Патент на изобретение №2349835

(54) СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ И ВИХРЕВАЯ ТОПКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплотехнике, к области сжигания твердого топлива и может быть использовано, например, на тепловых электростанциях и в промышленных и отопительных котельных. Технический результат изобретения заключается в повышении выгорания топлива, увеличении КПД, уменьшение эмиссии оксидов азота и серы в вихревом способе сжигания твердого топлива, т.е. повышение экономических и экологических характеристик вихревого способа и вихревой топки, реализующей этот способ. Этот результат достигается тем, что в способе сжигания твердого топлива в вихревой топке, в процессе которого в среднюю часть камеры сгорания вводят топливно-воздушную смесь несколькими струями и в нижнюю часть камеры сгорания вводят поток нижнего дутья, в результате чего образуется нижняя вихревая зона и прямоточная часть факела, в которых топливо сгорает в процессе многократной циркуляции, согласно изобретению, дополнительно вводят струи периферийного дутья таким образом, что они направлены под углом 0°<1° или 65°<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне и разделены на основные и вспомогательные, причем при снижении нагрузки количество движения в основных струях сохраняют, а во вспомогательных – уменьшают. 2 н. и 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, к области сжигания твердого топлива и может быть использовано, например, на тепловых электростанциях и в промышленных и отопительных котельных.

Известен способ сжигания топлива в вихревой камере сгорания (см., например, RU 2044218 С1, М.кл. F23С 5/24, оп.1995) путем подачи топливно-воздушной смеси в верхнюю часть камеры сгорания и вторичного воздуха – в нижнюю часть камеры сгорания, в котором подачу вторичного воздуха осуществляют двумя потоками. Этот способ обеспечивает повышение интенсивности процессов тепломассообмена при номинальной нагрузке вихревой топки, что повышает устойчивость воспламенения, например, при сжигании низкосортных (высоковлажных) топлив. Он также дает некоторое снижение воздействия эрозионно-опасных мелких частиц топлива на фронтовой скат вихревой топки. Кроме интенсификации тепломассообмена, в потоке вторичного воздуха способ обеспечивает пофракционное разделение частиц топлива, находящихся в нижней части камеры сгорания, уменьшает эрозионное воздействие потока вторичного воздуха на стенку камеры сгорания, вдоль которой он направлен. Взаимодействие двух потоков по границе их соприкосновения увеличивает турбулизацию движения воздуха в этих потоках и улучшает условия воспламенения и горения топлива в нижней части камеры сгорания.

Однако для этого способа характерны следующие недостатки.

При подаче крупных кусков топлива или при снижении скорости ввода нижнего дутья до уровня не больше 10…15 м/с, или при увеличении линейных размеров нижней вихревой зоны, энергии двух струй – горелочного топливно-воздушного потока и нижнего дутья – оказывается недостаточно для образования надежной многократной циркуляции горячих дымовых газов и горящих частиц топлива в нижней вихревой зоне. Частицы выпадают из потока по периферии нижней вихревой зоны на скаты топочной воронки, периодически накапливаясь на них, и процесс горения становится неустойчивым, пульсирующим. Струя нижнего дутья периодически отрывается от фронтового ската и перерождается в прямоточную струю. Это вызывает искажение аэродинамики нижней вихревой зоны, приводит к вырождению нижней вихревой зоны, что ведет к росту числа и размеров частиц, выносимых в прямоточную часть факела, уменьшает время пребывания частиц топлива в вихревой топке. Вследствие этого частицы не успевают выгореть, что приводит к увеличению механического недожога с уносом топлива. Провал топлива при этом также возрастает. Таким образом, ухудшаются экономические показатели работы вихревого способа сжигания.

При снижении нагрузки пропорционально уменьшаются абсолютные расходы воздуха и, следовательно, скорости топливно-воздушной смеси в горелках и в соплах нижнего дутья. Это приводит к уменьшению скоростных характеристик потоков, нарушению аэродинамики нижней вихревой зоны и всей топки, ухудшению инерционной сепарации частиц из первичного потока, выпадению из потока крупных частиц топлива в зоне нижнего дутья и к росту механического недожога с провалом топлива и уносом топлива. Это приводит к ухудшению экономических показателей вихревого способа сжигания. Увеличение доли нижнего дутья (для того чтобы восстановить скоростные характеристики нижнего дутья) приводит к увеличению общего избытка воздуха и к росту потерь тепла с уходящими газами, т.е. приводит к уменьшению КПД вихревого способа сжигания. Увеличение доли нижнего дутья переводит процесс горения в нижней вихревой зоне из восстановительной области в окислительную, что увеличивает образование оксидов азота в нижней вихревой зоне. Общее увеличение избытка воздуха еще больше повышает эмиссию оксидов азота, что приводит к ухудшению экологических показателей способа.

Нарушение многократной циркуляции газотопливного потока в нижней вихревой зоне приводит к тому, что оксиды серы, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив, лишь частично реагируют с «основными» окислами минеральной части топлива, такими как CaO, MgO. Это нарушение вызывает повышение концентрации оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, т.е. ухудшаются экологические показатели этого вихревого способа.

