную с реактором 3 и патрубком отвода дымовых газов 2.
Котел-утилизатор также снабжен системой обогащения 8 дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубками подвода дымовых газов 11, 12. Реактор 3 снабжен камерой дожига 9, примыкающей к циклонным камерам сгорания 41, 42 и образующей совместно с ними рабочий объем реактора 3. На выходе из реактора 3 установлена диафрагма 10, в которой выполнено выходное отверстие 11, которое связывает реактор 3 с системой утилизации тепла 6 (см. фиг.1, 2).
В нижеприведенных вариантах исполнения котла-утилизатора, которые изображены на фиг.3-6, 9, 10, представлены частные варианты выполнения котла-утилизатора.
Площадь выходного отверстия 11 диафрагмы 10 определяется в соответствии с зависимостью (2).
Объем камеры дожига 9 определяется в соответствии с зависимостью (1).
В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 12 установлена заслонка 12. На выходе из реактора 3 установлена решетка 14.
Внутренняя поверхность камеры дожига 9 и камер сгорания 41, 42 выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а именно шамотного кирпича, огнеупорной глины и др.
В патрубке отвода дымовых газов 2 установлена дополнительная система утилизации тепла 15, включающая теплообменные поверхности 7.
К патрубку отвода дымовых газов 2 примыкает принудительная система отвода дымовых газов 16, включающая тягодутьевое устройство.
В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 12 установлена турбулизирующая решетка 17.
Каждая циклонная камера сгорания 41, 42 имеет дополнительную диафрагму 18, отверстие 19 которой связывает циклонную камеру сгорания 41, 42 с камерой дожига 9.
Площадь отверстия 19 каждой циклонной камеры сгорания 41, 42 определяется в соответствии с зависимостью (6).
На фиг.3 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 131 параллельно основанию камеры дожига 9.
На фиг.4 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 132 перпендикулярно к основанию камеры дожига 9.
На фиг.5 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 133 под углом α к основанию камеры дожига 9.
На фиг.6 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 131, 132.
На фиг.9 показан вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания 41, 42, к которым тангенциально подведены патрубки подвода дымовых газов 11, 12, а также подведены дополнительные патрубки подвода дымовых газов 111, 121 соответственно. К каждому патрубку подвода дымовых газов 11, 111, 12, 121 примыкает система обогащения дымовых газов топливом и воздухом, а также в каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 111, 12, 121 установлена турбулизирующая решетка 17 и заслонка 12.
На фиг.10 показан вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания 41, 42, 43, 44, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 11, 12, 13, 14 соответственно.
Котел-утилизатор работает следующим образом.
Дымовые газы, отходящие от топливосжигающего агрегата (на чертежах не показан), поступают в патрубки подвода дымовых газов 11, 12, в каждом из которых размещена заслонка 12 для регулирования подачи дымовых газов в циклонные камеры сгорания 41, 42 реактора 3 котла-утилизатора. В патрубках подвода дымовых газов 11, 12 дымовые газы обогащаются топливом и воздухом с помощью системы обогащения 8, которая примыкает к патрубкам подвода дымовых газов 11, 12. В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 12 установлена турбулизирующая решетка 17 для турбулизации потока дымовых газов, поступающих в циклонные камеры сгорания 41, 42. Турбулизация дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, способствует их лучшему перемешиванию.
Введение дымовых газов в циклонную камеру сгорания 41, 42 посредством тангенциально подведенных патрубков 11, 12 обеспечивает активизацию перемешивания дымовых газов в циклонных камерах сгорания 41, 42.
Аксиальное размещение горелочного устройства 5, к которому подводится воздух и топливо в каждой циклонной камере сгорания 41, 42, обеспечивает увеличение длины факела в рабочем объеме реактора 3 и способствует стабилизации температурного поля в реакторе 3. Поток дымовых газов из циклонной камеры сгорания 41 перемещается в камеру дожига 9, в которой встречается с другим потоком дымовых газов, выходящим из циклонной камеры сгорания 42. Это обеспечивает интенсивное перемешивание дымовых газов и способствует снижению концентрации оксидов азота (NOx) и оксида углерода (СО) в дымовых газах. Соотношение (V1/V2) объема камеры дожита 9 к общему объему реактора 3, выбранное в соответствии с зависимостью (1), позволяет оптимизировать процесс горения, время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора 3 и обеспечивает повышение эффективности очистки дымовых газов от примесей.
Наличие в реакторе 3 диафрагмы 10, а также наличие в камере дожига 9 выступов
131, 132 и наличие в каждой циклонной камере сгорания 41, 42 дополнительной диафрагмы 18, в которой выполнено отверстие свода 19, предотвращает проскок смолистых и углеродистых частиц вдоль стенок камеры дожига 9 в систему утилизации тепла 6 через выходное отверстие 11 диафрагмы 10.
Установленная на выходе из реактора 3 решетка 14 способствует турбулизации потока дымовых газов, что обеспечивает эффективную теплопередачу, а также способствует уменьшению концентрации оксидов азота (NOx). После реактора 3 дымовые газы поступают в систему утилизации тепла 6. В системе утилизации тепла 6 и в дополнительной системе утилизации тепла 15 установлены теплообменные поверхности 7, например: пароперегреватели, испарители, экономайзеры и т.д., которые позволяют эффективно утилизировать тепло дымовых газов. После системы утилизации тепла 6 дымовые газы поступают в патрубок отвода дымовых газов 2, в котором установлена дополнительная система утилизации тепла 15, предназначенная для дополнительной утилизации тепла дымовых газов. Затем дымовые газы отводятся в окружающую среду посредством принудительной системы отвода дымовых газов 16.