Известен способ работы топки (см., например, SU 483559 А1, М.кл. F23С 5/12, оп. 1975), в котором использован известный низкотемпературный вихревой способ сжигания твердого топлива.

Этот способ, принятый за прототип настоящего изобретения, характеризуется тем, что в верхней части (или средней части) топки введены струи топливно-воздушной смеси, подаваемые через горелки, наклоненные вниз, и в нижней ее части – струи вторичного воздуха (так называемое нижнее дутье) навстречу горелочной струе для создания вихревого потока с горизонтальной осью. С целью оптимизации режима работы на различных видах топлива изменяют соотношение скоростных характеристик потоков, выходящих из горелки, и сопла для обеспечения заданного распределения топлива по высоте топки.

За счет взаимодействия двух вышеназванных струй в топке образуется вихревая зона с горизонтальной осью. В вихревой зоне (нижней вихревой зоне) происходит многократная циркуляция горящих топливных частиц и горячих дымовых газов. Над нижней вихревой зоной располагается прямоточная часть факела. При этом мелкие частицы топлива горят в прямоточной части факела, а средние и крупные частицы горят в нижней вихревой зоне при многократной циркуляции. В процессе выгорания в нижней вихревой зоне средние и крупные частицы уменьшаются до размера, при котором они выносятся из нижней вихревой зоны в прямоточную часть факела.

Вследствие внутритопочной циркуляции газов и топлива в нижней вихревой зоне обеспечивается устойчивость воспламенения подаваемого в топку свежего топлива, интенсифицируется теплообмен, выравниваются поля температур и лучистых потоков по высоте и глубине топки, снижается общий уровень температур газов, уменьшается шлакование топочных поверхностей нагрева. Изменением скоростных характеристик струй топливно-воздушной смеси из горелок и нижнего дутья обеспечивают заданное распределение топлива по зонам топки, и как следствие, температуры газов в них, в том числе, температуры газов на выходе из топки. Способ обеспечивает более равномерное, чем при обычном пылеугольном способе, выгорание топлива по объему вихревой топки. Этот способ был назван низкотемпературным вихревым способом сжигания (НТВ-сжигание, НТВ-технология).

Однако в процессе эксплуатации также выявился ряд недостатков этого способа.

При увеличении линейных размеров нижней вихревой зоны, при снижении скорости ввода нижнего дутья до уровня не больше 10… 15 м/с или при подаче крупных кусков топлива энергии двух струй – горелочного топливно-воздушного потока и нижнего дутья – оказывается недостаточно для образования надежной многократной циркуляции горячих дымовых газов и горящих частиц топлива в нижней вихревой зоне. Частицы начинают выпадать из потока по периферии нижней вихревой зоны на скаты топочной воронки, периодически накапливаться на них и процесс горения становится неустойчивым, пульсирующим. Струя нижнего дутья периодически отрывается от фронтового ската и перерождается в прямоточную струю. Это вызывает искажение аэродинамики нижней вихревой зоны, приводит к вырождению нижней вихревой зоны, что ведет к росту числа и размеров частиц, выносимых в прямоточную часть факела, уменьшает время пребывания частиц топлива в вихревой топке. Вследствие этого частицы не успевают выгореть, что приводит к увеличению механического недожога с уносом топлива. Провал топлива при этом также возрастает. Таким образом, ухудшаются экономические показатели работы вихревой топки, что неоднократно наблюдалось в процессе ее эксплуатации на практике.

При снижении нагрузки (и сохранении общего избытка воздуха) снижаются пропорционально абсолютные расходы воздуха и, следовательно, скорости топливно-воздушной смеси в горелках и в соплах нижнего дутья. Это приводит к уменьшению скоростных характеристик потоков, нарушению аэродинамики нижней вихревой зоны и всей топки, ухудшению инерционной сепарации частиц из первичного потока, выпадению из потока крупных частиц топлива в зоне нижнего дутья и к росту механического недожога с провалом топлива и уносом топлива. Это приводит к ухудшению экономических показателей вихревого способа сжигания. Увеличение доли нижнего дутья (для того чтобы восстановить скоростные характеристики нижнего дутья) приводит к увеличению общего избытка воздуха и к росту потерь тепла с уходящими газами, т.е. приводит к уменьшению КПД вихревого способа сжигания.

Увеличение доли нижнего дутья переводит процесс горения в нижней вихревой зоне из восстановительной области в окислительную, что безусловно увеличивает образование оксидов азота в нижней вихревой зоне. Общее увеличение избытка воздуха в вихревом способе еще больше повышает эмиссию оксидов азота, что приводит к ухудшению экологических показателей способа.

Нарушение многократной циркуляции газотопливного потока в нижней вихревой зоне приводит к тому, что оксиды серы, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив, лишь частично реагируют (связываются) с «основными» окислами минеральной части топлива, такими как CaO, MgO. Это нарушение вызывает повышение концентрации оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, т.е. ухудшаются экологические показатели вихревого способа.

Известна вихревая топка (см., например, RU 2253799 С1, М. кл. Р23С 5/24, оп. 2005), содержащая камеру сгорания, включающая стенки, переходящие в нижней части в воронку, по меньшей мере, одну горелку, вмонтированную в стенку, и установленное в нижней части воронки сопловое устройство для подачи воздуха в топку, содержащее два сопла, одно из сопел направлено на внутреннюю поверхность воронки, расположенную со стороны горелки под углом 65°1°, а второе сопло ориентировано так, что угол между продольными осями обоих сопел составляет 75°5° в плоскости, перпендикулярной внутренней поверхности воронки со стороны горелки. По меньшей мере, одно из сопел может быть выполнено секционным.

Это техническое решение, принятое за прототип настоящего изобретения, обеспечивает повышение интенсивности процессов тепломассообмена при номинальной нагрузке вихревой топки, что повышает устойчивость воспламенения, например, при сжигании низкосортных(высоковлажных) топлив. Оно также дает некоторое снижение воздействия эрозионно-опасных мелких частиц топлива на фронтовой скат вихревой топки.

К недостаткам этого устройства относятся:

При подаче крупных кусков топлива в вихревую топку, или при увеличении линейных размеров вихревой топки, или при пониженных скоростях в соплах нижнего дутья (до 10…15 м/с) энергии двух струй – струй топливно-воздушного смеси из горелок и струй нижнего дутья – оказывается недостаточно для образования надежной многократной циркуляции горячих дымовых газов и горящих частиц топлива в нижней вихревой зоне. Частицы начинают выпадать из потока по периферии нижней вихревой зоны на скаты топочной воронки, периодически накапливаться на них и процесс горения становится неустойчивым, пульсирующим. Струя из сопел нижнего дутья периодически отрывается от фронтового ската и перерождается в прямоточную струю. Это вызывает искажение аэродинамики нижней вихревой зоны, приводит к вырождению нижней вихревой зоны, что ведет к росту числа и размеров частиц, выносимых в прямоточную часть факела, уменьшает время пребывания частиц топлива в вихревой топке. Вследствие этого частицы не успевают выгореть, что приводит к увеличению механического недожога с уносом топлива. Провал топлива при этом тоже возрастает. Таким образом, ухудшаются экономические показатели работы вихревой топки.

При поступлении в вихревую топку топлива с ухудшенными характеристиками (повышенной влажностью и зольностью и пониженной теплотой сгорания) возникают пульсации газотопливного потока, вызванные более поздним зажиганием топлива и недостатком окислителя в районе сепарации частиц у задней стены топки. Это приводит к ухудшению экономических и экологических показателей котла.

При снижении нагрузки вихревой топки (частичная нагрузка) или изменении характеристик сжигаемого топлива (например, угрубление помола топлива) выдержать оптимальное количество движения струй, определяющих аэродинамику нижней вихревой зоны, не представляется возможным. При снижении нагрузки и сохранении общего избытка воздуха снижаются пропорционально абсолютные расходы воздуха, и следовательно, скорости в горелках и в соплах нижнего дутья. Это приводит уменьшению скоростных характеристик потоков, уменьшению турбулентности газотопливных потоков, нарушению аэродинамики нижней вихревой зоны и всей топки, ухудшению инерционной сепарации частиц из первичного потока, выпадению из потока крупных частиц топлива в зоне нижнего дутья и к росту механического недожога с провалом топлива и уносом топлива. Это приводит к ухудшению экономических показателей вихревой топки. Увеличение доли нижнего дутья (для того чтобы восстановить скоростные характеристики нижнего дутья) приводит к увеличению общего избытка воздуха и к росту потерь тепла с уходящими газами, т.е. приводит к уменьшению КПД брутто вихревой топки, к уменьшению ее экономических показателей. Увеличение доли нижнего дутья переводит процесс горения в нижней вихревой зоне из восстановительной области в окислительную, что безусловно увеличивает образование оксидов азота в нижней вихревой зоне. Общее увеличение избытка воздуха в вихревой топке еще больше повышает эмиссию оксидов азота, что приводит к ухудшению экологических показателей вихревой топки.

Нарушение многократной циркуляции газотопливного потока в нижней вихревой зоне вихревой топки приводит к тому, что оксиды серы, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив, лишь частично реагируют (связываются) с «основными» окислами минеральной части топлива, такими как CaO, MgO. Это нарушение вызывает повышение концентрации оксидов серы в дымовых газах вихревой топки, выбрасываемых в атмосферу, т.е. ухудшаются экологические показатели вихревой топки.

Техническим результатом изобретения для способа и устройства, его реализующего, является улучшение выгорания топлива в вихревом способе сжигания твердого топлива при номинальной и частичных нагрузках, понижение потерь тепла с механическим недожогом топлива и повышение КПД, уменьшение эмиссии оксидов азота и серы, т.е. повышение экономических и экологических характеристик вихревого способа сжигания.

Данный технический результат достигается тем, что в способе сжигания твердого топлива в вихревой топке, в процессе которого вводят топливно-воздушную смесь несколькими струями в среднюю часть камеры сгорания и поток нижнего дутья в нижнюю часть камеры сгорания, образуется нижняя вихревая зона и прямоточная часть факела, в которых топливо сгорает в процессе многократной направлению потока в нижней вихревой зоне и разделены на основные и вспомогательные, причем при снижении нагрузки количество движения в основных струях сохраняют, а во вспомогательных – уменьшают. Кроме того, в струи периферийного дутья дополнительно вводят присадки, которые связывают оксиды серы.