В частном варианте выполнения котла-утилизатора в реакторе 3 установлены две циклонные камеры сгорания 41, 42 (см. фиг.9), к которым тангенциально подведены два патрубка подвода дымовых газов 11, 12, а также два дополнительных патрубка подвода дымовых газов 111, 121 соответственно. Подвод к циклонным камерам сгорания 41, 42 дополнительных патрубков подвода дымовых газов 111, 121 обеспечивает эффективное перемешивание дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, в циклонных камерах сгорания 41, 42.
В частном варианте выполнения котла-утилизатора (см. фиг.10) в реакторе 3 установлены четыре циклонных камеры сгорания 41, 42, 43, 44, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 11, 12, 13, 14 соответственно. При этом обеспечивается эффективная работа котла-утилизатора за счет повышения стабилизации температурного поля в рабочем объеме реактора 3.
Были проведены испытания комплекса «коксовая печь - котел-утилизатор», который установлен в ОАО «Запорожкокс». При этом дымовые газы от коксовой печи поступали в котел-утилизатор, работающий при температуре 1095°С. Результаты проведенных испытаний с различными вариантами выполнения котла-утилизатора приведены в таблицах 1, 2.
| Таблица 1 | |||||
| Показатель | Обозначение* | Вариант 1 (фиг.1) | Вариант 2 (фиг.4) | Вариант 3 (фиг.6) | Вариант 4 (фиг.10) |
| 1. Площадь выходного отверстия диафрагмы, м2 | S1 | 11,1 | 11,1 | 11,1 | 11,1 |
| 2. Площадь основания камеры дожига, м2 | S2 | 12,33 | 12,33 | 12,33 | 12,33 |
| 3. Площадь отверстия дополнительной диафрагмы, м2 | S3 | - | 4,15 | 4,15 | 1,90 |
| 4. Площадь основания циклонной камеры сгорания, м2 | S4 | 4,61 | 4,61 | 4,61 | 2,11 |
| 5. Объем камеры дожига, м3 | V1 | 56,9 | 56,9 | 56,9 | 56,9 |
| 6. Объем реактора, м3 | V2 | 87,53 | 87,53 | 87,53 | 87,53 |
| 7. Высота выступа, м | a1 | - | - | 0,2 | 0,2 |
| 8. Длина выступа, м | b1 | - | - | 14,7 | 14,7 |
| 9. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град. | α1 | - | - | 0 | 0 |
| 10. Высота выступа, м | a2 | - | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| 11. Длина выступа, м | b2 | - | 5,2 | 5,2 | 5,28 |
| 12. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град. | α2 | - | 90 | 90 | 90 |
| 13. Наличие турбулизирующей решетки в патрубке подвода дымовых газов | - | - | + | + | |
| 14. Наличие решетки в реакторе | - | - | - | + | |
| 15. Количество циклонных камер сгорания, ед. | 2 | 2 | 2 | 4 | |
| 16. Количество патрубков подвода дымовых газов, которые подведены к каждой циклонной камере сгорания, ед. | 1 | 1 | 2 | 1 | |
| * - в таблице 1 приведены следующие условные обозначения: | |||||
| a1, a2 - высота выступов 131, 132 соответственно, м; | |||||
| b1, b2 - длина выступов 131, 132 соответственно, м; | |||||
| α1, α2 - угол наклона выступов 131, 132 к основанию камеры дожига 9 соответственно, град. |
| Таблица 2 | ||||
| Показатель | Вариант 1 (фиг.1) | Вариант 2 (фиг.4) | Вариант 3 (фиг.6) | Вариант 4 (фиг.10) |
| 1. Температура в реакторе котла-утилизатора, град | 1095 | |||
| 2. Оксид углерода, мг/м3: | ||||
| до котла-утилизатора | 3250 | 3450 | 3400 | 3500 |
| после котла-утилизатора | 42 | 37 | 10 | 0 |
| 3. Оксиды азота, мг/м3: | ||||
| до котла-утилизатора | 540 | 567 | 563 | 570 |
| после котла-утилизатора | 365 | 343 | 324 | 312 |
| 4. Концентрация смолистых и углеродистых частиц, мг/м3 | ||||
| до котла-утилизатора | 76 | 77 | 82 | 78 |
| после котла-утилизатора | 30,4 | 28,9 | 14,5 | 8,2 |
| 5. Надежность работы котла-утилизатора (период времени между очисткой теплообменных поверхностей теплообменников), ч | 1100 | 1190 | 1620 | 1930 |
| 6. Степень утилизации тепла котла-утилизатора (КПД), % | 87,7 | 88,0 | 88,5 | 89,1 |
1. Котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, отличающийся тем, что котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора, при этом отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
0,43<V1/V2≤0,85,
где V1 - объем камеры дожига, м3;
V2 - рабочий объем реактора, м3.
2. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которой связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется следующей зависимостью:
0,44<S1/S2≤0,9,
где S1 - площадь выходного отверстия диафрагмы, м2;
S2 - площадь основания камеры дожига, м2.
3. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.
4. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.
5. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней стенке камеры дожига и имеющий следующие размеры:
0,05d<a≤0,5d,
0,5d<b≤25d,
0°≤α≤90°,
где a - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
α - угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.
6. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена решетка.
7. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
8. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.
9. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.
10. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.
11. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.
12. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
0,44<S3/S4≤0,9,
где S3 - площадь отверстия, м2;
S4 - площадь основания циклонной камеры сгорания, м2.