В указанные струи дополнительно вводят газы рециркуляции, что уменьшает эмиссию оксидов азота и расширяет диапазон регулирования способа.

В вихревой топке, реализующей предлагаемый способ сжигания твердого топлива по п.1,технический результат достигается тем, что вихревая топка содержит камеру сгорания с призматической топочной воронкой, имеющей внизу щелевое устье, образованное вертикальными боковыми стенами и наклонными фронтовой и задней стенами камеры сгорания, горелку для подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания с устройством ввода нижнего дутья, в которой топливо сгорает в процессе многократной циркуляции, дополнительные сопла периферийного дутья, расположенные по периферии нижней вихревой зоны, причем оси их направлены под углом 0°<1° или 65°<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне, указанные сопла выполнены в виде основных и вспомогательных, сопла периферийного дутья дополнительно соединены с системой ввода присадок, которые связывают оксиды серы, указанные сопла соединены с системой рециркуляции дымовых газов.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения способ сжигания твердого топлива и устройство, реализующее указанный способ в вихревой топке, приобретает новые свойства: улучшается выгорание топлива благодаря ступенчатому сжиганию путем введения нескольких струй периферийного дутья, направленных под углами 0°<1° или 65°<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне, что позволяет повысить КПД сгорания топлива. Струи периферийного дутья функционально разделены на основные и вспомогательные и при снижении нагрузки количество движения в основных струях сохраняют, а во вспомогательных – уменьшают. Это позволяет сохранить условия выгорания при снижении нагрузки и уменьшить эмиссию оксидов азота. В струи периферийного дутья дополнительно вводят присадки, которые связывают оксиды серы, что позволит уменьшить концентрацию оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу. В струи периферийного дутья дополнительно вводят газы рециркуляции, что расширяет диапазон регулирования способа и уменьшает эмиссию оксидов азота.

Устройство, реализующее указанный способ в вихревой топке, приобретает новые свойства: улучшается выгорание топлива в вихревой зоне топки благодаря установке сопел периферийного дутья, оси которых расположены под углами 0°<1° или 65°<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне, что позволяет повысить КПД сгорания топлива. Сопла периферийного дутья функционально разделены на основные и вспомогательные, причем при снижении нагрузки количество движения в основных соплах сохраняют, а во вспомогательных – уменьшают. Это позволяет сохранить условия выгорания при снижении нагрузки и уменьшить эмиссию оксидов азота. Сопла периферийного дутья дополнительно соединены с системой ввода присадок, которые связывают оксиды серы, что позволит уменьшить концентрацию оксидов серы в дымовых с системой ввода газов рециркуляции, что расширяет диапазон регулирования вихревой топки и уменьшает эмиссию оксидов азота.

Сущность предлагаемого способа сжигания твердого топлива в вихревой топке поясняется схемой, изображенной на чертеже (продольный разрез вихревой топки). Способ сжигания твердого топлива реализуется в вихревой топке, которая содержит камеру сгорания 1, в которой образуется нижняя вихревая зона 2 и прямоточная часть 3 факела. Камера сгорания 1 образована фронтовой 4, задней 5 и боковыми стенами 6. На фронтовой стене 4 (или задней стене 5, или боковых стенах 6) организованы, по меньшей мере, один (или несколько) вводов 7 струй топливно-воздушной смеси. Сверху, сбоку или снизу от ввода 7 топливно-воздушной смеси подают струи 8 вторичного воздуха. Фронтовая 4 и задняя 5 стены камеры сгорания 1 в нижней части изогнуты так, что образуют топочную воронку 9 призматической формы, наклонные части которой называются скатами топочной воронки: фронтовой скат 10 и задний скат 11. Боковые стены 6 камеры сгорания 1 выполняют обычно вертикальными. В нижней части топочной воронки 9 имеется щелевое устье 12 для вывода шлака. Ниже устья 12 расположен ввод струй 13 воздуха нижнего дутья.

На фронтовой 4 и задней 5 стенах камеры сгорания 1 и скатах топочной воронки 10 и 11 дополнительно введены струи 14 периферийного дутья для организации ступенчатого подвода воздуха по периферии нижней вихревой зоны и организации ступенчатого сжигания топлива. Струи 14 периферийного дутья введены под некоторыми углами 0°<1° или 65°<90° к направлению потока газов в нижней вихревой зоне 2 (по периметру нижней вихревой зоны); например, на заднем скате 11 топочной воронки 9, или над струями 13 нижнего дутья на фронтовой стене 4 и т.д.

Каждая из струй 14 периферийного дутья функционально разделена на основную 15 и вспомогательную 16. При необходимости в струи 14 периферийного дутья могут быть дополнительно введены минеральные добавки (СаО и MgO), а также – газы рециркуляции.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Топливно-воздушная смесь (например, из системы приготовления топлива) подается с помощью струй 7 наклонно в камеру сгорания 1, при этом количество движения (произведение массы на скорость – mW) выбирается таким, чтобы обеспечить распределение частиц топлива по высоте камеры сгорания 1 при номинальной нагрузке. При движении в криволинейном потоке горелочной струи происходит инерционное и гравитационное разделение фракций топлива по высоте струи. При этом мелкие частицы, у которых сила аэродинамического сопротивления больше силы инерции, двигаются вместе с горелочной струей, образуя прямоточную часть 3 факела. Средние и крупные частицы топлива, у которых силы инерции и гравитации больше силы аэродинамического сопротивления смещаются в нижнюю часть горелочной струи и затем у задней стены 5 сепарируются (первичная сепарация) в нижнюю вихревую зону 2 на задний скат 11 (нисходящая часть нижней вихревой зоны). Нижняя часть горелочной струи в зоне сепарации имеет повышенную (против первоначальной) концентрацию топлива и обеднена кислородом вследствие выгорания топлива. Здесь локально образуется восстановительная атмосфера и уменьшается эмиссия оксидов азота, однако, при этом ухудшается выгорание топлива. Крупные частицы, у которых скорость витания больше скорости несущего потока, концентрируются на периферии нижней вихревой зоны, где и происходит их термическая подготовка, а в некоторых случаях и – терморазмол. В результате терморазмола появляются средние и мелкие частицы топлива, которые вовлекаются в процесс многократной циркуляции в нижней вихревой зоне.

Для локального восстановления скорости горения топливных частиц дополнительно вводят струи 14 периферийного дутья. Они могут располагаться, как показано на чертеже, на задней стене 5, на заднем скате 11 топочной воронки 9, над струями 13 нижнего дутья, на фронтовом скате 10, на вертикальном участке фронтовой стены 4 (под струями 7 топливно-воздушной смеси) и т.д. Углы ввода струй 14 периферийного дутья выбираются от 0°<1° до 65°<90° в зависимости от гранулометрического состава топлива и скоростных характеристик потока в нижней вихревой зоне в месте ввода струй периферийного дутья.

Расход периферийного дутья в струях 14 выбирается так, чтобы кислородная зона по длине не превышала половины участка до места ввода следующей струи 14 периферийного дутья. Например, рассмотрим зону в районе периферийного дутья над задним скатом 11. Расход периферийного дутья над задним скатом 11 выбирается таким, чтобы его хватило для образования кислородной зоны до половины заднего ската 11. Вторая половина заднего ската 11 имеет восстановительную атмосферу, в которой локально происходит снижение эмиссии оксидов азота. Это снижение происходит за счет понижения локальной температуры в зоне горения топлива, ступенчатого ввода воздуха, локального понижения концентрации кислорода, разложения оксидов азота на поверхности коксовых частиц и реагирования оксидов азота с окисью углерода и углеводородами на участках нижней вихревой зоны с восстановительной атмосферой. Однако при этом выгорание топлива замедляется на второй половине половины заднего ската 11. Необходимо ввести новую порцию воздуха со струями 14 периферийного дутья над струями 13 нижнего дутья. И так далее.

Угол ввода струй 14 периферийного дутья осуществляется так, чтобы в нисходящей ветви нижней вихревой зоны вдоль заднего ската 11 в газотопливном потоке образовались поперечные градиенты концентраций топлива и кислорода. Применив декартову систему координат, в которой ось «Y» направлена противоположно силе тяжести (mg), напишем уравнение движения частицы с учетом только двух сил – силы аэродинамического сопротивления (0,5·c·f·_п·(W-V)·[(W-V)²+(W-V)²]^0,5) и силы тяжести – в проекциях на оси «X» и «Y»:

m(dV_x/d)=0,5·c·f·_п·(W_x-V_x)·[(W_x-V_x)²+(W_y-V_y)²]^0,5;

m(dV_y/d)=0,5·c·f·_п·(W_y-V_y)·[(W_y-V_y)²+(W_y-V_y)²]^0,5-mg;

где m – масса частицы; dV_x/d – градиент скорости частицы; с – коэффициент лобового сопротивления и f – поперечное сечение частицы; _п -плотность потока; W_x,y, V_x,y – скорости потока и частицы по соответствующим осям координат; g – ускорение свободного падения.

По расчетам максимум концентрации топлива располагается ближе к экрану, максимум концентрации кислорода – дальше от экрана, причем положение этих максимумов зависит от количества движения потоков и гранулометрического состава топлива. Такое разделение максимумов позволяет уменьшить образование (эмиссию) оксидов азота. Это подтверждено в эксплуатации при прямых замерах полей концентраций кислорода и топлива по периферии нижней вихревой зоны. Места ввода струй периферийного дутья и количество движения в них выбирают в зависимости от гранулометрического состава подаваемого топлива так, чтобы получить хорошее выгорание при минимуме образования оксидов азота при номинальной нагрузке.

При дальнейшем движении частицы топлива попадают в струю 13 воздуха нижнего дутья, что локально повышает скорость горения топлива. Расход воздуха в струях 13 нижнего дутья выбирается, исходя прежде всего из гранулометрического состава исходного топлива и количества отсепарированного в нижнюю вихревую зону 2 топлива. Кроме того, расход воздуха нижнего дутья выбирается так, чтобы кислородная зона по длине не превышала половины фронтового ската 10. Вторая половина фронтового ската 10 имеет восстановительную атмосферу, в которой опять локально происходит снижение эмиссии оксидов азота. Однако выгорание топлива при этом снова замедляется. Необходимо ввести новую порцию воздуха с периферийным дутьем в конце фронтового ската 10. И так далее.

Частицы топлива, частично выгоревшие в нижней вихревой зоне 2, у которых скорость витания меньше скорости газотопливного потока, двигаются в восходящей ветви нижней вихревой зоны 2 вверх и попадают в струю 7 топливно-воздушной смеси, выходящей из горелок. В этой зоне происходит вторичная сепарация частиц в сносящем потоке и частицы начинают двигаться вместе с топливно-воздушным потоком к задней стене 5 камеры сгорания 1, а некоторые наиболее крупные частицы, имеющие большую инерцию (скорость) «пробивают» поток топливно-воздушной смеси.

Для анализа процесса сепарации используем приведенные выше уравнения движения. Если силы инерции и веса частицы оказываются больше, чем сила аэродинамического сопротивления, то частица вновь сепарируется у задней стены 5 в нижнюю вихревую зону 2 и последовательно проходит описанный выше путь. Таким образом, частицы начинают циркулировать по контуру нижней вихревой зоны 2, прижимаясь к периферии нижней вихревой зоны. Ступенчатое введение струй 14 периферийного дутья способствует выгоранию частиц. Благодаря такой аэродинамике в центральной области нижней вихревой зоны 2 также создается восстановительная атмосфера, способствующая снижению эмиссии оксидов азота.

При снижении нагрузки системы регулирования вихревой топки обычно уменьшают количество подаваемого воздуха, при этом соответственно снижаются скорости ввода воздуха всех струй, в том числе, и периферийных, которые определяют возможность сепарации частиц топлива из потока дымовых газов. Еще больше снижается количество движения по струям вводимого воздуха (количество движения – произведение массы струи на ее скорость – mW). Для поддержания скорости периферийных струй 14 каждую из них дополнительно разделяют на основную 15 и вспомогательную 16. При снижении нагрузки количество движения в основных струях 15 сохраняют, т.е. сохраняют скорость и массу дутья, поступавшего в них, тем самым сохраняют условия поддержания стабильности потока в нижней вихревой зоне 2 и выгорания и сепарации частиц топлива в нижней вихревой зоне 2. Во вспомогательных периферийных струях 16 расход дутья уменьшают пропорционально нагрузке. Таким образом, сохраняются условия выгорания частиц и образования оксидов азота.

Устойчивая многократная циркуляция топливных и золовых частиц в нижней вихревой зоне 2 на номинальной и частичных нагрузках позволяет резко увеличить время реагирования оксидов серы с активными компонентами минеральной части топлива, например, с СаО и MgO, что снижает концентрацию свободных оксидов серы в дымовых газах. При недостатке в минеральной части топлива таких связывающих компонентов (СаО и MgO) можно дополнительно ввести в струи 14 периферийного дутья или в струи 7 топливно-воздушной смеси минеральные добавки, связывающие оксиды серы. Это дополнительно снижает концентрацию оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, на 20…30%.

В основные 15 или во вспомогательные 16 струи периферийного воздуха вводят дополнительно газы рециркуляции. Это позволяет четче организовать зоны с восстановительной атмосферой для дальнейшего снижения эмиссии оксидов азота. При снижении нагрузки (частичные нагрузки) во вспомогательные струи 16 можно ввести газы рециркуляции, заменив ими частично воздушное дутье, что сохранит количество движения в периферийных струях 14 и условия сепарации частиц топлива в нижней вихревой зоне. При этом расширяется диапазон регулирования способа и также уменьшается эмиссии оксидов азота. Дополнительное снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, за счет ввода газов рециркуляции, может достигать 15…20%.

Продукты неполного горения и мелкие частицы топлива и кокса догорают в прямоточной части 3 факела за счет ввода струй 8 вторичного воздуха. Количество воздуха, подаваемое в зону прямоточную часть 3 факела, выбирается так, чтобы создать в прямоточной части факела окислительную атмосферу.

Вихревая топка, реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом:

Струи 7 топливно-воздушной смеси, например, из системы приготовления топлива, подают через горелку 17 наклонно в камеру сгорания 1, при этом количество движения выбирается таким, чтобы обеспечить распределение частиц топлива по высоте камеры сгорания 1 при номинальной нагрузке. На линии подачи топливно-воздушной смеси в горелки 17 могут быть установлены широко применяемые в энергетике устройства для регулирования соотношения топливо-воздух и устройства для регулирования гранулометрического состава. При движении в криволинейном потоке горелочной струи происходит инерционное и гравитационное разделение фракций топлива по высоте струи. При этом мелкие частицы, у которых сила аэродинамического сопротивления больше силы инерции, двигаются вместе с горелочной струей, образуя прямоточную часть 3 факела. Средние и крупные частицы топлива, у которых силы инерции и гравитации больше силы аэродинамического сопротивления, смещаются в нижнюю часть горелочной струи и затем у задней стены 5 сепарируются (первичная сепарация) в нижнюю вихревую зону 2 на задний скат 11 (нисходящая часть нижней вихревой зоны). Нижняя часть горелочной струи в зоне сепарации имеет повышенную по сравнению с первоначальной концентрацию топлива и обеднена кислородом вследствие выгорания топлива. Здесь локально образуется восстановительная атмосфера и уменьшается эмиссия оксидов азота, однако, при этом ухудшается выгорание топлива.

Для локального ускорения выгорания топлива в нижней вихревой зоне 2 предлагается дополнительно установить сопла 18 подачи струй 14 периферийного воздуха так, чтобы на периферии нижней вихревой зоны чередовались области с окислительной и восстановительной атмосферой. В зонах установки указанных сопел 18 периферийного воздуха интенсифицируется выгорание топлива, локально повышается температура горения и кислород струи быстро расходуется на относительно коротком участке. Таким образом, за окислительным участком следует участок с восстановительной атмосферой, на котором происходит понижение температуры газов и разложение ранее образовавшихся оксидов азота на поверхности коксовых частиц (запаздывание реакции). На восстановительном участке при выходе летучих из топливных частиц происходит рекомбинация активных атомов азота в нейтральные молекулы азота. Благодаря чередованию окислительных и восстановительных участков осуществляется ступенчатое сжигание топлива при одновременной его термической подготовке. Например, для локального восстановления скорости горения топливных частиц дополнительно устанавливают сопла 18 для ввода струй 14 периферийного дутья. Они могут быть установлены на вертикальном участке задней стены 5, на заднем скате 11 топочной воронки 9, над соплами 19 подачи струй 13 нижнего дутья, на фронтовом скате 10, на вертикальном участке фронтовой стены 4(под горелками 17) и т.д. Расход периферийного дутья через сопла 18 выбирают так, чтобы кислородная зона по длине не превышала половины участка до места установки следующего сопла 18 периферийного дутья. Например, расход периферийного дутья из сопла 18 над задним скатом 11 выбирают таким, чтобы его хватило для образования кислородной зоны до половины заднего ската 11. Вторая половина заднего ската 11 имеет восстановительную атмосферу, в которой локально происходит снижение эмиссии оксидов азота. Это снижение происходит за счет понижения локальной температуры в зоне горения топлива; ступенчатого ввода воздуха, локального понижения концентрации кислорода, разложения оксидов азота на поверхности коксовых частиц и реагирования оксидов азота с окисью углерода и углеводородами на участках с восстановительной атмосферой. Однако при этом выгорание топлива замедляется на второй половине половины заднего ската 11. Необходимо ввести новую порцию струй 14 воздуха через сопла 18 периферийного дутья над соплами 19 нижнего дутья. И так далее.

Угол ввода сопел 18 подачи струй 14 периферийного дутья выбирают так, чтобы в нисходящей ветви нижней вихревой зоны вдоль заднего ската 11 в газотопливном потоке образовались поперечные градиенты концентраций топлива и кислорода. По расчетам, проведенным по выше приведенной методике, максимум концентрации топлива располагается ближе к экрану, максимум концентрации кислорода – дальше от экрана. Такое разделение максимумов позволяет уменьшить образование (эмиссию) оксидов азота. Расположение сопел 18 ввода периферийного дутья и количество движения в них выбирают в зависимости от гранулометрического состава подаваемого топлива так, чтобы получить хорошее выгорание при минимуме образования оксидов азота при номинальной и частичных нагрузках. При дальнейшем движении частицы топлива попадают в зону действия сопел 19 для струй 13 нижнего дутья, что локально повышает скорость горения топлива. Расход воздуха нижнего дутья выбирается, исходя прежде всего из гранулометрического состава исходного топлива и количества отсепарированного в нижней вихревой зоне 2 топлива. Кроме того, расход воздуха через сопла 19 нижнего дутья выбирается так, чтобы кислородная зона за соплами по длине не превышала половины фронтового ската 10. Вторая половина фронтового ската 10 имеет восстановительную атмосферу, в которой опять локально происходит снижение эмиссии оксидов азота. Однако выгорание топлива при этом снова замедляется. Необходимо ввести новую порцию воздуха через сопла 19 периферийного дутья в конце фронтового ската 10. И так далее.

Частицы топлива, частично выгоревшие в нижней вихревой зоне 2, у которых скорость витания меньше скорости газотопливного потока, двигаются в восходящей ветви нижней вихревой зоны 2 вдоль фронтового ската 10 вверх и попадают зону действия горелок 17 с топливно-воздушной смесью. В этой зоне происходит вторичная сепарация частиц. Для анализа процесса сепарации используем приведенные выше уравнения движения. Если силы инерции и веса частицы оказываются больше, чем сила аэродинамического сопротивления, то частица вновь сепарируется у задней стены 5 вихревой топки в нижней вихревой зоне 2 и последовательно проходит описанный выше путь. Частицы циркулируют по контуру нижней вихревой зоны 2, прижимаясь к периферии нижней вихревой зоны 2, а установка сопел 18 периферийного дутья способствует выгоранию частиц. Благодаря такой аэродинамике в центральной области нижней вихревой зоны 2 также создается восстановительная атмосфера, способствующая снижению эмиссии оксидов азота. При такой ступенчатой установке сопел 18 нижнего дутья появляется возможность дополнительно осуществить процесс сжигания топлива при температуре ниже температуры шлакования, т.е. исключить шлакование топки.

Каждое сопло 18 периферийного воздуха функционально разделено на основное 20 и вспомогательное 21 сопла. Основное сопло 20 обеспечивает стабильность многократной циркуляции газо-топливного потока в нижней вихревой зоны при номинальной и частичных нагрузках котла, расход и скорость воздуха в нем постоянны. Расход воздуха через вспомогательные сопла 21 уменьшают пропорционально снижению нагрузки. Таким образом, предлагаемый ступенчатый ввод периферийного воздуха через сопла 20 и 21 позволяет при изменении нагрузки (или характеристик топлива) подобрать оптимальный режим работы нижней вихревой зоны – при минимальных потерях тепла с механическим недожогом топлива и минимально возможном уровне образования оксидов азота. Каждое из сопел 20 и 21 снабжено стандартными устройствами для регулирования расхода среды через него.

Вихревая топка обеспечивает многократную циркуляцию газотопливного потока в нижней вихревой зоне 2, при этом оксиды серы, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив, реагируют с «основными» окислами минеральной части топлива, такими как CaO, MgO. Чередование окислительных и восстановительных зон на периферии нижней вихревой зоны 2 способствует связыванию оксидов серы минеральной частью топлива, благодаря чему понижается концентрация оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу. При недостатке CaO и MgO в минеральной части топлива целесообразно через основные 20 или вспомогательные 21 сопла вводить в нижнюю вихревую зону 2 связывающие добавки (например, CaO, MgO) из системы ввода связывающих добавок. Это позволит дополнительно уменьшить концентрацию оксидов серы примерно на 15…20%. Каждое из сопел 20 и 21 снабжено стандартным устройством, регулирующим расход связывающих добавок (CaO, MgO).

В основные 20 или вспомогательные 21 сопла периферийного воздуха целесообразно подать газы рециркуляции, что позволит четче организовать зоны с восстановительной и окислительной атмосферой и дополнительно снизить образование оксидов азота на 15…20%. Расход газов рециркуляции через сопла 20 и 21 не должен суммарно превышать 20% от общего расхода газов в вихревой топке, так как в противном случае возможна нехватка кислорода для горения частиц топлива и увеличение потерь тепла с механическим недожогом топлива. Система рециркуляции дымовых газов дополнительно расширяет диапазон регулирования вихревой топки по нагрузкам. При снижении нагрузки расход воздуха в периферийных соплах пропорционально уменьшают и одновременно увеличивают расход газов рециркуляции в этих соплах так, чтобы сохранить количество движения в периферийных соплах, необходимое для обеспечения многократной циркуляции в нижней вихревой зоне. Система рециркуляции дымовых газов снабжена стандартными устройствами регулирования расхода и температуры газов рециркуляции.

В нижней вихревой зоне создают в целом восстановительную атмосферу. При этом концентрация оксидов азота уменьшается за счет локального понижения температуры в зоне горения топлива; ступенчатого ввода воздуха с помощью периферийного дутья, локального понижения концентрации кислорода, разложения оксидов азота на поверхности коксовых частиц, а также реагирования оксидов азота с окисью углерода и углеводородами на восстановительных участках нижней вихревой зоны.

Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике, для промышленных и отопительных котельных, в широком диапазоне изменения характеристик твердого топлива, позволяет повысить КПД вихревого способа сжигания и КПД вихревых топок, реализующих этот способ. Кроме этого, изобретение понижает эмиссию оксидов азота и увеличивает связывание оксидов серы, что повышает экологические характеристики способа и вихревой топки.

Формула изобретения

1. Способ сжигания твердого топлива в вихревой топке, в процессе которого вводят топливно-воздушную смесь несколькими струями в среднюю часть камеры сгорания и поток нижнего дутья в нижнюю часть камеры сгорания, в результате чего образуется нижняя вихревая зона и прямоточная часть факела, в которых топливо сгорает в процессе многократной циркуляции, отличающийся тем, что дополнительно вводят струи периферийного дутья таким образом, что они направлены под углом в диапазоне 0а<1° или 65<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне и разделены на основные и вспомогательные, причем при снижении нагрузки количество движения в основных струях сохраняют, а во вспомогательных уменьшают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в струи периферийного дутья дополнительно вводят присадки, которые связывают оксиды серы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в струи периферийного дутья вводят газы рециркуляции.

4. Вихревая топка, реализующая способ сжигания твердого топлива по п.1, содержащая камеру сгорания с призматической топочной воронкой, имеющей внизу щелевое устье, образованное вертикальными боковыми стенами и наклонными фронтовой и задней стенами камеры сгорания, горелку для подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания с устройством ввода нижнего дутья, в которой топливо сгорает в процессе многократной циркуляции, и дополнительными соплами периферийного дутья, расположенными по периферии нижней вихревой зоны, причем оси их направлены под углом 0<1° или 65<90° к направлению потока в нижней вихревой зоне, и указанные сопла выполнены в виде основных и вспомогательных.

5. Вихревая топка по п.4, отличающаяся тем, что сопла периферийного дутья дополнительно соединены с системой ввода присадок, которые связывают оксиды серы.

6. Вихревая топка по п.4, отличающаяся тем, что указанные сопла соединены с системой рециркуляции дымовых газов.

РИСУНКИ